构造煤渗透率对温度变化响应规律的试验研究

针对含瓦斯构造煤渗透率与温度变化关系,利用自主研发的含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展不同应力条件下含瓦斯构造煤原煤样的渗透率与温度变化的试验研究。试验结果表明：（1）在试验温度变化过程中,构造煤样渗透率随温度升高而降低,渗透率与温度变化呈现负指数函数分布规律;（2）在试验温度变化过程中,构造煤渗透率损失率与有效应力符合Boltzmann分布,渗透率损失率存在有效应力门槛值大约为4.515 MPa。渗透率变化主要分为渗透率加速变化与平稳变化两个阶段,构造煤样渗透率从加速阶段过渡到平稳变化温度大约为45 ℃;（3）在温度21～80 ℃范围内,渗透率敏感性系数数量级为10-2,温度变化对构造煤样渗透率影响不显著。同时,有效应力的增加使得温度敏感性系数降低。     

深部煤储层应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响

深部煤储层处于高地应力环境中,其渗透率变化特征与浅部存在较大差异,为研究有效应力对深部煤储层渗透率的差异性影响,以及应力敏感性各向异性特征,以沁水盆地横岭区块15号煤层为研究对象,采样深度1 200~1 700 m,采用覆压孔渗实验,开展平行层理和垂直层理样品在不同有效应力下的渗透率变化规律研究,探究其应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响。结果表明:渗透率随有效应力的增加呈幂指函数降低,平行层理面渗透率总体高于垂直层理面,且在2个方向上渗透率变化规律呈正相关性。选取储层孔裂隙压缩系数、渗透率损害率和渗透率曲率3个参数作为煤储层应力敏感性评价指标,其中,孔裂隙压缩系数随有效应力增加,以5 MPa为界限先后呈现正相关性和负相关性,渗透率损害率和渗透率曲率分别与有效应力呈指数上升和下降的规律。基于应力敏感性参数,推导出煤层气井产能模型,模型显示,不考虑应力敏感性的气井产量高于考虑应力敏感性,揭示了应力敏感性对煤层气产量的影响程度,即在5 MPa生产压差下,气井的产量降低幅度随应力敏感性系数的增大整体呈增高趋势。针对应力敏感性的阶段划分,研究区目标煤层在煤层气排采过程中应采用小–中–大的排采方案来控制生产流量。      

煤岩应力敏感性的有限元数值模拟

利用有限元软件对比了煤岩与砂岩的裂缝界面应变分布规律。有限元法模拟表明:煤岩与砂岩的应力分布有较大差异,煤岩裂缝的最大应变约为砂岩裂缝最大应变的25倍,且煤岩裂缝更容易闭合;结合煤岩裂缝在不同有效应力条件下的应变规律,给出了渗透率随有效应力变化的拟合公式。参照砂岩应力敏感实验程序,对不同围压下煤岩渗透率变化规律的实验研究发现,渗透率拟合公式计算值与实验实测值变化趋势一致,部分煤样渗透率实验值与预测值平均误差小于10%,拟合精度高。研究结果对预测实际煤岩的渗透率和不同有效应力下煤岩渗透率的变化规律具有较高的实用价值。      

深层高压低渗砂岩油藏应力敏感性实验

为探讨深层高压低渗砂岩油藏储层的应力敏感问题,将取自渤海湾盆地东濮凹陷的深层低渗油藏样品进行了液体、气体应力敏感性实验;研究中以渗透率损害系数、渗透率损害率、不可逆渗透率损害率作为应力敏感性评价指标。研究结果表明,研究区深层高压低渗砂岩油藏储层为弱应力敏感,沙三段样品渗透率损害系数、渗透率损害率均高于沙二段样品,沙三段储层应力敏感性高于沙二段储层应力敏感性。气体应力敏感性实验的渗透率损害率整体高于液体应力敏感性实验的渗透率损害率,气体、液体应力敏感性实验所测得的不可逆渗透率损害率基本一致。     

不同温度下孔隙压力对煤岩渗流特性的影响机制

在深部煤层瓦斯抽采过程中,地温较高且孔隙压力逐渐降低,而目前综合考虑温度和孔隙压力对煤岩渗透特性耦合作用的研究较少.利用自主研发的出口端压力可调的三轴渗流装置,以贵州矿区原煤试件为研究对象,进行不同温度下改变孔隙压力的渗流试验,并建立了考虑温度的渗透率匹配模型.研究表明,煤岩渗透率随孔隙压力增大按指数函数减小;煤岩渗透率随压差的增大而减小,随温度的升高而降低,在不同的温度状态下,渗透率的下降速率和变化幅度有所不同.在模拟瓦斯开发的物理试验中,压差应尽量小,减少其误差,为建立不同边界条件的渗透率模型提供帮助;随温度的升高,温度突变系数呈增大的趋势;随孔隙压力的增大,温度突变系数呈减小的趋势.温度突变系数在整个阶段不为常数,且割理压缩系数可变,这两个特征更能真实地匹配模型,反映瓦斯的开发过程.      

有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。      

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

循环加卸载作用下预制裂隙煤样渗透性试验研究

应用三轴加载煤岩渗流试验装置,对预制贯通裂隙煤样开展循环加卸载轴压渗透率试验,分析循环加卸载轴压作用下预制裂隙煤样渗透率的变化规律及其之间的差异。研究结果表明：预制裂隙煤样渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率对应力敏感性随加卸载次数增加而降低。加载阶段渗透率差值与卸载阶段渗透率差值随加卸载次数增加而降低,渗透率差值与应力敏感性系数呈正相关性。加载阶段与卸载阶段渗透率存在明显差值,渗透率产生明显损失量,其随加卸载次数增加而降低。竖直裂隙煤样渗透率与应力敏感性系数明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透性与完整煤样渗透性相差不大,但水平裂隙煤样应力敏感性系数高于完整煤样。竖直裂隙煤样渗透率差值与渗透率损失量明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透率差值高于完整煤样,但两者渗透率损失量相差不大。循环加卸载轴压结束后,完整煤样渗透率损失率最大,水平裂隙煤样渗透率损失率居中,竖直裂隙煤样渗透率损失率最小;竖直裂隙煤样渗透率恢复率最大,水平裂隙煤样渗透率恢复率居中,完整煤样渗透率恢复率最小。     

煤储层应力敏感性试验及其评价新方法

煤储层应力敏感性是影响煤层气井产能的关键地质因素,在煤层气井排采过程中如何降低或避免煤储层应力敏感性对渗透性的影响是值得考虑的问题。通过不同应力下煤储层渗透性试验,研究了有效应力作用下煤储层渗透率的变化规律;在对已有应力敏感性评价参数分析的基础上,提出了新的应力敏感性系数S₁与S₂,揭示了有效应力对煤储层渗透性的影响规律。研究结果表明:煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,在煤层气开发中煤储层表现出明显的应力敏感性;试验煤样应力敏感回归系数a为0.099~0.115 MPa-1,平均为0.108 MPa-1,应力敏感性系数S₁为0.383~0.436,平均为0.414,应力敏感性系数S₂为0.572~0.666,平均0.625;应力敏感性系数S₁与S₂具有整体性与唯一性,可以结合应力敏感回归系数a进行煤储层渗透率应力敏感性评价。      

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO₂或N₂泡沫压裂方式进行储层改造。      

Evaluation of the damages of permeability and effective porosity of tectonically deformed coals

A high rank coal was tested in terms of loading and unloading to characterize changes in the permeability and effective porosity of tectonically deformed coals. The coal sample, an anthracite, is subdivided into four types according to its structure, namely, the primary structure coal, cataclastic coal (the weakest deformation coal), granulated coal (the moderate deformation coal), and mylonitic coal (the intensest deformation coal); the latter three types are considered to be tectonic deformation coals. Permeability of tectonically deformed coals shows a negative exponential relation to stress. The intenser the structural deformation in coal is, the lower the permeability. Two evaluation parameters, namely, loss rate m (0.8318–0.9476) and damage rate n (0.447–0.6556), which are related to changes in permeability, increase with increasing structural deformation in coal. The cleat compressibility factor declines with increasing difference in effective stress and increases with increasing structural deformation in coal. This study proposes a calculation method for evaluating the porosity damage. Similar to the loss ratio and damage rate, this parameter (η) increases with increasing structural deformation in coal and reveals the relationship between the porosity damage and the structural deformation in coal.     

煤层应力敏感性及其对压裂液滤失的影响

压裂液滤失系数是压裂设计中非常重要的参数。由于煤层中的渗透率、孔隙度等物性对应力极为敏感,在对煤层进行压裂设计时,若直接用试井和测井测得的渗透率和孔隙度值代入滤失系数的计算公式,算出的结果可能与实际情况严重不符。通过实验室内不断改变围压的方式来模拟煤储层上覆压力的变化情况,建立了某盆地煤层应力与渗透率之间的关系,并在考虑煤层物性应力敏感性的情况下,探讨了煤层压裂液综合滤失系数的计算方法。结果发现,压裂液综合滤失系数及岩心渗透率与净围压的关系均符合指数递减规律。另外,通过对动态渗透率的拟合,使得到的综合滤失系数远远大于未考虑应力情况下的综合滤失系数,这样能更准确地反映实际情况。      

基于低场核磁共振的煤储层束缚水饱和度应力响应研究与动态预测——以保德和韩城区块为例

煤层气开发过程中储层应力的变化对束缚水饱和度有重要影响。通过对不同煤阶煤储层的煤样进行覆压低场核磁共振系列实验,采用谱图形态经验判定法对核磁T₂截止值进行标定,在此基础上分析了不同煤阶储层束缚水饱和度随应力的变化规律,并对保德和韩城区块的束缚水饱和度开展了动态计算。实验结果表明：束缚水饱和度具有较强的应力敏感性,并且在有效应力增加初期变化最为强烈;由于孔隙结构的差异,这种应力敏感性在保德区块表现得更为强烈。动态预测结果表明：由于保德区块储层埋深变化范围较小,其初始束缚水饱和度受埋深影响的总变化量小于韩城区块;埋深较浅的储层束缚水饱和度在开发过程中的应力敏感性更强,但开发过程进行到末期后,束缚水饱和度总的增加幅度基本一致。