煤储层水力压裂支撑剂的优选实验研究

针对我国600 m以深煤层气井采用石英砂支撑剂和活性水压裂液,难以取得商业化开发价值产气量的现状,运用FCES-100裂缝导流能力评价仪,分别测试了石英砂、陶粒和覆膜酸枣仁在不同闭合压力下的导流能力,统计了支撑剂的破碎率,并通过扫描电镜观测支撑剂的圆度和球度。实验结果表明：闭合压力小于15 MPa时,陶粒、石英砂和覆膜酸枣仁均有良好的导流能力;当闭合压力为15~25 MPa时,陶粒和覆膜酸枣仁的导流能力相对较高;当闭合压力大于25 MPa时,只有陶粒保持相对较高的导流能力。在煤层气井水力压裂设计时,可根据煤层埋深选择水力压裂支撑剂。若煤层埋深小于600 m,选用石英砂支撑剂;若煤层埋深介于600~1 000 m,采用木质支撑剂（覆膜酸枣仁）或陶粒;若煤层埋深大于1 000 m,建议用陶粒支撑剂。     

煤储层水力压裂裂缝中支撑剂特征及研究意义

煤层水力压裂后支撑剂的展布形态及内部特征在很大程度上决定压裂效果的优劣.以煤矿井下巷道中揭露的煤层气井压裂裂缝内的支撑剂为研究对象,重点观察并分析支撑剂的形貌和堆积特征及其与堆积过程的关系.再以压裂裂缝典型部位获取的支撑剂为实例,描述支撑剂的形貌与堆积特征,还原支撑剂的堆积过程.结果表明:在水平缝内,距井筒距离增加,支...     

基于无量纲裂缝导流能力的煤储层压裂效果分析

煤储层原位渗透率普遍偏低,通常需用水力压裂造缝方式改善煤储层的渗透性能,但其效果的定量评价长期未能有效解决。本文以沁水盆地南部郑庄区块16口新井为例,采用有限导流能力裂缝模型拟合压裂造缝后关井阶段的压降曲线,计算了裂缝的无量纲导流能力(CfD),实现了压裂效果的定量化分析,并讨论了其地质影响因素。结果显示,CfD值越大,压裂效果越好;煤岩杨氏模量、剪切模量和体积模量的增加,裂缝无量纲导流能力有减小的趋势,但与煤岩泊松比大小无关。煤储层纵向上的力学非均质性对裂缝无量纲导流能力也有影响,随着非均质程度的增加,无量纲导流能力逐渐增加;当非均质性达到一定程度时,无量纲导流能力变低。     

煤岩对压裂裂缝长期导流能力影响的实验研究

煤层中一般都伴有煤层气,通过压裂可以将煤层气释放出来,一方面能够获得清洁能源,另一方面可以提高煤田的安全开采。煤岩层自身特点决定了其在压裂中应用的实验评价方法及结论应具有特殊性,本文主要针对煤层气井的煤岩层压裂裂缝长期导流能力进行实验评价研究。实验表明,与砂岩地层不同,煤岩的硬度较小,压裂中支撑剂嵌入情况较严重;煤岩易破碎,碎屑颗粒充填到支撑剂中;同时支撑剂存在破碎及吸附伤害等,多种作用导致支撑裂缝的导流能力降低。实验中,以煤岩层闭合压力为一个重要的参数,实验对比分析了在不同闭合压力下,铺砂浓度、支撑剂粒径、支撑剂种类及组合的选择、支撑剂颗粒的破碎与嵌入、压裂液残渣等因素对煤岩层导流能力的影响。本文的实验结论为,嵌入对煤岩层支撑裂缝的导流能力伤害很大,加大铺砂浓度、采用低破碎率支撑剂、降低压裂液伤害能在一定程度上提高煤层裂缝的导流能力,但影响程度随闭合压力的增加而逐渐降低。本文所得出的结论对今后煤层气的开发及设计施工具有一定的指导意义。     

基于煤储层水力压裂动态渗透率变化的压裂效果评价方法及其应用

压裂施工曲线是反映压裂效果的重要依据,而压裂阶段储层渗透率的动态变化能够更直观地反映造缝效果。借鉴试井渗透率测试原理,建立一种压裂阶段储层动态渗透率定量评价方法,并将该方法应用到准南某区块2口煤层气井水力压裂效果评价中,获得压裂阶段储层动态渗透率曲线;同时采用G函数对压裂效果进一步评价。结果表明:动态渗透率曲线所反映压裂效果与G函数分析和基于排量、井底流压关系的评价结果吻合较好,能够反映储层内裂缝开启、延伸效果;其中,CMG-01井通过实施煤储层与围岩大规模缝网改造,压裂阶段储层渗透率最高达到2.5 μm2,造缝效果良好;而CBM-02井实施煤储层常规水力压裂,储层渗透率保持在1.8 μm2之下,显示出煤储层常规水力压裂与煤储层?围岩大规模缝网改造的差异性。动态渗透率定量评价方法弥补前期压裂改造效果缺乏量化评价的不足,为煤层气/煤系气储层水力压裂工艺的优化提供依据。      

用水力压裂法获取煤储层地应力参数

地应力可反映煤储层的应力状况,它是认识和评价煤储层的重要参数之一。从水力压裂法获取煤储层地应力的原理和方法入手,通过对3组典型实测数据的分析,着重探讨了用时间平方根法和双对数曲线法在分析地应力时如何准确识别闭合压力和提高地应力测试精度,对煤层气工作者具有很好的借鉴价值。     

沁水盆地南部煤储层水力压裂裂缝发育特征的数值模拟研究

以沁水盆地南部为研究区,以山西组3号煤储层为目标层位,根据该区的地应力场特征以及晋城市寺河矿煤样的三轴压缩实验结果,利用大型有限元软件ANSYS建立了该区3号煤储层的地质模型,模拟水力压裂过程中地应力场和储层弹性模量对裂缝起裂压力和裂缝扩展形态的影响。结果表明:裂缝的起裂压力与最大水平主应力无关,随最小水平主应力的增大而线性增大,变化范围为10～25 MPa;裂缝的最大缝长和最大缝宽不随最大水平主应力的变化而变化,随最小水平主应力和煤岩弹性模量的增大而减小,其中最大缝长介于36～83 m范围内的概率最高。模拟结果和现场数据基本吻合,说明该模型具有一定的合理性,研究成果对于沁水盆地南部地区煤层气井水力压裂设计具有重要的参考价值。     

压裂煤储层气水两相流模型及煤层气产量分析

水力压裂是促使煤层气增产的关键技术,研究压裂煤储层中的气水两相流特征具有重要意义。以鄂尔多斯盆地大宁-吉县区块2 000m以深的8号煤层为研究对象,建立了研究区COMSOL软件下的模拟模型,基于储层物性参数和煤层气井排采参数,得到了与实际产量较接近的日产气量和日产水量。研究表明,排采过程中储层压降范围是以井口为中心,从压裂区逐渐向未压裂区扩展的近似椭圆形区域,椭圆长短轴分别沿水力压裂区域的长短边方向,压裂区压降速度远大于未压裂区。压裂区大小和井底流压变化特征对煤层气井产量产生重要影响,扩大压裂区有利于煤层气井稳产阶段日产气量提升;排采阶段井底流压的大幅波动和台阶式下沉会导致煤层气井后期产量的下降。     

颗粒离散元岩石模型的颗粒尺寸效应研究

颗粒尺寸是影响颗粒离散元模型宏观力学性质与计算效率的一个重要因素。为充分考虑由模型随机性导致的模拟结果的不确定性,利用统计学方法对模型的颗粒尺寸效应进行研究。整体检验结果表明：特征长度比L/R的改变对模型力学参数（峰值强度、弹性模量、泊松比及峰值应变）与破坏特征参数（黏结破裂率）的总体分布位置均有显著性影响,且各参数的变异系数会随着L/R的减小而增大。进一步的多重比较结果表明：当L/R≥125时,L/R对峰值强度、弹性模量、泊松比及峰值应变的总体分布位置均无显著影响;当L/R≥79时,相邻3个粒径水平的黏结破坏率总体分布位置无显著性差异;随着L/R的减小,模型损伤程度增加,破坏模式由整体剪切破坏转向局部损伤引起的失稳破坏,最终失去模拟岩石材料的效力。最后,综合各项力学参数的统计学检验结果、模型破坏模式及计算效率,岩石模型颗粒的特征长度比取L/R=200较为合适。     

Models of breakage and selection for particle size distributions

It is generally agreed that particle size distributions of sediments tend ideally to approximate the form of the lognormal probability law, but there is no single widely accepted explanation of how sedimentary processes generate the form of this law. Conceptually, and in its simplest form, sediment genesis involves the transformation of a parent rock mass into a particulate end product by processes that include size reduction and selection during weathering, transportation, and deposition. The many variables that operate simultaneously during this transformation can be shown to produce a distribution of particle sizes that approaches asymptotically the lognormal form when the effect of the variables is multiplicative. This was first shown by Kolmogorov (1941). Currently available models combine breakage and selection in differing degrees, but are similar in treating the processes as having multiplicative effects on particle sizes. The present paper, based on careful specification of the initial state, the nth breakage rule and the nth selection rule, leads to two stochastic models for particle breakage, and for both models the probability distributions of particle sizes are obtained. No attempt is made to apply these models to real world sedimentary processes, although this topic is touched upon in the closing remarks.     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

考虑粒组分类影响的最小孔隙比分布及模型验证

最小孔隙比是确定岩土体的密实程度与孔隙特征的有效物理指标,如何快速有效地确定岩土体的最小孔隙比,可为岩土体的固结与稳定提供可靠参数。多数估算细粗混合材料最小孔隙比的模型参数与细粗粒径比一一对应,导致估算困难。在分析尾矿粒度组成、沉积规律和固结稳定的基础上,以8种不同粗细粒径,7～9种不同细粒含量尾矿为试验对象,拟合得到不同粒组尾矿最小孔隙比分布模型参数的函数关系;基于混合尾矿颗粒的粒组特征,给出了确定参数幂函数关系的指数值。分别采用模型参数要求粒组范围内的其他6组岩土材料和非粒组范围内的3组岩土材料进行验证。结果表明,考虑粒组分类影响下的模型,参数简单,对不同材料的最小孔隙比估算准确率较高,给出的最小孔隙比的分布规律合理,可为岩土工程领域最小孔隙比估算提供可靠的计算方法。     

土体力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究

土体是一种复杂的颗粒体系,其强度与变形具有显著的颗粒尺度效应。为考虑土体不同尺度土颗粒对其宏观力学特性的影响,根据土颗粒间相互作用产生的黏聚和摩擦物理效应而非纯粹几何尺寸,划分土颗粒尺度层次以构造反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元。基于土体不同尺度结构层次上力学响应的特征,引入微重比的概念,建立具有多尺度分层次理论框架的胞元土体理论,解释土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制,把微细观土力学理论从定性分析推进到定量计算的水平。设计一系列饱和重塑土的三轴不固结不排水剪切试验对土体的颗粒尺度效应进行测试,并定量计算胞元土体理论的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的颗粒尺度效应随加强颗粒的体分比增加以及粒径减小而增强,反映出土体强度和变形显著的颗粒尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测与试验结果具有较好的一致性。     

颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究

微生物固化技术（MICP）是岩土工程领域新兴起的一种不良地基处理技术,不同地基土体之间的颗粒粒径并不相同,其固化效果也可能存在一定差别。选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理,并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和洗酸处理,从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响。结合扫描电镜测试,从细观角度对微生物固化机制进行了初探。研究结果表明,微生物固化砂土中碳酸钙晶体以颗粒簇形式堆积在砂土颗粒表面及颗粒间接触处,其尺寸随碳酸钙晶体堆叠程度的增加而增大;对于颗粒粒径较小的砂土,颗粒间孔隙较易被碳酸钙晶体填充密实,固化试样内有效碳酸钙晶体比例较大,“结构性”较强,无侧限抗压强度较高。     

纤维对高导流裂缝压裂影响的实验研究

纤维是油气井高导流裂缝压裂施工成功的最关键影响因素之一。为了优化高导流裂缝压裂工艺技术和施工参数,开展以纤维为主要影响因素的高导流裂缝压裂室内物模实验,分析纤维对高导流裂缝压裂的影响变化规律。实验表明：加入纤维可以明显提升压裂液携砂性能和效率,纤维浓度越高,支撑剂铺置越靠近裂缝中前端,促使压裂中造长裂缝;固定纤维加入比例越大,裂缝通道占有率越大,而非固定纤维加入比例的楔形方式,其通道占有率最高,压裂中采用高纤维比例楔形加入方式,有助于形成高导流裂缝;排量过大或者过小,通道占有率均减小,实验条件下最优排量为5.0 m³/h;通道占有率沿裂缝延伸方向呈先增加后减小趋势,最大值均出现在裂缝中部位置,最小值均在裂缝缝口处,纤维比例和施工排量均不影响高导流裂缝中通道占有率高低分布趋势。     

地质标准物质粒度测量与表征的现代方法

地质标准物质是地质材料分析的计量标准,在分析质量监控、仪器校准和分析方法评价中发挥着重要作用。地质标准物质大多为粉体材料,而粒度是粉体材料的一项重要特性指标。长期以来,地质标准物质的粒度一直采用过筛法检测;近年来在超细标准物质研制中引入了以激光粒度仪为代表的现代粒度分析方法,并以直观的粒度分布图和简洁的特征粒度来表达分析结果,大大提升了粉体地质标准物质粒度特性的测量及表征水平。在此工作基础上,测量了正在广泛使用的典型地质标准物质的粒度分布,获得了前所未知的粒度分布信息,为这些标准物质的正确使用和取样不确定度评价提供了有益的资料。简单地介绍了检测粉体材料颗粒特性的现代方法,讨论了地质分析与粒度分析在概念上的差异,并就今后地质标准物质乃至地质分析样品的粒度检测与表征方法提出了建议。     

Sediment particle size distribution and its environmental significance in Lake Erhai, Yunnan Province

A closed or semi-closed plateau lake, whose sediment records can provide us with plenty of fine and high resolution information, is a sensitive indicator of climatic and environmental changes. During the reconstruction of various short-time-scale climatic and environmental changes, the geochemical records in plateau-lake sediments are superior to other natural files. Based on fine dissection of the vertical profile of sediment particle sizes, this paper reveals the quasi-periodical changes of sediment particle sizes, which indicates the quasi-periodical fluctuations of the regional climate. A synthetic analysis of multiple indexes shows that sediment particle size is a more sensitive and more effective index of climatic and environmental changes than other geochemical indexes. High content of >20μm sediment particles and low content of 2–10μm sediment particles indicate a warm-dry climate and conversely a cold-humid climate, and their ratio can be used as an effective index of climatic changes. The basic climate succession in the region of Lake Erhai is characterized as being alternatively warm-dry and cold-humid and it has been developing into a warm-dry climate as a whole. There exist at least 2 time-scale quasi-periodical fluctuations of the regional climate in Lake Erhai. At present, the region of Lake Erhai is at the end of the warm-dry period and at the beginning of a cold-humid period, so the temperature will go down and the water level will rise. This project was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 49894170, 49773207).