低渗非达西渗流煤层气羽状井开发机理研究

建立了非均质各向异性双重介质煤层气定向羽状水平井开采的较完整的数学模型,模型考虑了与气体吸附、解吸、扩散相耦合的三维气、水两相渗流;考虑了储层的压力敏感性;考虑了煤层本身所具有的低渗透特性,即低渗透地层启动压力梯度的影响;考虑了井筒内的压降损失。通过数值模拟分析了煤层气羽状水平井的增产机理,指出羽状水平井的主支和分支在地层中广泛均匀延伸,使整个控制区域地层压力均匀、快速下降,增大了气体解吸扩散的机会,是羽状分支水平井促使煤层气产量提高的根本原因;启动压力梯度的存在使煤层中羽状水平井的降压效果变差,从而使煤层气的产量减少。     

煤层气羽状水平井数值模拟模型的交替隐式算法

煤层气开采过程中通常采用数值模拟方法进行生产指标预测,其中的数值模型普遍采用三维全隐式差分法求解,模型涉及的参数变量多,求解难度大,计算复杂。根据煤层气的储气特征、吸附特征和解吸机理建立了反映煤层气解吸、扩散及渗流过程的气、水两相流动煤层气羽状水平井三维数学模型,模型考虑了煤层非均质各向异性的影响,运用块中心差分格式,对气、水相偏微分方程进行空间差分和时间差分,采用交替隐式(ADI)法求解,实现了煤层气羽状水平井开发数值模拟计算。交替方向格式可以把二维问题转化成一维问题,对x,y两个方向的迭代矩阵均为三对角矩阵,结构相同,易于编程计算。所建立的差分格式具有计算量小,稳定性好等优点,数值试验的结果表明效果良好。     

中国煤层气资源潜力及增产措施

中国煤层气资源潜力巨大,以华北和西北聚煤大区为主要煤层气富集区。通过总结国内外煤层气开发经验,指出目前用于提高煤层气的主要增产技术,即丛式井与定向羽状水平井、水力压裂改造技术和注气驱替技术,这也是目前国内外煤层气开发单位集中力量重点研究的增产技术;最后对我国煤层气的勘探开发前景进行了展望。     

煤层气开发技术综述

目前国内外煤层气开发技术主要包括钻井技术(定向羽状分支水平井钻井技术和空气欠平衡钻井技术)、完井技术(裸眼洞穴完井和套管射孔压裂完井)以及排采技术(有杆抽油泵技术、螺杆泵技术和潜油电泵技术)。在国内煤层气研究开发中仍存在如基础研究薄弱,没有形成从钻井、完井、生产到集输一体化的煤层气生产规模,中央企业和地方企业之间的资料和技术不共享,设备利用率低等诸多问题。定向羽状水平井、空气钻井技术、洞穴完井技术和压裂技术是当前煤层气开发技术的发展趋势,但必须加以改进使之成为适宜中国煤层气储层条件的技术。     

丛式井在王坡矿井煤层气开发中的适应性分析

通过对王坡矿井的构造特征、水文地质条件、煤层发育特征、煤储层特征以及地形等条件进行分析,探讨了不同煤层气开发方式的适应性,并结合王坡煤矿开采煤层情况、瓦斯现状,确定3号煤层为煤层气开发的目标煤层.从王坡矿井地形条件,控制面积、集输复杂性及经济效益分析,认为该区不适合采用地面垂直井方式开发煤层气;从构造特征及钻井工艺等方面分析,不宜采用对接井、羽状水平井和水平井煤层气开发方式;丛式井开发方式对地形要求较低、占地面积较小、钻井工艺成熟,经济效益好,可作为王坡矿井进行煤层气开发的首选井型.     

定向羽状水平井在晋南沁水盆地煤层气开发应用中存在的问题

定向羽状水平井是指通过定向井、多分支水平井技术,由地面垂直向下钻至造斜点后以中、小曲率半径侧斜钻进目的煤层主水平井,再从主井两侧不同位置水平侧钻分支井,进而形成像羽毛状的多分支水平井。这一技术是一项复杂的系统工程,目前在中国煤层气领域还处在研究和试验阶段,尚未形成一系列成熟的工艺与技术。只有通过对国内现有的定向井、分支井、水平井钻井技术,井眼轨迹精确控制技术和煤储层保护技术进行整合,吸收国外的先进技术和管理经验,并进行实际工程研究和试验,将各种技术进行优化组合,逐步积累经验,不断地完善,最终才能形成一整套适合于中国煤层气地质特征的多分支羽状水平井技术。     

延川南地区深部煤层气U型水平井压裂参数优化设计

鄂尔多斯盆地东缘煤层气田具有高储低渗的特点,为提高深部煤层气单井产量,基于区域构造特征、煤层厚度、含气量及水文地质特征,从优化U型水平井压裂参数的角度,对水平井及其压裂参数进行设计。通过数值模拟对影响水平井产量的水平段长度、压裂缝等主要因素进行研究。结果表明：不考虑摩阻情况下,煤层气产量随水平段长度增加而增加,当水平段超过800m后,由于阻力作用,水平段长度每增加100m,产气量降低10%;压裂缝条数和半缝长对产气量影响较大,最佳的压裂缝条数为4~5条,最佳半缝长为80~120m;裂缝间距和裂缝渗透率对煤层气产量影响不大。依据数值模拟的最优参数对该区煤层气井S1进行压裂,在相同条件下,煤层气产量比未压裂的S2井提高了10倍以上。     

煤层气多分支水平井井眼轨道优化设计模型

煤储层具有低压低渗特征,致使煤层气开发困难,单井产量低;而多分支水平井能显著增﹑加井筒与煤层的接触面积,提高单井产量,缩短经济回收期。为此,提出了煤层气多分支水平井井眼轨道优化设计准则和主水平井方位的选择方法,建立了煤层侧钻水平井井眼轨道优化设计模型,并将该模型用于鄂尔多斯盆地2号和10号煤层的煤层气多分支水平井井眼轨道优化设计。结果表明,该模型实现了以较短的井眼轨道进入目标靶点,保证了分支井眼的平滑度,对煤层气钻井设计具有重要的指导意义。     

定向羽状水平井在晋南沁水盆地煤层气开发应用中存在的问题

定向羽状水平井是指通过定向井、多分支水平井技术,由地面垂直向下钻至造斜点后以中、小曲率半径侧斜钻进目的煤层主水平井,再从主井两侧不同位置水平侧钻分支井,进而形成像羽毛状的多分支水平井.这一技术是一项复杂的系统工程,目前在中国煤层气领域还处在研究和试验阶段,尚未形成一系列成熟的工艺与技术.……     

淮北芦岭煤矿煤层顶板水平井煤层气抽采效果分析

淮北芦岭煤矿为高瓦斯突出矿井,煤层碎软低渗,瓦斯抽采困难。应用“十二五”期间开发的紧邻煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采技术,试验井已取得产气突破。为了深入分析评价地面煤层气抽采对煤矿瓦斯灾害的防治效果,基于目标煤层特征,分析煤层顶板水平井的产气规律,利用产能数值模拟技术,对生产井数据进行了历史拟合,在此基础上,进行水平井产能预测,分析水平井抽采过程中煤层气含量和储层压力变化趋势。结果表明：水平井抽采影响范围主要为裂缝和近井筒区域,井筒-裂缝系统外部区域受影响较小;水平井影响范围随抽采时间的延长逐渐增大,预测1、3、5、8、10 a的影响面积分别为0.113、0.193、0.242、0.311、0.350 km²;随着水平井抽采时间的延长,剩余含气量和储层压力逐渐降低,预测水平井抽采5 a,水平井控制范围内瓦斯含量最低可降至2.86 m³/t,平均可降至4.2 m³/t,降低50.6%。储层压力最低可降至0.85 MPa,平均可降至2.30 MPa,降低66.2%。煤层顶板水平井技术对煤层气开发和瓦斯灾害防治效果显著,是实现碎软低渗煤层瓦斯地面预抽的有效手段。     

基于混沌理论的煤与瓦斯突出前兆时序预测研究

煤与瓦斯突出的预测研究通常是通过监测对煤与瓦斯突出的启动比较敏感的指标来进行,指标监测数据的大小和变化规律是进行预测的基础。首先介绍了一步预测和多步预测的基本原理,然后对2组瓦斯浓度数据序列利用全域法、零阶局域法和一阶局域法进行了对比计算;计算结果表明,加权一阶局域法的预测精度相对较高,该方法对混沌性强的数据序列的预测精度高于混沌性弱的数据序列的预测精度。     

页岩气开采的相关实验、模型和环境效应

页岩气是一种重要的非常规天然气资源,正在改变世界能源、经济和政治格局。渗透率是评价页岩气藏商业开采可行性的重要参数之一,由于页岩的致密性,页岩气的流动机理不同于常规气藏,因此,页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型已成为当前国际研究的热点课题之一。在对页岩气开采技术简单介绍的基础上,综述了页岩储层渗透率测试的试验和理论研究现状,分析了气体吸附对页岩渗透率的影响。阐述了页岩气流动模型的最新进展,分析了双重孔隙模型描述气体迁移的准确性,提出了描述均匀储层中页岩气解吸-扩散-渗流多级运移模型。评述了页岩气开采的温室效应和对地下水的影响,并简单介绍了适合页岩气开采的新技术即无水压裂开采技术,即采用CO2对页岩气藏分段压裂,同时将CO2埋存于废弃井中。最后,对页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型研究的新发展以及无水压裂技术进行了展望。     

陈家山煤矿采面瓦斯涌出量影响因素及建模预测

工作面瓦斯涌出量是采面通风设计及制定采面瓦斯防治措施的主要依据。在收集陈家山煤矿大量瓦斯地质资料基础上,分析了矿井主采4-2号煤层采面瓦斯涌出规律及其影响因素,研究认为,采面瓦斯涌出量为矿井主要瓦斯来源,其涌出量与煤层埋藏深度、煤层瓦斯含量、顶板含油气小街砂岩厚度及工作面日产量等主要控制因素呈正相关关系;采用数学建模方法建立了采面瓦斯涌出量预测模型,编制了采面瓦斯涌出量预测图,结果显示4-2号煤层采面绝对瓦斯涌出量总体呈现出由井田浅部向中部迅速增大,再由中部到深部逐渐减少的变化趋势。     

光纤位移传感器在盐岩地下储气库群模型试验中的应用

为了研究盐岩地下储气库群运行过程中注采气压变化对洞周围岩变形的影响,设计开发了一种基于光纤布拉格光栅技术的棒式光纤位移传感器,并将其成功应用在盐岩地下储气库群模型试验的位移监测中。试验结果表明,注采气压速率是影响盐岩储气库运营安全的重要因素。采气过程中洞周出现径向收敛位移,该位移随采气速率和时间的增加而增加;注气过程中洞周出现扩张位移,该位移随注气速率和时间的增加而增加。空间上,气压变化对洞腔腰部位移影响最大。为了保证储气库运行安全,应控制注采气速率。针对所研究工程原型,建议储气库的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d。     

Potential use of model predictive control for optimizing the column flotation process

A constrained model predictive control (MPC) strategy is proposed to deal with the problem of optimizing flotation column operation using secondary variables. Froth depth, collection zone gas hold-up and bias rate are selected as secondary variables to be controlled whereas tailing, wash-water and gas flow rate are used as manipulated variables. The control problem was formulated in order to minimize the tracking error of the gas hold-up and bias rate by maintaining gas flow rate, wash-water flow rate and bias rate within their operational limits. In particular, a strategy was conceived to optimize the column flotation process based on establishing an unreachable high set point for the gas hold-up (which is equivalent to maximizing the bubble surface area available for particle collection at a given flotation reagent dosage and thus recovery), while simultaneously satisfying operational constraints (such as ensuring a positive bias rate to prevent gangue entrainment and therefore concentrate grade deterioration). Several other operational constraints on wash-water, gas rate, gas hold-up and bias rate were considered, their use being justified from a processing point of view. Since this study deals with the hydrodynamic characteristics of flotation columns, a pilot flotation column working with a two-phase system is sufficient to demonstrate the advantages of using predictive control for this process optimization.     

煤基质中甲烷扩散特征及其对气井产能的影响

扩散是煤层甲烷运移的关键环节之一,而目前有关煤层中甲烷扩散特征的认识并不充分.以沁水盆地南部高煤阶煤层气藏为例,应用微纳渗流力学理论分析了煤基质中气体扩散模式及定量表征参数;应用Simed软件开展了扩散性能对不同煤体结构煤层气排采规律的影响数值研究.结果表明:煤层甲烷的扩散受化学势梯度的驱动,产气过程中体相扩散、努森扩散和构型扩散模式并存且呈动态变化;甲烷扩散性能受气体温度、压力、气体种类、水分以及基质孔隙结构共同影响,基质孔隙吸附甲烷会改变微孔孔径并影响扩散路径的空间形态;煤基质中甲烷的扩散是非热力平衡过程,扩散系数是吸附量的函数.基于拟稳态扩散的数值研究表明,扩散性能强弱对于长期累计产气量几乎没有影响,而对短期产气速率具有较大的影响;扩散性能弱的,产气速率峰值较低,但峰值之后的一段时间内产气速率相对较高;与高渗煤层相比,低渗构造煤层的产气速率对吸附时间常数更敏感.      

盐岩地下储气库注采气套管运行安全的物理模型试验研究

注采气套管结构是保证盐岩地下储气库注采气正常运行的重要枢纽,在盐岩地下储气库运行过程中,套管混凝土环极易因储库蠕变体积收缩而产生受拉破坏。因此,为了解套管混凝土环的受力和变形特性,采用三维地质力学模型试验技术,对江苏金坛盐岩地下储气库开展了不同采气速率、不同采气内压、储库失压等风险因素影响下的套管运行过程的物理模型试验,通过三维地质力学模型试验较好反映出储气库套管混凝土环的受力和变形特性。研究表明：（1）套管混凝土环的轴向拉应变随采气速率的增加而增大,为保证套管的运行安全,建议储气库的最大采气速率不超过0.65 MPa/d;（2）套管混凝土环的轴向拉应变和套管所受蠕变挤压应力随套管鞋离腔顶距离的减小而增大,为保证储气库运行安全,套管底部距离储库腔顶的距离应大于10 m：（3）套管所受蠕变挤压应力随采气内压的减小而显著增大,储气库的最低运行气压应大于3 MPa,并应最大限度地防止储气库出现失压事故。     

考虑断裂韧性影响的页岩气储层可压性评价方法

可压性是衡量页岩气储层对压裂改造响应程度的重要依据,目前针对页岩可压性常用脆性指数对其进行评价。但在实际运用中存在脆性指数相近,实际压裂效果却差别甚远的问题。为了弥补利用脆性指数进行页岩气储层可压性评价的不足,在考虑断裂韧性影响的基础上引入临界机械能释放率,综合了Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性对岩石裂缝发育的影响,并定义平均临界机械能释放率。最后结合平均临界机械能释放率和脆性指数,初步建立了以裂缝发育指数为量化指标的页岩气储层可压性评价模型。基于焦石坝龙马溪组焦页48-2HF井测井资料,计算出其弹性模量、泊松比、Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧性,并根据构建的裂缝发育指数模型,得出页岩储层可压性随埋深的变化关系。结合现场微震资料,验证了该模型能有效预测页岩气储层可压性随埋深的变化趋势,为页岩气实际开发过程中优选页岩储层压裂段提供可靠方法。     

济东煤田埠村煤矿瓦斯涌出量研究

煤矿瓦斯不仅关系到能否起到利用价值,同时也关系到众多矿工的安全问题,鲁中地区是山东重要的煤炭资源基地,埠村煤矿作为其中重要的一部分,其瓦斯研究价值不言而喻。运用沉积学、构造地质学、煤地质学,数学分析等相关学科和方法,从影响瓦斯涌出量的地质构造、顶底板岩性、岩浆岩、水文地质条件、上覆基岩厚度等地质因素进行综合分析,对埠村煤矿瓦斯涌出量进行量化预测,并作出其全井田瓦斯涌出量的等值线图。研究表明,埠村井田属低瓦斯矿井,瓦斯涌出量存在东高西低的趋势,主要受埠村向斜的控制,矿井瓦斯涌出量的预测分析可以对以后生产防治作出指导作用。     

生物气生成的化学动力学模型及其应用——以柴达木盆地为例

针对国内外评价生物气资源量普遍采用的微生物厌氧发酵法中不能反映生气期的不足,本文从化学动力学角度出发,首先建立有机质生成生物气的化学动力学模型并结合实验条件下生物气产率数据,标定了地质样品的化学动力学参数。在此基础上,考虑菌体浓度和温度对动力学参数的影响,将所标定的动力学参数在柴达木盆地进行初步应用,结果表明柴达木盆地生物气生成速率随埋深先增大后减小,速率最大值对应的深度约为600m,与前人(戴金星等,2003)研究结论相近,说明根据实验室产气率数据标定所建立的动力学模型在考虑了菌体浓度和温度对动力学参数影响之后可以用来定量评价生物气生成期。