沁水盆地3#煤层气井三维数值模拟

在建立沁水盆地3#煤层气井煤层气运移产出地质概念模型的基础上，采用Langmuir等温吸附定律，Fick第一定律和多相渗流理论建立了与之相适应的三维数学模型，并通过历史拟合计算，校正、识别了模型中的有关重要参数，预测了3#煤层气井单井开采及井网优化开采时的气、水产量。     

水 气二相渗流耦合模型全隐式联立求解

系统论述了水、气二相渗流耦合模型全隐式联立求解的方法与原理。该方法是将水相运动方程和气相运动方程左端的达西系数项、井点的气、水产量项作隐式处理，并将气相和水相方程联立起来进行求解，同时隐式求出压力和饱和度值。因此，收敛速度快，且无条件稳定。该方法应用于沁水盆地3^#煤层气井气，水产量的预测，效果良好。     

水气二相渗流耦合模型及其应用

本文建立了非饱和带水气二相渗流的耦合模型,并采用IMPES(隐式求解压力方程,显式求解饱和度)求解方法对该模型进行了求解。在此基础上,将该模型应用于沁水盆地TL煤层气井水气运移、产出的模拟计算,利用该井1999年2月9日～5月6日的水气排采资料,通过历史拟合计算,对影响该井水气产量的主要参数(如渗透率、表皮系数、相对渗透率等)进行了校正、识别,预测了该井未来20年的水气产量动态变化特征。     

水平井开采煤层气藏生产动态计算新数学模型

基于朗格缪尔模型、菲克第二扩散定律和达西定律,综合考虑重力和气体压缩效应的影响,推导出描述煤层气和水渗流规律的基本偏微分方程组(并给出定解条件),且利用有限差分法对该数学模型进行了数值求解。计算结果表明,该模型能够有效模拟煤层气水平井的生产动态。通过对比是否考虑非稳态扩散和气体压缩效应时不同裂隙渗透率下的产气动态可知,忽略非稳态扩散和压缩效应,将人为缩短达到气体峰值产量的时间,增大产气峰值;将降低气体膨胀能,低估气井后期产能。煤岩裂隙渗透率越高,气井产能受渗透率回归效应影响越大,峰值产量的持续时间越短且产量下降速度快。因此在煤层气藏开采过程中,应根据气井的产气动态调整井底流压,建立合理的储层压力系统,以降低渗透率回归效应带来的不利影响。      

云南老厂雨汪煤层气区块气水成因及产能响应

为提高云南老厂雨汪区块煤层气(CBM)产能,基于6口煤层气先导试验井的气体样品组分、甲烷碳同位素、产出水氢氧同位素及微量元素测试结果,结合研究区煤层气地质条件和产能特征,分析了气体组分、水的氢氧同位素特征及微量元素成分对产能的指示意义。结果表明:研究区煤层气气体组分以CH₄为主,含少量C₂H₆、N₂和CO₂,不含重烃,为热成因气,并经过了后期的次生改造。煤层气井产出水的氢氧同位素特征说明产出水来源于大气降水,呈现明显的¹⁸O漂移特征。主成分分析结果显示产出水微量元素成分可以归纳为两个主成分,分别反映气井的产气和产水情况。根据煤层气井气水产出情况、产出水的氢氧同位素特征、微量元素成分综合分析表明,当前雨汪区块除LC-C3井外其他井产出水主要为压裂液,储层降压受限,导致气井产量较低。     

煤层气产出过程中气—水两相流与煤岩变形耦合数学模型研究

气－水二相流和煤岩变形耦合作用是煤层气产出过程中一种复杂的物理现象，为准确描述这一现象，本文建立了气－水二相流和煤岩变形的微分方程，并用有限元分别将它们进行离散化，然后讨论了煤岩变形模型和气－水二相流模型进行耦合数值求解的方法。     

煤层气垂直井排采控制决策系统的开发

合理的排采工作制度是提高煤层气井产量和节约成本的关键。根据煤层气井压裂裂缝延伸特点和排采过程相态变化特点,结合压力传递模型及Langmuir吸附模型,得出了不同排采阶段的识别标识;根据KGD模型,结合压裂施工工艺参数,以及渗透率与孔隙度的关系,分别建立了水平最小、最大主应力方向上的渗透率预测模型;根据达西定律及排采过程中煤基质与裂隙的正负效应,建立了不同排采阶段物性参数变化模型;根据压力传递特点及气、水相对渗透率变化,最终建立了不同排采阶段、不同过程的排采强度预测模型。借助Visual Basic开发工具,研制了煤层气垂直井排采控制决策系统。晋城矿区潘庄井田应用表明,该系统具有一定的应用前景。      

注热联合井群开采煤层气运移采出规律数值模拟

为总结注热联合井群开采低渗透储层煤层气运移采出规律,基于传热学、弹性力学、渗流力学、岩石力学理论,建立了注蒸汽开采低渗透储层煤层气藏过程的热固流耦合数学模型。结合潞安矿区山西组3#煤层地质参数,利用有限元软件进行了注热联合井群开采煤层气藏运移规律的数值模拟,得到了不同布井方式下注热10 d、开采100 d过程中煤层温度场、应力场及煤层气渗流场变化规律。结果显示,煤层平均传热速度为1.57 m/d,注热10 d后,中心井35 m范围内为有效注热区;随井筒数量的增加和井间距的减小,井间干扰作用增强,煤储层压力下降加快,煤层气供气及解吸区域增加,累积产量显著增加。七井模型20 m井间距注热开采累积产气量是五井模型30 m井间距未注热开采累积产气量的2.01倍。模拟结果显示了注热和井间干扰开采优势,为低渗透储层煤层气井群注热联合工业开采提供理论依据。     

我国高阶煤煤层气疏导式高效开发理论基础

我国高阶煤煤层气资源储量丰富,目前产量已占到我国煤层气总产量的90%以上,高阶煤煤层气资源的高效开发利用对于保障国家能源战略安全、助力实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要的现实意义。我国煤层气产业总体呈现出勘探开发程度低、主体技术适应性低、投资回报率低、发展规模小的“三低一小”的不足,煤层气的规模化高效开发面临着巨大挑战。通过深度解剖勘探开发中出现的问题,认为制约煤层气产业高效开发的核心问题均源于对煤储层特征,特别是原始气水赋存、运移、产出规律认识不清,未形成与之相匹配的开发理论和配套工程技术。针对这一问题,开展煤层气水赋存–产出规律研究,将室内试验与现场实践相结合,形成煤层气疏导式高效开发理论及配套工程技术。结果表明:(1) 我国煤层气储层成藏过程复杂、气藏类型多样、非均质性强的客观条件与顶层设计支撑不足、主体技术工艺适应性不明确的主观因素是影响煤层气高效开发的重要原因;(2) 煤层孔隙–裂隙复杂双重孔隙结构及固有的气水赋存和产出运移规律决定了必须以“疏通”和“引导”为主导思想,以实现储层与井筒的充分沟通和流体的高效率产出;(3) 以沁水盆地高阶煤为例,运用疏导式开发理论形成的配套开发技术,实现高效规模建产,显著提升煤层气开发效果。      

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔171.5~178.0m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。     

基于煤层气井排采数据的储层含气量动态反演研究

煤储层含气量是煤层气开发的核心参数,但实测煤储层含气量与煤储层的真实含气量之间往往存在误差。基于窑街矿区海石湾井田煤层气井不同时段的产气量,以煤储层含气量“定体积”降低为基础,反演煤储层实时含气量,研究煤层气井排采过程煤储层实时含气量的变化规律。结果表明:煤储层含气量随排采时间呈线性下降趋势,不同步长煤层气井产气量与煤储层含气量降低幅度一致,遵循“定体积”产气特征,即煤层气单井产气量是煤基质“定体积”产出;煤层气井的产气量与含气量降低速率有关,而与煤储层原始含气量无关。煤储层为隔水层,水力压裂难以改变煤基微孔隙通道的结合水状态,CH₄产出过程受水–煤界面作用控制,煤层气产出是“CH₄·煤·水”三相界面传质作用的结果,水–煤界面作用中水的湍动提供并传递能量,激励块煤中CH₄解吸与产出。      

煤矿采动条件下煤层气储层模型及应用

煤矿区煤层气开发受煤矿采动影响,为实现煤矿采动条件下煤层气井产能数值模拟,抽象概化了采动条件下煤层气开发的地质模型,构建了采动条件下煤层气储层的数学模型,并通过对CBM-SIM软件二次开发,实现了采动条件下煤层气储层的数值模拟。在建模和数值解算软件开发中,基于采动离层量变化曲线公式构建了采动条件下储层渗透率变化曲线公式,利用采动井水位变化规律构建了储层漏失水量变化公式,利用时间卡机制解决了煤储层渗透率及漏失水量的动态求解和循环迭代过程中作为系数和边界条件的调用赋值,实现了渗透率随采动影响的动态变化、储层水漏失降压和储层产气的耦合解算。应用开发的软件对淮南矿区某矿采动条件下煤层气抽采井生产数据进行历史拟合和产量模拟应用,预测煤层气产量曲线与实际生产曲线基本一致,判定系数达到0.92。      

无越流补给含水层对煤层气排采影响的数值模拟

沁水盆地南部煤层气井具有“高产水、低产气”的特征,然而也有部分井存在“高产水、高产气”的现象。一般来说,煤层气井高产水,多与沟通含水层相关。针对这种情况,基于沁水盆地柿庄南区块煤储层地质条件,结合煤层气直井排采的实际情况,利用数值模拟方法,采用气水两相多组分的三维煤储层模拟软件(SIMEDWin)模拟煤层气井排采中,沟通无越流补给含水层对储层压力变化及煤层气水产出规律的影响。结果表明:与无含水层影响的煤层气井对比,沟通无越流补给含水层的煤层气井远井地带压降幅度显著,高产气时间久,累积产气量多,排水量大,但见气时间较晚;含水层渗透率越大,气井日产气峰值越高;气井日排水量越大,产气速度也会越快,但产气速度在排水量达到一定值时不再增大。综合考虑,沟通无越流补给高渗透率含水层,增大日排水量到一定值更有利于柿庄南区块煤层气的增产。      

沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征

水文地质条件对煤层气的高产富集起到重要的作用。沁水盆地南部有多个水文地质子单元,存在地下分水岭,造成煤层气井气水产能动态复杂化。研究区东部边界晋获断裂褶皱带的北段有明显的横向阻水作用,南段地下水径流条件极差,不导水。南部边界的中段具阻水性质,对晋城一带煤层气的保存与富集起到了重要作用。西部边界以安泽为界,北段阻水,南段由导水断层组成。本区内部存在着4条重要的水文地质边界。其中寺头断裂是一条封闭性的断裂,导水、导气能力极差。在沁水盆地的大宁-潘庄-樊庄地区,地下水以静水压力形式将煤层中的煤层气封闭起来。在寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区,地下水径流强度可能较弱,较有利于煤层气保存。大宁-潘庄-樊庄一带为等势面"洼地"滞流型,煤层气富集条件好。      

煤层气井产出剖面测试技术及应用

现有常规油气井产出剖面测试方法在煤层气井中适应性较差,测试范围和测量工艺等存在局限性,施工成功率低。因此,本文对煤层气井产出剖面测试技术进行了整体的系统化设计和研发。通过紧凑的结构设计、高度集成,研发了一套可同时进行温度、压力、磁性定位、热式流量、探针持气率、微波持气、涡轮流量和超声流量等多参数测量的煤层气井测井仪,并研制了一套一次下井可进行多种测试技术测量的煤层气井产出剖面测试技术。同时提高了测试仪器的精度和抗干扰能力,开发了多任务多窗口的便携地面系统操作,并研制新型偏心测试井口应用于煤层气井,实现修井作业时不间断连续测试。该技术在鄂尔多斯盆地石楼北区块3口煤层气井进行了现场试验,取得精确、连续的测试数据。测试结果显示,石楼北区块8^#+9^#煤层为主力产气、产水层。     

致密煤层气藏三维全隐式数值模拟

我国煤层普遍存在低渗、低储层压力和低含气饱和度等不利条件,许多研究表明,低渗透多孔介质中的气体运移存在启动压力梯度。为了让数值模拟模型能更加准确地描述致密煤储层中流体的运移特性,基于前人的研究成果,建立了考虑启动压力梯度的致密煤层气藏三维、非平衡吸附、拟稳态条件下气、水两相耦合流动数值模拟模型,并给出了模型的全隐式有限差分格式和数值求解方法。最后利用沁水盆地某生产井的试井资料进行了模拟计算,模拟结果表明,在其他条件相同的情况下,启动压力梯度的存在使得煤层的降压效果变差,且延迟了产气高峰的到来。对比该井的开采资料,模拟结果是合理的,模型能正确反映致密煤层气藏中流体的运移特征。     

利用地震P波确定煤层瓦斯富集带的分布

查明煤层瓦斯富集区域,对可能的瓦斯突出点进行预报,是当前煤矿生产中亟待解决的重要课题。利用地震P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征,根据地震属性随方位角变化可以预测裂隙发育方向和密度的基本原理,应用多种地震P波方位属性预测裂隙发育带。通过对淮南张集煤矿西三采区三维地震P波资料的处理,获得6个方位地震数据体,从中提取多种与煤层和围岩裂隙相关的地震属性,并计算出裂隙的发育方向和密度,为确定瓦斯富集带的分布提供了一种新的途径。      

松软突出煤层地面U型井钻完井施工工艺研究——以西山煤田东于煤矿MJDH01-H井为例

U型井作为煤层气地面抽采水平井的一种,能够较大面积的揭露储层,增加产气量。以西山煤田东于煤矿地面煤层气抽采U型井MJDH01-H试验为例,研究了松软突出煤层U型井的井身结构设计、钻进工艺参数、钻孔轨迹控制、钻井液、煤层生产套管的加工及下入等施工的关键技术,为松软突出煤层地面U型井套管完井施工提供了技术借鉴。