煤层气井排采过程中煤粉运移规律研究

研究煤粉运移规律并以此制定减少煤粉产出的措施是保证煤层气井高产、稳产的关键。基于煤粉颗粒在煤岩通道中的运动学和动力学分析,建立了煤储层中煤粉随流体运移的数学模型,并依据现场调研资料研究煤粉粒径、通道孔径等因素对煤粉运移的影响。实例分析结果表明,煤储层中煤粉颗粒运移的临界流速表征了煤层气井开始产出煤粉的特征值,当流体流速达到临界流速时煤粉即发生运移。随煤粉颗粒和通道(喉道)半径不断减小,煤粉运移临界流速逐渐降低,颗粒更容易运移,将加重煤层气井的煤粉产出量。骨架煤粉颗粒的增大和相邻颗粒质心连线与通道方向间夹角的减小使得通道孔壁变得更加粗糙,煤粉运移临界流速逐渐提升,这会减轻煤层气井的出煤粉问题。该研究首次系统而定量的分析了煤储层中煤粉运移规律,为控制煤层气井出煤粉量和采取合理的排采作业方法提供了重要依据。      

高、低阶煤润湿性对甲烷吸附/解吸的影响

为研究不同煤阶煤体润湿性对煤层气吸附/解吸的影响,采集寺河煤矿3号煤与大佛寺煤矿4号煤样品进行接触角测量及吸附/解吸实验,通过热力学计算分析等量吸附热特征。结果表明,大佛寺4号煤水润湿性远好于寺河3号煤,原因在于大佛寺4号煤为低变质长焰煤,其所含羧基、羟基等含氧官能团数量较多,同时具有物质组分亲水性好及孔裂隙较发育的优势。煤体润湿性影响煤自身含水率大小,间接影响煤层气吸附/解吸特征。大佛寺4号煤与寺河3号煤润湿性、含水率、解吸率及采收率间关系复杂,受临界含水量制约,存在温度临界点。等量吸附热对比发现煤体亲水性不利于煤层气的吸附。煤层气吸附放热远小于解吸吸热,存在解吸滞后,且解吸滞后程度随着吸附/解吸量增加而逐渐减弱,低阶煤的减弱趋势更加明显。      

国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

氯化钾在煤层气井压裂中的作用

在油田以压裂作为增产措施中,KCl主要作为粘土稳定剂加入压裂液中。通过实验发现,在煤层气井压裂液中加入KCl不仅可作防止煤粉膨胀的稳定剂,还能改变煤基质对水溶液的吸附润湿特性,从而提高返排效率,减少对煤储层的伤害。      

基于煤层气高效开发的煤粉凝聚–沉降机制研究进展

大量低产低效井严重阻碍我国煤层气产业发展,其中,煤粉沉降导致的裂缝堵塞、管柱结块是气井稳产时间短、产气量降低甚至不产气的重要因素。系统梳理国内外煤层气井产出煤粉物质组成、生成机理、悬浮运移和产出控制等研究最新进展,总结煤粉凝聚–沉降及分散行为控制机理及关键问题,提出研究展望。煤粉问题伴随煤层气勘探开发全过程,涉及地质选区评价、工程压裂施工和排采管理控制的各个方面。煤粉包括因煤体结构破坏生成的原生煤粉和工程施工形成的次生煤粉,在气井产出中以有机碎屑和黏土矿物组成的混合物为主,部分样品黏土矿物含量高。煤粉悬浮运移受控于储层条件下煤岩结构和表面性质、nm~μm级煤粉颗粒的相互作用、有机质和黏土矿物的作用、通道内的气水流动等因素。煤粉能够适度稳定产出是排采管控的关键,涉及地层水环境对煤粉表面润湿性、表面电性和空间位阻效应的影响及作用机制,以及分散剂离子加入对煤层气的解吸和渗流能力影响等。围绕煤粉“黏附–润湿–凝聚–沉降全过程开展实验模拟”和“煤粉分散稳定性优化及流动实验”研究,以及煤粉理化性质精细表征、凝聚沉降机理分析和分散行为界定,提出适合煤粉稳定运移控制的流速,形成保持煤粉悬浮产出的基础性依据,为保障煤层气–水–煤粉稳定高效产出提供理论和技术支撑。      

表面活性剂压裂液的防水锁增产机理实验

以进一步探索表面活性剂压裂液（1.5% KCl+0.05% AN）的防水锁增产机理为目的,采集河东煤田柳林地区沙曲矿的焦煤作为研究对象,通过表面张力和接触角测试、渗透率伤害实验、变压解吸实验,探讨煤储层水锁伤害的控制方法,揭示表面活性剂压裂液防水锁增产作用机理。研究结果表明:表面活性剂压裂液具有极低的表面张力和界面接触角,具备降低煤储层孔喉毛细管压力、增强压裂液可排性的能力,使得其水锁伤害率比活性水压裂液降低约40%,能够有效抑制煤储层的水锁伤害;这种防水锁作用不仅能够提高煤储层束缚水状态下的气相渗透率,实现增透增产,而且还能降低煤层气产出的临界孔径以促进煤层气解吸,实现增解增产。      

煤层气开发中煤粉产出机理及管控措施

煤粉问题是制约煤层气连续稳定排采的关键因素之一。以韩城煤层气区块为研究区,采用煤层气井现场监测、实验测试分析、物理模拟实验、现场工程应用相结合的方法,从煤粉产出的影响因素及成因、煤粉产出规律及管控措施方面,开展了煤粉产出机理及管控措施的系统研究。研究结果表明:影响煤粉产出的因素分为煤储层物性静态地质因素与煤层气开发动态工程因素两类。指出了不同煤体结构煤产出煤粉的倾向性及特征不同。碎粒煤和糜棱煤产出的煤粉体积分数高,产出煤粉量大。产出煤粉的成分以无机矿物和镜质组为主。在煤层气不同排采阶段,产出煤粉的体积分数和粒度特征具有明显的阶段性变化。在煤粉产出机理研究的基础上,结合煤层气井生产实践,从地质预防、储层改造、设备优选、生产预警、排采控制和工艺治理方面,提出了一套煤粉管控措施体系。应用于韩城区块煤层气井的煤粉管控,取得了良好效果。      

湘中下石炭统测水组煤层气储层特性研究

从煤岩煤质、含气性、吸附特征、裂隙发育及渗透性等方面对湘中下石炭统测水组煤层气储层(煤储层)特性进行论述。研究表明煤储层为明显的富镜质组煤,随温度、压力的增加吸附量增大。区内煤层最大含气量为41.91m3/t,以新化芦毛江至金竹山一带为中心,包括芦毛江、冷水江、渣渡、金竹山等矿区,高富集区基本呈东西向展布。但受煤阶的影响,煤层内生裂隙发育程度明显低于龙潭组煤层,同时由于煤层煤体结构连通性差以及多起构造运动形成细小的煤粉常充填于构造裂隙中,降低了煤层的渗透性。针对上述煤储层特点,指出加强对具有上封下开裂隙系统以及原生结构煤和碎裂煤整层发育地区的煤层气勘探尤为重要。     

基于NMR和X-CT的不同煤阶煤储层物性定量表征

随着煤层气田开发程度逐渐深入,煤储层物性定量表征与评价对煤层气规模开发愈发重要。为解决常规煤储层物性表征技术存在的尺度局限性,采用了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance Technology,NMR)和X-CT(Computed Tomography,X-CT)扫描等技术,实现了煤储层孔裂隙的跨尺度、原位态及完整性表征,为准确获取煤储层孔裂隙等物性参数提供新途径。研究依托神府区块中低阶煤和柿庄南区块高阶煤样品,开展核磁共振和CT扫描实验,快速、准确、定量地获得了煤储层孔隙类型、孔径分布、孔隙连通性、有效孔隙度和孔裂隙空间配置等煤储层物性参数,形成了一套可应用于不同煤阶煤储层物性定量表征的分析技术。     

煤层CO2地质封存的微观机理研究

煤层CO₂地质封存可实现CO₂减排和增产煤层气双重目标,是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言,煤的微孔极其发育,煤层CO₂封存机制与煤中气、水微观作用关系密切,其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础,构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型,进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO₂和水的润湿行为,揭示煤层CO₂注入后引起的水润湿性变化规律,初步阐明煤层CO₂封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明：(1)影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团,其含量越高煤的润湿性越强;(2)煤中注入CO₂后,CO₂通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附,从而减小水在煤表面润湿性;(3)随注入压力增大和温度降低,煤表面CO₂吸附量增多,对氢键破坏作用增强,润湿性减弱越明显;(4)亲水性煤层CO<...     

新疆库拜煤田铁列克矿区地应力分布及其对煤层气开发的影响

地应力、煤储层渗透率和煤储层压力等是影响煤层气开发的重要因素。通过分析新疆库拜煤田铁列克矿区注入/压降试井及原地应力测试数据,结合铁列克矿区煤层气井日产气量分析,研究了新疆库拜煤田铁列克矿区地应力变化规律及其对煤层气开发的影响,分析了铁西矿区和铁东矿区煤储层地应力特征及其对煤储层物性的影响。结果表明:(1)地应力状态在垂向上发生变化,埋深处于550~650 m、650~850 m和850~1 200 m时,地应力状态类型依次为σ_H>σ_v>σ_h、σ_H≈σ_v>σ_h和σ_v>σ_H>σ_h;(2)埋深850 m处既是垂直主应力和最大水平主应力的转换点也是渗透率趋势变化点,指示了地应力对渗透率的控制作用;(3)渗透率和煤储层压力与地应力分别呈负相关和正相关关系;(4)地应力对产能的负效应大于地应力对产能的正效应,使典型日产气量随着地应力的增大而减小;(5)铁西矿区和铁东矿区中部煤储层碎粒煤较发育、吸附孔体积和含气量均较大,是煤层气开发的有利区带。研究成果可为库拜煤田下一步煤层气开发提供理论指导。     

使用纳米碳酸钙降低低孔低渗煤层气储层伤害

传统暂堵剂难以封堵低孔低渗煤层气储层中的大量纳米级别孔隙.通过煤岩显微观测、钻井液基本性能测试、泥饼清除实验、煤岩孔隙分布实验和气体渗透率实验,探讨了纳米碳酸钙降低低孔低渗煤层气储层伤害的效果.结果表明:纳米碳酸钙材料只有在水溶液中保持纳米级的分散状态,才可能对低渗煤岩起到暂堵作用;基于纳米碳酸钙的可降解钻井液既能封堵低孔低渗煤岩中微米级别孔隙,也能封堵其中的纳米级别孔隙;经过生物酶和稀盐酸双重解堵后,煤岩渗透率恢复值达77.17%~97.98%,储层保护效果好;煤岩孔隙分布实验可以在纳米尺度上研究纳米材料对低孔低渗储层的暂堵效果.研究成果可为纳米碳酸钙在低孔低渗煤层和页岩钻完井过程中的应用奠定良好技术基础.      

鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化

低煤阶煤层气作为一种非常规天然气资源,具有良好的勘探开发前景。我国低煤阶煤层气资源丰富,进行低煤阶煤层气系统演化分析,对其富集成藏及开发具有重要的理论意义。鄂尔多斯盆地煤层甲烷的碳同位素δ13C₁为–33.1‰~–80.0‰,氢同位素δ_CH4为–235‰~–268‰。该盆地侏罗系煤层气藏主要有次生生物气与热成因气构成的混合型煤层气藏和热成因气藏两种类型。据构造热事件、煤层气组分及成因,结合不同阶段的煤层埋深、变质程度和生气特征等,将鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化划分为4个阶段:煤系浅埋–原生生物气阶段﹑煤系深埋–热成因气阶段﹑煤系抬升–吸附气逃逸散失阶段﹑煤系局部沉降–次生生物气补充阶段。其中,煤系深埋–热成因气阶段和局部沉降–次生生物气阶段是低煤阶煤层气资源的主要形成阶段。次生生物气的补充是鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气成功开发的重要气源。鄂尔多斯盆地侏罗系煤层气藏应属于单斜式富气成藏模式。      

淮南煤田煤层气成藏动力学系统的机制与地质模型研究

淮南煤田由次生生物成因和热成因气组成的混合型煤层气藏,受各种地质和水文地质条件的影响和控制。本文通过热流场和地温场、古构造应力场和原地应力场以及地下水动力场的系统分析,探讨了煤层气成藏动力学系统的形成机制,进而提出了相应的成藏地质模型。淮南煤田的煤层气藏虽然属向斜式(或盆心)聚气模型,但是,该模型强调,作为附加气源的次生生物气的补充,成藏动力学系统演化、构造样式和能量场的耦合关系,是混合型煤层气富集成藏的主因。      

超临界CO2参与下煤储层原位微生物甲烷化物理模拟研究

超临界CO₂能够破坏煤分子结构,提高生物甲烷的产量。为研究微生物在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下的产气潜力,以新疆地区某煤层气区块目标煤层的初始储层压力、温度和气体组分作为原位储层条件,通过自主设计的煤储层原位厌氧发酵装置,模拟煤储层原位储层条件下的厌氧发酵过程,并对生物气产量、煤的官能团结构和微生物群落结构进行了分析。研究结果表明,在超临界CO₂参与的煤储层原位条件下,生物甲烷产量达到了32.9 mL/g,CO₂的生物转化率为17.4%。FTIR光谱表明,原位条件下微生物对苯酚、醇、醚、酯中含氧基团的降解能力要强于常规条件下的厌氧发酵。超临界CO₂参与下的储层原位厌氧发酵系统中,多种产甲烷代谢途径的产甲烷菌(氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型)逐渐向单一的氢营养型产甲烷菌演化。高压环境下,细菌群落中芽孢杆菌Solibacillus silvestris成为水解产酸发酵阶段的优势菌。该研究为煤层气生物工程的现场实施和碳减排提供了实验基础。      

保德地区煤层气地球化学特征及成因探讨

为了查明保德地区煤层气地球化学特征及成因,采集煤样、煤层气样及水样,开展气体组分分析、煤层气井产出水水质检测和稳定同位素分析。结果表明:煤层气组成中烃类气体以CH₄为主,体积分数为88.60%~97.59%;含有少量乙烷,体积分数仅为0.01%~0.14%;干燥系数均大于0.99,属于极干煤层气。非烃类组分中,主要含有CO₂和N₂,其中,CO₂体积分数为1.74%~7.61%,N₂体积分数为0.04%~8.18%。煤层气δ13C(CH₄)值为–56.8‰~–47.7‰,δ13C(CO₂)值为–6.6‰~13.9‰,δD(CH₄)值为–252.6‰~–241.6‰。煤层产出水呈弱碱性,属于NaHCO₃类型水,与地表水离子构成、矿化度、δD(H₂O)和δ18O(H₂O)值均相近,有地表水的补给,有利于产CH₄菌大量繁殖,生成次生生物气。综合认为,研究区煤层气为热成因气和生物气的混合气,生物成因气主要是通过二氧化碳还原作用形成,受煤层解吸–扩散–运移作用、水溶作用和次生生物作用导致煤层气“变轻”。研究成果为后续煤层气勘探开发提供指导。      

CO2/N2二元气体对甲烷在煤中吸附影响的分子模拟研究

二元气驱技术(CO₂/N₂-ECBM)已成为煤层气增产的重要手段,明确CO₂/N₂在煤层中的竞争吸附规律以及对煤层物性的影响具有重大意义。利用分子模拟软件Materials Studio建立延川南煤层气实际区块温度、压力条件下的煤分子模型。基于巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法研究CO₂/N₂交替驱替煤层气技术中各注入阶段对CH₄吸附的影响,明确CO₂、N₂对煤层孔渗物性的影响规律。结果表明:在CO₂注入阶段,煤层中甲烷迅速解吸;煤中气体吸附总量上升,煤基质膨胀效应增强,导致煤的孔隙体积降低。而转N₂注入后,由于N₂分压作用使得CH₄、CO₂吸附量呈现出不同程度的降低;当ω_N2/ω_CO2≤0.6时煤分子中气体总吸附量迅速降低,而当N₂饱和吸附后气体总吸附量保持稳定。煤层孔渗物性随着气体吸附总量呈现出迅速增大后趋于平缓的趋势。此外,ω_N2/ω_CO2>0.6后N₂吸附率迅速降低,这会使得产出气中CH₄纯度较低,导致后期提纯成本大大增加。因此,当ω_N2/ω_CO2=0.6左右时,CH₄解吸量为最大值,煤孔隙率较高,最有利于煤层气的开发。      

塔里木盆地低电阻率油层成因与评价

随着塔里木盆地油气勘探工作的深入, 相继发现了一批低电阻油层, 油层电阻率最低达0.4 5Ω·m, 与水层的电阻率几乎相当.通过对轮南侏罗系J_Ⅳ、吉拉克三叠系T_Ⅱ和哈得逊石炭系C_Ⅲ 3套低电阻油层的地质与实验分析认为, 引起低电阻的主要原因是黄铁矿的局部富集、粘土矿物以及高矿化度束缚水等的附加导电, 提出利用毛管压力资料, 建立油藏物性、油层高度与含油饱和度的关系以及采用高温高压岩电参数等不同的评价方法, 从而使计算的饱和度提高8%~ 2 5 %, 测井解释符合率上升5 %~ 8%.      

松藻矿区多煤层合采储层压降特征及启示

西南地区晚二叠世龙潭组煤层气勘探开发取得较好的成效,该层位弱含水性制约着煤层气的排采。为揭示多煤层合采条件下煤储层的压降特征,以平面径向渗流理论为指导,利用松藻矿区Q1井地质工程数据,基于井底流压、套压、日产水量、日产气量数据的综合分析,建立了纵向上不同储层的井底流压数学模型,并分析不同储层的压降特征。研究表明:M₆、M₇、M₈煤层的初始产气时间分别为45d、162d、217d;储层压力和渗透率控制储层供液能力,导致压降效果随层位的降低而降低;储层临界解吸压力相差较大（4.07 MPa）和日产水量低（0.23 m3）影响多煤层的合采效果。加强选层综合研究、产水特征分析和注水时机研究,开展递进排采相关工艺设备研发和工程探索是弱含水煤层群合采的重要工作方向。