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。     

沁水盆地南部山西组煤储层产出水氢氧同位素特征

水化学成分及特征对煤层气开发有重要指导意义。为研究沁水盆地南部柿庄南煤层气开发区块3号主采煤层的地下水径流与水化学特征,从该区采集了煤层气井排出水样,进行主要离子浓度及氢氧同位素测定,分析离子浓度与氢氧同位素的展布特征。同位素组成研究结果显示,3号煤层产出水均来自大气降水补给,表现出¹⁸O与D漂移的特点。研究区由东向西δD和δ¹⁸O值呈增大趋势,和Na⁺、K⁺、Cl^-等离子浓度呈现出一定的正相关性,并与研究区由东向西水文径流区（氧化环境）到滞流区（还原环境）的过渡特征相符合,说明δD和δ¹⁸O值也可以作为判断煤层水径流条件与煤层气开发有利区的参考指标。     

沁水盆地中—南部水文地质控气特征

通过对研究区内水动力场的三维展布和煤层气含量的耦合分析，划分了煤层气不力封闭类型，探讨了水文地质控气的总体特征。     

沁水盆地南部变质变形煤储层特征及煤层气富集区划分

沁水盆地南部周缘被挤压性断裂褶皱带所围限,区内缓坡带形成煤层气富集区。受中新生代区域构造—热演化影响,盆地内煤储层在深成变质作用基础上叠加了不同程度的构造动力变质作用和岩浆热变质作用,产生了不同程度的变质和变形,导致其在变质变形程度、含气性及渗透性等煤储层物性方面具有不同的特征,有明显的区域分异,形成展布方向与盆地复向斜主轴方向及燕山期岩浆侵入方向一致的3个北东—北北东向的煤层气富集区块：枣园—潘庄区块（TREND1）、寺底—成庄区块（TREND2）和郑庄区块(TREND3)。其含气量和渗透率具有明显的东西展布、南北分带的特征。从东向西TREND1、TREND2和TREND3富集的高渗条件依次降低。从南向北TREND1又可以细分为潘庄区块（1A）、枣园区块和胡底—蒲池区块（1B）以及樊庄区块（1C）。其中1A富集的高渗条件最好, 1B次之, 1C再次。     

沁水盆地南部变质变形煤储层特征层气富集区划分

沁水盆地南部周缘被挤压性断裂褶皱带所围限,区内缓坡带形成煤层气富集区.受中新生代区域构造—热演化影响,盆地内煤储层在深成变质作用基础上叠加了不同程度的构造动力变质作用和岩浆热变质作用,产生了不同程度的变质和变形,导致其在变质变形程度、含气性及渗透性等煤储层物性方面具有不同的特征,有明显的区域分异,形成展布方向与盆地复向...     

沁水盆地南部15号煤层顶板灰岩特征对煤层气开采的影响

煤层顶板的含水性对煤层气的开采有重要影响。沁水盆地南部上石炭统太原组15号煤层直接或间接顶板多为灰岩,其中以K2灰岩为主,连续分布。顶板泥岩较少,呈零散分布。灰岩的富水性对煤层气的排水降压有影响。因此,主要从灰岩的厚度展布、裂隙发育、与煤层的接触关系以及区域水文地质条件讨论其含水性对煤层气产能的影响。研究结果表明:(1)灰岩的含水性一般较弱,但当遇到断层或岩溶陷落柱较发育的部位,可能与其他含水层沟通,富水性较强。(2)15号煤层顶板灰岩的厚度与煤层气井的产水量并无直接关系,其裂隙较发育,但大多被方解石充填,导水和储水性能较差。(3)灰岩与15号煤层的接触关系有两种:一种是直接接触型,灰岩直接覆于15号煤层之上;另一种是间接接触型,灰岩与15号煤之间夹有泥岩、砂岩或14号煤层。直接接触型煤层气井的产水量、产气量比间接接触型高。间接接触型15号煤层直接顶板的岩性、厚度对产气、产水都没有太大影响。     

沁水盆地南部15号煤层和顶板K2灰岩水文地球化学演化特征

针对煤层气井产水量大、降压困难、产气效果不佳等问题,基于沁水盆地南部煤矿15号煤层顶板K₂灰岩水以及15号煤层气井水矿化度和离子数据,利用统计、对比方法,系统研究两者的水化学成分特征、类型、成因机理,建立了地层水演化模型,系统阐述灰岩和煤层水在补给区、径流区、滞流区发生的各种反应和作用。研究结果表明：K₂灰岩水和15号煤层水会发生离子交换、混合作用及CO₂作用,在补给区和强径流区,K₂灰岩水水型以Ca-Mg-HCO₃-SO₄型为主,煤层水水型以Na-HCO₃-SO₄型为主;缓径流区K₂灰岩水一般为Na-Ca-Cl-HCO₃型,而煤层水以Na-Cl-HCO₃或Na-HCO₃型为主;滞流区K₂灰岩水和煤层水水型相同,为Na-HCO₃或Na-Cl-HCO₃水型。研究结果为15号煤的煤层气开发提供可靠的水文地质依据。     

沁水盆地南部煤储层显微裂隙发育的影响因素

为研究沁水盆地南部3号和15号煤储层显微裂隙的发育情况,借助扫描电镜显微裂隙分析、荧光显微镜显微裂隙统计、X射线衍射分析等手段,总结了地应力、煤岩显微组分、煤变质程度、煤中矿物质与显微裂隙发育的关系,探讨了影响煤储层显微裂隙发育主要因素。结果表明,该区煤储层显微裂隙较为发育,显微裂隙密度一般为7~59条/9 cm²,以C型和D型裂隙为主,扫描电镜下常见张性裂隙、剪性裂隙,对煤储层渗透性贡献较大,内生裂隙较少见。显微裂隙通常发育于镜质组中,裂隙密度随变质程度的升高表现出降低的趋势,煤中矿物的充填作用对于显微裂隙的发育影响较大,对煤样渗透性造成了直接破坏作用,地应力场的方向和大小控制着外生显微裂隙的开合程度,进而对煤储层的渗透性产生影响。因此认为,地应力和煤中矿物是影响该区煤储层显微裂隙发育的主要因素。     

沁水盆地南部煤中矿物赋存特征及其对煤储层物性的影响

煤中矿物可以影响煤储层物性,进而影响煤层气的开发。运用光学显微镜和扫描电镜研究沁水盆地南部煤中矿物的种类、含量和赋存特征。基于煤储层的平衡水等温吸附实验和压汞实验,研究了沁南地区煤中矿物对煤储层吸附性能和孔渗性能的影响。结果表明,柿庄北区块3号和15号煤平均矿物含量分别为10.68%和12.81%,且15号煤硫化物含量较高。扫描电镜下可观察到充填煤储层胞腔孔、粒间孔隙和微裂隙的方解石、黄铁矿、高岭石和石英。孔隙度和渗透率以及兰氏体积和煤中大中孔比例均随灰分产率的增加而减小,表明煤中矿物的存在会降低煤储层的吸附性能和孔渗性能,煤储层中矿物充填主要影响煤的大中孔和裂隙,影响煤层气在割理和裂隙中的渗流,导致孔隙度和渗透率下降,而少量粘土矿物充填微孔可导致煤的吸附性能下降。     

沁水盆地南部高阶煤储层垂直压裂缝导流能力分析

以沁水盆地南部山西组高阶煤储层压裂缝的地质模型为依据,对常规储层压裂缝导流能力的计算模型进行修正,建立起适合高阶煤储层水力压裂填砂裂缝导流能力的计算模型;通过分析沁水盆地南部压裂施工工艺及煤储层力学特征,结合支撑剂在牛顿力学中的沉降理论,进行了填砂裂缝的导流能力计算,分析了影响因素,评估了结果的可靠性。研究表明：压裂缝中砂分布是分区的,且各区域的导流能力不同;缝长和缝宽越小,砂分布越均匀,单层砂重越大,则导流能力越强;导流能力与气井产能呈正相关关系。研究结果对于优化施工参数、获取最佳导流能力、提高煤层气井产能具有重要意义。     

沁水盆地柿庄区块煤层气井压裂增产效果关键影响因素分析与实践

针对沁水盆地柿庄区块煤层气开发过程中低产低效问题,基于大量实际生产资料分析,探讨地质因素和工程因素对煤层气开发效果的影响。结果认为,地应力和煤体结构是影响煤层气井压裂增产效果的关键地质因素。其中,煤层气井压裂过程中,高地应力影响裂缝延伸和支撑,水平主应力差影响裂缝延伸方向和形态;煤体结构较差的煤层在压裂中易形成煤粉,堵塞导流通道,压裂效果变差。影响压裂效果的工程因素主要包括压裂液性能、施工排量、前置液占比和井径扩大率,针对研究区地质概况,提出\     

低透煤层井下长钻孔水力压裂增透技术

针对我国低透气性煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的现状,提出了利用大直径长钻孔水力压裂对煤层进行增透的技术措施,探讨了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了煤矿井下煤层水力压裂瓦斯抽采试验。在成功施工顺层长钻孔的基础上,研发了一套适合井下水力压裂施工的快速封孔工具组合,分析了压裂过程中参数变化规律,提出了水力压裂影响范围、压裂效果和瓦斯抽采效果评价方法,并进行了考察和评价。研究表明：该技术克服了传统井下水力压裂存在的封孔质量差、压裂影响范围小等问题,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了58 m,压裂后连续抽采130 d累计抽采纯瓦斯量为31.39万m³,日最高抽采量2 668 m³,瓦斯体积分数平均70.05%,百米钻孔瓦斯抽采纯量达到0.55 m³/min。     

倾斜煤层水力压裂起裂压力计算模型及判断准则

针对目前倾斜煤层起裂机制不明确,导致水力压裂时盲目升高压力或增大注水量来增加煤层透气性的问题,根据最大拉应力理论,分析真实环境下倾斜煤层压裂钻孔周围应力状态,建立压裂钻孔周围煤岩体起裂压力计算模型及判断准则,并在重庆松藻煤电公司同华煤矿进行了验证,结果表明,根据实测压裂区域地应力状态,起裂压力随煤层倾角增大而增大,钻孔起裂位置随煤层倾角增大逐渐向走向方向偏转;现场试验起裂压力与理论计算相符,随煤层倾角增大而增大,从而验证了计算模型的正确性。     

沁南地区高煤阶煤储层流速敏感性及影响因素

流速敏感性评价实验结果是确定煤层气藏合理排采速度的重要依据,对煤层气开发具有重要意义。高煤阶煤储层的低孔低渗特征使煤储层速敏性评价不能仿照常规储层的液体实验方法,为此提出利用氮气评价高煤阶煤储层流速敏感性的新方法,并对沁南地区高煤阶样品进行测试。结果表明:沁南地区高煤阶煤储层速敏损害程度相对较弱,主要损害程度为无敏感、弱敏感和中等偏弱3种;高煤阶煤储层原始渗透率是控制煤储层速敏损害率的主控因素,煤储层渗透率越大,速敏损害率越高;煤岩中黏土矿物含量对煤储层速敏损害率的影响相对有限,速敏损害率主要与黏土矿物赋存方式有关,当黏土矿物主要赋存于裂隙中时,煤储层速敏损害率相对较大。     

沁南高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

煤层气排采技术和排采工作制度的正确与否对煤层气井的产气量和服务年限有很大影响。通过对“沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程——潘河先导性试验项目”36口井排采过程的分析和跟踪研究,认为煤层气井的排采过程分为几个不同阶段,且不同阶段间的转化主要受控于含水饱和度和气-水相对渗透率的变化;煤层气井通常会有3个产气高峰,并探索了一套适合示范区煤层气井3号煤排采的工作制度。这些成果对今后示范区煤层气井以及其他同类型盆地中煤层气井的排采生产,都具有重要的示范意义。     

沁水盆地北端中生代构造变形与构造应力场特征

在对沁水盆地北端发育的中生代褶皱、断层和节理等构造研究的基础上,分析并总结了区内的构造变形及构造应力场特征,。结果表明：研究区西部构造线以NE-SW向为主;东部构造线以近SN或NW-SE向为主;两者之间的构造线方向主要表现为近EW向。研究区内的褶皱、断裂、节理以及水系的发育特征均表明：本区在晚古生代—中生代经历过一期近SN向的挤压作用,其最大主应力方位为161°~174°,倾角在10°以内,这期挤压作用可能是对印支期构造活动的响应;此外,在距今165±5 Ma至136 Ma期间,本区可能还经历过一期NW–SE向的挤压作用,其最大主应力方位为152°,倾角1°。