高pH值流体对煤岩储层的损害评价

煤层气钻井、压裂等作业过程中高pH值工作液必然与煤岩接触,工作液与煤岩接触后将使煤层长期处于碱性环境,将对煤层产生严重损害。为模拟高pH值工作液对煤层造成的损害,以宁武盆地9号煤层为研究对象,针对天然柱状煤样及人造裂缝煤样系统开展了流体pH值逐渐升高对煤层渗透率的影响实验,并针对不同pH值流体开展了毛管自吸、液相返排及应力敏感实验。研究结果表明,煤岩具有较强的碱敏性损害,与地层水相比煤岩对高pH值工作液具有更强的自吸能力且返排率较低,并且煤岩与碱性流体作用后应力敏感性系数增大。结合润湿性测定及扫描电镜分析结果,指出工作液pH值越高,润湿性越强,同时高pH值工作液与煤岩接触后导致煤岩微结构失稳、阳离子交换吸附;高pH值工作液与地层水接触后相互作用生成无机垢以及煤岩具有很强的吸附或吸收各类液体的能力等是引起煤层损害的主要原因,并且碱性流体与煤岩作用后弱化了煤岩力学强度,强化了煤岩的应力敏感性。      

三轴围压下煤岩吸附膨胀特性与渗透性动态变化

煤层气排采过程中煤储层孔隙度和渗透率的动态变化,是煤层气开发地质研究的热点之一。本文利用晋城无烟煤样,分析了三轴应力条件下煤岩的应力-应变效应,讨论了煤样渗透率的动态变化规律。结果表明,围限压力条件下,煤岩吸附甲烷后其抗压强度明显增大;煤样最大径向吸附应变与孔隙压力的关系,可用朗格缪尔方程形式予以描述;煤岩渗透性与有效应力、煤岩吸附膨胀量均呈负指数关系,说明两者对煤岩渗透性影响的实质相同,即煤岩孔隙、裂隙受到应力作用逐渐减小或闭合。同时,在较低孔隙压力条件下,需考虑克林伯格效应对煤层渗透性的影响。经检验,S-D模型能够较为客观地预测煤岩渗透性动态变化规律。     

压裂液对煤岩储层解吸–扩散性能的影响

为预防压裂液自吸侵入煤岩基质孔隙,影响煤岩储层的解吸-扩散性能,以沁水盆地石炭统太原组15号煤为研究对象,开展了低伤害活性水压裂液对煤岩储层解吸-扩散性能的损害评价实验,并基于红外光谱、低温氮气吸附和扫描电镜分析了压裂液作用前后的煤岩表面性质和孔隙结构变化。实验结果表明:压裂液处理后,煤样的甲烷解吸率下降了10.23%,扩散系数损害率为16.67%;煤岩表面亲水性增强,液相滞留效应加剧,煤岩基质孔隙比表面增大、孔隙连通性变差、平均孔径减小,这些变化从根本上揭示了压裂液损害煤岩储层解吸-扩散性能的微观机理。最后,提出了基于纳米颗粒封堵技术和表面活性剂技术的煤岩储层解吸-扩散性能损害预防措施。      

煤层气钻采工作液对煤岩储层应力敏感性影响试验

煤岩气藏钻井、完井和增产改造等环节,不同类型工作液与储层接触相互作用,必将对储层的应力敏感性产生影响。选取宁武盆地中煤阶煤岩,系统开展了不同类型工作液作用人造裂缝煤样的应力敏感性试验。试验结果表明,人造裂缝煤样应力敏感系数为0.73,工作液作用后应力敏感系数为0.79~0.94。通过应力敏感系数对比分析表明,工作液作用下煤岩的应力敏感性强于致密砂岩和页岩。结合岩石力学试验结果可知,煤岩裂隙发育有利于工作液的侵入,工作液作用后煤岩强度降低使裂缝更容易闭合,强化了煤岩储层的应力敏感性。研究成果可为煤层气井钻完井、增产改造和开采过程中煤层气储层保护提供基础参数。      

柳林煤层气储层敏感性评价实验

为实现柳林地区煤层气的合理高效开采,对该区主力煤层气储层进行了煤岩流速敏感性、水敏性、碱敏性和酸敏性实验评价.实验结果表明:柳林山西组煤样速敏损害程度中等偏弱至偏强,临界流速低;水敏损害程度为无水敏至中等偏强;碱敏损害程度为中等偏弱至强碱敏,临界pH值为7.此外,煤样的碱敏损害程度与其吸附氢氧根离子量具有正相关性;煤样...     

入井工作液顺序接触煤岩储层损害实验评价

致密煤岩具有高毛管压力和比表面积大等特点,在钻井、完井和增产改造过程中,流体侵入将造成储层损害,显著降低工程技术效果。以往文献仅报道了单项工作液对煤岩储层的损害,忽视了工作液顺序接触煤岩储层损害的叠加效应。以川南煤田古叙矿区上二叠统龙潭组煤样为研究对象,开展了流体之间配伍性实验、钻井完井液与压裂液顺序接触煤样对渗透率损害实验。单项工作液储层损害评价实验结果表明,压裂液对储层的损害最严重,钻井完井液次之;工作液配伍性和顺序接触损害评价实验结果表明,与钻井完井液接触后,瓜胶压裂液损害最严重,离子平衡压裂液次之,活性水压裂液较轻,清洁压裂液最轻。顺序损害实验反映了工程实际过程,为入井流体评价和优选提供理论依据,有利于促进煤层保护和煤层气高效开发。      

液态水影响不同煤级煤吸附甲烷的差异及其机理

以IS100等温吸附解吸仪和MTS815型电液伺服岩石实验系统为主要实验平台,应用已建立的模拟储层条件下煤样注水和注水试样等温吸附实验方法,对3种不同煤级的煤储层样品开展了高压（8～20 MPa）注水和等温吸附实验,发现储层条件下煤层中的液态水（注水煤样）对不同煤级（0.46%<Ro,max<1.72%）煤吸附甲烷影响有差异,其含水量随煤级升高呈L型降低,而吸附量则线性增加。笔者认为液态水造成吸附差异的原因是煤体润湿性的差异,对于中低煤级的煤样来说,煤表面的物理化学性质起着控制作用,直接影响着煤体润湿性,吸附势和含水量的曲线都说明了这一点。     

气体吸附对煤层安全钻井液密度的影响

煤岩中割理极为发育,导致煤层非均质性极强,在煤层钻井过程中井壁极易垮塌,掩埋钻具,钻井过程中配置合理的钻井液用以保持井壁稳定具有重要的意义。现阶段主要是运用经典连续介质理论模型进行钻井过程中安全钻井液密度窗口预测,导致现场实际效果较差。实际煤层不仅割理发育并且大量CH₄以吸附态赋存于煤层中,将弱化煤岩力学强度,使原本就易失稳的井壁越加不稳定。因此,针对煤层为非连续介质的特殊性,基于非连续介质力学构建的离散元模型分析钻井过程中煤层井壁稳定性,并结合连续介质强度分析法在考虑气体吸附对煤岩力学强度弱化影响的情况下,用以确定煤层最佳防塌钻井液。最后,根据山西省宁武盆地的煤岩数据及现场钻井液资料,利用上述理论进行实例计算,指出研究区煤层防塌需保证钻井液密度大于1.009 g/cm3,并且需在钻井液中添加暂堵剂以提高其封堵能力。      

高温高压条件下深部煤层气吸附行为

为了对深部煤层吸附特性进行分析,以鄂尔多斯盆地东部主要煤层为对象,展开 4 组不同温度条件下煤样的高压等 温吸附实验。从温度、压力、煤级等地质要素方面入手,研究较高温压条件下煤样的吸附特征。同时,通过对比分析各地 质因素对吸附行为的影响,比较深部煤层吸附行为与浅部煤层吸附行为的差异性。结果表明:深部煤层的吸附特性主要受 温度、压力的控制;高温条件下煤样对 CH4 的吸附量大大减少,且煤级、煤岩显微组分、灰分产率以及水分含量对吸附性 能的影响已明显小于浅部煤层,温度、压力成为控制吸附量的决定因素。在 100°C条件下,吸附量到达某一压力后随着压 力的增大煤样吸附量下降,分析认为由于在此温压下,随着压力的增加,吸附相与游离相气体的密度差逐渐减小,超临界 吸附已不再符合 Langmuir 等温吸附模型。     

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

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<...     

煤体性质对煤吸附容量的控制作用探讨

煤体性质是影响煤吸附容量的重要因素之一。通过对中国华北和西北两个重要煤层气富集区煤的煤岩学、煤化学和等温吸附实验分析,从煤级、显微组分、煤体变形三个方面对煤的吸附容量及其控制因素进行了, 分析探讨。结果表明,水分平衡条件下煤的吸附容量与煤阶的关系为倒U字型,吸附容量随煤阶的变化为跃变式, 基本与四次煤化作用跃变阶段相对应,主要受控于煤化作用过程中煤的亲甲烷能力和孔隙度的变化;煤体中惰质组含量较高时,其对煤体的吸附容量的影响较为明显,主要与惰质组中丝质体的高吸附能力有关;在构造应力作用下,煤体表面物化发生的变化使构造煤吸附容量比同一矿区同一煤层原生结构煤高。     

碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术研究

随着矿井采掘、钻探等技术的快速发展和矿井提能增效的需求日增,区域超前探测煤层瓦斯含量的需求越来越迫切。近年来研发的井下长钻孔高压水密闭取心瓦斯含量测定技术已应用于中硬煤层矿区,效果显著,但在碎软煤层中应用存在局限性。针对采用现有定向钻孔高压水密闭取心技术进行碎软煤层取心时,存在煤心易冲散、孔壁易坍塌、喷孔、取心率低、安全风险大的问题,并结合矿井钻取含原始水分煤样的需求,提出采用“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺,研发了基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统,以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送;以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭。选取淮南矿区某矿同一区域的主采煤层进行试验,碎软煤层井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测值为6.65～7.82 m3/t,常规取心瓦斯含量测值为5.11～6.45 m3/t。工程试验表明,碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术为碎软煤层井下长距离测定瓦斯含量提供了一种新途径,实现碎软煤层井下精准定点、长距离瓦斯含量精确测定,可解决碎软煤层井下大区域探测瓦斯赋...     

韩城地区煤储层孔渗应力敏感性及其差异

以韩城煤层气区块3号、5号和11号煤层为例,进行不同围压条件下的煤心孔渗实验,探讨了该区煤储层物性与应力之间的耦合关系,建立了相应的数学模型。结果表明,煤心孔渗随围压的增加而不断下降,渗透率应力伤害远强于孔隙度应力伤害,但各煤层的应力敏感性各不相同:在实验围压从4.14 MPa（600 psi）增加到12.42 MPa（1 800 psi）条件下,11号煤层孔渗应力敏感性最强,孔隙度应力伤害达76.5%,渗透率应力伤害达93.3%;3号煤层孔渗应力敏感性最弱,孔隙度应力伤害38.5%,渗透率应力伤害77.9%;5号煤层孔渗应力敏感性较强,孔隙度应力伤害约45%,渗透率应力伤害达83.9%。分析认为,裂隙发育状况是造成各煤层间孔渗应力敏感差异的主要原因。从实验数据的拟合情况看,幂函数模式比指数函数模式更能准确地获取测试围压范围内的孔渗内插值。      

影响煤层渗透率测试的若干因素

通过对中国8个矿区10口煤层气评价井的试井工作,讨论了影响煤层渗透率测试的若干因素,认为钻井作业对煤层的伤害、煤体结构及较高的有效地应力是主要影响因素;而煤的变质程度虽然对煤的割理发育起控制作用,但不是煤层渗透率测试的主要影响因素。      

煤层气储层伤害机理与水平井双层管柱筛管完井技术

煤储层具有高吸附性、低渗透性、易压缩与易破碎的特征,煤层气水平井钻完井过程中常常造成煤储层伤害,导致煤层渗透率和单井煤层气产量大幅度降低。通过实验分析,揭示水平井钻完井液中的固相颗粒、流体流动诱导产生的固相成分对煤储层微裂隙堵塞成因,阐明煤层气水平井钻完井中储层伤害的机理。在此基础上,提出水平井双层管柱筛管完井技术,分析其减轻煤储层伤害的机理,即通过冲管水力冲击作用消除水平井壁钻井液泥饼,清除井壁附近堵塞微裂隙煤粉,并在近井地带产生应力增渗作用。相对于煤层气常规的多分支水平井及分段压裂水平井,水平井双层管柱筛管完井的稳定日产气量、稳产周期均大幅提升。该技术在沁水盆地南部部分区域推广应用显示,3号煤层气井平均日产气量提升到20 000 m3,同时实现15号煤层气的开发突破,平均日产气量提升到10 000 m3以上。研究成果对于降低煤层气水平井钻完井过程中的储层伤害,提高煤层气井产量具有重要的理论和实践意义。