高煤级煤基质力学效应与煤储层渗透率耦合关系分析

基于吸附膨胀物理模拟实验，揭示了瘦煤至无烟煤阶段煤基质的自调节特征，分别探讨了煤层气排采过程煤基质收缩和有效应力变化对煤储层渗透率的影响，构建了有效应力、煤基质收缩与煤储层渗透率之间耦合的数学模型，揭示出高煤级煤储层渗透率在煤层气排采过程中的递减变化规律，并讨论了这一发现的地质意义。     

煤基质形状因子理论探讨

煤基质形状因子是研究煤层气扩散速率及数值模拟的重要参数,研究不同几何形态下的煤基质形状因子具有重要意义。通过求解煤层气扩散的定解问题,并假定时间无限长的条件下,将时变的形状因子简化为常量形状因子,从而推导出板状、柱状和球状基质的形状因子表达式,并指出这3种几何形态的形状因子值存在显著差异。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52,气煤样依次为1.00、0. 64、0.50、0.54和0.55,无烟煤样依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1. 00、0. 60、0. 57、0. 57、0. 52,气煤样依次为1.00、0. 64、0. 50、0. 54和0. 55,无烟煤样依次为1.00、0. 74、0. 58、0. 50和0. 56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析

在煤层气的初级生产过程中,为了获取较高的生产率,需要降低储层压力,储层压力下降对于煤层气的渗透率具有两个相反的效应：（1）储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2）煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高。Shi和Durucan、Palmer-Mansoori以及Gray等都建立了包含了基质收缩效应以及有效应力的影响的渗透率模型,其模型都基于以下两个关键假设：煤岩体处于单轴应变状态以及竖向应力恒定。为了检验上述两个假设的合理性,建立了一个考虑基质收缩效应以及渗流场-应力场耦合作用下的煤层气流动模型,对煤层气初级生产过程中渗透率的变化进行了耦合分析。分析结果表明：单轴应变的假设具有合理性,而竖向应力是随指向生产井的应变梯度的变化而变化的,其对于渗透率的变化具有重要影响,因此,竖向应力恒定的假设可能导致渗透率预测出现误差;上述渗透率模型都可能低估煤层气初级生产过程中渗透率的变化。     

山西沁水盆地中-南部煤储层渗透率物理模拟与数值模拟

通过对山西沁水盆地中南部上主煤层宏观裂隙观测,力学参数测量和应力渗透率实验,分别建立了裂隙面密度、裂隙产状、裂隙宽度与煤储层渗透率之间的预测数学模型;利用FLAC—3D软件,模拟了该区上主煤层内现代地应力状态,结合煤层气试井渗透率资料,构建了应力与渗透率之间关系预测的数学模型,并对该区上主煤层渗透率进行了全面预测。通过吸附膨胀实验,揭示了各煤类煤基质的收缩特征,构建了有效应力、煤基质收缩与渗透率之间的耦合数学模型,并对煤层气开发过程中渗透率动态变化进行了数值模拟。     

煤基质膨胀收缩对储层渗透率影响的新数学模型

煤层渗透率变化受多种因素制约,其中有效应力和煤吸附–解吸过程中煤基质的膨胀/收缩是两个主要因素。基于这两方面影响因素,采用体积不变原理和MATCHSTICK模型,提出新的预测渗透率变化的模型,有效回避了经典模型中使用不确定参数引起的渗透率模拟误差问题。研究结果表明,渗透率随煤层压力的变化存在3种理论模型,煤层气排采过程中,应尽可能使得渗透率变化曲线呈现下降缓慢、抬升稳定快速且增幅较大的趋势。最后,通过与经典的Palmer-Mansoori模型和Shi-Durucan模型的模拟对比,并利用现场实测数据进行验证,证明了本文推导模型的正确性和实用性。     

高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题研究

基于山西沁水盆地高煤级煤储层宏观裂隙、显微裂隙的连续观测,孔隙的系统测量,结合应力渗透率、气-水相对渗透率、吸附膨胀等实验成果,分析了高煤级煤储层三级渗流特征,探讨了有效应力和煤基质收缩对高煤级煤储层渗透率的耦合作用,系统揭示了在地面排水降压开发煤层气的过程中,高煤级煤储层初期产气量高,数月后急剧衰减之“瓶颈”现象,找出了造成高煤级煤储层产气缺陷的根本原因。鉴于高煤级煤储层物性的特殊性,指出了高煤级煤储层煤层气开发的技术和措施。     

Influence of gas production induced volumetric strain on permeability of coal

Summary The gas permeability of a coalbed, unlike that of conventional gas reservoirs, is influenced during gas production not only by the simultaneous changes in effective stress and gas slippage, but also by the volumetric strain of the coal matrix that is associated with gas desorption. A technique for conducting laboratory experiments to separate these effects and estimate their individual contribution is presented in this paper. The results show that for a pressure decrease from 6.2 to 0.7 MPa, the total permeability of the coal sample increased by more than 17 times. A factor of 12 is due to the volumetric strain effect, and a factor of 5 due to the gas slippage effect. Changes in permeability and porosity with gas depletion were also estimated using the measured volumetric strain and the matchstick reservoir model geometry for flow of gas in coalbeds. The resulting variations were compared with results obtained experimentally. Furthermore, the results show that when gas pressure is above 1.7 MPa, the effect of volumetric strain due to matrix shrinkage dominates. As gas pressure falls below 1.7 MPa, both the gas slippage and matrix shrinkage effects play important roles in influencing the permeability. Finally, the change in permeability associated with matrix shrinkage was found to be linearly proportional to the volumetric strain. Since volumetric strain is linearly proportional to the amount of gas desorbed, the change in permeability is a linear function of the amount of desorbing gas.     

考虑滑脱效应的低阶煤动态渗透率预测新模型

为准确预测低阶煤动态渗透率变化规律,在煤岩立方体模型基础上,考虑基质孔隙和滑脱效应对渗透率的影响,建立低阶煤动态渗透率预测新模型,并对影响绝对渗透率和滑脱系数的因素进行敏感性分析,讨论了甲烷和氮气对基质收缩与滑脱效应的影响。研究表明：基于“火柴棍”假设建立的模型是新模型不考虑基质孔隙时的一个特例,P-M、S-D模型与新模型相比基质收缩作用更加明显,考虑基质收缩与滑脱效应的新模型更具实用性。气体郎格缪尔应变是影响基质收缩的关键,煤岩绝对渗透率能否反弹是割理压缩、基质孔隙膨胀、基质弹性形变和基质收缩4个因素共同作用的结果。相同条件下,甲烷的基质收缩强于氮气,氮气的滑脱效应强于甲烷,影响滑脱系数的因素包括内因和外因,滑脱系数与割理宽度随孔隙压力变化时呈现相反规律。滑脱效应和基质收缩效应共同提升气测渗透率,煤岩孔隙压力越低,二者对渗透率的提升作用越明显。     

吐哈盆地煤层的吸附性及其影响因素

通过对吐哈盆地煤层的吸附性及其影响因素的深入研究,认为该盆地煤层虽然变质程度较低,但对甲烷气仍有较强的吸附能力;煤的变质程度是影响吐哈盆地煤层吸附性的主要因素,煤岩显微组分、煤中水分和含油性也对煤层吸附性有不同程度的影响。     

黔西上二叠统煤的孔隙特征及其控制因素

作为一种多孔介质,煤的孔隙性质直接影响煤层气的富集和扩散,因而对煤孔隙特征的研究至关重要。通过压汞测试和低温氮吸附测试数据,系统分析了黔西上二叠统煤的孔隙形态、孔隙类型及孔径分布特征,并从煤岩显微组分及煤级方面探讨了该区煤储层孔隙发育的控制因素。研究结果表明：黔西煤样孔隙度为1.4%～9.5%,且由北至南有减小趋势;孔隙类型以吸附孔为主,其中高煤级煤孔隙以一端封闭型孔居多,与低煤级区相比,其渗透性和连通性较差,但黔西地区整体优于沁水盆地;煤级是影响煤储层孔隙变化的主控因素,随着煤级增加,孔隙度呈现由低到高的变化趋势。     

煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散性能

为验证土工合成黏土衬垫（Geosynthetic Clay Liners,GCL）作为煤矸石处置场衬垫层建设材料的可行性,采用垂直式双筒扩散装置进行室内扩散试验,研究了煤矸石淋滤液中典型污染物Zn²⁺、Mn²⁺和SO₄^2-在人工钠化膨润土GCL中的扩散性能,使用有限层法模拟软件POLLUTE V7对污染物随时间变化的曲线进行拟合,确定3种污染物在人工钠化膨润土GCL中的扩散系数。研究结果表明,污染物在GCL中的扩散系数低于它们在传统压实黏土衬垫层中的扩散系数,从而能更有效地控制煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散迁移行为。     

碎软突出煤层空气动力造穴工程主控因素

为揭示空气动力造穴技术在碎软突出煤层中造穴效果的主要工程影响因素及其机制,加大该技术在碎软突出煤层瓦斯治理中的应用力度,通过空气动力造穴机理分析认为,影响造穴效果的工程主控因素为注气压力和返排气体排量;同时采用数值模拟、现场实验和公式推算相结合的方法,对注气压力与返排气体排量的影响机制进行了研究。结果认为：距离井壁越近,储层内的气体压力越大、煤储层结构越容易被空气压力“激动”作用破坏,注气压力在安徽淮南谢一矿实验点的碎软煤层中的有效传导半径为7 m,煤层洞穴半径单次扩大量为0.1 m左右,掏出煤体体积在一定范围内与注气压力、返排气体排量呈正相关关系。