水力压裂对高煤阶煤储层特征及产能的影响

论文摘要

煤层气作为非常规天然气中重要的组成部分,开发利用不仅有利于煤矿瓦斯灾害治理,同时可以减小温室气体排放,增强能源利用效率。我国煤炭资源丰富,煤层气储量巨大,因此获得煤层气储层的特征及开发利用条件,是煤层气增产中不可缺少的手段。本文以沁水盆地南部樊庄矿区为依托,通过统计分析、实验研究、理论分析以及数值模拟等方法综合研究,系统分析了樊庄矿区水力压裂对高煤阶煤储层特性和产能的影响,研究了煤岩的水力压裂特性及渗透率变化规律,采用了水力压裂实验、核磁共振实验及吸附-解吸实验,得到了压裂前后煤岩的孔渗性的变化规律,进一步探讨了压裂过程中不同压裂液对高煤阶煤解吸的控制作用,揭示了樊庄区块煤储层特性与产能的关系,在此基础上,建立了储层产能评价方法,为提高煤层气井产能提供合理的理论依据。取得的主要成果和认识如下:（1）通过对沁水盆地南部樊庄区块3#煤储层的物性基础资料研究,结合现场采集样品、实验室显微镜观测,分析了研究区煤储层孔裂隙发育特征及其演化规律,揭示了高煤阶煤储层渗透性差的原因,即外生裂隙不发育,内生裂隙发育但多数被方解石大量充填,微裂隙发育但缺乏相互沟通,渗透率随埋深增加呈负指数式下降;煤储层压力随着埋深增大而不断增大,并进一步揭示了含气性的分布规律及控制因素;煤的理论解吸率高达80%以上,显示了研究区高煤阶煤具有较好的物性特征。（2）通过水力压裂实验,获取了压裂过程中煤储层物性差异特征,水力压裂过程中煤岩破坏程度及渗透率变化情况主要分为三个阶段:1、煤岩初始压实阶段,渗透率缓慢变化甚至有下降趋势;2、岩石膨胀阶段,渗透率缓慢增长;3、煤岩破裂阶段,渗透率快速增长。煤储层整体渗透率随有’效应力的变化呈指数变化;压裂对渗透性具有明显的改善作用,煤岩初始渗透率越低,压裂后效果越好;煤岩在压裂过程中,黏土矿物颗粒和煤粉颗粒,随着长时间的压力扩散,逐步渗入煤岩微小孔隙,强化了割理颗粒中的黏土膨胀,微孔和微裂隙变小,憋压时间越长,颗粒形成不可逆的伤害的程度越大,煤岩宏观表现为渗透率下降。（3）基于核磁共振实验研究了煤岩压裂前后孔隙的变化规律,压裂后煤样不同孔径范围内的孔隙含量均有所增加,煤岩中大孔和裂隙含量增加幅度最大,泄压后小孔的孔隙度容易恢复到压裂前的状态,而大孔压裂前后孔隙度增加较大,泄压后难以恢复。实验表明在实际的压裂过程中,需要及时加入支撑剂,以防泄压导致新生孔裂隙闭合。（4）煤的吸附-解吸实验表明,煤颗粒越大含有越多张开度大的裂隙,有利于气体的解吸运移,同时甲烷解吸量越人。而煤颗粒越小,煤样含有的比表面积越大,容易与浓度高的压裂液形成较强的作用力。压裂液中不溶于水的固体颗粒侵入煤中孔裂隙中,易造成孔裂隙的堵塞,导致煤层气的解吸量降低。（5）将影响煤层气井产能的储层控制因素分成四类,分别为储层物质基础、煤层气解吸难易程度、煤层气运移产出能力及储层可改造性,并对各控制因素分配权重,建立了储层评价方法,对樊庄区块煤层气高产区的重新预测;通过数值模拟方法,获得了水力压裂作用、压裂裂缝长度及压裂液类型对煤层气井产能的控制作用。

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摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 水力压裂研究现状

1.2.2 煤层报吸附-解吸研究现状

1.2.3 煤储层孔渗性研究进展

1.2.4 煤层气产能影响因素分析

1.3 研究内容

1.4 研究方法和技术路线

1.5 完成的主要工作量和创新点

1.5.1 完成的主要工作量

1.5.2 创新点

2 煤储层条件及其压裂前后核磁共振响应特征研究

2.1 概述

2.2 研究储层物性条件

2.2.1 煤层厚度

2.2.2 煤储层的孔隙裂隙

2.2.3 煤储层正力

2.2.4 渗透性

2.2.5 含气性

2.3 核磁共振实验

2.3.1 核磁共振测试原理

2.3.2 核磁共振实验方法

2.3.3 核磁共振实验结果分析

2.4 本章小结

3 水力过程中煤岩渗透性变化规律

3.1 概述

3.2 水力压裂基本原理

3.2.1 水力压裂力学模型条件

3.2.2 垂直钻孔周围应力分布及压裂原理

3.2.3 水力压裂实验结果及分析

3.3 实验原理

3.3.1 压力脉冲衰减测瞬态渗透率

3.3.2 水压致裂实验原理

3.4 实验样品及制备方法

3.4.1 试件制备

3.4.2 试验设备

3.4.3 实验方案

3.4.4 水力压裂实验

3.5 实验结果及分析

3.5.1 压裂过程中煤样渗透性变化规律

3.5.2 泄压过程中的渗透率变化规律

3.5.3 水力压裂过程中的渗透率变化的受控机理

3.6 本章小结

4 压裂液对煤层气吸附-解吸影响实验评价

4.1 概述

4.2 实验过程及方案

4.2.1 实验原理

4.2.2 实验方案

4.2.3 模拟地层条件

4.2.4 压裂液体

4.3 吸附-解吸过程及结果

4.3.1 不同粒径煤粉甲烷解吸实验

4.3.2 不同压裂液的甲烷解吸实验

4.3.3 不同浸泡时间甲烷解吸实验

4.4 压裂液对煤心渗透率伤害评价室内实验

4.4.1 实验方法

4.4.2 气体脉冲渗透率计算方法

4.4.3 渗透率的伤害率计算方法

4.4.4 实验结果及分析

4.5 本章小结

5 储层参数及水力压裂对煤层气井产能的影响研究

5.1 概述

5.2 煤储层条件对产能影响分析

5.2.1 煤储层物质基础

5.2.2 煤储层解吸难易程度

5.2.3 煤储层运移产出能力

5.2.4 煤储层可改造性

5.3 煤储层评价及及结果

5.3.1 储层评价方法

5.3.2 储层评价结果

5.4 水力压裂对产能的影响

5.4.1 水力压裂对产能影响理论计算

5.4.2 水力压裂对产能影响数值模拟

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

在学期间发表的学木论文

在学期间参加科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张贝贝

导师: 孟召平

关键词: 煤储层,水力压裂,渗透率,压裂液,产能

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: P618.13

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000106

总页数: 120

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水力压裂对高煤阶煤储层特征及产能的影响

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