煤储层改造背景下深部煤层气藏物质平衡方程的建立与应用 被引量：1

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作者 石军太 徐凤银 +9 位作者 曹运兴 李相方 黄红星 王凯 陈明 张硕 吉义天宇 王伟 孙政 李靖 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第3期200-217,共18页

近些年深部煤层气发展迅速,在多个深部煤层气区块都取得单井日产万方的突破,为了更加科学高效地开发深部煤层气,大幅提高煤层气的采收率,建立合理、可靠且考虑因素全面的煤层气物质平衡方程,并研究深部煤层气藏或气井控制储量、平均煤... 近些年深部煤层气发展迅速,在多个深部煤层气区块都取得单井日产万方的突破,为了更加科学高效地开发深部煤层气,大幅提高煤层气的采收率,建立合理、可靠且考虑因素全面的煤层气物质平衡方程,并研究深部煤层气藏或气井控制储量、平均煤储层压力、不同类型气体产量占比、产能评价指标和最终可采储量具有重要的理论与现实意义。目前考虑游离气、煤基质收缩、溶解气、吸附气富集的微孔与游离气和水占据的介孔之间的压差和煤储层改造影响的煤层气物质平衡方程鲜有报道。首先基于深部煤层气藏物质平衡原理,在常规物质平衡方程考虑应力敏感引起的孔隙压缩、基质收缩、水的膨胀和产水因素的基础上,进一步考虑吸附气富集的微孔与游离气和水占据的介孔之间的压差、煤储层改造引起的煤储层物性参数变化和溶解气的影响,建立了基于煤储层改造背景下的深部煤层气藏物质平衡方程;然后提出了深部煤层气线性拟合的吸附气−游离气−溶解气储量评价方法、平均地层压力显式计算方法、吸附气−游离气−溶解气产量占比评价方法、深部煤层气井产能评价方法和最终可采储量EUR预测方法;最后对提出的方法进行了实例应用,评价了实例井控制的吸附气−游离气−溶解气储量,揭示了深部煤层气井生产过程中吸附气−游离气−溶解气产量占比变化规律,剖析了产能指标变化特征并预测了不同废弃压力下的EUR和煤层气采收率。研究表明:提出的深部煤层气储量评价方法,仅需实测2次以上的平均煤储层压力和对应的累计产气量和产水量数据,即可采用线性拟合的方法,评价出深部煤层气井吸附气−游离气−溶解气的储量;提出的深部煤层气平均地层压力计算方法为显式表达式,避免了隐式求解方法中复杂的计算机编程计算;提出的深部煤层气井吸附气−游离气−溶解气产量占比评价方法,无需在井口安装碳同位素监测装置,可实时评价出不同气体产量占比;提出的综合流体、游离气、吸附气、溶解气和水井底采出指数可以用于识别深部煤层气井工作制度的合理性;提出的深部煤层气井EUR预测方法,可将生产数据整理成视压力p/Z^(*)与累计产气量Gp的直线表达式,给定某一废弃压力,即可预测出深部煤层气井的EUR;实例井生产初期游离气日产气量占比和吸附气日产气量占比相当,在生产过程中,游离气日产气量占比先快速上升后缓慢降低最后逐渐稳定在29%,吸附气日产气量占比则先快速降低后缓慢上升最后逐渐稳定在70%,而溶解气日产气量占比一直较低;当废弃压力分别为4、3和2 MPa时,该深部煤层气井的煤层气采收率分别为37.8%、44.2%和52.4%,降低废弃压力是提高深部煤层气藏采收率较为有效的手段。 展开更多

关键词 深部煤层气 物质平衡方程 游离气 储量评价 煤储层压力 产量占比 产能评价 最终可采储量EUR预测

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深部煤层气压裂水平井产气预测模型

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作者 贾焰然 石军太 +5 位作者 曹运兴 徐凤银 熊先钺 陈明 黄红星 王伟 《中国海上油气》 北大核心 2025年第1期176-183,共8页

尽管压裂水平井开发深部煤层气藏取得重大突破,但煤层气井产气规律认识不清,产气快速预测方法欠缺,为了保障深部煤层气长期稳定高效开发,亟需开展产气预测方法研究。基于深部煤层气压裂水平井改造区内外双线性流的渗流特征,通过耦合考... 尽管压裂水平井开发深部煤层气藏取得重大突破,但煤层气井产气规律认识不清,产气快速预测方法欠缺,为了保障深部煤层气长期稳定高效开发,亟需开展产气预测方法研究。基于深部煤层气压裂水平井改造区内外双线性流的渗流特征,通过耦合考虑开关井变化影响的压力传播模型,考虑应力敏感、基质收缩和煤粉堵塞综合影响的渗透率动态变化机理的水平井气水两相流产能方程,以及煤层气藏压裂改造区-未改造区物质平衡方程,建立了煤层气压裂水平井产气预测模型,并对模型进行了求解;通过与商业数值模拟软件CMG模型、鄂东盆地大吉区块典型深部煤层气井A实测数据的拟合对比分析,验证了本文提出的深部煤层气压裂水平井产气预测模型的可行性。结果表明:本文模型更好地表征了实际井从压裂液返排阶段开始到产量递减阶段的全周期产水动态特征,所拟合得到的井底流压路径与实测值的平均误差低于7%,即建立的深部煤层气压裂水平井产气预测模型更符合现场实际。研究结果可为深部煤层气藏压裂水平井生产动态分析和开发方案设计提供参考,为深部煤层气井长期稳定高效开发奠定基础。 展开更多

关键词 深部煤层气 压裂水平井 双线性流 动态渗透率 产气预测模型

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煤层气水平井捞砂技术优化与工程应用

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作者 张飞 王一兵 +8 位作者 程璐 梅文博 杨琦 申文杰 曹超 来鹏 廖正凯 鲜保安 毕延森 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第3期220-230,共11页

【目的和方法】煤层气水平井生产面临完井管柱沉砂堆积、管壁结垢和卡泵等问题,导致煤层气产量下降或停产,严重制约了煤层气连续稳定生产,机械捞砂方式清除井筒内煤粉和沉砂,是恢复和提高水平井煤层气产量的有效工艺技术。针对煤层气水... 【目的和方法】煤层气水平井生产面临完井管柱沉砂堆积、管壁结垢和卡泵等问题,导致煤层气产量下降或停产,严重制约了煤层气连续稳定生产,机械捞砂方式清除井筒内煤粉和沉砂,是恢复和提高水平井煤层气产量的有效工艺技术。针对煤层气水平井机械捞砂管柱密封性差、捞砂效率低和沉砂固结等难题,优化设计并加工了爪式刮板笔尖、破砂钻头、偏心翻板和机械式旋转工具等。基于水平井机械式捞砂泵原理,将水力附加轴向力引入管柱力学模型建立了管柱−水力耦合力学模型,提出了水平井捞砂作业参数优化方法,通过工程实例分析捞砂泵单冲程往复周期对储砂管内流体流动速度和煤粉运移能力影响、翻板吸入口开放度对水力附加轴向力影响,对比分析管柱–水力耦合力学模型与常规力学模型计算管柱轴向力结果。【结果和结论】结果表明:(1)爪式刮板笔尖通过结构优化提高了水平井管底沉砂破除效率,机械式旋转工具配合破砂钻头和卡簧结构解决了管壁固结沉砂破除难题,偏心翻板与球式单流阀增加了固–液两相流通过面积和密封性。(2)ø110 mm捞砂泵在单冲程往复周期60 s条件下,可运移颗粒直径不超过2.5 mm煤屑,含有少量粒径3~12 mm煤屑,能够有效运移水平井筒内堆积煤粉颗粒至储砂管内部;捞砂泵上行、下行工况下管柱轴向力比常规起下钻分别增加906.94 N、减小37.41 N,提高了捞砂作业管柱受力计算准确性。(3)优化后的捞砂工具和工艺技术在沁水盆地10口水平井进行现场应用,单井捞砂量和单次捞砂量分别提高1.5倍、0.9倍,日均产气量和日均产水量分别增加1483.7、2.18 m3,为煤层气水平井高产稳产提供技术支撑,适用于中浅埋深煤层筛管完井和套管射孔完井的水平井及大斜度井,对推动煤层气高效开发具有重要实际意义。 展开更多

关键词 煤层气 水平井 捞砂工具 管柱–水力耦合模型 工程应用

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深/浅部煤储层孔裂隙结构及三维空间分布差异特征——以准噶尔盆地为例

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作者 王鹏翔 张洲 +2 位作者 余婉莹 邹强 杨正滔 《油气藏评价与开发》 北大核心 2025年第2期227-236,共10页

深/浅部煤储层孔隙-裂隙结构差异特征对煤层气开采具有较大影响,针对这些结构特征差异进行的研究可为探索其物性特征,寻找煤层气勘探开发有利区提供部分理论依据。以准噶尔盆地深/浅部煤储层的煤岩样品作为研究对象,对深/浅部样品进行... 深/浅部煤储层孔隙-裂隙结构差异特征对煤层气开采具有较大影响,针对这些结构特征差异进行的研究可为探索其物性特征,寻找煤层气勘探开发有利区提供部分理论依据。以准噶尔盆地深/浅部煤储层的煤岩样品作为研究对象,对深/浅部样品进行扫描电子显微镜、低温N2吸附、高压压汞和CT(计算机断层成像)扫描等测试。测试结果表明,从浅部到深部的煤岩样品的渗透率逐渐降低,总孔体积逐渐降低,微孔与大孔分布频率逐渐降低;浅层样品孔隙-裂隙发育较好,中孔与大孔阶段孔隙分形维数值低,孔隙发育的均质性强,大孔隙与微裂隙相互连通;深部煤岩样品孔隙-裂隙发育相对较为孤立,在中孔与大孔阶段孔隙发育情况较复杂,孔隙-裂隙多被矿物充填。通过最大球算法对样品构建孔隙网络模型,阐明了样品连通孔裂隙的分布规律、形态与结构在三维空间的发育情况,并对等效孔隙、孔喉参数等结构参数和连通情况进行统计和分析,发现浅层样品连通孔隙度和总孔隙度优于深层样品,浅部样品孔隙-裂隙数量多,在微裂隙尺度占有优势,喉道短,孔喉半径大,发育密集,配位数高,连通性好,有利于气体在储层中流动。研究成果对于准噶尔盆地开发深/浅部煤层气采用适配性技术提供了实验数据支撑,对现场开发具有一定的指导意义。 展开更多

关键词 准噶尔盆地 深部煤层气 孔隙特征 物性特征 CT(计算机断层成像)扫描

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中高阶煤润湿改性对气水运移的影响研究

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作者 齐羽飞 田林 曹运兴 《中国安全科学学报》 北大核心 2025年第4期127-136,共10页

为解决深部煤层注水难度增大,涌出量抑制效果差的问题,基于煤层润湿改性的理论方法,使用润湿剂作用于含瓦斯煤体,抑制瓦斯解吸运移。采用润湿性极强的氟碳型FS-3100表面活性剂,开展含瓦斯煤解吸试验和压裂液驱替流动试验,测试润湿性对... 为解决深部煤层注水难度增大,涌出量抑制效果差的问题,基于煤层润湿改性的理论方法,使用润湿剂作用于含瓦斯煤体,抑制瓦斯解吸运移。采用润湿性极强的氟碳型FS-3100表面活性剂,开展含瓦斯煤解吸试验和压裂液驱替流动试验,测试润湿性对煤中气水运移过程的影响,探讨中高阶煤润湿改性对含瓦斯煤解吸效率及其流动能力的变化机制。研究结果表明:水中添加润湿剂,将水的表面张力降低至17.9 mN/m,煤水接触角仅有3~3.5°。润湿剂对煤体改性后,煤中瓦斯的解吸速率明显降低,新景和保德煤瓦斯解吸率分别降至46.08%和39.2%,相比于清水对瓦斯抑制效果分别增加8.4%和9.8%;煤体润湿改性后,新景煤样驱替流动率从8.59%提高至14.10%,保德煤样从10.65%提高至16.67%,煤体注水能力明显增强。润湿剂分子吸附于煤基质表面,降低煤水界面张力和煤体表面能,使水分子在煤体孔裂隙中流动的摩擦阻力减小,水分子能够浸润更小尺度孔隙,产生更强的水锁效应,最终抑制吸附于孔隙及煤表面的瓦斯解吸运移,形成瓦斯封堵作用。 展开更多

关键词 中高阶煤 润湿改性 气水运移 表面活性剂 瓦斯解吸

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双管柱筛管完井技术在沁水煤层气区块水平井开发中的应用 被引量：12

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作者 鲜保安 王力 +2 位作者 张晓斌 毕延森 张洲 《油气藏评价与开发》 CSCD 2020年第4期59-62,69,共5页

煤岩储层完井液伤害与水平井眼易坍塌是限制沁水地区煤层气水平井产量的主要因素,针对煤储层伤害与坍塌导致煤层气水平井低产、减产问题,利用双管柱筛管完井增产一体化技术,解决了煤层气水平井完井液对煤层伤害以及煤层裸眼井壁失稳问... 煤岩储层完井液伤害与水平井眼易坍塌是限制沁水地区煤层气水平井产量的主要因素,针对煤储层伤害与坍塌导致煤层气水平井低产、减产问题,利用双管柱筛管完井增产一体化技术,解决了煤层气水平井完井液对煤层伤害以及煤层裸眼井壁失稳问题。实现完井洗井作业一趟钻,提高煤层气单井产量,延长煤层气井稳产周期。煤层气水平井双管柱完井结构由外层筛管系统和内层冲管系统组成,外层筛系统可以实现长期支撑井壁,防止井筒坍塌,内部冲管系统可建立完井液循环通道,实现水力喷射、消除污染、冲砂洗井功能,降低筛管下入遇阻风险,提高筛管一次性下入成功率。该工艺发展为沁水煤层气区块水平井开发主要完井方式,已开发外径ϕ73 mm、ϕ89 mm与ϕ110 mm等系列的筛管及配套工具,该技术现已推广应用331口煤层气水平井,相比2014年之前的裸眼水平井,筛管完井水平井稳产周期提高5倍以上,15#煤层水平井单井日产气量超过1000 m^3,从根本上解决了15#煤层气开发的技术难题,形成了适合沁水煤层气区块水平井高效开发新模式。 展开更多

关键词 煤层气 水平井 双管柱 筛管完井 增产

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潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究 被引量：7

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作者 牛丽飞 曹运兴 +2 位作者 石玢 张震 贾天让 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2019年第9期82-87,共6页

为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特... 为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特征。实验结果表明:煤样在加载过程中,平行和垂直层理煤样渗透率均随着有效应力的增大而减小,平行层理方向的渗透率始终大于垂直层理方向,应力加载初期渗透率急剧下降,最后逐渐趋于平缓;径向应变的增加量与渗透率呈正相关性,且平行层理相关性大于垂直层理;沿平行层理方向的裂隙度大于沿垂直层理方向,沿垂直层理方向的应变量大于沿平行层理方向;应变增加量均随有效应力的增加而逐渐减小。研究结果可为煤层井网布置及优化提供参考。 展开更多

关键词 煤 渗透率 各向异性 层理 应变 有效应力

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低渗低压煤层水平井密集多簇压裂高效开发技术及应用 被引量：19

8

作者 曹运兴 石玢 +4 位作者 田林 李丰亮 曹永恒 董轼 周丹 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期3512-3521,共10页

我国煤储层地质条件复杂,煤矿瓦斯灾害严重,煤层气井产量普遍偏低,高效抽采技术是我国煤层气行业和煤矿安全生产迫切需要解决的瓶颈技术难题。以山西大宁井田低渗低压的3号煤层为对象,研发了水平井密集多簇压裂高效开发技术,并进行了工... 我国煤储层地质条件复杂,煤矿瓦斯灾害严重,煤层气井产量普遍偏低,高效抽采技术是我国煤层气行业和煤矿安全生产迫切需要解决的瓶颈技术难题。以山西大宁井田低渗低压的3号煤层为对象,研发了水平井密集多簇压裂高效开发技术,并进行了工程试验,获得了高产开发效果。结果表明:①试验井LDP-02所在区段煤层的平均渗透率0.112×10-15 m^2,储层压力梯度3.7 kPa/m,多分支水平井平均日产量800~1000 m^3,直井平均日产362 m^3左右,具有典型的低渗低压低产储层特征。②产能模拟预测表明,采用15~25 m的簇间距,经过3.85~5.95 a排采,两簇裂缝末端中间位置煤层瓦斯含量可降低至8 m^3/t,满足煤矿生产要求;单段压裂可形成4簇有效裂缝,在液量1000 m^3、砂量50 m^3、排量10 m^3/min的条件下,单簇裂缝半长为64.1 m。③LDP-02井为一组U型水平井,水平井煤层段长920 m,分10段38簇压裂,每段3~4簇,簇间距11~23 m。④排采生产893 d,其中产气687 d,气产量长期稳定16000 m^3/d,已累计产气890×104 m^3,平均日产12955 m^3,日产量是同区段直井的20~36倍,是同井场多分支水平井的10倍以上。 展开更多

关键词 低渗低压 煤层气 水平井 多簇压裂 高效抽采 大宁井田

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煤储层酸化氧化试剂体系优选及增产效果评价 被引量：1

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作者 石军太 范倩雯 +10 位作者 曹运兴 徐凤银 黄红星 刘高峰 刘成 李星浩 曹敬添 邓婷 王春琦 孙政 李相方 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期1989-2003,共15页

我国煤层气资源丰富,但煤储层多为低渗致密储层,单井产量和采出率普遍较低,现有的技术手段难以支撑我国煤层气产业的快速发展,需要探索提高单井产量和采出率的手段。除了水力压裂、裸眼洞穴完井的物理改造方式,采用化学法改造原始煤储... 我国煤层气资源丰富,但煤储层多为低渗致密储层,单井产量和采出率普遍较低,现有的技术手段难以支撑我国煤层气产业的快速发展,需要探索提高单井产量和采出率的手段。除了水力压裂、裸眼洞穴完井的物理改造方式,采用化学法改造原始煤储层物性也是近年研究的热点。煤储层酸化氧化技术可以避免物理增产方式造成的储层伤害,并可以促进解吸并改善渗流能力,但对于不同煤阶煤储层,适宜不同煤阶煤储层的酸化氧化试剂需要优化,以及其酸化氧化的作用效果需要评价。通过室内实验,对比分析了保德、沐爱、新疆区块煤样物性特征,包括煤阶、煤体结构、煤的宏观特征、煤质特征、孔渗参数、元素分析、矿物组成方面的区别;通过煤粉酸液前置溶蚀实验,优选出了盐酸最佳浓度,并通过Design-Expert软件设计并开展了五因素三水平的酸液优选正交实验,找出了影响溶蚀效果的敏感因素,优选出了最优的氧化剂类型,并对保德、沐爱、新疆区块煤样,分别优选出了适用于各区块煤储层的酸化氧化试剂体系;应用优选出的各区块酸化氧化试剂体系,对保德、沐爱、新疆区块煤样,分别对比分析了酸化氧化前后的孔隙度、渗透率和润湿性;最后基于沐爱区块一个典型井组,通过数值模拟预测了酸化氧化改造后的产气效果。实验表明:盐酸浓度在3~4 mol/L内,酸液溶蚀效果最好;5个实验因素的影响效果从大到小依次是浸泡时间、酸液种类、浸泡温度、煤样种类、酸液浓度;最优的氧化剂为质量分数3%的过氧化氢溶液;保德区块混合酸化氧化剂配方为10%HCl+2%CH_(3)COOH+2%HF+3%H_(2)O_(2),沐爱区块的最佳混合酸化氧化剂配方为8%HCl+2%CH_(3)COOH+4%HF+3%H_(2)O_(2),新疆区块的最佳混合酸化氧化剂配方为12%HCl+1%CH_(3)COOH+1%HF+3%H_(2)O_(2),煤阶越高,最优酸化氧化试剂体系中HF含量越高。酸化和氧化对煤样的孔隙度和渗透率有提升作用,2者增大规律一致,低阶煤提升效果优于高阶煤。酸化作用使煤的亲水性增强,而氧化作用使煤的亲水性大幅减弱,经优选的酸化氧化体系处理的煤样亲水性减弱。数值模拟预测表明酸化氧化方案生产10 a达到废弃条件时采出率达到了64.64%,与同一时间未进行酸化氧化方案的采出程度相比增加19.72%,增产效果显著;与未进行酸化氧化方案生产18 a达到废弃条件时采出率相比增加0.97%,但酸化氧化措施节省了8 a生产时间达到最终采出率,降低了矿场运营成本。优选出的适宜于低、中、高不同煤阶煤层气藏的酸化氧化体系,改善了目标煤储层的解吸和渗流能力,提高了单井产量和采出率。 展开更多

关键词 煤层气 储层改造 酸化氧化 溶蚀 采出率

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准噶尔盆地深部与浅部煤层气储层物性特征对比分析 被引量：2

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作者 邢丽茹 张洲 +2 位作者 任峻杉 余婉莹 王鹏翔 《中国煤炭》 北大核心 2024年第9期9-17,共9页

为了探讨深部与浅部煤层气赋存的差异,采集准噶尔盆地煤矿1500 m以浅煤样和煤矿钻孔1500 m以深煤样,通过资料搜集和室内测试分析了研究区深部与浅部煤储层物性特征的差异,最终得到以下结论:深部镜质组含量比浅部高,煤体结构更完整,储层... 为了探讨深部与浅部煤层气赋存的差异,采集准噶尔盆地煤矿1500 m以浅煤样和煤矿钻孔1500 m以深煤样,通过资料搜集和室内测试分析了研究区深部与浅部煤储层物性特征的差异,最终得到以下结论:深部镜质组含量比浅部高,煤体结构更完整,储层改造性更强;深部比浅部含气量大,煤层气赋存状态由欠饱和状态逐步转变为超饱和状态,煤层气成因多样;浅部煤岩的渗流孔比深部发育,深部煤岩的吸附孔比浅部发育。浅部煤岩以外生裂隙为主,孔裂隙间连通性好;深部煤岩以内生裂隙为主,有矿物质充填裂隙,且深部孔隙度和裂隙密度比浅部小,渗透性较差。对比分析表明,准噶尔盆地深部煤层气比浅部富集性更优,具有较大开发潜力。但渗透性远不如浅部,且开发难度大,因此建议通过压裂改造与排水采气工艺技术相结合的方式促进深部煤层气开发。 展开更多

关键词 准噶尔盆地 深部煤层 浅部煤层 物性特征 煤层气开发

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造穴-CO_(2)气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究 被引量：1

11

作者 闫志铭 张新生 +4 位作者 张军胜 杨百舸 曹运兴 李淑敏 董润平 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期63-73,共11页

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用185 MPa高压力CO_(2)冲击煤样、数值模拟、光纤应变监... 我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用185 MPa高压力CO_(2)冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段,研究造穴-气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明:①煤样在CO_(2)气相压裂应力波作用下,在煤基质表面新形成损伤坑(DM)和三翼型裂隙(TRW)典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开,形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝,该裂缝能够充分均化应力集中区,并使得煤层产生不可逆的破坏,其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂-造穴复合技术影响范围内,造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率,避免能量耗散在无效的震动区,充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝,使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。 展开更多

关键词 瓦斯治理 气相压裂 卸压增透 突出煤层 造穴

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煤层气储层伤害机理与水平井双层管柱筛管完井技术 被引量：10

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作者 鲜保安 张龙 +6 位作者 哈尔恒·吐尔松 喻鹏 王凯 张亚飞 张洋 王三帅 李宗源 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2022年第9期122-129,共8页

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... 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20000 m^(3),同时实现15号煤层气的开发突破,平均日产气量提升到10000 m^(3)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。 展开更多

关键词 煤层气水平井 储层伤害机理 双层管柱筛管 完井技术 钻完井液

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冲击荷载下煤的塑性硬化-软化过程动态损伤本构模型 被引量：4

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作者 张军胜 郭帅房 +3 位作者 张新生 王利 曹运兴 刘高峰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S02期759-769,共11页

CO_(2)气相压裂已经成为我国高瓦斯突出煤矿一种有效的瓦斯综合治理技术,是低频、低速、长波非炸药爆破技术,破坏煤体的机理和过程与炸药爆破高应变率冲击作用不同,可能更接近于中应变率冲击条件下的破坏机制。为研究CO_(2)气相压裂冲... CO_(2)气相压裂已经成为我国高瓦斯突出煤矿一种有效的瓦斯综合治理技术,是低频、低速、长波非炸药爆破技术,破坏煤体的机理和过程与炸药爆破高应变率冲击作用不同,可能更接近于中应变率冲击条件下的破坏机制。为研究CO_(2)气相压裂冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对阳泉矿区新元矿的煤样进行10~100 s^(-1)中应变率条件下的动态冲击试验,分析煤在冲击荷载下脆性破坏向延性破坏转化的特性和应力-应变曲线峰值前硬化、峰值后软化机制。引入受应变率控制的动态弹性模量E_(D),建立煤的塑性硬化-软化过程动态损伤本构模型,并给出模型参数的物理意义及拟合方法,验证模型的正确性。结果表明:(1)冲击荷载下煤的动态应力-应变曲线近似为理想弹塑性变形过程,表现为应力峰值前的应变硬化与峰值后的应变软化特性。其内部裂隙损伤演化破坏过程呈现Ⅰ-无损伤、Ⅱ-微裂隙演化、Ⅲ-宏观裂纹成核、Ⅳ-宏观裂纹扩展及崩塌破坏4个阶段。(2)构建的方程描述了煤塑性硬化-软化全过程,发展了应力-应变曲线BC段应变软化过程的精确描述方法。(3)新模型仅含有5个动力参数,具有力学意义明确、参数少和拟合计算方便的优点。其中动态弹性模量E_(D)、极限应变ε_(s)、峰后应变ε^(B)_(I)随应变率ε的增大而增大,脆性指数n随应变率ε的增大而整体减小;同时ε_(s),ε^(B)_(I)控制损伤累积和宏观裂纹成核过程。(4)与前人研究成果对比分析表明,新模型精度高、普适性更强,同时适用于表征中、高应变率冲击条件下煤的塑性软化损伤破坏特征。 展开更多

关键词 煤 冲击破坏 损伤本构模型 塑性硬化-软化特性 霍普金森压杆(SHPB)

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玉溪煤矿CO2气相压裂煤巷防突快速掘进技术 被引量：7

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作者 李丰亮 曹运兴 +1 位作者 刘高峰 曹永森 《中国矿业》 北大核心 2020年第4期146-151,共6页

玉溪煤矿首采工作面在煤巷掘进过程中,突出指标参数频繁超标,瓦斯异常涌出,瓦斯超限,导致被迫停产、掘进速度慢。为解决安全快速掘进的生产技术难题,玉溪煤矿开展CO2气相压裂消突快速掘进技术研究和试验。结果显示,采取气相压裂措施后,... 玉溪煤矿首采工作面在煤巷掘进过程中,突出指标参数频繁超标,瓦斯异常涌出,瓦斯超限,导致被迫停产、掘进速度慢。为解决安全快速掘进的生产技术难题,玉溪煤矿开展CO2气相压裂消突快速掘进技术研究和试验。结果显示,采取气相压裂措施后,平均每百米巷道掘进K1值超标0.15次,较压裂前降低了11倍;掘进过程中瓦斯涌出趋于均匀化,瓦斯涌出浓度峰值相对降低,有效避免了瓦斯超限;巷道掘进日均进尺5.38m,较气相压裂前(日均进尺2.79m)巷道掘进速度提高了1.92倍。CO2气相压裂消突快速掘进技术有效保障了矿井安全和高效生产。 展开更多

关键词 CO2气相压裂 煤与瓦斯突出 快速掘进 消突

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突出煤层CO_(2)气相压裂高效抽采防突掘进技术 被引量：17

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作者 杨百舸 张军胜 +1 位作者 令狐建设 曹运兴 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期85-94,共10页

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集... 我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO_(2)气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K1值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K1值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO_(2)气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。 展开更多

关键词 煤矿瓦斯治理 突出煤层 CO_(2)气相压裂 快速掘进 新元煤矿

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CO_(2)相变致裂煤的显微构造特征与成因机制 被引量：12

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作者 曹运兴 张新生 +2 位作者 张军胜 郭帅房 孟兵兵 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期137-145,共9页

CO_(2)相变致裂是一种高效增渗、增抽和消突的新型煤矿瓦斯治理技术,应用效果显著。该技术的核心是高压动力载荷作用于煤层的强化造缝及其卸压增渗效应。然而,新生裂缝的形貌特征以及破坏成因机制研究薄弱。目前井下厘米—米级尺度裂缝... CO_(2)相变致裂是一种高效增渗、增抽和消突的新型煤矿瓦斯治理技术,应用效果显著。该技术的核心是高压动力载荷作用于煤层的强化造缝及其卸压增渗效应。然而,新生裂缝的形貌特征以及破坏成因机制研究薄弱。目前井下厘米—米级尺度裂缝的观察和描述,主要用于揭示煤层的造缝增透机理。更小尺度的微米级显微裂隙研究,可更系统和全面描述裂缝的形貌和发育规律,揭示CO_(2)相变致裂作用下煤的破坏机理。应用自行研制的高压CO_(2)冲击大型物模试验装置系统,对无烟煤试件进行了120 MPa高压CO_(2)冲击,基于场发射扫描电镜(FESEM)的观察,研究了微米级裂隙特征、发育规律及其形成机理。结果表明:(1)致裂后煤样的割理系统充分沟通,形成多尺度的复杂微裂隙网络。(2)煤基质破碎并发育大量微米尺度的新生显微构造,发现了3种典型显微构造是“损伤坑”“三翼型”裂隙和“页理状构造”。(3)CO_(2)的超临界相、气相、或者二者的混合相态冲击破碎近喷孔端煤样,冲击波可能是试件远端破坏造缝的主要力学机制。(4)显微构造的形成和损伤演化机制为:在煤基质表面形成损伤坑,并以损伤坑为中心形成“三翼型”张性锯齿状分支裂隙,多个“三翼型”裂隙组合形成复杂的微裂隙网络系统。强化造缝形成的复杂网状裂隙系统,是煤层卸压、增渗、增抽和高效消突的内在原因。 展开更多

关键词 煤 CO_(2)相变致裂 显微构造 网状裂隙 瓦斯治理 消突机理

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正断层上盘煤与瓦斯突出特征与地应力场控制机理 被引量：14

17

作者 曹运兴 张海洋 +1 位作者 张震 刘高峰 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期61-69,共9页

断层带是煤与瓦斯突出发生的主要地质单元。大量煤与瓦斯突出案例统计显示,对于正断层,发生在上盘的突出次数和强度明显大于下盘,但造成这一现象的地质机理研究不多,特别是正断层上盘的地应力场在采动前后的变化规律及其对突出发生的控... 断层带是煤与瓦斯突出发生的主要地质单元。大量煤与瓦斯突出案例统计显示,对于正断层,发生在上盘的突出次数和强度明显大于下盘,但造成这一现象的地质机理研究不多,特别是正断层上盘的地应力场在采动前后的变化规律及其对突出发生的控制机理尚未完全揭示。基于此,以河南焦作矿区中马村煤矿DF_(4)正断层为地质模型,应用FLAC^(3D)软件,模拟研究煤层埋深分别为660、800、1000 m,对应3种地应力场(σ_(1)最大主应力、σ_(H)最大水平主应力、σ_(h)最小水平主应力、σ_(v)垂向主应力)状态σ_(1)=σ_(H),σ_(1)=σ_(v),σ_(v)=σ_(H)=σ_(h)条件下,采动前和掘进工作面逼近断层面过程中正断层两盘的地应力场变化规律,探索地应力分布对煤与瓦斯突出的作用。结果表明,未采动原始状态下正断层上盘的地应力值高于下盘;无论上盘巷道还是下盘巷道,在掘进工作面逼近断层过程中,断层上盘的地应力值总是高于下盘;特别是,在巷道掘进至断层面附近10 m时,原始地应力与采动应力在断层带发生积聚叠加,地应力值在断层上盘大幅度增高。采动前后地应力在正断层上盘集中升高,可能是导致正断层上盘更容易发生煤与瓦斯突出的决定性因素。此项研究可为预测和防治煤与瓦斯突出灾害提供理论依据。 展开更多

关键词 煤与瓦斯突出 正断层 地应力 数值模拟

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新疆阜康矿区煤层气双管柱筛管完井机理与适用性研究 被引量：1

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作者 张龙 王一兵 +6 位作者 鲜保安 张亚飞 谭章龙 哈尔恒·吐尔松 孙昊 王冠 张锦涛 《油气藏评价与开发》 CSCD 2022年第4期633-642,共10页

新疆阜康矿区煤储层具有煤层倾角大、厚度大、煤层多、构造复杂等特征,矿区煤层气规模开发进展缓慢,亟需寻找合适的煤层气地质工程一体化开发技术,为新疆煤层气开发提供有力支撑。双管柱筛管完井技术集完井增产一体化,已在沁水盆地推广... 新疆阜康矿区煤储层具有煤层倾角大、厚度大、煤层多、构造复杂等特征,矿区煤层气规模开发进展缓慢,亟需寻找合适的煤层气地质工程一体化开发技术,为新疆煤层气开发提供有力支撑。双管柱筛管完井技术集完井增产一体化,已在沁水盆地推广应用超过400口煤层气水平井。双管柱筛管完井技术从水力冲击作用、清除煤粉、钻井液化学破胶、应力增渗等4个方面对煤层气水平井进行增产改造,助力阜康矿区煤层气高效开发。基于双管柱筛管完井技术特点,从储层煤体结构优势、储层渗透率恢复优势、储层孔裂隙拓展优势、储层构造优势4个方面论述了该技术对于阜康矿区煤层气开发的适用性与应用机理,对新疆类似储层地质条件下的煤层气高效开发具有指导和借鉴意义。 展开更多

关键词 煤层气 阜康矿区 双管柱 筛管完井 适应性研究

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不同体积分数CS_(2)溶液对煤的增渗试验研究 被引量：2

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作者 刘高峰 张震 +3 位作者 曹运兴 鲜保安 张洲 郭飞 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2022年第5期8-16,共9页

为了研究CS_(2)溶液的环保、经济和增渗综合作用效果,以河南焦作赵固矿无烟煤为研究对象,无水乙醇作为混合剂,开展不同体积分数CS_(2)溶液对煤的增渗试验研究。结果表明:经不同体积分数CS_(2)溶液萃取后的煤样,渗透率从原始的0.00016~0.... 为了研究CS_(2)溶液的环保、经济和增渗综合作用效果,以河南焦作赵固矿无烟煤为研究对象,无水乙醇作为混合剂,开展不同体积分数CS_(2)溶液对煤的增渗试验研究。结果表明:经不同体积分数CS_(2)溶液萃取后的煤样,渗透率从原始的0.00016~0.00133 mD增加到0.00018~0.02216 mD,增渗率提高了37.31%~1566.17%;煤样端面裂隙的面密度与增渗率随CS_(2)体积分数的增大均不断增大,CS_(2)体积分数达到50%时,煤样的增渗效果出现了转折点,即体积分数小于50%时,增渗率随体积分数增大而提高,但增幅相对较小,与之相反,体积分数大于50%时,增渗率随体积分数增大大幅提高。煤样的物质组成、化学结构和CS_(2)萃取煤中的物质不同,是造成不同体积分数CS_(2)萃取后煤样增渗效果差异的主要原因。 展开更多

关键词 二硫化碳 体积分数 煤 溶剂萃取 增渗

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欠饱和煤层气藏储量平均地层压力和采出率计算方法

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作者 石军太 张硕 +4 位作者 黄红星 曹运兴 陈明 王凯 吉义天宇 《煤炭学报》 2025年第8期3991-4007,共17页

原始地质储量是煤层气开发的物质基础,平均地层压力和采出率是煤层气开采的主要评价指标。目前欠饱和煤层气藏原始地质储量评价方法多基于煤层气和水相物质平衡原理,考虑孔隙率和饱和度的变化,应用拟偏差系数Z^(*)将吸附气等效为游离气... 原始地质储量是煤层气开发的物质基础,平均地层压力和采出率是煤层气开采的主要评价指标。目前欠饱和煤层气藏原始地质储量评价方法多基于煤层气和水相物质平衡原理,考虑孔隙率和饱和度的变化,应用拟偏差系数Z^(*)将吸附气等效为游离气,所需参数众多,计算过程复杂;煤层气藏平均地层压力计算方法除了考虑气相的产出,还考虑了水相的产出,在计算过程中需要循环迭代计算气体偏差系数Z,计算过程繁琐。实际上,对于欠饱和煤层气藏,无需具备众多参数,计算过程也无需循环迭代计算气体偏差系数。首先基于欠饱和煤层气藏吸附气物质平衡原理,直接采用吸附气剩余储量与压力之间的关系,包括Langmuir-Freundlich(L-F)吸附模型和基于微孔填充的Dubinin-Astakhov(D-A)吸附模型,建立了欠饱和煤层气藏物质平衡方程;然后基于此物质平衡方程,进行线性化处理,形成了欠饱和煤层气藏中煤层气原始地质储量的评价方法、平均地层压力计算方法和煤层气采出率计算方法;最后进行方法验证和实例应用。研究表明:提出的欠饱和煤层气藏储量和平均地层压力计算方法仅需少量吸附模型参数和生产过程中2次以上的测压数据及对应的累计产气量数据,即可评价出欠饱和煤层气藏中煤层气的原始地质储量和平均地层压力,并预测给定废弃压力下的煤层气采出率,计算过程简便,所需参数较少,节省了运算所需时间,并且精度满足矿场要求,便于大范围推广应用。基于概念数值模拟模型生成的生产动态数据,应用提出的储量计算方法评价的储量与数值模拟输出结果的相对误差为–0.762577%,评价的拟稳态期平均地层压力与数值模拟输出结果的相对误差均在–0.60%~0.25%,验证了本方法的合理性和可靠性。对不同吸附模型的实例井进行应用并分析,储量评价结果与实际矿场认知相符;计算得到的平均地层压力曲线穿过了矿场实际关井测压压力点;给定煤层气藏废弃压力2、1.5、1 MPa,计算出煤层气井A的采出率分别为46.65%、55.54%和66.65%,煤层气井B的采出率分别为57.49%、65.05%和73.96%,对现场开发有重要指导意义。对于储量已知的欠饱和煤层气藏,无需实测平均地层压力数据即可计算出煤层气藏平均地层压力,相比于常规测量平均地层压力方法,本方法极大地提高了计算效率。研究成果可用于评估煤层气剩余储量、评价煤层气井产能和判断井间干扰情况,对气井生产动态分析、开发方式论证及排采制度优化等有非常重要的理论与现实意义。 展开更多

关键词 欠饱和煤层气藏 储量 平均地层压力 采出率 物质平衡原理 吸附模型

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