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煤层气储层破坏机理及其影响研究

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煤层气 破坏 机理 及其 影响 研究
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煤层气储层破坏机理及其影响研究煤层气储层特征:煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙,具有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成许多方块(基质块体):基质是主要的储气空间,而裂隙是主要的渗透通道。煤层气储层基质孔隙基质孔隙又称微孔隙,直径一般为 的微孔隙极其发育,煤层气的绝大部分是吸附在微孔隙的表面,由于微孔隙的直径很小,一般认为水不能到达微孔隙系统中。煤基质微孔隙与一般砂岩孔隙结构不同的是煤层的孔隙大都是煤层本身整体结构的一部分。在煤层的微孔中常填充了不同组成的物质,这些物质的组成和体积常随着煤阶的改变而变化。一般煤储层中的孔隙大小约 1~1000μm,而与一般砂岩的孔隙相比小一个数量级。这种超微孔隙结构随着煤化作用的进展而发生变化,因而会对煤层的储层特性产生很大的影响表 1 煤层气藏储层孔隙大小分类微孔 孔径﹤2径 2孔径﹥50到数微米级的裂缝,小到连氮分子(直径为 0·178无法通过。比较常用的孔隙大小分级标准见表 1。煤层气储层裂隙特征裂隙是煤中自然形成的,人们认识到其存在至今已有一百多年的历史。在总结前人对裂隙的分类的基础上,苏现波按照裂隙的形态和成因将煤的裂隙分为三类,见图 1。图 1 煤岩中裂隙的分类割理(内生裂隙)煤层的割理主要是由煤化作用过程中煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙。根据在层面上的形态和特征,可以将割理分为面割理和端割理。其中面割理通常是与层面平行或近平行,一般呈板状延伸,连续性较好,是煤层中的主要内生裂隙。端割理只发育于两条面割理之间,常与层面垂直或近似垂直,一般连续性较差,缝壁不规则,是煤层中的次内生裂隙。由于煤岩中面割理和端割理都比较发育,单体规模小,总体密度大,在空间上交割成立体网状,可以使用等效连续介质渗流方法来描述煤储层中的气、水运动。外生裂隙外生裂隙是指煤层在较强的构造应力作用下形成的裂隙,按成因可分为三种:剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。剪性外生裂隙与煤层面以各种角度相交,可出现在煤层任何部位,裂隙凹凸不平,且有滑动痕迹多呈羽毛状、波状;裂隙间距较宽,常两组并存。张性外生裂隙与岩石的张性裂隙一样,规模较小,雁行排列。劈理是指煤层存在层间滑动时,形成一系列波状相互平行裂隙。继承性裂隙继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质,属过渡类型。如果割理形成前后的构造应力场方向不变,早先的割理就会被进一步强化,表现为部分割理由其发育的煤层向相邻分层延伸扩展,但方向保持不变,这部分裂隙称为继承性裂隙。煤中裂隙的孔隙度较小,变化范围为 1%~6%,一般在 2%左右。从研究煤中裂隙发育特征与煤储层渗透性关系角度出发,将肉眼可见的煤中裂隙按尺寸大小划分为五种类型。综上所述,煤基质微小孔隙系统具有很大比表面积,极强的吸附能力,但是渗透率却极低;相反,煤中裂隙系统的孔隙度很小,储集能力小,但是其渗透率却很高,是气、水渗流的主要通道。煤层气储层破坏机理煤的微观破坏机理:煤的孔隙结构是煤中挥发分在成煤过程中转变为固定炭时形成的许多微小气孔组成。煤岩的孔隙裂隙系统可以看成由微孔隙和颗粒间的微裂隙组成。通过前人进行的煤结构观察实验分析可以得出,煤层气煤岩的微观破坏形式是沿微孔隙某个方向的穿粒断裂和沿晶(即沿裂隙或节理层理)断裂及它们之间的相互耦合,如图 2 所示。图 2 煤的微观断裂形式穿粒和沿晶断裂主要有两种类型:第一类是具有微孔隙和微裂隙的断裂;第二类是无微孔隙存在的沿晶断裂,如图 3 所示。(a)存在微孔隙的断裂 (b)无孔隙沿晶断裂煤层气体对煤破坏的影响:煤体内部的微裂隙表面的形成,必然导致范德华力的不平衡,从而产生表面相互吸引的粘聚作用,不利于裂缝扩展。在有孔隙气体出现时,裂隙面对气体分子的吸附减弱了范德华力不平衡现象,使粘聚力降低,有利于裂纹扩展。在煤层气中,孔隙压力由煤层气体产生,当有效应力较低未能使裂缝扩展时,孔隙压力的作用主要为了帮助煤骨架抵抗变形,表现为宏观的变形模量增加。孔隙压力越高,则宏观变形模量的增加幅度就越大。当有效应力超过门槛值后,裂缝开始扩展。这时,孔隙压力加强扩展裂纹前段的拉应力,帮助裂纹扩展。同时减小闭合裂缝面的压力,使断裂面间的变形模量下降,脆性破坏增加。孔隙压力越高则变形模量下降的幅度越大。煤岩破坏的影响钻井作业中井壁稳定性的影响:煤层是一种相对较脆的岩石,因此在钻井和生产过程中,特别是钻水平井和大斜度井时非常容易受到破坏。井眼稳定性影响着煤层甲烷气井,特别是水平井钻井和生产的经济性。水平井钻井经常受到井壁坍塌的影响,特别是采用欠平衡钻进或钻进压力衰竭煤层时。如果泥浆密度太高,会导致拉伸破裂(即会压裂煤层);如果泥浆密度太低,又会导致剪切破坏(即井眼断裂)。无论是井漏还是井壁坍塌,都会影响煤层气钻进进度,增大钻井成本,甚至严重损害煤岩储层。进行钻井过程中井眼的稳定性预测,对钻井决策有很大影响,可以让作业者提前采取预防措施,从而避免或减少经济损失。通过预测也可以确定水平井是否需要下衬管。水力压裂增产措施的影响:煤层压裂通常会在煤层内产生复杂的裂缝几何形态(包括多条分支裂缝、水平缝合 T 形缝)。在脆煤层中,由于流体注入裂缝周围孔隙压力增加,从而导致原地应力(包括水平应力和垂直应力)发生很大的变化会引起剪切破坏。当煤剪切破坏后,由实验室所得现象可知,储层中会采出煤粒。煤粒的产生和运移会降低煤层渗透率和裂缝导流能力,但剪切破坏引起的剪膨也会使渗透率增加。通过预测增产作业中产生的垂直裂缝引起的孔隙压力和应力变化,可以分析煤层中水力压裂的剪切破坏。煤层甲烷生产过程的影响煤层甲烷气井投产后,井底流压降低会使煤层发生剪切破坏。同样,压力衰竭也会使煤层发生破坏。剪切破坏会导致水平井坍塌(带衬管或不带衬管),增加煤粒的采出。煤粒的产出又会不同程度的堵塞地层和裂隙,在井筒内淤积,进而对泵或压缩机产生损害。进行生产过程中煤层破坏和煤粒产出临界生产压差预测,对生产决策有重要意义,可以在生产作业中采取预防措施,从而避免或减少经济损失。通过预测煤层临界破坏压力和煤粒采出的临界生产压差,降低煤层甲烷气井的生产压差以减缓煤层破坏,减轻微粒运移对地层和裂缝的堵塞以及对井眼的充填,并降低泵和压缩机设备的损坏。结论与认识煤基质微小孔隙系统具有很大比表面积,极强的吸附能力,但是渗透率却极低;相反,煤中裂隙系统的孔隙度很小,储集能力小,但是其渗透率却很高,是气、水渗流的主要通道。煤层气煤岩的微观破坏形式是沿微孔隙某个方向的穿粒断裂和沿晶(即沿裂隙或节理层理)断裂及它们之间的相互耦合。穿粒和沿晶断裂主要有两种类型:第一类是具有微孔隙和微裂隙的断裂;第二类是无微孔隙存在的沿晶断裂。在煤层气的钻井、水力压裂及生产过程中,都会因为不同机理使煤层产生破坏,影响作业实施,增大作业成本,对气藏经济开采产生不良影响。应针对各作业环节不同破坏机理及形式,采取预测和处理措施,保证煤层气的顺利开发。
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