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煤粉侵入对支撑裂缝渗透率的动态影响规律
我国煤层气储量位居世界第3,但我国煤层具有低渗、低孔、低饱和的特点。水力压裂是有效提高煤储层渗透性的增产改造手段。煤层气井排采过程的水力裂缝中普遍存在煤粉产出现象,尤其以单相流排水阶段较为突出。产生的煤粉侵入支撑剂充填裂缝容易堵塞裂隙通道,降低煤层渗透性与排采效率。排采过程因工程因素、人为因素造成停井修井现象不可避免,严重制约了煤层气井的连续稳定排采。因此研究煤层气井连续排采与关井重启后排采阶段煤粉侵入支撑裂缝过程的运移与滞留特性十分重要,探明煤粉侵入对支撑裂缝渗透率动态影响规律,为研究水力裂缝内气、水、煤粉的三相运移机制奠定理论基础,对解决由于煤粉侵入支撑裂缝引起的煤层气井“产水少”和“产气少”等难题具有重要的生产实际意义与理论价值。
国内外学者对煤粉侵入支撑裂缝影响导流能力开展了大量实验研究。HUANG等研究了支撑剂润湿性对排水阶段煤粉滞留的影响;NI等分析了单相水驱替不同粒径煤粉对裂缝渗透率的影响;刘岩等分析了不同流速下煤粉对支撑剂裂缝导流能力的损伤机理;GAO等分析了煤粉运移对裂缝宽度和渗透率变化的影响;皇凡生等研究了矿化度对煤粉运移的影响机制;赵政等分析了不同粒径煤粉引起裂缝导流能力的衰减特征;周洋研究了煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响机制;刘新福等基于液固两相数学模型研究了煤粉随液流运移的浓度分布情况;刘泉声等对基于变孔隙率的多孔介质中悬浮颗粒沉积模型进行研究;赵帅分析了微气泡对裂缝内煤粉的运移堵塞规律;AWAN等提出了改进压裂液配方以改善煤粉堵塞孔喉的方法研究了关井对煤层气井渗透率的影响,并针对单相流与两相流条件下煤粉与流体的流动状态进行了研究。前人大多将支撑裂缝均一整体化,从静态宏观角度研究支撑剂充填裂缝整体渗透率受煤粉侵入的影响,鲜有学者研究煤粉侵入支撑裂缝内部的动态运移过程及其沉积与运移特性引起支撑裂缝孔隙结构与渗透率的时空演变规律,尤其是从空间的角度将支撑裂缝分割,研究支撑裂缝不同分布空间内渗透率受煤粉侵入的时空演化规律。笔者建立了煤层气井停井前与重启后煤粉侵入支撑裂缝的渗透率演化数学模型,开展了连续流动与间歇流动条件下支撑裂缝导流能力实验,研究了停井与排采流速对煤粉颗粒侵入支撑裂缝渗透率的动态影响规律,揭示了裂缝近端与裂缝远端煤粉的运移与滞留特性。
煤粉侵入煤层水力压裂支撑裂缝容易导致裂缝堵塞,造成支撑裂缝导流能力和煤储层渗透率降低,进而严重影响煤层气井的稳定排采及产量。分别建立煤层气井停井前与重启后煤粉侵入支撑裂缝渗透率动态演化模型,并利用煤岩导流性能测试系统进行煤粉连续流动与间歇流动条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验,验证了模型的正确性,研究了煤层气井停井与排采流速对支撑裂缝渗透率时空演化的影响规律。
研究表明:随煤粉运移时间增加,支撑裂缝渗透率骤降后缓慢衰减,且沿煤粉运移方向,支撑裂缝内部空间孔隙损失率逐渐降低,裂缝内部渗透率沿煤粉运移方向逐渐升高。随煤粉持续侵入支撑裂缝,煤层气井关井重启后支撑裂缝孔隙损失率较停井前孔隙损失率更大,渗透率不能恢复至停井前。排采流速越慢,煤粉侵入支撑裂缝渗透率衰减速度越慢,渗透率越高,支撑裂缝渗透率受煤粉侵入影响在低排采流速下对流速变化更为敏感,缓慢排采流速下停井对支撑裂缝渗透率伤害更低。煤粉沉积系数越大,煤粉侵入过程中支撑裂缝近端渗透率越小,远端渗透率越大,而弥散系数越大,支撑裂缝远端渗透率越小,裂缝近端渗透率受弥散系数影响极小,煤层气井停井对支撑裂缝近端渗透率伤害更严重。煤粉侵入过程中支撑裂缝近端渗透率衰减速度更快,裂缝远端渗透率衰减速度更缓慢,沉积系数变化对支撑裂缝近端渗透率影响显著,而弥散系数变化对支撑裂缝远端渗透率影响更显著。
图 1 支撑裂缝渗透率实验系统
图 2 支撑裂缝渗透率理论值与实验值对比
图 3 煤层气井停井前与重启后支撑裂缝时空演化规律
图 4 不同排采流速下支撑裂缝时空演化规律
图 5 不同沉积系数对裂缝近端与远端渗透率变化规律
图 6 不同弥散系数对裂缝近端与远端渗透率变化规律
通讯作者简介
胡胜勇,教授、博士、博士研究生导师。主持国家重点研发计划-政府间国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助项目、中央引导地方科技发展资金项目、山西省科技重大专项、山西省重点研发计划课题、山西省面上基金、山西省高等学校科技成果转化培育项目、一流学科青年学术骨干培育项目等纵向课题10余项。获国家科技进步二等奖、山西省科技进步一等奖、教育部科技进步二等奖、教育部技术发明二等奖、行业协会科学技术一等奖等10余项。以第一作者或通信作者名义发表论文63篇,其中SCI收录论文41篇、中英文TOP期刊论文23篇,出版专著1部。获国家发明专利授权101项,其中第一发明人57项。兼任煤炭行业“遗煤资源科学开发”工程研究中心常务副主任、中国煤炭学会第六届青年工作委员会委员、中国煤炭工业协会职业安全健康分会第一届理事会理事,《International Journal of Mining Science and Technology》《Geohazard Mechanics》《金属矿山》等刊中青年编委/青年编委/青年专家学术委员。
研究方向
煤矿瓦斯抽采理论与技术
主要成果
张惜图,女,山西太原人,太原理工大学安全科学与工程专业博士研究生。
来源:
张惜图,胡胜勇,武玺,等. 煤粉侵入对支撑裂缝渗透率的动态影响规律[J]. 煤炭学报,2024,49(5):2338−2346.
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