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煤孔隙内毛细管力演化规律及对煤层注水的影响研究

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煤孔隙内毛细管力演化规律及对煤层注水的影响研究

作者：张智渊中国矿业大学

学位级别：硕士

矿井瓦斯的高效抽采与利用对煤矿灾害预防、生态环境保护以及提高清洁能源利用率等方面起着关键性作用。但是我国深部煤层渗透率普遍较低,这不仅增加了煤层瓦斯的抽采难度,而且往往会导致煤矿发生严重的瓦斯爆炸事故。目前我国常采用水... 详细信息

矿井瓦斯的高效抽采与利用对煤矿灾害预防、生态环境保护以及提高清洁能源利用率等方面起着关键性作用。但是我国深部煤层渗透率普遍较低,这不仅增加了煤层瓦斯的抽采难度,而且往往会导致煤矿发生严重的瓦斯爆炸事故。目前我国常采用水力化措施对煤层进行注水增透,然而外界的水进入煤层后,会与煤体之间发生相互作用,对煤层瓦斯抽采产生一定影响。同时由于不同变质程度煤体的微观有机结构并不相同,使得其具有不同的宏观物性特征,导致不同变质程度的煤体对外来水的作用机理不全相同,因此研究水分在不同变质程度煤孔隙内的吸附特征、煤孔隙内气液两相界面毛细管力的演化规律以及其对煤层注水效果的影响具有重大意义,不仅有助于认识煤层中水分的运输规律,而且对含水煤层瓦斯的抽采也具有重要的指导意义。本文主要利用实验和数值模拟相结合的方法研究煤-水之间的相互作用。具体地,利用水蒸气吸附法研究水分在不同变质程度煤孔隙内的吸附特征;利用水蒸气吸附法和压力板法研究煤孔隙内气液两相界面毛细管力的演化规律;利用数值模拟方法研究气液两相界面毛细管力对煤层注水过程中水分运移规律的影响。主要研究成果如下所述:首先,对三种不同变质程度的煤样进行低温液氮吸附实验、高压压汞实验、傅里叶变换红外光谱测试实验,揭示了三种不同变质程度煤体的孔隙结构演化特征和分子结构演化特征,探讨了三种不同变质程度煤体孔容、孔径分布、比表面积和官能团的变化规律,并利用DSA分析系统研究了不同变质程度煤样润湿角的变化规律。研究表明,无烟煤的微孔比表面积比中、高阶烟煤大,总比表面积比高阶烟煤大,但是小于中阶烟煤;三种不同变质程度的煤样各种孔体积随挥发分的增大呈现先减小后增大的趋势,中阶烟煤中含有更多的酚羟基,而无烟煤中含有更多的醇羟基;中阶烟煤中含有一定数量的羧基,同时有着大量的C=O和C-O官能团,高阶烟煤、无烟煤中几乎没有羧基;无烟煤的润湿性较差,而高阶烟煤和中阶烟煤的润湿性较好。其次,在恒温条件下对三种不同变质程度煤样进行不同相对湿度下的煤体吸附水分实验,同时结合5种水蒸气吸附模型及煤样的微观结构特征,研究了水分在不同变质程度煤孔隙内的吸附特征,探讨了煤样微观结构对其吸附水分的影响。研究表明,煤样的水蒸气等温吸附曲线分为3个阶段,在不同的相对湿度范围内,三种不同变质程度煤样对水分的吸附速率不同,并且温度对其水蒸气吸附量的影响较小;当相对湿度较低时,煤样的一级吸附点位对水分子的吸附占主导地位,对吸附水量贡献较大;煤样的平衡吸附水量在高相对湿度下与微孔和中孔的比表面积以及分形维数D正相关,即在高相对湿度下煤样内部微孔和中孔孔隙的比表面积越大,结构越复杂,煤样平衡时所含有的吸附水量越大。再者,在恒温条件下通过压力板法和水蒸气吸附法测量了三种不同变质程度煤样的毛细管力与含水饱和度的关系,研究了煤孔隙内气液两相界面毛细管力的演化规律,探讨了煤样微观结构和润湿性对煤样毛细管力的影响。结果表明,三种不同变质程度煤样中的毛细管力都随着含水饱和度的增加而降低;同一煤样中的毛细管力在不同含水饱和度区域内的变化幅度不相同;在低含水饱和度范围内煤体的微孔孔径对毛细管力的大小起到了主要作用,同时三种润湿性煤样在低含水饱和度范围内毛细管力的大小与润湿性呈正相关,即煤体的润湿性越好,毛细管力越大。最后,在考虑煤层注水过程中的毛细管力效应后,通过建立的气-水两相渗流控制方程和气-水两相渗流辅助方程,对长平、夏店、平煤煤层进行了不同注水压力条件下的数值模拟,分析了毛细管力和注水压力对不同煤层注水效果的影响。结果表明,煤层中的毛细管力在注水过程能够加快煤层中水分的运移速度,对注水效果起到了促进作用;毛细管力较低、孔隙尺度较小的煤层提高注水压力并不能明显地促进注水效果。该论文有图54幅,表10个,参考文献119篇。

关键词：吸附水毛细管力煤层注水孔隙结构吸附性能

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毛细管力的初次运移及成藏作用有效性分析

高校地质学报 2017年第2期23卷 296-303页

作者：包友书张林晔张守春徐大庆王宇蓉张蕾吴连波中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院东营257015 西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室西安710069

毛细管压力差通常被认为是油气初次运移及源内成藏的重要动力,但毛细管力驱动油由小孔向大孔迁移的前提是岩石孔隙表面亲水。文章结合东营凹陷沙三中亚段成熟烃源岩内砂体含油概率较低,且原油多非来自成熟源岩围岩情况,对砂岩及页岩的... 详细信息

毛细管压力差通常被认为是油气初次运移及源内成藏的重要动力,但毛细管力驱动油由小孔向大孔迁移的前提是岩石孔隙表面亲水。文章结合东营凹陷沙三中亚段成熟烃源岩内砂体含油概率较低,且原油多非来自成熟源岩围岩情况,对砂岩及页岩的润湿性进行了探讨。东营凹陷部分砂岩存在润湿性反转,与较高的非烃及沥青质含量的原油接触,是砂岩润湿性反转的主要原因;而泥页岩烃源岩在大量生烃演化过程中,其整体润湿性也表现为中间润湿甚至亲油性。润湿性改变导致毛细管压力方向改变,初次运移及源内油藏成藏作用减弱甚至消失,是沙三中亚段成熟源岩内砂体含油概率低的主要原因。据此认为,对于高丰度的生烃早期阶段的泥页岩烃源岩,毛细管力作为初次运移及源内油藏成藏动力的作用可能是有限的。

关键词：毛细管力初次运移成藏动力润湿性润湿性反转东营凹陷

基于压裂液自发吸入模型的页岩气压裂液滤失定量预测

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天然气工业 2024年第2期44卷 92-98页

作者：王琳琳蔺小博冷静怡周长静马占国肖元相中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院中国石油长庆油田公司油气工艺研究院巴黎高科路桥学院

非常规油气资源开发常使用水力压裂技术提高单井产量,然而压裂现场数据表明,大量压裂液会滞留在地层中导致压裂液的返排率较低,将对储层和地下水环境造成一定影响。为进一步研究压裂液滤失机理并准确预测压裂液滤失量,首先建立了由毛细... 详细信息

非常规油气资源开发常使用水力压裂技术提高单井产量,然而压裂现场数据表明,大量压裂液会滞留在地层中导致压裂液的返排率较低,将对储层和地下水环境造成一定影响。为进一步研究压裂液滤失机理并准确预测压裂液滤失量,首先建立了由毛细管力作用引起的压裂液自发吸入模型,然后对压裂液滤失量进行定量计算,并在现场进行了验证。最后,引入无量纲吸入率参数分析了控制压裂液滤失的关键因素。研究结果表明:(1)页岩气水平井压裂施工中大约50%~95%的压裂液通过基质吸入,压裂液吸入量仅与吸入率参数、裂缝面积和吸收时间有关;(2)当润湿相黏度与非润湿相黏度之比超过阈值时,吸入率参数主要由岩石的孔径分布参数决定,流体黏度的影响非常有限;(3)当孔径分布参数介于0.5~0.7时,吸入率参数达到相对较高的值,即更多的压裂液被吸收到地层中;(4)当润湿相黏度与非润湿相黏度之比大于10,孔径分布参数小于0.8时,优化后的自吸模型具有较大的适用性;(5)由毛细管力机理引起的压裂液滤失量与实际储层观察到的滤失量相近,可认为页岩储层有足够的存储滤失液的能力,不会影响地下水层中的饮用水。结论认为,建立的压裂液自发吸入模型,能够准确预测页岩气水平井压裂液滤失量,为非常规油气的生产及环境保护提供了技术支撑。

关键词：页岩气藏毛细管力滤失自发吸入吸入率参数流体黏度孔径分布参数

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基于毛细管力流体自装配系统的建模与仿真

中国机械工程 2004年第2期15卷 139-143页

作者：徐敏尹周平丁汉熊有伦华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074

建立了一种计算模型 ,用于计算基于毛细管力流体自装配系统表面自由能。运用数字图像处理中模板匹配的计算方法 ,实现了对任意复杂形状绑定点系统表面自由能的计算 ,进而仿真出表征能量状态与装配状态之间关系的能量地形图。通过分析能... 详细信息

建立了一种计算模型 ,用于计算基于毛细管力流体自装配系统表面自由能。运用数字图像处理中模板匹配的计算方法 ,实现了对任意复杂形状绑定点系统表面自由能的计算 ,进而仿真出表征能量状态与装配状态之间关系的能量地形图。通过分析能量地形图中对应于正确装配的全局能量陷阱和对应于误装配的局部能量陷阱 ,可以实现对系统装配效率的预测。

关键词：流体自装配毛细管力能量地形图建模与仿真

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毛细管力是油(气)初次运移的动力吗?

石油实验地质 2000年第3期22卷 195-200页

作者：王志欣北京石油大学 100083

一般认为 ,在油气的二次运移过程中 ,由于孔隙结构的变化 ,当连续油 (气 )相后端曲率半径大于前端时毛细管力是油气运移的阻力 ,而当连续油 (气 )相后端曲率半径小于前端时毛细管力是油气运移的动力 ;毛细管力总是趋向于使非润湿相占据... 详细信息

一般认为 ,在油气的二次运移过程中 ,由于孔隙结构的变化 ,当连续油 (气 )相后端曲率半径大于前端时毛细管力是油气运移的阻力 ,而当连续油 (气 )相后端曲率半径小于前端时毛细管力是油气运移的动力 ;毛细管力总是趋向于使非润湿相占据较大的孔隙空间。在浮力、水动力和毛细管力的共同作用下 ,油 (气 )呈间歇性运动 ,这在物理模拟实验中已得到证实。实际上 ,在毛细管中存在着3种毛细管力。第一、二种方向与毛细管延伸方向平行 ,第三种垂直于毛细管管壁并指向非润湿相 ;第三种毛细管力主要起增大非润湿相与孔喉壁之间的摩擦阻力的作用 ,在孔喉较粗的介质 (如储集层 )中该类毛细管力常常被忽略。油气要发生运移 ,则沿前进方向上的动力必须超过该方向上的毛细管阻力和摩擦阻力。现在有一种观点 ,认为在油气从烃源岩向储层的初次运移过程中 ,毛细管力是重要的动力 ,因而在水润湿的条件下 ,油、气相会在毛细管力作用下自动地由小孔隙和细喉道向较大、较粗的孔隙和喉道内运动。本文从毛细管现象的本质入手对这一问题进行了分析 ,发现烃源岩和运载层中不同种类的毛细管力的作用有很大区别 :在运载层中 ,因为孔隙喉道较粗 ,第一、二类毛细管力起主要作用 ,第三类毛细管力的作用常常被忽略 ;而在烃源岩中。

关键词：毛细管力摩擦阻力孔隙结构初次运移油气运移

充填料浆中气泡作用机理及其流变特性演变规律

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煤炭学报 2024年第4期49卷 1894-1905页

作者：杨柳华李金仓尹升华焦华喆陈新明寇云鹏王增加贾恒伟河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 河南省地下工程与灾变防控重点实验室河南焦作454000 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 山东黄金集团有限公司充填工程实验室山东莱州261441

充填料浆是由固-液-气三相组成的悬浮体,长期以来有关充填料浆研究重点多是固-液两相的流变特性,而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度,对于改善管道输送性能、降低管道... 详细信息

充填料浆是由固-液-气三相组成的悬浮体,长期以来有关充填料浆研究重点多是固-液两相的流变特性,而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度,对于改善管道输送性能、降低管道磨损等方面具有显著优越性。首先,通过控制引气剂(TTAB)掺量调节料浆含气量,并测定充填料浆表面张力、空气体积分数、流变性能等参数,探寻料浆中气泡对其流变性能的影响规律。其次,引入毛细管力(F_(cay))、无量纲屈服应力(τ_(ref)/τy)气泡演变模型来分析料浆内气泡演变特征,以期探明气泡对料浆流变特性的作用机理。结果表明,当充填料浆含气量较低时(毛细管力(F_(cay))与无量纲屈服应力(τ_(ref)/τ_(y))理论分析了充填料浆不同含气量下流变特性演变机制,当含气量增加(12.5%~27.7%),料浆的表面张力、屈服应力降低,气泡挤压变形;高含气量下(接近28.6%),料浆内气泡极易破裂。另外,气泡滞留充填体内部导致强度劣化,为此就气泡对充填体力学性能影响及其解决措施开展了探索,并提出了3点有效措施。通过揭示气泡对于充填料浆流变特性影响与其演变特征规律,为高泡充填减阻减磨技术发展提供理论支撑。

关键词：流变特性料浆含气量毛细管力无量纲屈服应力气泡演变特征

特高含水开发后期河流相储层毛细管力作用机制

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山东石油化工学院学报 2023年第3期37卷 31-35页

作者：崔文富石达友中国石化胜利油田分公司胜利采油厂山东东营257000 山东石油化工学院石油工程学院山东东营257000

通过对特高含水期正韵律储层中连续分布原油受力分析计算,确定出毛细管力是单一正韵律厚层油藏水驱后期最重要的作用力,优化考虑毛细管力条件下适合此开发阶段的单井最优产液量,探索形成一种当前中低油价条件下单一正韵律厚层油藏有效... 详细信息

通过对特高含水期正韵律储层中连续分布原油受力分析计算,确定出毛细管力是单一正韵律厚层油藏水驱后期最重要的作用力,优化考虑毛细管力条件下适合此开发阶段的单井最优产液量,探索形成一种当前中低油价条件下单一正韵律厚层油藏有效降低开发成本的新方法,在特高含水开发后期单一厚层河流相油藏中具有一定的推广价值。

关键词：河流相储层正韵律特高含水后期毛细管力单井液量

毛细管力影响下页岩储层液化石油气压裂裂缝网络扩展形态研究

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中国科技论文 2016年第21期11卷 2440-2444页

作者：王迪金衍陈勉孙一流杨亮中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249 中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 中国石油塔里木油田分公司勘探事业部新疆库尔勒841000

页岩储层中广泛分布着从纳米级到毫米级的多尺度天然裂缝,这些天然裂缝显著影响着压裂后的缝网形态。液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)压裂液具有黏度和表面张力小的特点,在页岩储层中压裂后易形成裂缝网络。针对LPG在页岩储层... 详细信息

页岩储层中广泛分布着从纳米级到毫米级的多尺度天然裂缝,这些天然裂缝显著影响着压裂后的缝网形态。液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)压裂液具有黏度和表面张力小的特点,在页岩储层中压裂后易形成裂缝网络。针对LPG在页岩储层中的压裂特性,同时考虑了天然裂缝尺寸及压裂液与储层润湿性的影响,建立了LPG压裂裂缝网络扩展模型。通过研究发现,天然裂缝宽度越小、初始长度越长、压裂液润湿性越强,天然裂缝越容易起裂、扩展,形成的裂缝网络形态越复杂,压裂效果越好。

关键词：油气田开发工程页岩气压裂液化石油气缝网扩展天然裂缝尺寸毛细管力

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毛细管力滞后曲线和相渗透率滞后曲线及处理

油气采收率技术 1999年第3期6卷 47-50页

作者：周琦朱学谦刘传喜中原油田勘探开发科学研究院

提出了一种处理毛细管力滞后及相渗透率滞后的方法，使油藏毛细管力的作用在数值模拟中可更精确地体现出来，以便改进后的模型更适用于吞吐过程的计算。

关键词：毛细管力相渗透率油藏数值模拟滞后曲线