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沁水盆地深部煤层气开发井完井技术进展

煤炭科学技术 2024年

作者：申鹏磊吕帅锋白建平李国富杨燕青熊章凯山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司煤与煤层气共采国家重点实验室中国地质大学(武汉)资源学院

沁水盆地深部煤储层具有低渗-特低渗、局部高饱和、低孔隙度、高热演化程度的地质特征，在直井/水平井+大规模压裂的开发模式下，需要与之相适应的完井技术才能保证储层改造和后期生产效果。文章系统分析煤层气开发水平井常规单层套管... 详细信息

沁水盆地深部煤储层具有低渗-特低渗、局部高饱和、低孔隙度、高热演化程度的地质特征，在直井/水平井+大规模压裂的开发模式下，需要与之相适应的完井技术才能保证储层改造和后期生产效果。文章系统分析煤层气开发水平井常规单层套管完井技术、裸眼/筛管完井技术、套管+滑套完井技术的不同井身结构和井下工具类型，并对不同完井技术的适用条件和技术特点进行了论述。研究结果表明，常规单层套管完井技术施工工艺成熟，三开完井结构应用普遍，但不利于降本增效；二开完井结构仅适用于煤储层上覆地层较为稳定、无含水层或微弱含水层的地质条件；裸眼/筛管完井技术可减少煤层段的污染，但无法进行后期储层改造，适用于煤体结构完整、煤层渗透性强的储层；套管+滑套完井技术可省去压裂前的射孔作业，但井下工具的正常运行无法保障且后期压裂排量受到限制。针对U型开发井组中的生产直井，在井筒无法满足大规模压裂作业的前提下，提出了新型双层套管完井技术，该技术的原理是在老井筒中根据地质条件和老井特点通过优选套管和固井工具来重塑井筒，满足后期压裂工艺和保证压裂改造效果。其特点主要是在目的煤层顶板以上采用了水泥封固，配合高抗压、较大内径套管，使井筒能够满足高施工压力的大规模压裂，同时煤层段选用筛管，节约了射孔费用，还可有效避免排采阶段地层坍塌掩埋井筒煤层段。该技术在沁水盆地深部煤储层成功应用，试验成果表明其能够满足深部煤层气大规模、高施工压力下的压裂作业，具有推广前景。

关键词：沁水盆地深部煤层气完井技术双层套管大规模压裂

煤层气直井压裂效果及其对产能影响——以窑街矿区为例

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煤炭科学技术 2023年第6期51卷 130-136页

作者：马代兵陈立超甘肃煤田地质局一四九队甘肃兰州730020 煤与煤层气共采国家重点实验室山西晋城048204

煤层气藏作为典型缝控气藏,压裂造缝规模及裂缝充填效果对气井产能具有决定性控制。为探究煤层气直井水力压裂效果对气井产能效果的影响机制,以甘肃窑街海石湾矿区为例,重点报道直井开发形式下煤储层压裂改造效果及其对产能制约方面认识... 详细信息

煤层气藏作为典型缝控气藏,压裂造缝规模及裂缝充填效果对气井产能具有决定性控制。为探究煤层气直井水力压裂效果对气井产能效果的影响机制,以甘肃窑街海石湾矿区为例,重点报道直井开发形式下煤储层压裂改造效果及其对产能制约方面认识,结果表明:①煤层气井破裂压力主要反馈井筒固井水泥环特征而非煤储层力学性能,从该井压裂曲线看破裂压力不明显,表明井筒环空固井水泥环厚度适中,水力压裂期间固井水泥环破裂相对容易,能量消耗低,注入压裂液能量主要用于撑开煤岩裂缝;②从压裂曲线看出,该井压裂裂缝延伸压力较高,表明地下煤储层结构较为破碎且发育煤粉源集合体,煤粉对压裂裂缝的延展具有关键制约作用。而且在压裂曲线裂缝延展阶段出现多个波动形态特征,指示多条次级裂缝撑开,整体上该井压裂裂缝形态较为复杂,推测为主干压裂裂缝两侧发育枝状次级裂缝形式;③该井注砂后发生严重砂堵,主要原因是煤储层压裂液滤失造成近井地带压裂裂缝内支撑剂脱砂形成楔体,导致后续支撑剂注入困难,同时也与煤储层原生裂缝煤粉源及少量构造煤粉源集合体发育有关;④压裂微震监测数据显示该井煤储层主干压裂裂缝走向为NE 50°,其中在北东方向上煤岩微震事件更活跃,指示该方向上煤储层天然裂隙系统更发育;结合煤储层压裂裂缝矿井观测结果,提出压裂裂缝有效支撑区、实际破裂区及岩体扰动区的划分方案,认为微震监测得出的压裂裂缝半长实际为岩体扰动范围,难以准确反映储层实际改造效果。综合该井后期产能规律及晋城矿区煤储层压裂裂缝矿井观测结果,认为该井煤储层实际压裂裂缝半长在20 m以内,有效支撑压裂裂缝半长不足5 m,压裂液注入液量少、压裂液滤失诱导支撑剂脱砂形成楔体以及煤粉聚集造成砂堵等是该井煤储层压裂裂缝较短的主要因素;⑤结合煤层气产能规律,认为该井气藏管控和排采制度较为合理,但煤储层有效支撑压裂裂缝过短,煤储层内煤粉运移导致近井压裂裂缝导流能力快速衰减是气井产能低下的关键制约机制,建议后期煤储层水力压裂加大压裂液注入液量,适当增大压裂液排量,降低支撑剂砂比,重点防控压裂液滤失、防止脱砂楔体形成。该区煤储层埋深大、应力高,实现裂缝大范围加砂是煤储层压裂改造的关键。同时考虑储层干燥,压裂液滤失严重的实际情况,有条件可开展CO_(2)前置压裂试验。

关键词：煤层气直井压裂效果天然裂隙系统压裂液滤失甘肃窑街矿区

废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分——以屯兰煤矿12501工作面为例

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煤炭科学技术 2023年第2期51卷 243-255页

作者：杨兆彪王家琛杨彦群秦勇李国富董志勇孟祥昊中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221008 山西焦煤集团公司技术中心山西太原030024 煤与煤层气共采国家重点实验室山西晋城048000

废弃矿井扰动空间精确划分是遗留煤层气资源评价和开发利用的重要基础,以山西西山矿区屯兰煤矿2号煤12501工作面为例,采用应力场数值模拟、裂隙场数值模拟和物理相似模拟的方法,综合研究了采动过程中及采空区稳定后的应力场、裂隙场的... 详细信息

废弃矿井扰动空间精确划分是遗留煤层气资源评价和开发利用的重要基础,以山西西山矿区屯兰煤矿2号煤12501工作面为例,采用应力场数值模拟、裂隙场数值模拟和物理相似模拟的方法,综合研究了采动过程中及采空区稳定后的应力场、裂隙场的分布规律。研究结果显示:物理相似模拟与数值模拟吻合度高,综合以上3种方法,最终将12501废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分为底板裂隙区、重新压实区、导气裂隙区和承压区。底板裂隙区位于煤层中工作面的正下方,整体采动裂隙发育区域呈现出靠近开采煤层为底面的倒梯形台,裂隙场数值模拟结果显示其垂向深度为22.3 m,其深度为开采煤厚的5.58倍。承压区位于工作面四周的未开采煤储层,在工作面倾向的边界起分别向外延伸70 m,在工作面走向的边界起分别向外延伸100 m的位置上,数值模拟结果显示承压区煤储层垂向应力峰值为远大于煤层原始状态的应力数值,但小于垂层煤样的平均抗压强度。导气裂隙区主体位于开采煤层工作面边缘区域,底部为高度约为13.2 m的岩层垮落带,紧邻垮落带上部为高约33.6 m的岩层断裂带,断裂带内竖向裂缝不断扩展贯通离层裂缝。导气裂隙区整体形状为梯形台,其高度为开采煤厚的11.7倍。重新压实区主体分布于开采工作面采空区的中间部分,倾向宽度为110 m,走向长度为1 268 m。此区域主要为弯曲垮落的覆岩构成,整体形状为梯形台,位于导气裂隙区内部。导气裂隙区为遗留煤层气资源的开发有利区。

关键词：废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分数值模拟相似物理模拟

高煤阶煤样水力压裂前后应力−渗透率试验研究

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煤炭科学技术 2023年第1期51卷 353-360页

作者：孟召平卢易新中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 煤与煤层气共采国家重点实验室山西晋城048000

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样... 详细信息

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%~253.25%、171.88%~383.02%和20.31%~32.43%,且水力压裂前后煤样裂缝开度均随有效应力的增高而呈负指数函数规律降低。试验结果与实测水力压裂前后煤储层渗透率对比,两者具有较好的一致性,为煤储层水力压裂改造效果评价探索了有效途径。

关键词：高阶煤煤储层水力压裂渗透率裂隙发育

煤层气近井煤缝壁面滤饼的结构与硬度特征及工程意义

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天然气工业 2020年第6期40卷 100-106页

作者：陈立超王生维张典坤内蒙古工业大学矿业学院煤与煤层气共采国家重点实验室·晋煤集团中国地质大学(武汉)资源学院

煤层气近井部位钻完井液侵入形成的煤缝壁面滤饼结构,对压裂裂缝的起裂和延展具有较为复杂的制约关系。为了弄清煤缝壁面滤饼的结构与力学性状及其对压裂裂缝起裂延展的控制作用机制,基于矿井解剖、界面区微观结构SEM及元素EDS分析、矿... 详细信息

煤层气近井部位钻完井液侵入形成的煤缝壁面滤饼结构,对压裂裂缝的起裂和延展具有较为复杂的制约关系。为了弄清煤缝壁面滤饼的结构与力学性状及其对压裂裂缝起裂延展的控制作用机制,基于矿井解剖、界面区微观结构SEM及元素EDS分析、矿相XRD测试以及界面硬度压痕法试验等手段,分析研究了煤层气近井煤缝壁面滤饼的组合方式、界面搭接结构、界面力学性状等制约压裂裂缝延展的关键因素。研究结果表明:①煤层气近井煤缝壁面与滤饼界面主要有煤岩—固井水泥滤饼搭接型、固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩搭接型两种形式,前者界面结合相对更为紧密;②上述两种滤饼界面区的基材没有发生显著的物理化学变化,界面清晰、分界明显,均属于惰性接触界面;③压痕结果显示,煤岩—固井水泥滤饼搭接型界面材料维氏硬度规律为固井水泥滤饼>煤岩>搭接界面,而固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩搭接型界面材料维氏硬度规律为固井水泥滤饼>钻完井液滤饼>搭接界面,硬度值能够较好地指示界面组合中的力学薄弱面;④从矿井解剖现场采集的样品证实,水力压裂期间压裂裂缝优先突破煤岩—钻完井液滤饼的界面。结论认为,该研究成果可以为煤储层水力压裂裂缝延展机制理论深化、压裂裂缝起裂延展模式的精准构筑、压裂效果评价等提供新的思路。

关键词：煤层气井近井煤壁钻井完井液滤饼界面区结构界面力学性能压痕法测试硬度压裂裂缝延展

内蒙古胜利煤田褐煤断裂特征半圆弯曲试验研究

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煤炭科学技术 2022年

作者：陈立超王生维张典坤内蒙古工业大学矿业学院煤与煤层气共采国家重点实验室中国地质大学(武汉)资源学院

褐煤不同方位上断裂力学性质各向异性对储层体积压裂裂缝缝网形成具有重要控制，为探究层面方位对内蒙古胜利煤田褐煤断裂行为特征的影响，本文利用三点弯曲加载试验对层面角θ分别为90°、60°、45°、30°及divider （切分）五种内蒙... 详细信息

褐煤不同方位上断裂力学性质各向异性对储层体积压裂裂缝缝网形成具有重要控制，为探究层面方位对内蒙古胜利煤田褐煤断裂行为特征的影响，本文利用三点弯曲加载试验对层面角θ分别为90°、60°、45°、30°及divider （切分）五种内蒙古胜利煤田6煤组褐煤半圆弯曲试样静态断裂行为开展研究，结果表明：①层面角θ为90°、60°、45°、30°及divider （切分）情况下，胜利煤田6煤组褐煤Ⅰ型断裂韧度K;分别为0.045、0.058、0.073、0.084及0.096 MPa·m;，整体上切口切分层面型试样断裂韧度高于切口平行层面型试样，且对于切口平行层面型试样而言，随着层面角的减小断裂韧度有递增的趋势，研究区褐煤断裂力学性质具有强烈的各向异性特征；②加载位移-载荷关系显示，层面角θ分别为90°、60°、45°、30°及divider （切分）五种褐煤半圆弯曲试样三点弯加载下其断裂过程均经历孔裂隙缺陷压实阶段、线弹性压缩形变储能阶段、临界断裂破坏阶段以及断后的载荷卸载四大阶段，且全部试样断裂后期载荷迅速卸载表明煤岩断裂形式均为脆性断裂，煤岩具有较高的断裂速率，储层适于开展大规模体积压裂；③层面角θ分别为90°、60°、45°、30°及divider （切分）五种褐煤半圆弯曲试样三点弯加载过程断裂能Γ分别为64.38、80.49、112.50、146.66、及355 J·m;，divider （切分）褐煤试样断裂能远大于切口平行层面型褐煤试样，同等条件下沿切分褐煤层面方向造缝耗能高，压裂裂缝延展规模受限；④试验还发现，三点弯加载下研究区褐煤半圆弯曲试样断裂模式主要有拉张断裂和剪切断裂两种形式，褐煤试样的断裂路径受控于外载方向和煤岩层面方位间的空间关系，当层面角θ在45°～60°时试样断裂裂缝的曲折程度最高，在煤层气储层压裂中最易形成裂缝缝网；⑤基于褐煤断裂力学各向异性，本文认为内蒙古胜利褐煤储层采取水平井+分段压裂能够极大提升压裂裂缝的复杂程度，而且综合颗粒惯性考虑，井眼方向平行最大水平主应力的水平井压裂携砂顺畅、能够避免裂缝内砂堵，裂缝充填效果更好。上述认识有望对研究区下一步储层体积压裂改造与压裂缝网营造提供一定科学参考。

关键词：褐煤层面方位断裂力学各向异性压裂裂缝曲折度内蒙古胜利煤田

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模拟煤样航天固体推进剂致裂试验研究

煤炭科学技术 2023年

作者：李军军余梦飞李国富王争龚健高军科易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司煤与煤层气共采国家重点实验室湖北航天化学技术研究所河南理工大学土木工程学院

高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效成产，必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层，可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性，首先以民用航天固体推... 详细信息

高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效成产，必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层，可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性，首先以民用航天固体推进剂配方为基底，研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂，并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试，然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验，并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测，最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明：研发的航天固体推进剂性能良好，具备防水、耐压和不产生CO等优点，能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段，孔壁压力上升时间约为18ms；孔内压力峰值较低且分布不均匀，孔中压力峰值为118.1MPa，孔底压力峰值为85.3MPa。航天固体推进剂致裂过程中，模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成，应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主，应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供参考。

关键词：航天固体推进剂高能气体致裂应力波传播与衰减规律孔壁压力试验研究

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固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响

天然气工业 2019年第8期39卷 74-81页

作者：陈立超王生维张典坤李瑞吕帅锋内蒙古工业大学矿业学院煤与煤层气共采国家重点实验室·晋煤集团中国地质大学(武汉)资源学院

目前针对于煤层气井近井部位固井水泥浆侵入的方式和形态规模、固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响机制及其与煤层气井开采效果的内在关联方面的研究较少。为了深化煤储层压裂裂缝延展理论并给煤层气井水力压裂施工方案优化提供... 详细信息

目前针对于煤层气井近井部位固井水泥浆侵入的方式和形态规模、固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响机制及其与煤层气井开采效果的内在关联方面的研究较少。为了深化煤储层压裂裂缝延展理论并给煤层气井水力压裂施工方案优化提供支撑,选取沁水盆地煤储层中基质—裂隙发育组合迥异的区块,对部署在不同部位气井的固井水泥浆侵入方式和水泥环形态规模进行了系统刻画,分析了不同固井水泥浆侵入方式下的压裂力学判据,针对深部气井难于开挖解剖其固井水泥浆侵入特征的实际问题,提出了破裂压力当量的定义,在此基础上,对郑庄区块39口煤层气井的压裂排采数据进行了分析,总结了固井水泥浆不同侵入方式对煤层气井压裂、排采的影响。研究结果表明:①煤层气井固井水泥浆的侵入方式包含固井水泥浆正常充注型(硬煤基质)、加厚型(构造煤)及煤岩—水泥胶结界面型(硬煤裂隙带)等3种;②由破裂压力当量(pt)小于1.50 MPa,固井水泥浆均匀充注在气井井眼—套管环空,可以判断气井位于硬煤基质;由pt介于1.50~9.00 MPa,固井水泥浆沿井壁构造节理缝挤侵入储层内形成胶结滤饼,可以判断气井位于硬煤裂隙带;由pt大于9.00 MPa,固井水泥在井眼环空垮塌空间加厚形成纺锤体,可以判断气井位于构造煤;③位于硬煤基质的气井在排采期间气井产气量缓慢增加到峰值,并可在峰值部位稳产较长时间,而后产气量缓慢下降,位于构造煤的气井在排采初期很快见产,随后产气量迅速衰减,硬煤裂隙带气井在排采初期产气量快速上升并达到峰值,但稳产时间较短,而后产气量缓慢下降。

关键词：煤层气井固井水泥浆侵入水力压裂破裂压力当量裂缝延展沁水盆地郑庄区块

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HO预处理胜利褐煤镜质组的生物产气研究

微生物学报 2024年

作者：张昊鹏张丹何环任义陈林勇刘健黄再兴中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室煤与煤层气共采国家重点实验室国家煤加工与洁净化工程技术研究中心中国矿业大学化工学院易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司

【目的】研究H2O2处理对煤中镜质组分生物产气影响。【方法】选择内蒙古胜利褐煤作为研究对象，以实验室前期富集保存的产甲烷微生物作为出发菌群，首先通过浮选对煤炭进行显微组分分离(高镜质组GJ，中镜质组ZJ，低镜质组DJ)，并对煤的... 详细信息

【目的】研究H2O2处理对煤中镜质组分生物产气影响。【方法】选择内蒙古胜利褐煤作为研究对象，以实验室前期富集保存的产甲烷微生物作为出发菌群，首先通过浮选对煤炭进行显微组分分离(高镜质组GJ，中镜质组ZJ，低镜质组DJ)，并对煤的物化性质进行表征，然后在固液比1:15、H2O2浓度10%、预处理时间30 d条件下用H2O2处理不同镜质组含量的样品，再以处理前后的原煤及残煤进行生物产气实验。采用气相色谱、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等方法分析H2O2处理前后产气及煤的物化性质变化。【结果】经过H2O2预处理后，煤中镜质组的含量有所下降，挥发分增加，固定碳减少，且H2O2与高镜质组煤样反应更剧烈，氧含量增加，碳含量减少。未经过处理的煤在100 d时产甲烷量为GJ>ZJ>DJ，分别为174.24、164.31、135.52 μmol/g-煤，而经过H2O2预处理的煤在20 d后停止产气，最终产甲烷量分别为39.63、39.61、41.55 μmol/g-煤，比原煤产气减少了77.26%、75.89%和69.34%。随着镜质组含量的增加，经过H2O2处理后的煤样芳香环层片的层间距d002、单层层片的延展度Lc和层片的堆叠度La减小，而芳香层数Nc增加，表明晶核结构变小。经过H2O2处理后煤芳烃碳、芳香族、C=O基团和C=C基团所占比例增加，芳环缩合度增大，含氧官能团变多。【结论】利用H2O2长时间处理使煤基质中较易被微生物利用的有机质结构减少，从而降低了产气能力。

关键词：褐煤生物产气预处理 H O 镜质组