煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究.pdf
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1、油气藏评价与开发PETROLEUM RESERVOIR EVALUATION AND DEVELOPMENT2023年第13卷 第4期煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究施雷庭1,赵启明1,2,任镇宇3,朱诗杰4,朱珊珊1(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川 成都 610500;2.重庆能源职业学院,重庆 402260;3.中联煤层气有限责任公司,北京 100016;4.重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331)摘要:煤岩内发育的裂隙网络是气体运移的主要通道,影响煤储层的渗流能力,裂隙网络的几何特征对煤层气流动特性具有重要影响。以保德区块煤样为研究对象,利用
2、COMSOL Multiphysics模拟软件,建立了煤岩二维裂隙网络模型,研究裂隙长度、密度、开度和角度等因素对产量影响,为提高煤层气产量提供理论指导。研究结果表明:裂隙形态因素影响关系为长度、密度、开度越大,与流动方向夹角越小,煤岩渗流能力越强。但随着长度、密度与开度的增加,流量增幅变缓,继续增加单一因素提高煤层气开采效果不显著且成本难以控制。各因素的增长对出口流量的影响程度中,角度、密度影响效果大于长度和开度。考虑地面定向井+高压水力切割方法提高煤层气开发效率。利用定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,充分利用平行面割理方向渗透率优势;高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与
3、连通性,有助于提高煤层气产量。关键词:煤层气;裂隙形态;数值模拟;渗流能力;COMSOL Multiphysics模拟软件中图分类号:TE37文献标识码:ANumerical simulation study on the influence of coal rock fracture morphology onseepage capacitySHI Leiting1,ZHAO Qiming1,2,REN Zhenyu3,ZHU Shijie4,ZHU Shanshan1(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and D
4、evelopment Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;2.Chongqing Energy College,Chongqing 402260,China;3.China United Coalbed MethaneCorp.Ltd.,Beijing 100016,China;4.School of Petroleum Engineering,Chongqing University of Science&Technology,Chongqing 401331,China)Abstra
5、ct:The fracture network developed in coal rock serves as the primary channel for gas migration,significantly influencing theseepage capacity of coal reservoir.The geometric characteristics of fracture plays a crucial role on determining the flowcharacteristics of coal-bed methane.To study this,a two
6、-dimensional fracture network model of coal rock was established usingCOMSOL Multiphysics simulation software,focusing on the coal samples of Baode block as the research subject.The effects offracture length,density,opening degree and angle on production were investigated,providing valuable theoreti
7、cal guidance forenhancing coal-bed methane production.The results indicate that fracture length,density,and opening degree have a positivecorrelation with the seepage capacity of coal rock,while the angle with the flow direction negatively impacts it.However,with theincrease of length,density and op
8、ening degree,the improvement in flow rate slows down,and the effect of increasing single factor toimprove coal-bed methane mining can be neglected,making it difficult to control the cost-benefit ratio.Among the factorsinfluencing outlet,angle and density exert a more significant effect than length a
9、nd opening degree.Considering the surface引用格式:施雷庭,赵启明,任镇宇,等.煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究J.油气藏评价与开发,2023,13(4):424-432.SHI Leiting,ZHAO Qiming,REN Zhenyu,et al.Numerical simulation study on the influence of coal rock fracture morphology onseepage capacityJ.Petroleum Reservoir Evaluation and Development,2023,1
10、3(4):424-432.DOI:10.13809/32-1825/te.2023.04.003收稿日期:2023-03-31。第一作者简介:施雷庭(1976),男,博士,教授,从事提高采收率技术与教学研究。地址:四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学,邮政编码:610500。E-mail:通信作者简介:赵启明(1994),男,硕士,讲师,从事提高采收率技术与教学研究。地址:重庆市江津区双福新区福星大道2号,邮政编码:402260。E-mail:基金项目:重庆市教育委员会科学技术研究项目“煤岩裂隙形态对渗流能力影响机理及模型构建”(KJQN202305603);重庆市教育委员会科学技术研究
11、项目“近井地带对入井工作液的剪切机制及数学模型构建”(KJQN202301518)。424施雷庭,等.煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究2023年第13卷 第4期随着煤层气产能需求的增加以及开发技术的进步,如何提高单井的产气量是煤层气开发中的关键问题1。煤岩由微孔隙和天然裂隙组成,形成了具有割理系统的孔隙-裂隙系统2-3,其中裂隙系统是煤层气在煤层中的主要渗透路径4。煤岩中裂隙结构复杂多样,煤层气渗流能力受控于煤岩内部的裂隙结构特征,以致煤层气开采过程中存在大量难以解释的可变性。因此,清晰地认识裂隙结构形态特征与煤层气渗流特性的关系,对指导煤层气开采具有重要意义。国内外学者对煤层气渗流行为
12、进行深入研究,普遍认为煤层瓦斯流动是渗流和扩散共同作用的结果5-7。游离煤层气受抽采压力影响沿裂隙通道流向低压区,基质内部吸附煤层气则在质量浓度差作用下解吸向裂隙扩散,受压力影响流出裂隙,因此,天然裂隙发育程度是影响煤层气产能的主要因素8-10。煤岩的裂隙系统将煤分割成许多小的煤岩基质,煤岩基质中则包含有大量的孔隙11,如何通过简化理想模型,展现煤储层孔隙-裂隙系统流动状态,如何直观、有效地表征煤岩裂隙特征和渗流能力关系,对研究煤层气流动特性至关重要。通过保德煤样渗流能力实验,研究了渗透率与裂隙开度之间的关系。通过孔隙-裂隙双重介质特性,构建了煤岩中不同形态裂隙结构的二维双重介质模型,运用CO
13、MSOL Multiphysics模拟软件,实现了煤层气在二维裂隙网络结构中的渗流模拟,研究了裂隙形态中裂隙长度、密度、开度和角度因素对渗流能力的影响。1实验研究与模型分析1.1裂隙的渗流能力实验应力大小影响煤储层中裂隙的闭合程度,应力越大,裂隙开度越小12。而煤储层的特殊结构,导致煤岩中普遍发育不同方向的裂隙,在不同应力作用下,呈现不同的渗流能力。选取储层压力介于2.5612.00 MPa,压力系数介于0.700.99的保德地区8+9号煤岩样品,分别从平行裂隙、垂直裂隙方向的煤岩上钻取(图 1),制备直径 为 25 mm,长 L 为70 mm的实验煤样。研究煤岩来自保德地区太原组 8+9 号
14、可采煤层13,埋藏深度介于300800 m。煤岩样品呈黑色,条痕颜色为棕黑黑色,弱玻璃光泽,线理结构,层状及块状构造,裂隙较发育,密度介于47条/4 cm。处理后的煤样编号标记见表1。1.1.1实验内容及步骤通过外加轴压、围压的作用,模拟不同方向裂隙开度的变化,测试垂直裂隙方向和平行裂隙方向的煤样渗透率变化规律。分析不同煤样裂隙及裂隙方向与渗透率关系。采用稳态测量法测试标准煤样在应力状态下的渗透性能。实验温度为25,在固定气压的条件下,按梯度逐级改变压力。具体实验步骤如下:1)在压力加载装置中加入准备好的加工煤样,并进一步检查好实验系统的气密性,采用真空泵连续抽真空2 h。图1煤岩割理结构及取
15、样方式Fig.1Coal rock Cleavage structure and sampling method测试内容不同轴压加载不同围压加载样品编号cz-8px-8cz-9px-9样品尺寸25 mmL70 mm25 mmL70 mm来源8+9号煤层8+9号煤层8+9号煤层8+9号煤层裂隙方向垂直裂隙平行裂隙垂直裂隙平行裂隙表1样品来源及编号Table1SourceandIdentificationNumberoftheSamplesdirectional well plus the high pressure hydraulic cutting method,we can enhance
16、the efficiency of coalbed methane development.This approach connects the natural fracture system using directional borehole and hydraulic slot,fully utilizing the permeabilityadvantage of parallel surface cutting direction.The high-pressure hydraulic cutting process induces cracks in the coal seam,i
17、ncreasing the number and connectivity of diversion channels,thereby bolstering the production of coal-bed methane.Keywords:coal-bed methane;fracture morphology;numerical stimulation;seepage capacity;COMSOL Multiphysics simulationsoftware4252023年第13卷 第4期施雷庭,等.煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究2)设置煤样施加轴压1 MPa,然后分别由1
18、、3、6、9、12 MPa梯度逐级加载围压,按0.8 MPa压力注入氦气。3)为减小滑脱效应对煤样渗透率的影响,在实验过程中保持驱替压力不变,每个应力点维持足够长时间后(应力上升时间为30 min,下降时间为1 h)测定岩样在该应力点下渗透率值。4)测定完毕后加载下一级应力,重复步骤23。5)当应力达到最大值时,按梯度逐级卸载围压,并在气流流量稳定后,记录数据,计算渗透率。6)上述步骤完毕后,更换煤样,对煤样施加预定的围压1 MPa,然后分别由1、3、6、9、12 MPa梯度逐级加载轴压,重复步骤15,直至完成所有的渗流实验。1.1.2实验结果1)轴压对煤样渗透率的影响通过加、卸载轴压煤样渗透
19、率结果数据,类比平行裂隙煤岩样品与垂直裂隙煤岩样品,如图2所示。随着轴压的增加,实验煤样的渗透率均呈现下降趋势。轴压介于16 MPa阶段,渗透率出现明显下降趋势,612 MPa阶段,渗透率下降趋势减缓。加载过程中,cz-8 煤样渗透率由 0.5210-3m2降至0.1010-3m2,px-8煤样渗透率由1.7510-3m2降至1.0810-3m2。平行裂隙煤样初始渗透率比垂直裂隙煤样初始渗透率高,平行裂缝与渗流方向一致时,流体沿着裂缝流动的渗流能力更强。2)围压对煤样渗透率的影响通过加、卸载围压煤样渗透率结果数据,类比平行裂隙样品与垂直裂隙样品,如图3所示。图3中随着围压的增加,实验煤样的渗透
20、率均呈现有规律地下降。围压介于16 MPa阶段,渗透率下降速度快,612 MPa阶段,渗透率下降速度缓慢。加载过程中,cz-9煤样渗透率由0.60 10-3m2降至0.02 10-3m2,px-9煤样渗透率由1.9310-3m2降至0.25 10-3m2。平行裂隙煤样初始渗透率比垂图2煤样加、卸载过程渗透率与轴压关系Fig.2Relationship between permeability and axial compression of coal during loading and unloading图3煤样加、卸载过程渗透率与围压关系Fig.3Relationship between
21、permeability and ambient pressure of coal during loading and unloading426施雷庭,等.煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究2023年第13卷 第4期直裂隙煤样初始渗透率高,流体沿着平行裂缝流动的渗流能力更强。1.1.3实验渗流影响分析基于实验研究发现,受到力的作用影响时,作用于平行裂隙的力导致裂隙闭合,开度变小,导致流体流通通道减小,影响煤样的渗透性。大量的裂隙切割煤储层,裂隙相互交错形成割理网络系统,裂隙相互垂直,改变裂隙开度其渗透率的变化可以由式(1)表示14:Kz=K0 x()1 bxb0 x3+K0y()1 by
22、b0y3(1)式中:Kz为开度增量导致渗透率的变化,压应变为正,拉应变为负,单位m2;bx、by分别为平行裂隙、垂直裂隙开度增量,单位m;K0 x为初始应力条件下平行裂隙的初始渗透率,单位m2;K0y为初始应力条件下垂直裂隙的初始渗透率,单位m2;b0 x为平行裂隙的初始平均法向开度,单位m;b0y为垂直裂隙初始平均法向开度,单位m。式(1)表明:渗透率受到裂隙开度的影响而发生变化,与渗流介质无关。裂隙开度与渗透性之间的关系对于煤岩具有重要意义,且能通过渗透率表征平行于面割理与垂直于面割理方向施加不同大小压力,改变的裂隙开度大小。因此,研究煤层气的运移过程,需要通过煤层气的流动理论以及结合煤岩
23、结构模型的特征,建立二维裂隙网络以及流动模型,分析煤层气在不同裂隙形态下的流动能力。1.2裂隙对渗流影响模拟1.2.1二维煤岩裂隙模型建立运用COMSOL Multiphysics模拟软件,模拟煤层气在割理网络中的渗流行为,分析煤岩中煤层气运移规律。根据孔隙-裂隙双重介质模型特征研究,将煤层气储层看作由基质系统和裂隙系统组成的双重介质,基质孔隙是煤层气主要的储存空间,割理组成的裂隙网络则是煤层气运移的主要渗流空间15-16。孔隙和裂隙是煤层气储存与流动的2种重要结构,90%的煤层气以吸附状态赋存于基质孔隙表面17,开采煤层气的过程中,气体从煤岩流出的方式如图 4所示18,气体首先通过解吸、扩散
24、从基质孔隙内运移后汇入裂隙中,在裂隙中通过渗流方式流入井筒19-20。因此,构建100 mm50 mm的煤层气藏地质模型,研究煤岩渗流通道,有利于煤层气运移产出。其中蓝色线条代表一条长为25 mm的出口,模拟煤岩中的气体流动,上部灰色区域为纯基质区域。图4解吸扩散渗流示意图Fig.4Desorption-diffusion-seepage diagram4272023年第13卷 第4期施雷庭,等.煤岩裂隙形态对渗流能力影响数值模拟研究结合保德区块煤样特征,以及其他计算过程中可用到参数见表2。煤层气藏分为基质系统和裂隙系统,气藏中同时存在于两个不同的流动场。1)基质系统流动模型利用质量守恒定律及
25、气相连续微分方程,建立煤层气气相流动模型21:mt=()gvg qmf(2)式中:m为基质中煤层气质量,单位kg;t为时间,单位s;g为煤层气密度,单位kg/m3;vg为基质系统中气体流度,单位m2/(mPas);qmf为基质和孔隙之间的质量交换流量,单位kg/(m2s)。基质系统煤层气藏运动方程基于拟达西方程构建如下:vg=kkrggpg(3)式中:k为基质系统的绝对渗透率,单位m2;krg为基质系统的气相相对渗透率;g为气相黏度,单位mPas;pg为基质中气相压力,单位MPa。煤岩基质孔隙中,煤层气分为吸附态和游离态,则基质中的气体质量为两项相加,即:mg=mf+mad(4)式中:mg为基
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