低滲透煤層氣開采理論及其應用

前言

　　煤層氣是一種由煤層生成并主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層中的非常規(guī)天然氣，是近20年來崛起的優(yōu)質(zhì)潔凈新能源。其開發(fā)與利用對彌補我國常規(guī)能源的不足，從根本上消除煤礦生產(chǎn)中造成的瓦斯爆炸、瓦斯突出等災害，減少大量瓦斯排放造成的環(huán)境污染以及改善我國的能源結構，加速我國以煤為主的能源系統(tǒng)逐漸向環(huán)境無害化的可持續(xù)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)化過程，形成潔凈能源新產(chǎn)業(yè)，均具有重要的戰(zhàn)略意義?！　≈袊粌H是煤炭資源大國，而且煤層氣資源也極為豐富，我國政府和有關工業(yè)部門高度重視煤層氣的勘探開發(fā)，在引進、消化、吸收國外煤層氣開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，煤層氣勘探開發(fā)理論與技術等方面也取得了一定的進展。但迄今為止，從全國總的試驗情況看，絕大多數(shù)煤層氣試井產(chǎn)量低、產(chǎn)量遞減快，難以形成穩(wěn)定的工業(yè)性氣源。其主要原因是我國煤層普遍滲透率低、吸附強、開采淺層煤層氣的原始壓力不高、解吸速度慢，使得煤層氣解吸及其在煤層中的運移十分困難，而且低滲透煤層甲烷吸附、解吸、擴散、滲流運移過程表現(xiàn)出相互制約和非達西滲流以及煤層甲烷運移受排采降壓引起的流固耦合作用較明顯的突出特點。反映優(yōu)良儲層特性的國外煤層氣開采理論和借用常規(guī)的油氣開采理論，不能完全適應我國低滲透煤層氣的開采。目前，煤層氣的增產(chǎn)技術普遍沿用油氣田開采中的水力壓裂提高滲透率方式來提高煤層氣的產(chǎn)量，而在促使煤層氣產(chǎn)生解吸，使吸附在煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的煤層甲烷盡可能由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，擴大煤層氣由基質(zhì)向微孔、向裂隙的擴散能力等增產(chǎn)措施方面研究較少。

內(nèi)容概要

　　《低滲透煤層氣開采理論及其應用》根據(jù)國內(nèi)外大量煤層氣生產(chǎn)和科研資料，結合作者近期的科研成果撰寫而成。書中系統(tǒng)地闡述了低滲透煤層氣開采與注氣增產(chǎn)流固耦合理論及應用。全書共分七章。第一章主要介紹了低滲透煤層氣開采和增產(chǎn)理論的研究背景、煤層氣開采理論和儲層模擬技術以及注氣開采煤層氣增產(chǎn)技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；第二、三章敘述了低滲透煤層氣流固耦合滲流基本概念及基本力學定律，以及煤層氣的儲層特征和儲集、運移及產(chǎn)出機理；第四章至第六章詳細地闡述了低滲透煤層氣開采與注氣增產(chǎn)流固耦合理論、儲層數(shù)值模擬技術及其應用；第七章主要對流固耦合作用下的低滲透煤層氣開采與注氣增產(chǎn)的數(shù)值模擬規(guī)律進行了總結。
　　《低滲透煤層氣開采理論及其應用》可供從事煤層氣開發(fā)的工程技術人員和科研人員以及高等院校師生參考。

書籍目錄

前言
第一章 緒論
1．1 低滲透煤層氣開采和增產(chǎn)理論研究背景、目的和意義
1．2 煤層氣開采理論和儲層數(shù)值模擬技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1．3 注氣開采煤層氣增產(chǎn)技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
第二章 低滲透煤層氣流固耦合滲流的基本概念及力學定律
2．1 引言
2．2 多孔介質(zhì)
2．2．1 儲容性
2．2．2 滲透性
2．2．3 比表面積
2．2．4 孔隙結構
2．3 連續(xù)介質(zhì)場
2．3．1 連續(xù)流體
2．3．2 連續(xù)多孔介質(zhì)
2．4 流體的力學性質(zhì)
2．4．1 流體的重量及重力勢能
2．4．2 流體的質(zhì)量和慣性力
2．4．3 流體的黏度和黏滯力
2．4．4 流體的可壓縮性
2．5 多孔介質(zhì)力學性質(zhì)
2．5．1 多孔介質(zhì)的壓縮性
2．5．2 有效應力原理
2．5．3 煤巖應力應變?nèi)糖€
2．5．4 煤巖變形破壞機制與強度準則
2．6 流固耦合滲流運動學基本概念
2．6．1 滲流速度
2．6．2 描述流體運動的拉格朗日法和歐拉法
2．6．3 物理量的質(zhì)點導數(shù)和局部導數(shù)
2．7 線性達西滲流規(guī)律
2．7．1 達西定律．
2．7．2 達西定律的適用范圍
2．8 低滲透煤層中的滲流規(guī)律
2．8．J低滲透煤層非達西滲流規(guī)律
2．8．2 低滲透氣體滲流的滑脫效應
2．9 多相滲流基本知識
2．9．1 流體飽和度
2．9．2 界面張力和濕潤性
2．9．3 毛管力
2．9．4 相滲透率和相對滲透率
2．9．5 低滲透煤層氣藏兩相流非達西滲流定律
2．10 小結
第三章 煤層氣的儲層特征和儲集、運移和產(chǎn)出機理
3．1 引言
3．2 煤層氣的儲層特征
3．2．1 煤的孔隙類型
3．2．2 煤的孔隙系統(tǒng)
3．2．3 煤層的滲透性
3．2．4 煤的內(nèi)表面積
3．3 煤層氣儲集機理
3．3．1 溶解態(tài)儲集機理
3．3．2 游離態(tài)儲集機理
3．3．3 吸附氣儲集機理
3．4 煤層氣運移和產(chǎn)出機理
3．4．1 煤層氣的解吸機理
3．4．2 煤層氣的擴散機理
3．4．3 煤層氣的滲流機理
3．5 小結
第四章 低滲透煤層氣、水兩相流流固耦合模型及數(shù)值解法
4．1．引言
4．2 基本假設
4．3 煤儲層雙重介質(zhì)結構
4．4 低滲透雙重介質(zhì)煤層氣、水兩相流流固耦合模型的建立
4．4．1 煤層甲烷解吸、擴散和滲流過程的氣、水兩相流流場控制方程
4．4．2 輔助方程和狀態(tài)方程
4．4．3 煤巖體變形場控制方程
4．4．4 流場與變形場的耦合媒介
4．4．5 流場與變形場的定解條件
4．5 低滲透雙重介質(zhì)煤層氣、水兩相流流固耦合模型的數(shù)值解法
4．5．1 割理裂隙系統(tǒng)滲流場的有限差分數(shù)值解法
4．5．2 基質(zhì)系統(tǒng)擴散項的有限差分數(shù)值解法
4．5．3 變形場有限元數(shù)值解法
4．6 三維雙重介質(zhì)煤層氣藏流固耦合模型數(shù)值模擬程序設計
4．6．1 雙重介質(zhì)的空間離散化網(wǎng)格處理
4．6．2 程序設計結構和框圖
4．7 小結
第五章 低滲透雙重介質(zhì)煤層氣藏流固耦合理論的應用
5．1 引言
5．2 新集礦區(qū)地質(zhì)概況
5．3 新集礦區(qū)儲層基本特征
5．4 煤層氣試驗井氣水產(chǎn)量曲線
5．5 試驗區(qū)煤儲層模擬
5．5．1 模擬區(qū)域和網(wǎng)格劃分及主要參數(shù)
5．5．2 SX一02井和SX一03試井氣、水產(chǎn)能預測
5．5．3 單井開采耦合與非耦合儲層壓力、飽和度、濃度和產(chǎn)能變化規(guī)律
5．5．4 兩井聯(lián)合開采耦合與非耦合儲層壓力等量變化規(guī)律及井間干擾
5．5．5 耦合與非耦合引起儲層壓力等量變化規(guī)律差異的機理分析
5．5．6 井群開采布井間距對產(chǎn)能等量的影響
5．5．7 擴散系數(shù)和滲透率對產(chǎn)能的影響
5．5．8 啟動壓力和滑脫效應對產(chǎn)能的影響
5．6 小結
第六章 注氣開采煤層氣增產(chǎn)機理的數(shù)值模擬及其應用
6．1 引言
6．2 二氧化碳和煤層甲烷的置換驅(qū)替實驗
6．2．1 樣品制備
6．2．2 測量儀器
6．2．3 實驗的主要結果
6．3 注氣開采煤層氣多組分流體流固耦合模型的建立
6．3．1 基本假設和氣體混合物濃度速度流動物理量的定義
6．3．2 基質(zhì)系統(tǒng)多組分氣體的擴散控制方程
6．3．3 割理裂隙系統(tǒng)多組分氣、水兩相流流固耦合模型控制方程
6．3．4 輔助方程
6．3．5 定解條件
6．4 五井布置注氣增產(chǎn)機理及規(guī)律的數(shù)值模擬
6．4．1 模擬范圍和布井方式及參數(shù)的確定
6．4．2 儲層壓力和水飽和度變化規(guī)律
6．4．3 基質(zhì)孔隙系統(tǒng)煤層甲烷濃度變化規(guī)律
6．4．4 基質(zhì)孔隙系統(tǒng)煤層CO2濃度和裂隙系統(tǒng)CO2飽和度變化規(guī)律
6．4．5 注氣前后產(chǎn)能的變化規(guī)律
6．4．6 注氣開采煤層氣和石油增產(chǎn)機理的主要差異
6．5 小結
第七章結論
參考文獻

章節(jié)摘錄

　　4）由于排采降壓將在井底附近形成了較大的流體壓力梯度，逐漸向儲層邊界發(fā)展，根據(jù)有效應力理論，在孔隙流體壓力變化的范圍內(nèi)會引起儲層孔隙介質(zhì)的應力和應變變化，從而使孔隙結構發(fā)生變化。由此造成有效滲透率和孔隙度的降低，與非耦合模型相比產(chǎn)量有較大幅度的降低，同時也是耦合與非耦合情況儲層參數(shù)產(chǎn)生差異的原因。因此在煤層氣的開采中，必須重視耦合作用對產(chǎn)量造成的不利影響，制定合理的生產(chǎn)制度，盡可能保證儲層滲透特性受弱化的程度最小?！　?）選擇合理的井群間距對煤層氣開發(fā)至關重要。它影響到煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟效益和煤層氣資源的回收率，井群間距的大小主要取決于儲層的性質(zhì)和生產(chǎn)規(guī)模對經(jīng)濟性的影響。模擬結果表明：井群間距對產(chǎn)能和儲層壓力等量的影響，與儲層的滲透率密切相關，滲透率比較高的儲層，開采初期的一定期間內(nèi)，出現(xiàn)了井群干擾，增加了儲層壓降漏斗的影響范圍。開采井周圍煤基質(zhì)內(nèi)甲烷未枯竭時，較小井群間距的產(chǎn)氣量大于較大井群間距的產(chǎn)氣量，滲透率比較低的儲層，開采初期井距大小對產(chǎn)氣量影響較小，等開采一定時間后，出現(xiàn)了井群干擾，較近井群間距產(chǎn)氣量大于較大井群間距的產(chǎn)氣量?！　?）通過滲透率、擴散系數(shù)對產(chǎn)能影響的研究表明：煤儲層滲透率的大小直接控制著煤層氣產(chǎn)能的大小，擬穩(wěn)態(tài)擴散時，擴散系數(shù)越大，煤層氣井的早期產(chǎn)量上升越快，產(chǎn)氣量高峰期到來越早，隨著擴散系數(shù)減少，在開采初期一定時間內(nèi)，增大滲透率對提高產(chǎn)氣量的幅度不夠明顯，這說明煤層氣的開采運移過程同樣受到擴散過程的影響，進一步揭示煤層瓦斯解吸、擴散和滲流互為條件、互相聯(lián)系和互相約束的運移機制。因此，應注重加速煤層甲烷解吸擴散過程和提高滲透率并舉的增產(chǎn)措施來提高煤層氣的產(chǎn)量。

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