二氧化碳压裂增透煤层及驱替煤层甲烷机理研究
发布时间：2023-04-27 23:53
我国煤层低渗透性的特点严重制约了煤层甲烷抽采的效果,增加低渗透煤层的渗透性是提高煤层甲烷抽采效率的关键。采用二氧化碳压裂煤层不仅可以增加煤层渗透性,还可以驱替煤层甲烷,强化甲烷抽采。本文采用理论分析、实验室试验、数值模拟以及现场运用相结合的方法,系统分析了二氧化碳压裂增透煤层的机理以及二氧化碳驱替煤层甲烷的规律。通过理论分析研究了二氧化碳物理性质对流体压裂破裂压力的影响;利用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,开展了流体压裂(二氧化碳压裂和水力压裂)原煤、页岩和砂岩的试验研究,揭示了二氧化碳压裂煤层的裂缝扩展规律以及压裂裂缝的特征;提出了不卸压条件下流体压裂储层岩石增透效果的评价方法,并利用该方法研究了二氧化碳压裂原煤的增透效果;针对压裂后裂缝原煤的渗流规律,探讨了适用于煤层增透的流体压裂方法;建立了流固耦合多组分气体多孔渗流模型,并采用该模型分析了二氧化碳驱替煤层甲烷的规律;最后在煤矿现场进行了气液两相联合致裂增透煤层的试验研究。本文的主要研究成果如下:(1)流体压裂中,岩石的起裂压力受原始孔隙压力和岩石渗透性的影响;裂缝的扩展压力受原生裂隙和流体滞后带的影响。由于水和二氧化碳的...
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 高瓦斯低渗透煤层增透技术的研究现状
1.2.2 流体压裂储层研究现状
1.2.3 裂隙储层岩石的渗透特性研究现状
1.2.4 二氧化碳驱替煤层甲烷研究现状
1.3 论文主要研究内容及技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 储层岩石的物理力学性质和孔隙结构特征
2.1 概述
2.2 储层岩石的物理力学性质
2.2.1 岩石的单轴抗压强度
2.2.2 岩石的抗拉强度
2.2.3 岩石的断裂韧度
2.3 储层岩石的孔隙结构特征
2.3.1 压汞法分析岩石的孔隙结构
2.3.2 核磁共振法分析岩石的孔隙结构
2.4 储层岩石脆性分析
2.5 本章小结
3 二氧化碳压裂煤层破裂机理的研究
3.1 概述
3.2 二氧化碳压裂煤层起裂准则
3.2.1 二氧化碳压裂煤层起裂压力计算模型
3.2.2 钻孔或压裂井的应力状态分析
3.3 二氧化碳压裂煤层裂缝扩展准则
3.3.1 二氧化碳压裂煤层裂缝扩展压力计算模型
3.3.2 流体滞后带对裂缝扩展压力的影响
3.4 起裂压力及裂缝扩展压力的变化规律
3.4.1 煤层渗透性对起裂压力的影响
3.4.2 原始孔隙压力对起裂压力的影响
3.4.3 原生裂隙长度和角度对裂缝扩展压力的影响
3.4.4 流体滞后带长度对裂缝扩展压力的影响
3.5 本章小结
4 真三轴应力条件下二氧化碳压裂煤层试验研究
4.1 概述
4.2 真三轴应力条件下流体压裂储层岩石试验
4.2.1 试验装置
4.2.2 试验方法
4.2.3 试验试件
4.2.4 试验方案
4.3 二氧化碳压裂储层岩石的破裂压力
4.3.1 压裂流体的性质
4.3.2 流体压裂试验过程中流体压力的变化
4.3.3 水力压裂和二氧化碳压裂破裂压力差异的分析
4.4 二氧化碳压裂煤层裂缝扩展的规律
4.4.1 压裂流体对煤层裂缝扩展规律的影响
4.4.2 水平主应力比对煤层裂缝扩展规律的影响
4.4.3 注入速度对煤层裂缝扩展规律的影响
4.4.4 储层类型对二氧化碳压裂裂缝扩展规律的影响
4.5 二氧化碳压裂裂缝的特征
4.5.1 流体压裂刺激裂缝扩展的方向
4.5.2 流体压裂刺激裂缝扩展的应力
4.5.3 二氧化碳压裂中倾斜裂缝与翼裂纹的关系
4.6 二氧化碳压裂过程中的声发射响应特征
4.6.1 声发射系统介绍
4.6.2 流体压裂过程中声发射计数的特征
4.7 流体压裂储层刺激方式
4.7.1 流体压裂刺激储层方式的分类
4.7.2 储层原生裂隙与人工裂缝的互相作用
4.7.3 多因素对流体压裂刺激方式和裂缝扩展规律的影响
4.8 本章小结
5 真三轴应力条件下流体压裂后裂缝岩石的渗流规律
5.1 概述
5.2 流体压裂前后储层岩石的渗透率变化规律
5.2.1 流体压裂储层岩石增透效果的评价方法
5.2.2 流体压裂不同类型储层的效果
5.2.3 影响流体压裂增透效果的因素
5.3 真三轴应力条件下裂缝储层岩石渗透率对应力的响应
5.3.1 裂缝储层岩石的渗流试验
5.3.2 裂缝储层岩石渗透率对应力的响应特性
5.3.3 储层类型对其裂缝岩石渗流规律的影响
5.3.4 适应煤层的流体压裂刺激方式
5.4 真三轴应力条件下裂缝储层岩石的渗透率模型
5.4.1 储层岩石渗透率模型研究现状
5.4.2 裂缝岩石真三轴渗透率模型的建立
5.4.3 裂缝岩石真三轴渗透率模型的验证
5.5 本章小结
6 二氧化碳压裂煤层中多组分气体的运移规律
6.1 概述
6.2 注二氧化碳驱替煤层甲烷的试验研究
6.2.1 煤岩芯驱替试验设备和方案
6.2.2 试验试件
6.2.3 试验结果
6.3 流固耦合多组分气体多孔渗流模型
6.3.1 基本假设
6.3.2 煤体应力场方程
6.3.3 煤体中多组分气体渗流场方程
6.3.4 定解条件
6.3.5 流固耦合多组分气体多孔渗流模型的求解
6.4 流固耦合多组分气体多孔渗流模型对煤岩芯驱替试验的模拟
6.4.1 煤岩芯驱替试验的几何模型与定解条件
6.4.2 三孔渗流模型
6.4.3 煤岩芯驱替试验模拟结果
6.4.4 驱替气体吸附性对驱替效果的影响
6.5 二氧化碳压裂过程中煤层甲烷富集圈的形成
6.5.1 二氧化碳压裂过程中驱替煤层甲烷的几何模型和定解条件
6.5.2 煤层基质和裂隙中甲烷浓度的变化规律
6.5.3 流动参数对甲烷富集圈的影响
6.5.4 甲烷富集圈对抽采钻孔布置的指导
6.6 本章小结
7 气液两相联合致裂增透煤层技术现场运用研究
7.1 概述
7.2 水力压裂技术增透煤层的运用
7.2.1 水力压裂地点概况
7.2.2 水力压裂装备
7.2.3 水力压裂煤层试验方案
7.2.4 水力压裂煤层基本现象
7.3 水力压裂效果评估及影响因素分析
7.3.1 水力压裂后钻孔甲烷抽采情况
7.3.2 穿层钻孔水力压裂甲烷富集圈
7.3.3 影响水力压裂效果的因素
7.4 气液两相联合致裂增透煤层技术
7.4.1 液态二氧化碳相变致裂技术介绍
7.4.2 气液两相联合致裂增透煤层技术的原理及优势
7.4.3 气液两相联合致裂增透煤层技术的运用
7.5 本章小结
8 结论与展望
8.1 本文的研究成果及结论
8.2 主要创新点
8.3 后续研究工作及展望
致谢
参考文献
附录
A 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
B 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
C 作者在攻读博士学位期间公开和授权的专利
D 作者在攻读博士学位期间所获奖励
本文编号：3803321
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 高瓦斯低渗透煤层增透技术的研究现状
1.2.2 流体压裂储层研究现状
1.2.3 裂隙储层岩石的渗透特性研究现状
1.2.4 二氧化碳驱替煤层甲烷研究现状
1.3 论文主要研究内容及技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 储层岩石的物理力学性质和孔隙结构特征
2.1 概述
2.2 储层岩石的物理力学性质
2.2.1 岩石的单轴抗压强度
2.2.2 岩石的抗拉强度
2.2.3 岩石的断裂韧度
2.3 储层岩石的孔隙结构特征
2.3.1 压汞法分析岩石的孔隙结构
2.3.2 核磁共振法分析岩石的孔隙结构
2.4 储层岩石脆性分析
2.5 本章小结
3 二氧化碳压裂煤层破裂机理的研究
3.1 概述
3.2 二氧化碳压裂煤层起裂准则
3.2.1 二氧化碳压裂煤层起裂压力计算模型
3.2.2 钻孔或压裂井的应力状态分析
3.3 二氧化碳压裂煤层裂缝扩展准则
3.3.1 二氧化碳压裂煤层裂缝扩展压力计算模型
3.3.2 流体滞后带对裂缝扩展压力的影响
3.4 起裂压力及裂缝扩展压力的变化规律
3.4.1 煤层渗透性对起裂压力的影响
3.4.2 原始孔隙压力对起裂压力的影响
3.4.3 原生裂隙长度和角度对裂缝扩展压力的影响
3.4.4 流体滞后带长度对裂缝扩展压力的影响
3.5 本章小结
4 真三轴应力条件下二氧化碳压裂煤层试验研究
4.1 概述
4.2 真三轴应力条件下流体压裂储层岩石试验
4.2.1 试验装置
4.2.2 试验方法
4.2.3 试验试件
4.2.4 试验方案
4.3 二氧化碳压裂储层岩石的破裂压力
4.3.1 压裂流体的性质
4.3.2 流体压裂试验过程中流体压力的变化
4.3.3 水力压裂和二氧化碳压裂破裂压力差异的分析
4.4 二氧化碳压裂煤层裂缝扩展的规律
4.4.1 压裂流体对煤层裂缝扩展规律的影响
4.4.2 水平主应力比对煤层裂缝扩展规律的影响
4.4.3 注入速度对煤层裂缝扩展规律的影响
4.4.4 储层类型对二氧化碳压裂裂缝扩展规律的影响
4.5 二氧化碳压裂裂缝的特征
4.5.1 流体压裂刺激裂缝扩展的方向
4.5.2 流体压裂刺激裂缝扩展的应力
4.5.3 二氧化碳压裂中倾斜裂缝与翼裂纹的关系
4.6 二氧化碳压裂过程中的声发射响应特征
4.6.1 声发射系统介绍
4.6.2 流体压裂过程中声发射计数的特征
4.7 流体压裂储层刺激方式
4.7.1 流体压裂刺激储层方式的分类
4.7.2 储层原生裂隙与人工裂缝的互相作用
4.7.3 多因素对流体压裂刺激方式和裂缝扩展规律的影响
4.8 本章小结
5 真三轴应力条件下流体压裂后裂缝岩石的渗流规律
5.1 概述
5.2 流体压裂前后储层岩石的渗透率变化规律
5.2.1 流体压裂储层岩石增透效果的评价方法
5.2.2 流体压裂不同类型储层的效果
5.2.3 影响流体压裂增透效果的因素
5.3 真三轴应力条件下裂缝储层岩石渗透率对应力的响应
5.3.1 裂缝储层岩石的渗流试验
5.3.2 裂缝储层岩石渗透率对应力的响应特性
5.3.3 储层类型对其裂缝岩石渗流规律的影响
5.3.4 适应煤层的流体压裂刺激方式
5.4 真三轴应力条件下裂缝储层岩石的渗透率模型
5.4.1 储层岩石渗透率模型研究现状
5.4.2 裂缝岩石真三轴渗透率模型的建立
5.4.3 裂缝岩石真三轴渗透率模型的验证
5.5 本章小结
6 二氧化碳压裂煤层中多组分气体的运移规律
6.1 概述
6.2 注二氧化碳驱替煤层甲烷的试验研究
6.2.1 煤岩芯驱替试验设备和方案
6.2.2 试验试件
6.2.3 试验结果
6.3 流固耦合多组分气体多孔渗流模型
6.3.1 基本假设
6.3.2 煤体应力场方程
6.3.3 煤体中多组分气体渗流场方程
6.3.4 定解条件
6.3.5 流固耦合多组分气体多孔渗流模型的求解
6.4 流固耦合多组分气体多孔渗流模型对煤岩芯驱替试验的模拟
6.4.1 煤岩芯驱替试验的几何模型与定解条件
6.4.2 三孔渗流模型
6.4.3 煤岩芯驱替试验模拟结果
6.4.4 驱替气体吸附性对驱替效果的影响
6.5 二氧化碳压裂过程中煤层甲烷富集圈的形成
6.5.1 二氧化碳压裂过程中驱替煤层甲烷的几何模型和定解条件
6.5.2 煤层基质和裂隙中甲烷浓度的变化规律
6.5.3 流动参数对甲烷富集圈的影响
6.5.4 甲烷富集圈对抽采钻孔布置的指导
6.6 本章小结
7 气液两相联合致裂增透煤层技术现场运用研究
7.1 概述
7.2 水力压裂技术增透煤层的运用
7.2.1 水力压裂地点概况
7.2.2 水力压裂装备
7.2.3 水力压裂煤层试验方案
7.2.4 水力压裂煤层基本现象
7.3 水力压裂效果评估及影响因素分析
7.3.1 水力压裂后钻孔甲烷抽采情况
7.3.2 穿层钻孔水力压裂甲烷富集圈
7.3.3 影响水力压裂效果的因素
7.4 气液两相联合致裂增透煤层技术
7.4.1 液态二氧化碳相变致裂技术介绍
7.4.2 气液两相联合致裂增透煤层技术的原理及优势
7.4.3 气液两相联合致裂增透煤层技术的运用
7.5 本章小结
8 结论与展望
8.1 本文的研究成果及结论
8.2 主要创新点
8.3 后续研究工作及展望
致谢
参考文献
附录
A 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
B 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
C 作者在攻读博士学位期间公开和授权的专利
D 作者在攻读博士学位期间所获奖励
本文编号：3803321
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