天然裂隙和压裂裂缝作为水力压裂改造后,煤储层中流体流动的优势通道,在煤储层内部不同位置处的发育程度、空间分布、形态特征,以及相互配置关系和组合方式存在着差异。在煤层气井排水降压的生产过程中,此种差异的存在会导致煤储层内不同部位处流体压力降幅和流速不一致,而流压降幅和流体流速与储层内有效应力的增加以及煤粉颗粒的运移和沉降有着密切的关系。局部有效应力的过快增加和大面积煤粉颗粒的运移和沉降是导致煤储层整体导流能力衰减的重要原因,煤层气井的产量会直接的受到影响。因此,明确排水降压过程中煤储层中的流体流动通道,分析不同流动通道内流体流动的难易程度和压力分布特征,识别出煤储层中压降波及影响范围内导流能力最易受损的流动通道,对煤层气井排采制度的定量化具有重要的指导意义。本文针对上述关键科学问题从建立煤储层中流体流动通道模型,分析不同通道内的流体流动和压力分布以及明确不同尺寸流动通道内煤粉的运移和沉降三个方面展开研究和论述。(1)典型流体流动通道模型的建立与流动通道组合方式的归纳。对沁水盆地南部寺河矿区内分属东五盘区和东一盘区的7口压裂煤层气井,展开了井下巷道壁面的实地解剖和观测。以煤层气井井眼为起点,追踪流体流动优势通道在煤储层中的痕迹,认识压裂裂缝在煤储层中的发育规律和展布特征,掌握天然裂隙与压裂裂缝在煤储层中的配置关系和组合方式,以及各类天然裂隙的形态特征、张开宽度、内部充填状况。基于流体流动通道的导流能力、发育规模、配置关系和组合方式,提炼总结出典型流体流动通道模型和通道模型内的流动通道组合方式。典型流体流动通道模型以压裂裂缝为根基,可分为两类。第一类组合模型:与压裂裂缝连接的内生裂隙和气胀节理在煤储层内延伸,结合强度弱的水平层理面间接通过内生裂隙或气胀节理与压裂裂缝沟通;第二类组合模型,外生裂隙一端与压裂裂缝相交,在垂向上切穿多套煤岩分层,将不同分层内的内生裂隙或者气胀节理,以及结合强度弱的水平层理面串联沟通。通道模型内的流动通道组合方式可分为三种:1、单一的大尺度流动通道切过多条小尺度流动通道组成复杂流动通道;2、多条小尺度通道首尾相接组成复杂流动通道;3、异常渗透率夹层横向截切垂向延伸的流动通道。在上述认识的基础上,结合阜康矿区41号、42号煤层和织金矿区7号、16号煤层的巷道壁面解剖观测资料和压裂施工数据,构建了阜康矿区FSL-2井和织金矿区PQT-1井的流体流动通道模型。(2)流体流动通道内的流体流动和压力分布分析。基于井下巷道壁面解剖和观测,认为与压裂裂缝相交的大尺度天然裂隙对煤层气井的产能有很大的影响。将其视为过流断面为矩形且矩形长度远大于张开宽度的流体流动通道,割理及微裂隙与矩形通道沟通并向其内部补充流体,微裂隙的渗流存在启动压力。利用达西-魏斯巴赫公式分析了矩形流体流动通道内的流体流速和压力分布特征,结合局部能量损失公式,论述了流动通道交叉和首尾相接两种组合方式对流体流动和压力分布的影响。根据达西定律,结合流体流动连续性方程,论述了单一矩形通道内的压力分布和流体流速分布规律。并论述了非平行通道内流体压力分布与流体流速分布的规律。(3)不同流动通道内的物质分布规律以及煤粉颗粒的运移与沉降规律。基于多相流的流型与流动规律认识,结合矿物颗粒的物理分选原理,论述了不同产状、不同流体流向,流动通道内的物质分布规律。取井下不同部位原位煤粉样品进行试验分析。首先,进行煤粉集合体在活性水中的浸泡试验,对比不同煤粉源对活性水的敏感程度,探讨了生产过程中产出煤粉颗粒的主要来源。然后,进行煤粉颗粒启动运移与流体流速关系测试,根据试验测试数据,拟合流体流速与发生运移煤粉颗粒粒径关系。最后,开展悬浮煤粉液的沉降观测试验,通过试验认识了煤粉颗粒聚集成团的形式以及煤粉的沉降方式。结合流体流动通道内流体流速与压降的关系式,计算了不同张开宽度流动通道内煤粉发生运移的临界压力梯度值。基于典型流体流动通道模型和流动通道组合方式,提出以煤基质块为流体补给源的通道模型,导出流动通道内的压力分布通式,研究分析其内部流体压力的分布规律,流动通道内部流体压力对通道流出端压力改变的敏感程度,以及不同张开宽度通道内煤粉运移的临界压力梯度,最低运移速度等方面的研究,揭示了流体流动通道中渗透率易受损的部位,获得了与渗透率受损相关的流动通道内流体压力分布和流体流速分布规律、临界压力梯度值,为煤层气井产出衰减问题的诊断,煤层气井排采生产制度的定量化制定提供了基础认识和新的思路。
