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煤儲層多尺度裂隙特征及其對滲透性的控制 版權信息
- ISBN：9787030721532
- 條形碼：9787030721532 ; 978-7-03-072153-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
煤儲層多尺度裂隙特征及其對滲透性的控制 內容簡介
煤儲層是一種具有雙重孔-裂隙型儲層，孔隙是煤層中氣體儲存的主要空間；裂隙是煤層中流體運移的主要通道，是影響和控制煤儲層滲透性的直接因素。本文采用理論分析、室內實驗測試與數值模擬等多學科理論與方法，對煤儲層中多尺度裂隙參數進行了精細定量表征，系統研究了煤儲層中宏觀裂隙、微米級裂隙和納米級裂隙結構演化特征及其主控因素，探討了煤儲層多尺度裂隙結構對煤儲層滲透性的控制機理。
煤儲層多尺度裂隙特征及其對滲透性的控制 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 煤中裂隙研究的意義 1
1.2 煤中裂隙研究現狀 2
1.3 煤儲層滲透性研究現狀 6
1.4 本書的研究內容 9
參考文獻 10
第2章 煤儲層多尺度裂隙特征 16
2.1 煤中裂隙的研究思路 16
2.1.1 煤中裂隙的識別 16
2.1.2 煤中裂隙的表征參數 17
2.1.3 煤中裂隙的研究方法及其適用范圍 22
2.2 宏觀裂隙發育特征 25
2.2.1 分析測試方法 25
2.2.2 宏觀裂隙發育特征及其影響因素 25
2.3 微米尺度裂隙發育特征 33
2.3.1 體視顯微鏡下的微米尺度裂隙特征 34
2.3.2 偏光顯微鏡下的微米尺度裂隙特征 46
2.3.3 微米CT掃描下的微米尺度裂隙特征 50
2.4 納米尺度裂隙特征 73
2.4.1 納米CT掃描原理 74
2.4.2 納米尺度裂隙實驗方法及步驟 74
2.4.3 納米尺度裂隙發育特征 78
參考文獻 92
第3章 煤儲層滲透率各向異性特征及其主控因素 101
3.1 煤儲層滲透率理論計算 101
3.2 立方體煤樣不同方向滲透率變化特征及其主控因素 103
3.2.1 實驗方法與步驟 103
3.2.2 結果與討論 105
3.2.3 裂隙各向異性對煤儲層滲透率的控制作用 117
3.3 柱狀樣品不同方向滲透率變化特征及其主控因素 122
3.3.1 實驗方法和步驟 122
3.3.2 儲層滲透性評價參數 123
3.3.3 結果與討論 124
3.3.4 微裂隙對煤儲層滲透率的控制機理 136
參考文獻 140
第4章 三維微裂隙網絡結構的滲流模擬 144
4.1 *大連通域提取 144
4.2 Avizo中單相水流滲流模擬 144
4.2.1 不可壓縮斯托克斯方程 145
4.2.2 絕對滲透率求解 145
4.2.3 參數設置 146
4.2.4 模擬結果與討論 147
4.3 Comsol中單相水流滲流模擬 148
4.3.1 Avizo與Comsol數據交互 148
4.3.2 入口與出口選取 149
4.3.3 模擬方程與參數設置 150
4.3.4 壓力場分布特征 151
4.3.5 速度場分布特征 153
4.4 甲烷氣體滲流模擬 158
4.4.1 數值模擬條件 158
4.4.2 壓力場分布特征 159
4.4.3 速度場分布特征 162
參考文獻 167
第5章 裂隙和滲透率的縱波速度響應特征 168
5.1 樣品制備與實驗 168
5.1.1 樣品制備 168
5.1.2 樣品的縱波速度測定 168
5.2 縱波速度與裂隙面密度的關系 171
5.3 縱波速度與滲透率的關系 172
參考文獻 174
前言
第1章 緒論 1
1.1 煤中裂隙研究的意義 1
1.2 煤中裂隙研究現狀 2
1.3 煤儲層滲透性研究現狀 6
1.4 本書的研究內容 9
參考文獻 10
第2章 煤儲層多尺度裂隙特征 16
2.1 煤中裂隙的研究思路 16
2.1.1 煤中裂隙的識別 16
2.1.2 煤中裂隙的表征參數 17
2.1.3 煤中裂隙的研究方法及其適用范圍 22
2.2 宏觀裂隙發育特征 25
2.2.1 分析測試方法 25
2.2.2 宏觀裂隙發育特征及其影響因素 25
2.3 微米尺度裂隙發育特征 33
2.3.1 體視顯微鏡下的微米尺度裂隙特征 34
2.3.2 偏光顯微鏡下的微米尺度裂隙特征 46
2.3.3 微米CT掃描下的微米尺度裂隙特征 50
2.4 納米尺度裂隙特征 73
2.4.1 納米CT掃描原理 74
2.4.2 納米尺度裂隙實驗方法及步驟 74
2.4.3 納米尺度裂隙發育特征 78
參考文獻 92
第3章 煤儲層滲透率各向異性特征及其主控因素 101
3.1 煤儲層滲透率理論計算 101
3.2 立方體煤樣不同方向滲透率變化特征及其主控因素 103
3.2.1 實驗方法與步驟 103
3.2.2 結果與討論 105
3.2.3 裂隙各向異性對煤儲層滲透率的控制作用 117
3.3 柱狀樣品不同方向滲透率變化特征及其主控因素 122
3.3.1 實驗方法和步驟 122
3.3.2 儲層滲透性評價參數 123
3.3.3 結果與討論 124
3.3.4 微裂隙對煤儲層滲透率的控制機理 136
參考文獻 140
第4章 三維微裂隙網絡結構的滲流模擬 144
4.1 *大連通域提取 144
4.2 Avizo中單相水流滲流模擬 144
4.2.1 不可壓縮斯托克斯方程 145
4.2.2 絕對滲透率求解 145
4.2.3 參數設置 146
4.2.4 模擬結果與討論 147
4.3 Comsol中單相水流滲流模擬 148
4.3.1 Avizo與Comsol數據交互 148
4.3.2 入口與出口選取 149
4.3.3 模擬方程與參數設置 150
4.3.4 壓力場分布特征 151
4.3.5 速度場分布特征 153
4.4 甲烷氣體滲流模擬 158
4.4.1 數值模擬條件 158
4.4.2 壓力場分布特征 159
4.4.3 速度場分布特征 162
參考文獻 167
第5章 裂隙和滲透率的縱波速度響應特征 168
5.1 樣品制備與實驗 168
5.1.1 樣品制備 168
5.1.2 樣品的縱波速度測定 168
5.2 縱波速度與裂隙面密度的關系 171
5.3 縱波速度與滲透率的關系 172
參考文獻 174
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煤儲層多尺度裂隙特征及其對滲透性的控制 節選
第1章 緒論 1.1 煤中裂隙研究的意義 20世紀80年代，美國成功地實現了煤層氣的地面開發，自此，煤層氣成為世界能源發展中一個非常重要的領域(方愛民等，2003)。煤層氣的開發可以產生諸多效益。首先，我國煤層氣儲量豐富，根據自然資源部發布數據顯示，截至2019年底，全國煤層氣累計探明地質儲量為7.54561×1011m3(趙路正等，2020)，煤層氣開發前景巨大，對煤層氣進行有效開發可以較好地解決我國“少氣”的問題，具有顯著的經濟效益。其次，我國高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占礦井總量的46%，在煤炭開采過程中，瓦斯災害十分嚴重，儼然成為煤礦安全生產的“**殺手”(孟召平和劉世民，2018)，因此采用多種手段和方法對煤層氣(礦井瓦斯)進行抽采可保障煤礦安全生產。此外，煤層甲烷的排放會造成的極為嚴重的環境問題(方愛民等，2003)，這與我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標相悖(趙路正等，2020)。因此開展煤層氣(礦井瓦斯)的勘探開發并加以有效利用對加強我國的國民經濟建設、保障煤礦安全生產和保護生態環境具有極為重要的意義。 煤層氣開發主要是采用一些技術手段和方法使煤層中主要以吸附態存在的甲烷氣體經過解吸、擴散、滲流，*終運移至煤層氣井筒并抽采至地面的過程。煤中裂隙作為煤層氣的主要滲流通道，其發育特征(裂隙的密度、方向、連通性及礦物充填等)直接影響煤儲層的滲透性和煤礦瓦斯的抽采效果，對煤層氣開發中的井距和井向布置也起到決定性作用(Durucan and Edwards，1986；王生維等，2004；Paul and Chatterjee，2011)。此外，裂隙的廣泛發育極大地降低了煤柱的抗壓強度，造成煤柱支護能力顯著降低(Ting，1977)。因此，煤中裂隙發育特征研究對指導煤層氣勘探開發和煤礦安全生產意義重大(Gamson et al.，1993)。然而，我國煤炭資源地質條件復雜、煤層氣開發地質理論與技術研究相對薄弱，對于煤中裂隙發育特征及其影響因素的認識仍然較為欠缺，難以有效指導煤層氣井布置和增透措施的實施，造成地面煤層氣井產量低、不穩定，連續多年實際煤層氣產量與規劃目標存在較大差距(郭威和潘繼平，2019)。因此針對不同煤層氣開發區塊煤儲層裂隙發育特征進行研究，對進一步優化煤層氣井布置方案、優化煤儲層增透技術，進而合理高效地開發煤層氣具有重要的理論和實際意義。 1.2 煤中裂隙研究現狀 煤是由植物遺體在地質埋藏過程中經過復雜的生物化學作用和物理化學作用而形成的一種非均質性強的有機巖石，這種非均質性不僅表現為各種形態和大小孔隙的發育，還表現為各種尺度裂隙的普遍發育。煤層中廣泛分布裂隙，這些裂隙對煤層的穩定性、可采性和流體的滲流起著重要作用(Laubach et al.，1998)。 在煤炭資源開發的早期，露天礦的開發對技術要求較低，煤中裂隙對煤炭開發的影響可以忽略，因此煤中裂隙的研究未得到人們的關注。隨著煤礦井下開采的逐步進行，出于井巷工程設計和施工的需要(Esterhuizen，1995；Molinda and Mark，1996)，人們開始了對煤中裂隙的研究工作，但也由于涉及面較窄，有關煤中裂隙的研究進展十分緩慢(蘇現波等，2002)。隨著更深、更復雜地質條件下煤炭開發的進行，煤與瓦斯突出、礦井突水等問題日漸突出，作為流體運移通道的裂隙不可避免地引起了人們的極大關注，有關裂隙的研究也逐漸增加，并涉及煤巖裂隙對地下煤礦的設計和安全的影響(Hanes and Shepherd，1981)、煤中裂隙和煤與瓦斯突出的關系(黃德生，1982；周世寧，1990)、裂隙與礦井突水及地下水富集的關系(李寶林等，1981)等方面。20世紀60年代，蘇聯學者Ammosov和Eremin(1963)所著的《煤中裂隙》出版，標志著對煤中裂隙的研究在方法和理論上開始達到了相對成熟的階段。而后，煤中瓦斯(煤層氣)作為一種礦產資源被人們廣泛關注，煤層氣開發技術的進一步發展促使煤中裂隙的研究發生了質的飛躍(王生維等，1995)，自此涌現出大量關于煤中裂隙的研究成果(蘇現波等，2002)，煤中裂隙的成因和發育特征的研究也日漸增多。 在裂隙研究之初，人們往往忽略了關于煤中裂隙特征和成因的研究，而更多地關注裂隙對煤礦開發所造成的影響(Laubach et al.，1998)，隨著研究的進行，裂隙成因的研究對判別煤巖形成環境、還原區域構造歷史(陳建國，1976)、進行煤儲層可采性評價(王生維等，1996)等的重要意義被逐漸發現，此后，關于裂隙成因的相關研究逐漸成為裂隙研究的重點之一。受研究目的、研究方法和研究區域等因素的限制，人們對裂隙成因的認識存在較大差異，并形成了各種學說。通常情況下，可將煤中裂隙的成因概括為凝膠化物質收縮說(Gresley，1892；Steeg，1942；Ting，1977；Spearsa and Caswell，1986；Daniels and Edwards，1990；Levine，1996；張勝利和李寶芳，1996；Harpalani and Chen，1997；Laubach et al.，1998；Su et al.，2001；畢建軍等，2001；張慧等，2002；鐘玲文，2004；Dawson and Esterle，2010；Kumar et al.，2011)、流體壓力說(Secor，1965；Segall，1984；王生維等，1996；張勝利和李寶芳，1996；Pollard and Aydin，1998；Laubach et al.，1998；畢建軍等，2001；Su et al.，2001；鐘玲文，2004；Dawson and Esterle，2010)和有效地應力說(Steeg，1942；Price，1959；Ting，1977；Spearsa and Caswell，1986；Daniels and Altaner，1990；王生維等，1996；張勝利和李寶芳，1996；Laubach et al.，1998；Pollard and Aydin，1998；Su et al.，2001；畢建軍等，2001；張慧等，2002；鐘玲文，2004；Rippon et al.，2006；Dawson and Esterle，2010；Kumar et al.，2011；Paul and Chatterjee，2011)三種。結合上述假說，可以認為煤中裂隙的形成是內驅力和外應力共同作用的結果。內驅力為裂隙的形成提供了內在動力，從根本上為裂隙的產生提供了可能。以煤基質為受力研究對象，煤中裂隙的內驅力包括兩種：①煤化作用過程中受溫度、壓力的影響，煤體內部結構產生一系列物理化學變化，基質脫水、脫揮發分，從而導致體積均勻收縮而產生的內張力；②煤中原有流體和煤化過程中產生但并未逸出的流體在煤體中不斷集聚，并受溫度、地應力作用的影響而產生的局部流體高壓。外應力作為裂隙(尤其是外生裂隙)發育特征的主要影響因素，與各裂隙參數和裂隙類型有著密切關聯。形成煤中裂隙的外應力包括煤層的原始地應力和構造應力。當作用于煤體上的原始地應力與構造應力之和大于煤體的強度時，外生裂隙產生。應力場的分布決定了裂隙的組合類型及裂隙走向。 基于不同的研究目的，對煤中裂隙進行適當劃分是十分必要的，有效的裂隙劃分方案對正確而全面地揭示煤巖裂隙發育特征具有重要意義。然而，目前對于煤儲層中的裂隙尚未形成統一的分類方案(表1-1)。一部分學者主要依據裂隙的成因和形態對裂隙進行定性劃分，其中以Dron(1925)為代表的學者用割理這一術語來描述煤中裂隙(Laubach et al.，1991，1998；Kulander and Dean，1993)，并將其劃分為面割理和端割理[圖1-1(a)]；之后，張勝利(1995)將煤中割理進一步劃分為巨割理、大割理、中割理、小割理、微割理等。Laubach等(1991)將煤中裂隙劃分為一級裂隙、二級裂隙、三級裂隙等[圖1-1(b)]；李小彥(1998)將煤中裂隙劃分為主裂隙和次裂隙。多位學者(楊起和韓德馨，1979；霍永忠和張愛云，1998；張慧等，2002)將按照裂隙的成因將煤中裂隙分為內生裂隙和外生裂隙兩大類，在此基礎上，蘇現波等(2002)按形態進一步將煤中裂隙細分為7組17型(網狀、孤立狀、疊加型、羽狀、樹枝狀、鋸齒狀、疊瓦狀、階梯狀、X型、橋構造、辮狀裂隙、褶劈理、流劈理等)。 在對煤中裂隙的定量分類方面，不同學者的分類方法也不同。通常情況下可將煤中裂隙分為宏觀裂隙和微觀裂隙。其中宏觀裂隙可用肉眼或放大鏡進行觀測，微觀裂隙需要在光學顯微鏡下進行觀測。此外，根據裂隙寬度大小，Zhang Y H等(2016)認為，煤中的裂隙可以分為微裂隙(寬度≤20μm)和大裂隙(寬度＞20μm)兩類。微裂隙這一術語，*早由Simmons和Richter(1976)提出，他們將其定義為出現在巖石中的具有一個或者兩個尺度明顯小于第三個尺度并且寬長比小于0.01的張開裂隙；Shepherd等(1981)將微裂隙定義為寬度小于1μm的裂隙；Gamson等(1993)認為，煤中的微裂隙是指在手標本中不可見的，且寬度為微米級的，并與煤中割理不同的一類裂隙；Li等(2015)提出，宏觀裂隙是那些用肉眼可以看見的裂隙，而把那些需要借助顯微鏡才能觀測到的裂隙稱為微裂隙。在此基礎上，Vandersteen等(2003)將煤中的微裂隙進一步劃分為小微裂隙(寬度≤0.15mm)和大微裂隙(寬度＞0.15mm)。然而，Chen等(2015)認為，上述分類方法仍然不夠具體，因此，他們根據微裂隙的長度、寬度和連通性情況將煤中的微裂隙分為四種類型：A型(寬度≥5μm，長度＞10mm)、B型(寬度≥5μm，1mm＜長度≤10mm)、C型(寬度＜5μm，300μm＜長度≤1mm)和D型(寬度＜5μm，長度≤300μm)。 圖1-1 煤中裂隙的形態示意圖(據Laubach et al.，1991) 次生裂隙 煤中裂隙的研究方法經歷了一個從宏觀到微觀、從定性分析到定量評價的過程。大體而言，煤中裂隙的研究方法包括直接觀察法(肉眼直接觀測、體視顯微鏡觀測、偏光顯微鏡觀測、掃描電子顯微鏡觀測等)(Karacan and Okandan，2000；張素新和肖紅艷，2000；姚艷斌等，2006)、X射線CT掃描技術(Karacan and Okandan，2000；白斌等，2013；Shi et al.，2018)和聲波測試方法(Boadu，1997；Giovanni and Lara，2006；Yoshitaka et al.，2011)等。其中直接觀察法主要用于觀測煤樣表面的裂隙，即裂隙的平面形態，不能實現對裂隙的立體形態和空間分布特征的觀測(Liu et al.，2011)。X射線CT掃描技術被證明是無損全面地了解裂隙空間分布特征的有效手段之一(Yao et al.，2009；Bera et al.，2011；Ramandi et al.，2016；Shi et al.，2018)，但是受限于實驗選用的樣品較小，僅能實現微米和納米級別裂隙的觀測工作。波速測試技術作為一種無損分析方法，近年來已經廣泛應用于地質工程研究(Nelson，2000；Ghorbani et al.，2009；Kassab and Weller，2011；Cardarelli et al.，2014)。研究表明，當縱波傳播方向平行于裂隙的延伸方向時，裂隙對波速產生的影響極小，而當縱波垂直于裂隙延伸方向傳播時，裂隙對波速產生的影響極大(Holt，1997)；且縱波速度與裂隙的密度有線性或非線性負相關關系，另外，隨著孔隙度的增大，縱波速度具有冪函數關系減小的趨勢。顯然，縱波速度與煤中裂隙延伸方向(Zhang et al.，2009)、密度和孔隙度等具有較
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