深部煤层(岩)气渗吸置换开发机理及其实践意义
周立宏1
闫霞1
刘洪涛1
熊先钺1
王峰1
李曙光1
张纪远2
刘川庆1
胡雄1
袁朴1
马千理2
朱学光1
1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司,北京 100095;中石油煤层气有限责任公司,北京 1000282.深层油气全国重点实验室,山东 青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东 青岛 266580
摘要：鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气(又称煤岩气)先导试验水平井吉深 6-7平 01井首试大规模水力压裂,实现了重大突破,带动了全国深部煤层气勘探开发,已成为非常规天然气增储上产重要领域,但水力压裂除增强渗流能力外,其对甲烷产出作用机理尚未理清,现场试验代价高且存在一定盲目性,制约了深部煤层气技术攻关方向和高效开发.通过物理试验与理论模拟相结合方法,开展了深部煤润湿性特征与界面分子作用机制分析,采用在线核磁共振扫描、真实深煤大分子建模、水相侵入驱替分子动力学模拟、不同含水条件煤岩等温吸附、不同矿化度条件渗吸试验、扫描电镜等手段,揭示了深部煤层气压裂改造背后的"压驱-渗吸-置换"作用机理,证实在大规模水力压裂过程中已发生气水渗吸置换、吸附态甲烷转为新的游离气产出的客观事实,促成了深部煤层气井初期"游离气为主"高产现象.即大规模压裂除了煤层增渗作用之外,更重要的是相当一部分吸附气通过气水"渗吸-置换"转为"新的游离气",与原始游离气一起,共同被驱替出来.研究结果表明:基于矿物分析、高温高压润湿性试验及深煤真实大分子建模测试,深部煤岩因亲水性黏土矿物充填及含氧官能团的存在,呈现宏观整体亲水、微观局部强亲水特性;基于等温吸附试验与高温高压在线核磁共振扫描试验,压裂液能够显著削弱甲烷与煤分子间作用力,含水率每增加 1%,最大吸附量平均降低 1.82 m3/t;在液气压差为 5 MPa的条件下,压裂液即可侵入岩心驱替出 70.84%的游离气,并通过竞争吸附置换出 10.42%的吸附气,推测高压差条件下置换和驱替率将更高;基于分子动力学模拟,在高压差驱动下,压裂液侵入纳米孔隙产生活塞式驱替效应,促使吸附态甲烷转化为游离态,能够将 97.8%的甲烷驱替出纳米孔隙;基于不同尺寸毛管力试验分析发现,当煤基质孔径小于 5nm后,气液毛管力呈现陡增趋势,在原位和压后增压条件下,2nm的强亲水(润湿角 30°)和弱亲水(润湿角 70°)孔隙中的毛管力可分别超过 40.1和 15.8 MPa,形成强烈的渗吸驱动力;基于矿化度分析与渗吸试验,因压裂液和地层水间的高矿化度差异,形成化学势梯度导致的渗透压作用可进一步强化渗吸作用,渗吸量提升 46.4%以上;基于不同尺寸煤岩解吸试验,煤岩越碎,越容易解吸,煤岩尺寸由 1.3 cm增加到 5.0 cm时,解吸到达平衡时间延长 14倍以上,吨煤累产气量下降了 15.6%;基于试验和模拟结果,揭示了深部煤层气大规模压裂过程中压驱-渗吸-置换机理,耦合了"造(延伸)缝-增渗、增大接触面积、连通微孔、自发渗吸+置换、加压渗吸+置换、高压驱替"等多种促产出作用,明确了深部煤层气井产气贡献 4个来源及阶段主力贡献,并依此提出了构建"密织缝网+增强连通性"压裂工艺、差异化焖井以强化渗吸置换作用效能、适时注润湿反转剂以调控减缓水锁效应、控压延长高压排采期等 4项生产策略,同时明确了下一步 3大攻关方向.研究成果可为深部煤层气井压裂改造技术攻关、排采制度优化和提高单井产量提供重要科学理论依据.
关键词：深部煤层气煤岩气压驱渗吸置换水力压裂开发机理
分类号：TE37(油气田开发与开采)
资助基金：中国石油天然气股份有限公司攻关性应用性科技资助项目(2023ZZ18)中国石油天然气股份有限公司攻关性应用性科技资助项目(2023ZZ18YJ04)国家自然科学基金(52474068)国家自然科学基金(42272195)
论文发表日期：2025-07-31
在线出版日期：2025-08-22（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：18( 3534-3551 )
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