临兴深部煤储层孔渗成因演化机制及压裂可改造性研究

论文摘要

我国深部煤层气资源丰富,局部勘探开发的突破昭示了其开发潜力巨大,但是目前整体的开发形势不容乐观。低孔、低渗的储层特征是制约深部煤层气高产的重要因素,这也决定了深部煤储层的压裂改造势在必行。目前,关于深部煤储层的孔渗成因演化机制及“三高”（即高温、高压、高地应力）环境下的压裂可改造性尚未明确。针对上述问题,论文以“煤级约束为基础、构造改造定差异、温压控制为关键”的研究思路,揭示了深部煤储层孔渗成因演化机制,以煤储层渗透率、煤岩力学性质和地应力空间展布为主导,从地质角度探讨了深部煤储层的压裂可改造性。阐明了煤级制约下的深部煤储层孔隙结构发育基础。基于煤镜质体反射率、砂岩流体包裹体测试,结合埋藏史模拟,查明了临兴地区煤变质演化过程,指出对于紫金山隆起区以外的区域,岩浆作用只是加快了侵入时期的煤变质进程,而历史最大埋深控制了现今煤变质程度。通过对不同变质程度样品的煤岩煤质和孔隙结构测试,分析了变质程度对煤的物质组成及孔隙结构的控制特征,揭示出随着煤变质程度的增加（Ro介于0.75～1.35%）,微孔比例增大,小孔比例先减小后增大,大、中孔比例减小;孔容和比表面积先快速减小后缓慢减小,最后出现增大的趋势。孔隙的分形维数以10nm为界分为两段,每一段对变质程度的响应特征不同。随着煤变质程度的增加,孔隙连通性变差,渗流能力降低。查明了多期构造作用下的煤储层物性差异演化机制。通过野外地质调查和成像测井解释,结合构造曲率计算,恢复了关键时期的古构造应力场和古构造形迹,厘定了关键时期的煤储层变形程度,揭示出燕山期最大主应力方向为NW向（134°-314°）,喜山期最大主应力方向为NEE向（53°-233°）;两期构造运动存在六种叠加方式,叠加方式不同,煤储层变形程度不同,喜山期煤储层变形程度整体大于燕山期。基于GSI和测井曲线,建立了煤体结构测井量化表征模型,查明研究区主要发育原生-碎裂结构煤,碎裂结构煤次之;综合分析煤储层历史最大变形程度与煤储层物性参数关系,确定了煤体结构发育与煤储层历史最大变形程度的对应关系,揭示出随着历史最大变形程度的增加,煤储层渗流能力增强。揭示了温度和应力耦合作用下的煤储层孔渗特征。通过高温高压核磁共振和高温覆压渗透率测试,揭示了温度和应力对煤储层微观孔裂隙结构的控制机理,阐明了不同孔径的孔裂隙对温度和应力的响应特征,揭示了温度-应力耦合作用下的煤储层渗透率变化规律,构建了考虑变孔隙压缩系数和温变系数的深部煤储层的渗透率预测模型。研究表明:温度和应力对煤储层孔渗起负效应,其中应力是关键控制因素。孔渗随应力的变化具有明显的阶段性,以5MPa和1OMPa为界,分为应力敏感阶段、应力较敏感阶段和应力不敏感阶段。温度对煤储层孔渗的负效应较小,且与应力有关,应力较小时,温度的负效应相对明显,应力较大时,温度的负效应不明显。显微裂隙和大、中孔隙对温度和应力的敏感性较强。构建的渗透率模型对实验数据拟合较好,模型表明煤储层渗透率在温度和应力的耦合作用下呈指数形式减小。探讨了研究区深部煤储层的压裂可改造性。通过高温、高应力条件下煤的全应力-应变实验,揭示出应力对煤储层力学性能起正效应且影响显著,温度对煤储层力学性能起负效应,但影响较小。通过分析研究区煤岩组合特征和力学参数,明确煤岩力学性质差异。基于水力压裂实测资料和成像测井解释成果,查明了研究区煤储层地应力空间展布特征,指出研究区最大水平主应力方向为近EW向;研究区地应力的垂向分布存在两个临界转换深度,深部煤储层（1500～2000m）地应力组合以σhmax>σv>σhmin为特征,当埋深超过2000m以后,地应力逐渐以垂直主应力为主;地应力的平面分布受埋深和局部构造共同控制。通过数值模拟,研究了煤储层渗透率、煤岩力学性质和地应力对煤储层压裂改造的影响特征,探讨了深部煤储层的压裂可改造性。研究认为,煤储层渗透率越小,越有利于压裂造缝;煤的弹性模量越大,容易形成高、窄、短缝;煤岩弹性模量差越大,容易形成矮、长、宽缝;水平主应力差小于3MPa时,压裂裂缝沿天然裂隙扩展,当水平主应力差超过6MPa时,压裂裂缝沿最大水平主应力方向扩展;当水平主应力差超过10MPa时,压裂裂缝基本为沿最大主应力方向延伸的单缝;煤岩最小水平主应力差越大,容易形成矮、长、宽缝。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 选题依据与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 深部煤层气的界定
•     1.2.2 深部煤层气勘探开发现状
•     1.2.3 深部煤储层孔渗特征
•     1.2.4 深部煤储层压裂可改造性
•   1.3 存在的问题
•   1.4 研究内容与技术路线
•     1.4.1 主要研究内容
•     1.4.2 研究技术路线
•   1.5 完成的主要工作量
•   1.6 取得的主要成果及创新点
•     1.6.1 主要成果
•     1.6.2 创新点
•   1.7 本章小结
• 2 区域地质概况及煤层特征
•   2.1 区域地质概况
•     2.1.1 自然地理概况
•     2.1.2 构造特征
•     2.1.3 地层特征
•     2.1.4 含煤岩系沉积特征
•     2.1.5 水文地质特征
•     2.1.6 岩浆活动
•   2.2 主力煤层地质特征
•     2.2.1 厚度
•     2.2.2 埋深
•     2.2.3 储层温度
•     2.2.4 储层压力
•     2.2.5 含气量
•   2.3 本章小结
• 3 煤级制约下的深部煤储层孔隙结构特征
•   3.1 煤变质程度特征
•     3.1.1 空间展布特征
•     3.1.2 煤变质过程推演
•   3.2 不同变质程度煤的物质组成特征
•     3.2.1 煤岩特征
•     3.2.2 煤质特征
•   3.3 不同变质程度煤的孔隙结构特征
•     3.3.1 基于氮气吸附的孔隙结构特征
•     3.3.2 基于高压压汞的孔渗特征
•   3.4 本章小结
• 4 多期构造叠加作用下的煤储层物性差异演化
•   4.1 关键时期古构造应力场及形迹恢复
•     4.1.1 节理（构造裂隙）发育特征
•     4.1.2 古构造应力场恢复
•     4.1.3 古构造形迹反演
•     4.1.4 煤储层历史最大变形程度的定量表征
•   4.2 多期构造作用下的煤体结构特征
•     4.2.1 基于GSI的煤体结构测井量化表征
•     4.2.2 煤体结构的空间展布特征
•   4.3 多期构造作用下的煤储层物性差异演化
•     4.3.1 煤体结构特征
•     4.3.2 裂隙发育特征
•     4.3.3 渗流特征
•   4.4 本章小结
• 5 温度和应力耦合作用下的深部煤储层孔渗特征
•   5.1 温度和应力耦合作用下的煤储层微观孔裂隙结构特征
•     5.1.1 实验设计及仪器
•     5.1.2 实验结果及分析
•   5.2 温度和应力耦合作用下的煤储层渗透率特征
•     5.2.1 实验设计及仪器
•     5.2.2 实验结果及分析
•   5.3 煤储层渗透率预测模型
•     5.3.1 模型推导
•     5.3.2 模型验证及应用
•   5.4 本章小结
• 6 临兴地区深部煤储层压裂可改造性分析
•   6.1 煤岩力学性质
•     6.1.1 温度-应力对煤力学性质的影响
•     6.1.2 煤体结构对煤力学性质的影响
•     6.1.3 煤岩力学性质差异
•   6.2 地应力特征
•     6.2.1 地应力方向
•     6.2.2 地应力大小
•   6.3 压裂可造性分析
•     6.3.1 压裂模拟软件简介
•     6.3.2 煤储层渗透率对压裂效果的影响
•     6.3.3 煤岩弹性模量对压裂效果的影响
•     6.3.4 地应力对压裂的影响
•   6.4 实例分析
•     6.4.1 井位概况
•     6.4.2 煤储层特征
•     6.4.3 压裂施工概况
•     6.4.4 压裂效果分析
•   6.5 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高向东

导师: 王延斌

关键词: 临兴地区,深部煤储层,孔渗特征,成因演化,压裂可改造性

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业,石油天然气工业

单位: 中国矿业大学(北京)

基金: “十三五”国家重大科技专项“临兴-神府地区煤系地层煤层气,致密气,页岩气合采示范工程”中的“深部煤层气储层精细描述及甜点区预测”专题(项目编号:2016ZX05066001-002)

分类号: P618.13;TE37

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000121

总页数: 144

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