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本文运用煤田地质学、煤层气地质学、岩石力学和渗流力学的理论和方法,在 X射线衍射、扫描电镜、速敏、三轴应力渗透率等实验的基础上,分析了煤层气井产气特征和在排采过程中的伤害机理;建立了排采过程中渗透率变化的动态数学模型,研究了煤层气井控压排采的机理及方案;提出了多煤层分层控压合层排采的思路和方法;形成了一套多煤层煤层气井排采装置,并通过现场试验验证了该装置的可行性。主要的研究成果如下: (1)研究了不同煤体结构煤层气井的产气规律,发现了碎软低渗煤层煤层气井产气量随液面下降的异常变化特征。碎软低渗煤层在煤层气井排水产气过程中,当液面下降到距煤层一定距离时,气产量不再随着液面下降继续增高,反而呈现持续降低直至日产几十立方米的异常现象。 (2)建立了排采过程中煤储层渗透率变化的数学模型,表征了渗透率随孔隙压力变化的规律,揭示了碎软低渗煤层的煤层气井气产量持续异常降低的控制机理。结果表明,在排采初期,孔隙压力对裂隙与孔隙的张开度的作用较大,但有效应力作用对渗透率起主导作用,随着孔隙压力的降低,渗透率降低;当孔隙压力降低到某一临界点,基质收缩开始处于主导地位,渗透率升高。碎软低渗煤层由于机械力学强度小,前期伴随着液面下降,破碎煤粒之间的粒间孔隙急剧闭合,造成煤层渗透率大幅度减小,后期煤体收缩效应改善渗透率作用缓慢。 (3)提出了煤层气井控压排采方法,推导出了碎软低渗煤层控制合理液面高度的数学表达式。研究认为煤层气井应采用分层或分段控压、稳步降压的排采方法,增大供气面积,保证煤层气充分解吸,提高产气量;碎软低渗煤层排采时应将孔隙压力控制在临界孔隙压力之上,使裂隙与孔隙保持一定的张开度,抵抗煤基质变形,以减小有效应力对渗透率的伤害,推导出合理的液面高度数学表达式为:此处公式省略... (4)提出了多煤层分层控压合层排采的两种模式,形成了相关成套设备,进行了现场工程试验,取得了良好效果。多煤层煤层气井排采应根据煤储层特征的差异,将各产层封隔成各自独立的压力系统,用不同的动液面对各目标煤层进行分层控压管理。两种排采模式包括双泵三通道分层控压排采和双套管分层控压排采,分别适用于双煤层和多煤层。研制的排采装置包括合层抽采泵、封隔器、电子压力计、井下电视和井口回流装置、三通道油管扶正器、辅助连通管等。焦坪矿区现场的工程试验表明,该装置能够达到多煤层分层控压合层排采的效果。 我国东北、华北、西南地区的中生代和古生代煤系中煤层气分布广、层间距大,尤其是碎软低渗煤层群发育,该论文研究成果具有良好的应用前景。