劉永茜,張 浪,李浩蕩,鄧志剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013;3.神華集團有限責(zé)任公司煤炭生產(chǎn)部,北京 100011)

含水率對煤層氣滲流的影響

劉永茜1,2,張 浪1,2,李浩蕩3,鄧志剛1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013;3.神華集團有限責(zé)任公司煤炭生產(chǎn)部,北京 100011)

煤的含水率影響煤層氣的賦存狀態(tài)和運移能力。結(jié)合基質(zhì)吸附變形理論,分析了煤層中水分存在對基質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,探討了含水率對煤層裂隙變形及煤層氣運移的控制作用;采用含水率分別為0.112%,0.498%和0.785%的原煤進(jìn)行煤層氣滲流實驗,研究發(fā)現(xiàn),增壓過程中隨有效應(yīng)力增加煤層氣滲流速度呈非線性遞減,二者滿足二次函數(shù)關(guān)系;煤層含水率大小決定該函數(shù)的應(yīng)力敏感區(qū)位置和最小滲流速度;隨著煤的含水率增加,煤層氣滲流速度變化的應(yīng)力敏感點逐步降低(分別為5.48,5.17和4.78 MPa)。

含水率;滲流速度;有效應(yīng)力;煤層氣

早在20世紀(jì)20年代,前蘇聯(lián)學(xué)者卡佳霍夫已經(jīng)開始關(guān)注含水率差異對巖石滲透率影響[1],而煤層滲透率與含水率關(guān)系的實驗研究起步較晚,且大多基于常規(guī)油氣滲流實驗研究。油氣工程開發(fā)過程中,學(xué)者們關(guān)于流體滲流能力的研究大都基于壓力梯度假設(shè)[2],分析特定儲層壓力和滲透率條件下流體的滲流規(guī)律,而含水煤體的氣體滲流研究涉及到更復(fù)雜的耦合作用。Shi等[3]通過大量實驗,發(fā)現(xiàn)在一定的含水率范圍內(nèi),隨含水率的升高煤體滲透率也呈線性變化,當(dāng)煤樣含水率超過某個臨界值時,含水率對氣體吸附的影響變?yōu)?,而煤體滲透能力加速衰減;Louis研究發(fā)現(xiàn)[4],多孔介質(zhì)的孔隙特征尺度決定其束縛水分子的能力,并決定氣體運移通道的“有效半徑”,結(jié)合孔隙率與滲透率的關(guān)系,給出二者關(guān)系模型,并通過實驗得到驗證;A.G.Kin建立了包含水分、灰分以及壓力等多因素的吸附關(guān)聯(lián)模型[5],同時指出,水分含量大小決定了定壓儲層的最大滲流速度,也在一定程度上驗證了Jouber的理論。

張新民[6]、蘇現(xiàn)波[7]等嘗試研究含水煤巖的吸附和滲流實驗,指出含水率差異在不同煤階中的影響不同;張先敏[8]強調(diào)含水煤樣氣體滲流速度受到有效應(yīng)力和氣體壓力梯度指標(biāo)影響;尹光志等[9]認(rèn)為一定條件下煤體含水率與有效滲透率關(guān)系可用線性函數(shù)表述;Frank van Bergen等[10]指出不同成熟度的煤質(zhì)存在含水率敏感區(qū)域,尤其在低含水率區(qū)(4.0%以下)影響顯著[8]。Mckee C.R.等[11]和Enever等[12]通過實驗得到了煤體有效應(yīng)力對滲透率的影響規(guī)律,然而都是在干燥條件下進(jìn)行的,并且通常采用型煤煤樣進(jìn)行滲流實驗。穩(wěn)定含水率的滲流實驗缺乏可比性,型煤煤樣的實驗并不能客觀描述地下煤層真實孔隙(裂隙)系統(tǒng)中煤層氣的運移情況。為此,本實驗結(jié)合基質(zhì)吸附變形理論,采用不同含水率的原煤煤樣進(jìn)行應(yīng)力條件下的滲流實驗比較,探討有效應(yīng)力與滲流速度(滲透率)、含水率與應(yīng)力敏感性之間的關(guān)系,更具有科學(xué)和工程意義。

1 基質(zhì)滲透率與煤含水率的關(guān)系

1.1 煤的孔隙特征與含水能力

煤中水的存在形態(tài)可以分為游離水和化合水。游離水是煤內(nèi)部裂隙和孔隙毛細(xì)管吸附或表面附著的水,化合水是煤基質(zhì)中與有機官能團化合作用存在的結(jié)合水[13]。通常將煤的含水率與含水飽和度關(guān)聯(lián)分析,考慮基質(zhì)的雙重滲流特性,確定煤中氣體滲流變化關(guān)鍵取決于裂隙的開閉程度。

實驗室通過改變?nèi)萜髦械臏囟群蜐穸?調(diào)節(jié)煤樣含水率,也就是改變煤中游離水的濃度。煤的結(jié)構(gòu)鏈中不飽和官能團數(shù)量龐大,具備了束縛大量流體分子的條件,而水分子較甲烷分子有更高的極性條件[14],由此導(dǎo)致流體分子“競爭吸附”。多層水分子吸附形成附著水,弱化了煤的表面能,降低了煤體的可壓縮性,改變了其部分力學(xué)參數(shù)。比表面積越大,其壓縮變形影響越大。根據(jù)“競爭吸附”理論及相關(guān)的氣體吸附實驗[15-18],過高的含水率會導(dǎo)致氣體滲流的啟動壓力梯度現(xiàn)象發(fā)生,進(jìn)而改變其滲透特性,這已經(jīng)通過實驗方法得到驗證。儲層中的煤層氣滲流,需要考慮應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致煤體變形和含水率控制的滲透率變化影響。

1.2 含水率與啟動壓力梯度

Ali Sabir等[19]通過實驗發(fā)現(xiàn),含水煤樣與干燥煤樣存在顯著差異,水分子不僅影響了基質(zhì)的有效孔隙度,并導(dǎo)致煤的可壓縮性降低,彈性模量變化,進(jìn)而影響煤的滲透率。在此之前已有不少學(xué)者認(rèn)為,孔隙度的結(jié)構(gòu)差異是流體啟動壓力梯度變化的核心因素,儲層流體壓力梯度(λ)大于臨界值(λc)時,流速與流體壓力才滿足函數(shù)關(guān)系[2]。含水率的變化會改變λc的大小,因此含水率的大小會決定滲流速度的大小。然而,煤層滲流的氣動壓力梯度效應(yīng),在超低含水率(＜1.0%)煤層中影響并不明顯,只有在近飽和或超飽和含水煤層的氣體滲流過程中,壓力梯度效應(yīng)相對顯著。

1.3 含水煤體裂隙變形理論

與常規(guī)氣體吸附(解吸)引起煤體膨脹(收縮)不同,含水率變化體現(xiàn)的不僅是煤體基質(zhì)的變形作用,而更重要的是對煤體力學(xué)性質(zhì)的改變。大量實驗研究發(fā)現(xiàn)[20],煤巖黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率線性減小,且低含水率試樣殘余強度包線非線性最強,這肯定了含水率對煤體細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)的影響。為此,有學(xué)者[21]根據(jù)Mohr-Coulomb強度理論提出應(yīng)力條件下用含水率表示的煤巖強度公式,即

其中,τf為抗剪強度;w為含水率;A,B,C,D均為試驗參數(shù)。在彈性變形階段,相同圍壓條件下,含水率的改變決定了煤巖原生裂隙(孔隙)的變化,進(jìn)而根據(jù)孔隙度與滲透率的立方定律

其中,eh為流體滲流等效開度;e為裂隙間距。根據(jù)Barton關(guān)于應(yīng)變條件下開度計算的半經(jīng)驗公式[22],對于氣體可以描述為

其中,e0為裂隙的初始開度;un為裂隙的法向壓縮位移,以壓縮為正;C為裂隙的粗糙度;函數(shù)f(w)在圍壓穩(wěn)定條件下可以認(rèn)為定值α。在不同含水率條件下的滲透率關(guān)系可表示為極限殘余滲透率(K0)與變壓開度變化的函數(shù),即

2 應(yīng)力條件下煤層氣滲流實驗

2.1 含水煤樣的制備

實驗煤樣選取河南煤化工集團某礦二1煤層原生結(jié)構(gòu)煤,在實驗室進(jìn)行人工切割。利用拋光機進(jìn)行上、下端面拋光,加工成直徑?=50.0 mm、高度h= 100.0 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件。實驗采用的原煤樣含水率Mad=2.89%,孔隙度F=6.46%,彈性模量E= 3.1 GPa,泊松比υ=0.36。

首先確定實驗原煤煤樣初始含水率(煤的工業(yè)分析)。在確定初始含水率基礎(chǔ)上,通過加熱脫水的方法,逐步降低煤樣含水率,最終確定了除干燥樣外其他3組不同含水率的實驗煤樣,其含水率分別為0.112%,0.498%和0.785%。

2.2 實驗設(shè)備

本實驗采用的三軸滲透儀,主要包括數(shù)字控制系統(tǒng)(施加圍壓和軸壓)、甲烷氣瓶、三軸煤層氣滲透儀、數(shù)字化氣體流量計等,可以實驗?zāi)M不同應(yīng)力條件下原生結(jié)構(gòu)煤的滲流特性。圍壓由電動油泵加載,氣體壓力由高壓氣瓶提供,氣體流量由數(shù)字式電子氣體流量計采集,實驗室內(nèi)環(huán)境溫度為20℃。

2.3 實驗操作步驟

具體實驗操作步驟如下:

(1)固定試件。原煤試件安放在滲透實驗裝置上,用熱縮膠固定,再用吹風(fēng)機加熱軟化,使其緊貼壁面,充分接觸、密閉。

(2)氣密性檢查。施加小圍壓和軸壓,通入定量甲烷氣體,關(guān)閉閥門,觀察壓力計是否穩(wěn)定。如果壓力不穩(wěn)定,重新固定并密閉試件;保證密閉的前提下,試件在0.35 MPa的氣體壓力下等溫吸附不小于12 h,吸附充分。

(3)軸壓預(yù)加載。穩(wěn)定測試試件前提下,保持勻速加載(0.1 MPa/min)至1.0 MPa的軸壓,維持10～15 min。

(4)圍壓加載。加載圍壓(0.1 MPa/min)至2.0 MPa,觀測壓力計和流量計讀數(shù),并記錄數(shù)據(jù)。試件吸附40 min甲烷后,釋放5.0～8.0 min氣體,流量穩(wěn)定后,測定其滲流速度。

(5)圍壓調(diào)節(jié)。逐級改圍壓至1.0～7.0 MPa圍壓,測試原煤試件滲流速度變化量。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 有效應(yīng)力與煤層氣滲流速度的關(guān)系

根據(jù)巖土力學(xué)理論可知,有效應(yīng)力是指作用于煤層的總應(yīng)力與其存在于孔隙或裂隙中的流體壓力之差,即

其中,σe為煤樣所受的有效應(yīng)力,MPa;p1為原煤煤樣進(jìn)口端氣體壓力,MPa;p2為原煤煤樣出口端氣體壓力,取0.1 MPa;σa為軸向壓力,MPa;στ為環(huán)向壓力,MPa。根據(jù)上述步驟,進(jìn)行變壓滲流實驗,得到圖1所示的有效應(yīng)力與氣體滲流速度之間的變化關(guān)系。

圖1 有效應(yīng)力與滲流速度的關(guān)系Fig.1 Relationship between effective stress and seepage velocity

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),隨有效應(yīng)力增加,煤層滲流速度呈非線性遞減。通過式(5)計算,獲得相應(yīng)的有效應(yīng)力,按照傳統(tǒng)的方法擬合得到煤樣滲流速度與有效應(yīng)力之間的非線性關(guān)系,即

式中,v為原煤煤樣的甲烷滲流速度,mL/min。

比較分析發(fā)現(xiàn),可以采用二次函數(shù)關(guān)系式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系描述滲流速度衰減與有效應(yīng)力關(guān)系,且有更高的擬合精度。

3.2 含水率對煤層氣滲流速度的影響比較

統(tǒng)計干燥煤樣和3個含水煤樣的流速-有效應(yīng)力發(fā)現(xiàn),受實驗條件和試件尺度限制,超低含水煤樣甲烷滲流過程中,氣體壓力梯度現(xiàn)象并不明顯,而氣體流速與有效應(yīng)力之間二次函數(shù)關(guān)系見表1。

表1 不同含水率煤樣v-σe關(guān)系統(tǒng)計Table 1 v-σerelationship of different moisture coal samples

相同有效應(yīng)力條件下,隨著含水率的提高,滲流速度逐漸降低,差異顯著,這與文獻(xiàn)[8]結(jié)論一致。與飽和含水煤樣相比,超低含水率(＜1.0%)煤樣的滲流速度對單位有效應(yīng)力的變化更加敏感。比較表1中幾組函數(shù)發(fā)現(xiàn),隨含水率提高,流速變化的應(yīng)力敏感點逐步降低(分別為 5.69,5.48,5.17和4.78 MPa),氣體的最小滲流速度遞減(分別為17.76,16.80,12.20和5.45 mL/min)。

比較其他3組含水煤樣的滲流曲線(圖2),不同含水率煤樣的甲烷滲流速度都隨有效應(yīng)力的增加而衰減,但其變化速率有差異。由流速v與滲透率K的關(guān)系[2],結(jié)合實驗試件幾何參數(shù),可求得應(yīng)力變化過程中煤層滲透率的變化規(guī)律,見式(8)所示。

式中,Q為氣體流量;p0為大氣壓力;μ為氣體黏度;L為試件長度;A為試件斷面積。

圖2 不同含水率的滲流特征曲線比較Fig.2 Comparison of percolation flow curves of different moisture contents

依據(jù)應(yīng)力條件下含水煤樣滲透率變化關(guān)系(式(1),(4)和(8)),可以將氣體最小流速折算為其極限殘余滲透率K0,作為評價含水率對其滲透率影響的參數(shù)依據(jù)。根據(jù)表1的4個二次函數(shù),可以確定4個煤樣最小滲透率K0分別為0.481×10-15,0.455× 10-15,0.326×10-15和0.148×10-15m2,也就是4條滲透率曲線的最小值。

比較表1中4個二次函數(shù)的系數(shù)變化規(guī)律,可以清晰反映煤層氣滲流速度與含水率的變化關(guān)系,以及滲流速度的應(yīng)力敏感性和流速極值的關(guān)系。當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到一定值后,煤樣含水率大小對其最小滲流速度影響差異不大(圖3),而當(dāng)有效應(yīng)力為0時,氣體流速達(dá)到極值且差異最明顯。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),理論滲透率(有效應(yīng)力為0)與極小滲透率K0的變化規(guī)律一致,相同應(yīng)力條件下滲透率與煤體內(nèi)部含水率呈線性關(guān)系遞減,與文獻(xiàn)[9]有相似的結(jié)論,如圖4所示。

圖3 滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability and effective stress

圖4 滲透率與含水率的關(guān)系Fig.4 Relationship between permeability and moisture contents

按蠕變損傷理論[23],維持試件長度穩(wěn)定,比較端面面積變化,通過實驗后煤樣結(jié)構(gòu)的觀測和統(tǒng)計,3種含水煤樣都有不同程度的損傷破壞,損傷度(D)最大的為含水率0.785%的煤樣(D=15.81%),其次為含水率 0.498%的煤樣(D=10.24%),含水率0.112%煤樣損傷最微小(D=6.83%),這也與文獻(xiàn)[20]結(jié)論吻合。

同時需要強調(diào)指出,有效應(yīng)力的過度增大可能會導(dǎo)致煤樣的局部破裂,改變煤體的整體結(jié)構(gòu),從而提高煤層滲透性。通過以上分析研究發(fā)現(xiàn),煤層的滲透率在一定的有效應(yīng)力范圍內(nèi)滿足二次函數(shù)關(guān)系(部分),隨含水率的差異二次函數(shù)的曲線特征(開口大小和對稱軸位置)有差異,反映了煤層滲透率對含水率變化的敏感程度。這是對傳統(tǒng)的有效應(yīng)力-滲透率關(guān)系的修正。

4 結(jié) 論

(1)增壓過程中,有效應(yīng)力與煤層氣滲流速度之間滿足非線性關(guān)系。隨有效應(yīng)力增大,煤層氣滲流速度降低,比較發(fā)現(xiàn),二者之間滿足二次函數(shù)關(guān)系(部分),這比傳統(tǒng)的負(fù)指數(shù)關(guān)系有更高的精度。

(2)含水率控制著應(yīng)力條件下滲流速度變化的敏感性。煤層甲烷滲流實驗證實,氣體滲流過程中存在滲透率極值點,前后氣體滲流速度變化差異顯著。隨著煤的含水率提高,極值點對應(yīng)的有效應(yīng)力值不斷減小。

(3)相同有效應(yīng)力條件下,超低含水煤層(＜1%)滲透率隨含水率的升高而呈線性降低。

(4)相同加載路徑下的煤體損傷度統(tǒng)計結(jié)果證實,煤體黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率提高有線性減小趨勢。

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Effect of moisture content on CBM seepage

LIU Yong-qian1,2,ZHANG Lang1,2,LI Hao-dang3,DENG Zhi-gang1,2

(1.Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.National Key Lab of Coal High Efficient Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China;3.Coal Production Department,Shenhua Group Co.,Ltd.,Beijing 100011,China)

The moisture content determines CBM occurrence state and its transport capacity in coal seam.Based on the substrate adsorption deformation theory,the authors analyzed the effects of water content on the mechanical properties of matrix,and moisture content control on fracture deformation and coal-bed gas migration in coal seam,and completed a group of CBM seepage experiments using coal samples with different moisture contents,0.112%,0.498%and 0.785%respectively.The study demonstrates that the seepage velocity nonlinearly decreases with the increase of effective stress in the stress loading process;the flow velocity and effective stress relationship is a quadratic function of distribution;and the moisture content determines the stress sensitive area and the minimum flow velocity.Therefore, the maximum flow rate can be calculated.With the increase of water content,the stress sensitive point of CBM seepage velocity decreases gradually,i.e.,5.48,5.17 and 4.78 MPa.

water content;flow velocity;effective stress;coal-bed methane

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1840-05

2014-04-21 責(zé)任編輯:常 琛

山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項目(2013012007);國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”資助項目(2011ZX05040-1, 2011ZX05063-9)

劉永茜(1984—),男,河南南陽人,博士。E-mail:yqliu518@126.com

劉永茜,張 浪,李浩蕩,等.含水率對煤層氣滲流的影響[J].煤炭學(xué)報,2014,39(9):1840-1844.

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