郝杰

摘 要：基于國內(nèi)真三軸滲透率測定研究處于相對空白，本文自主研發(fā)了真三軸煤樣滲透率測定裝置，能夠模擬真實三向應(yīng)力狀態(tài)下流體通過立方體煤樣孔隙的三維滲流行為，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了真三軸應(yīng)力條件下的煤樣滲透率試驗研究。試驗結(jié)果表明，煤樣滲透率的水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力敏感性存在明顯差異，且三向應(yīng)力對煤樣三維滲透率的影響程度不同，進(jìn)一步說明了開展煤樣真三軸滲透率測定的必要性和重要意義。

關(guān)鍵詞：煤層氣；真三軸；三維；滲透率；敏感性

基于國內(nèi)真三軸滲透率測定研究處于相對空白，本文自主研發(fā)了真三軸煤樣滲透率測定裝置，能模擬煤樣在自然界真實三向應(yīng)力狀態(tài)下流體通過立方體煤樣孔隙的滲流行為，并進(jìn)行了真三軸應(yīng)力條件下煤樣三維滲透率試驗研究。

1 真三軸煤樣滲透率測定裝置

真三軸滲透率測定儀由壓力加載系統(tǒng)、高壓密封艙、流體注入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示?？紤]到煤對氮氣有一定的吸附作用，選用氦氣作為試驗流體介質(zhì)。

壓力加載系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、伺服式液壓缸、高壓膠管、承壓機(jī)架組成。通過三組相互垂直的伺服式液壓缸，給立方體煤樣施加相互垂直的三個方向的不同壓強的圍壓（真三軸圍壓），能實現(xiàn)真實地應(yīng)力場的三向差異化應(yīng)力加載。

高壓密封艙由支架、真三軸巖心夾持器組成，伺服式液壓缸的載荷通過巖心夾持器傳遞給立方體煤樣，能實現(xiàn)最高70MPa的有效密封。

2 儀器應(yīng)用研究

試驗所用煤樣取自沁水盆地南部晉城寺河礦區(qū)高階無煙煤，晉城寺河礦區(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，平均厚136.02m，含煤15層，主要開采層位為太原組8號—15號煤層，煤層總厚度為14.67m，含煤系數(shù)10.8%。含煤地層由灰—深灰色砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r及煤層組成。制取棱長為100mm立方體煤樣15塊，標(biāo)記層理面并分別編號。共進(jìn)行5組試驗，每組試驗采用3塊煤樣進(jìn)行重復(fù)性試驗，同一組的煤樣由同一塊煤巖制得，以縮小由于煤樣性質(zhì)的差異造成的誤差。煤樣沿層理面平行于水平面放置，1～6號煤樣需用有機(jī)粘膠將底面封堵。把切割好的煤樣放入特制立方模具內(nèi)用無機(jī)密封膠填充空余空間，在室溫下對煤樣各面的邊角處進(jìn)行8-10小時的密封處理。試驗前將處理好的煤樣放入干燥器內(nèi)在室溫下干燥24小時，將煤樣沿層理面平行于水平面放入巖心夾持器內(nèi)，即可測定煤樣滲透率。1～6號、7～15號煤樣的流體滲流方向如圖2、圖3所示。

3 水平主應(yīng)力敏感性試驗

試驗一測定1號、2號、3號煤樣在真三軸應(yīng)力狀態(tài)下，不同水平最大主應(yīng)力時煤樣X-X、Z-Z方向的滲流量，水平最大主應(yīng)力σH設(shè)置為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，水平最小主應(yīng)力σh和垂直應(yīng)力σv設(shè)置為1MPa；試驗二測定4號、5號、6號煤樣在真三軸應(yīng)力狀態(tài)下，不同水平最小主應(yīng)力時煤樣X-X、Z-Z方向的滲流量，水平最小主應(yīng)力σh設(shè)置為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，水平最大主應(yīng)力σH設(shè)置為6MPa，垂直應(yīng)力σv設(shè)置為1MPa。水平最大主應(yīng)力位于Z-Z方向，水平最小主應(yīng)力位于X-X方向，氣體滲透壓力0.9MPa。由于試驗中流體在三維空間內(nèi)“L”形滲流，因此利用各流體出口的滲流量代替滲透率表征水平各方向的滲透性。試驗結(jié)果如表1所示。

由圖4、圖5可知，在水平最大主應(yīng)力或水平最小主應(yīng)力的增壓過程中，滲流量的變化具有先“陡”后“緩”的特征，且垂直于水平應(yīng)力增壓方向的滲流量降低幅度較大，平行于水平應(yīng)力增壓方向的滲流量降低幅度較小。

將試驗一與試驗二中X-X方向與Z-Z方向滲流量測試數(shù)據(jù)分別取平均值，如圖6所示，在真三軸地應(yīng)力狀態(tài)下，水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力增壓過程中，煤樣X-X方向與Z-Z方向的滲流量均減小，煤樣滲透性降低；1～3煤樣的滲流量下降幅度明顯大于4～6號煤樣的滲流量下降幅度，說明水平最大主應(yīng)力對煤樣滲透性的影響較大，而水平最小主應(yīng)力的影響相對較小。從煤巖孔吼微觀結(jié)構(gòu)入手，分析水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力對煤巖滲透性的影響存在差異的原因：在水平最大主應(yīng)力作用下，煤巖內(nèi)的較大孔吼受壓縮變小，特別是垂直方向的滲流通道首先被壓縮，孔隙迂曲度增大，從而使流體滲流阻力增大，而在水平最小主應(yīng)力增壓過程中，被壓縮變小的主要是煤巖內(nèi)作為次要滲流通道的較小孔吼，因此水平最小主應(yīng)力對煤巖滲透性的影響弱于水平最大主應(yīng)力。

4 結(jié)語

自主研發(fā)的真三軸滲透率測定儀能夠模擬煤樣在自然界真實三向應(yīng)力狀態(tài)下的流體通過立方體煤樣的滲流特征，可實現(xiàn)不同三軸圍壓狀態(tài)下的一維、二維、三維滲透率測定或滲流機(jī)理試。

煤巖滲透率的水平主應(yīng)力敏感性存在差異，水平最大主應(yīng)力對煤樣滲透性的影響較大，而水平最小主應(yīng)力的影響相對較小。

煤巖的三維滲透率隨應(yīng)力的增大具有先“陡”后“緩”的特征。

三向應(yīng)力對三維滲透率的影響強弱順序為垂直應(yīng)力>水平最大主應(yīng)力>水平最小主應(yīng)力。

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