周銀波,李曉麗,李晗晟,王佳樂,毛淑星,王世杰
(1.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院,河南 鄭州 451191;2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南焦作 454150;3.鄭州工業(yè)技師學(xué)院,河南鄭州 451150;4.河南工程學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院,河南鄭州 451191)
滲透率是用于衡量瓦斯抽采的重要參數(shù),研究不同因素對(duì)滲透率的影響特征,有助于認(rèn)識(shí)煤層中氣體流動(dòng)的機(jī)理[1-4]。煤體滲透率的影響因素眾多,如氣體種類、煤巖性質(zhì)等,大量研究認(rèn)為煤體滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[5-7]。煤體是一種特殊的有機(jī)巖體,在應(yīng)力和氣體吸附影響下,煤基質(zhì)發(fā)生變形,導(dǎo)致煤體內(nèi)氣體流動(dòng)的孔隙結(jié)構(gòu)改變[8-9]。Levine等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤體吸附甲烷后體積膨脹量與氣體壓力呈類似Langmuir 的關(guān)系。在考慮吸附變形和應(yīng)力變形的基礎(chǔ)上,大量與滲透率有關(guān)的試驗(yàn)得到開展。吳雙等[11]基于力學(xué)形變理論,計(jì)算并分析了滲透率與軸向應(yīng)力的響應(yīng)關(guān)系,討論了孔隙壓縮系數(shù)對(duì)滲透率的影響;劉帥帥等[12]分析了有效應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率各向異性的影響特征,認(rèn)為煤基質(zhì)裂隙壓縮是控制滲透率變化的主控因素;李祥春等[13]研究了不同壓力下煤體滲透率的變化規(guī)律,認(rèn)為低壓條件下煤巖膨脹變形為主導(dǎo)因素,高壓條件下有效應(yīng)力為主導(dǎo)因素;劉超等[14]采用循環(huán)加載試驗(yàn)深入分析了復(fù)雜應(yīng)力路徑對(duì)煤體滲透率的影響特征。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,部分學(xué)者綜合考慮了吸附形變和有效應(yīng)力形變,建立了更加科學(xué)的滲透率理論模型,并討論了氣體吸附和滲透率之間的關(guān)系。LU 等[15]認(rèn)為煤體吸附形變量并未全部參與影響滲透率,引入修正系數(shù)f 來修正基質(zhì)體形變對(duì)滲透率的影響;李波波等[16]建立了煤基質(zhì)膨脹變形、溫度和氣體壓力影響下的滲透率耦合模型,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)也探討了基質(zhì)體變形對(duì)滲透率的影響。綜上所述,采用三軸滲流試驗(yàn)裝置,開展了不同吸附能力的氣體(氦氣、氮?dú)夂投趸迹┰诿后w中的滲流試驗(yàn),研究了同一煤樣中不同氣體和氣壓條件下滲透率的變化規(guī)律,進(jìn)一步分析了3 種氣體在不同有效應(yīng)力下滲透率與氣體壓力之間的關(guān)系,最終討論了氣體吸附對(duì)煤體壓縮系數(shù)和滲透率損害率的影響。以期能夠深入認(rèn)識(shí)氣體吸附對(duì)煤體滲透率演化的控制機(jī)制。
煤樣取自山西省沁城煤礦井下無煙煤,煤樣水分1.39%,灰分11.38%,揮發(fā)分7.59%,固定碳為81.97%,真密度1.47 cm3/g。自井下采用保鮮膜包裹送至試驗(yàn)室鉆取柱狀標(biāo)準(zhǔn)煤樣(50 mm×100 mm),打磨光滑。三軸滲流試驗(yàn)裝置如圖1。煤樣軸壓采用伺服壓力機(jī)控制,圍壓采用平流泵注水施加(最大10 MPa),通過軸壓和圍壓的精準(zhǔn)控制滿足試驗(yàn)應(yīng)力所需的要求。煤樣夾持器采用304 不銹鋼加工而成,配合耐壓耐腐蝕的氟橡膠套筒保證煤樣的密閉性。
圖1 三軸滲流試驗(yàn)裝置Fig.1 Triaxial seepage experimental device
為研究氣體吸附作用對(duì)煤體滲透率的影響特征,開展了不同氣體在同一煤樣中滲透率隨氣體壓力的變化試驗(yàn),以及不同氣壓下滲透率隨有效應(yīng)力的演化試驗(yàn)。采用氦氣作為對(duì)照氣體,測(cè)試氮?dú)夂投趸荚跇?biāo)準(zhǔn)煤樣中的滲流規(guī)律。
1)將煤樣置于真空干燥箱內(nèi)恒溫60 ℃干燥48 h,去除水分的影響,通過煤樣夾持器將煤樣與氟橡膠套筒緊密結(jié)合。
2)試驗(yàn)開始前,采用真空泵對(duì)試驗(yàn)裝置抽真空12 h,排除裝置內(nèi)空氣;而后通入測(cè)試氣體開始滲流試驗(yàn),為保證吸附穩(wěn)定,每個(gè)測(cè)試壓力點(diǎn)的氣體吸附時(shí)間設(shè)置為6 h。
在同一煤樣的試驗(yàn)中為減弱氣體吸附中不可逆的形變對(duì)后續(xù)氣體滲流試驗(yàn)的影響,根據(jù)氣體的吸附能力將氣體的試驗(yàn)順序設(shè)置為氦氣、氮?dú)夂投趸?。每種氣體滲流試驗(yàn)結(jié)束后,抽真空后開始下一氣體的滲流試驗(yàn)。
為對(duì)比不同吸附能力氣體在同一煤樣中的滲透率差異,將煤體軸壓和圍壓設(shè)置為6 MPa(靜水壓),測(cè)試不同氣體壓力下氦氣、氮?dú)夂投趸細(xì)怏w的滲透率,3 種氣體在煤體中的吸附能力依次為:氦氣>氮?dú)?二氧化碳。試驗(yàn)中氦氣、氮?dú)夂投趸紲y(cè)試最大壓力分別為4.98、5.00、3.84 MPa,3 種氣體在同一煤樣中的滲透率如圖2。試驗(yàn)結(jié)果顯示:氣體壓力相近時(shí),3 種氣體滲透率大小依次為氦氣、氮?dú)夂投趸迹缓夂偷獨(dú)獾臐B透率隨著氣體壓力的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),而在測(cè)試范圍內(nèi)二氧化碳?xì)怏w滲透率則逐漸下降。
圖2 3 種氣體在同一煤樣中的滲透率Fig.2 Permeability of three gases in the same coal sample
氣體吸附和應(yīng)力的變化,造成煤體孔隙的孔徑改變。在應(yīng)力恒定條件下,氣體壓力升高,煤體吸附量增大導(dǎo)致煤基質(zhì)膨脹孔隙收縮,同時(shí)也降低了煤體的有效應(yīng)力,煤基質(zhì)應(yīng)力變形減弱孔隙擴(kuò)張,氣體吸附和有效應(yīng)力存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。吸附性氣體滲流試驗(yàn)初期,煤基質(zhì)膨脹能力較強(qiáng),氣體吸附造成的孔隙收縮量強(qiáng)于有效應(yīng)力造成的孔隙擴(kuò)張能力。隨著氣體壓力繼續(xù)升高,煤體膨脹逐漸穩(wěn)定,而有效應(yīng)力持續(xù)降低,此時(shí),氣體吸附導(dǎo)致的孔隙收縮則弱于有效應(yīng)力導(dǎo)致的孔隙擴(kuò)張。因而,氮?dú)鉂B透率呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。煤體吸附二氧化碳的能力是氦氣和氮?dú)獾臄?shù)倍,同時(shí)煤基質(zhì)也將出現(xiàn)較大幅度的吸附變形,試驗(yàn)中氣體壓力受限,在試驗(yàn)周期內(nèi)氣體吸附導(dǎo)致的孔隙收縮一直強(qiáng)于有效應(yīng)力降低導(dǎo)致的孔隙擴(kuò)張,二氧化碳的滲透率持續(xù)下降。現(xiàn)煤體屬于低透氣性儲(chǔ)層,氣體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所測(cè)滲透率高于其本質(zhì)滲透率,這一特征稱為Klinkenberg 效應(yīng),該特征在低氣壓條件下尤為顯著。一般認(rèn)為氦氣屬于不吸附性氣體,但在試驗(yàn)初期滲透率仍出現(xiàn)下降趨勢(shì),這是由Klinkenberg 效應(yīng)所致。隨著氦氣壓力的不斷升高,氣體分子自由程不斷下降,Klinkenberg 效應(yīng)也將逐漸弱化,因而在試驗(yàn)后期氦氣滲透率在有效應(yīng)力影響下不斷升高。雖然氮?dú)夂投趸荚诘蛪弘A段也將存在Klinkenberg 效應(yīng),但被氣體吸附導(dǎo)致的孔隙收縮所掩蓋。
煤層氣開采過程中,為了提高煤層氣體采收率,向煤層中注入惰性氣體提高煤層氣產(chǎn)量成為常用技術(shù)。注氣過程中由于氣體吸附能力具有一定差異性,特別是注二氧化碳技術(shù),將改變煤體孔隙結(jié)構(gòu),原始煤體的滲透率將發(fā)生變化。此時(shí),氣體吸附對(duì)滲透率的影響將顯得尤為重要。
為了深入對(duì)比吸附變形對(duì)煤體滲透率的影響,選取3 組煤樣,分別測(cè)試氦氣、氮?dú)夂投趸荚诤愣鈮海?、2 MPa)條件下滲透率隨有效應(yīng)力的變化。恒定氣體壓力條件下煤體滲透率測(cè)試結(jié)果如圖3。
圖3 恒定氣體壓力條件下煤體滲透率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Coal permeability under constant gas pressure
圖3 顯示,隨著有效應(yīng)力的升高,氣體的滲透率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);有效應(yīng)力相同時(shí)氮?dú)夂投趸几邭鈮海? MPa)所測(cè)滲透率均小于低氣壓(1 MPa),而氦氣在1 MPa 和2 MPa 時(shí)所測(cè)滲透率相差極小。
大量研究認(rèn)為煤體吸附氦氣所產(chǎn)生的變形量可忽略,煤體孔隙僅受有效應(yīng)力的控制,因此,相同有效應(yīng)力下不同氣壓氦氣所測(cè)滲透率相差較小。對(duì)于吸附性氣體,氣體壓力恒定時(shí),煤基質(zhì)體膨脹變形量保持不變,有效應(yīng)力增大導(dǎo)致煤體孔隙收縮,因此,隨著有效應(yīng)力的增大滲透率不斷降低;當(dāng)吸附性氣體壓力增大且有效應(yīng)力不變時(shí),煤基質(zhì)體所受應(yīng)力控制的變形量保持不變,但基質(zhì)體膨脹量將增大導(dǎo)致孔隙收縮,因此,相同有效應(yīng)力下氣體壓力越高滲透率越低。氣體滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為[12]:
式中:k、k0分別為有效應(yīng)力為σ、σ0時(shí)的滲透率,10-15m2;Cf為煤體壓縮系數(shù),MPa-1;σ 為有效應(yīng)力,MPa;σ0為初始有效應(yīng)力,MPa。
通過式(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,壓縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。壓縮系數(shù)是反映煤體對(duì)應(yīng)力敏感性的1 個(gè)重要參數(shù),受到氣體吸附作用的影響,煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,也將導(dǎo)致壓縮系數(shù)的變化。計(jì)算結(jié)果顯示:2 MPa 氦氣平均壓縮系數(shù)大于1 MPa,吸附性氣體(氮?dú)夂投趸迹┰? MPa 所得平均壓縮系數(shù)均小于1 MPa。有效應(yīng)力相同時(shí),吸附性氣體吸附壓力越高,煤體內(nèi)裂隙的閉合程度將越顯著,導(dǎo)致其平均壓縮系數(shù)降低。
表1 壓縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Results of compressibility coefficient calculation
為量化有效應(yīng)力對(duì)煤體滲透率的影響,采用滲透率損害率η 如式(2):
η 數(shù)值的正負(fù)分別代表滲透率升高和降低。采用式(2)對(duì)3 種氣體不同氣壓條件下,有效應(yīng)力的滲透率損害率進(jìn)行了計(jì)算,不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率如圖4。
圖4 不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率Fig.4 Permeability damage rate under different effective stresses
試驗(yàn)結(jié)果顯示:氣壓恒定條件下,有效應(yīng)力越大則滲透率損害率越大。氦氣氣壓為2 MPa 時(shí),不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率均大于1 MPa;而氮?dú)夂投趸細(xì)怏w在2 MPa 所得滲透率損害率則小于1 MPa。吸附性氣體吸附壓力越大,煤體變形則愈顯著,將導(dǎo)致煤體部分性質(zhì)發(fā)生改變,例如壓縮系數(shù)、力學(xué)性質(zhì)等。
煤體滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān),受到有效應(yīng)力和氣體吸附作用的影響,煤體滲透率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。煤體采動(dòng)或煤層氣開采等活動(dòng)對(duì)原始煤體滲透率造成影響。受到采動(dòng)影響煤體應(yīng)力下降或氣體壓力下降,煤體孔隙將發(fā)生擴(kuò)張,則滲透率將升高;而煤層注氣驅(qū)替技術(shù)中,大量高壓吸附性氣體的注入,造成煤基質(zhì)體膨脹孔隙收縮,則滲透率將下降。因而,在煤層瓦斯抽采和煤層氣采收過程中,科學(xué)的考慮氣體的吸附作用將有助于提高滲透率及抽采量的預(yù)測(cè)精度。
1)煤層瓦斯抽采過程中,煤體滲透率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值,氣體的吸附作用導(dǎo)致煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進(jìn)而影響到煤體滲透率的大小。氣體的吸附能力越強(qiáng),煤基質(zhì)體膨脹作用越顯著,導(dǎo)致滲透率下降愈加明顯。
2)煤體滲透率與有效應(yīng)力和氣體吸附之間有著緊密的關(guān)系,氣體壓力升高導(dǎo)致煤體膨脹效應(yīng)顯著且有效應(yīng)力下降。2 種因素存在競(jìng)爭(zhēng)作用,外界應(yīng)力恒定時(shí),隨著氣體壓力的升高,煤體滲透率呈先下降后上升的趨勢(shì)。
3)恒定氣壓條件下,煤體滲透率隨有效應(yīng)力升高而降低;受到氣體吸附的影響,相同有效應(yīng)力條件下高壓氣體滲透率小于低壓氣體滲透率。同時(shí),隨著吸附性氣體壓力的升高煤體平均壓縮系數(shù)降低,這也導(dǎo)致高氣壓條件下煤體滲透率隨有效應(yīng)力的損害率普遍大于低氣壓條件下的損害率η。