王鵬

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 晉城市 048000)

0 引言

煤基質(zhì)中瓦斯的存儲和流動主要與孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙網(wǎng)絡(luò)（節(jié)理）有關(guān)。煤作為一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)，面割理和端割理是煤中氣體流動的主要和次要通道，二者通常相互正交或近似正交，基本上都垂直層理面[1?2]。煤中的氣體主要以吸附層的形式存在于煤的內(nèi)部表面，或以游離氣體的形式存在于大孔隙和裂縫中，吸附層占甲烷總量的90%～98%，剩余的少量氣體（2%～10%）位于開放孔隙空間內(nèi)，如大孔隙、裂縫[3]。煤中儲存的氣體主要是甲烷，其次是乙烷，還存在一些二氧化碳、一氧化碳和氮?dú)狻Ｃ阂蚪馕鼩怏w而收縮是一種眾所周知的現(xiàn)象[4]。煤基質(zhì)中的任何體積變化也會影響割理孔徑，從而影響煤的氣流特性。煤基體收縮，導(dǎo)致割理孔隙度增加，割理閉合，這是由于氣體孔隙壓力降低導(dǎo)致有效應(yīng)力增加。收縮率低于地應(yīng)力時，割理孔隙度和滲透率可能會隨著氣體抽采產(chǎn)量的增加而降低。解吸作用下的煤基質(zhì)收縮不僅可能使割理變寬，還可能降低有效水平應(yīng)力，導(dǎo)致垂直和近似垂直割理上的應(yīng)力降低，從而進(jìn)一步打開這些割理，并顯著增加滲透率[5?7]。這一效應(yīng)解釋了為什么煤層的實(shí)際產(chǎn)氣量往往大于常規(guī)氣藏中模擬技術(shù)預(yù)測的產(chǎn)氣量。因此，不同氣體解吸時煤基質(zhì)體積變化規(guī)律是建立可靠的煤層氣產(chǎn)量預(yù)測模型的關(guān)鍵因素之一，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其精確預(yù)測。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為研究解吸變形規(guī)律，根據(jù)煤炭工業(yè)部頒布的煤的甲烷吸附量測定方法（MT/T752-1997），對現(xiàn)有的試驗(yàn)平臺進(jìn)行改進(jìn)，使之能滿足原煤的吸附-解吸變形試驗(yàn)要求。改進(jìn)后的模擬測試裝置如圖1所示。該裝置的工作原理是：通過真空泵對裝過煤且已經(jīng)檢查過氣密性的煤樣罐抽真空，當(dāng)達(dá)到要求的真空度以后，通過充氣罐向煤樣罐充氣，在設(shè)定的溫度和壓力下平衡后通過解吸裝置計量吸附量和解吸量，通過分析解吸過程煤樣變形數(shù)據(jù)，得出不同條件下的解吸變形規(guī)律。

圖1 模擬測試裝置原理

1.1 煤樣

試驗(yàn)所用樣品均為原生結(jié)構(gòu)煤，采自趙固二礦二1 煤層（無煙煤）。將大塊煤塊放入泡沫中，然后密封在密封袋中，防止氧化。在實(shí)驗(yàn)室對樣品以相同方向取芯，直徑為52.5 mm，長度為45 mm，將試樣端部平行研磨。從類似煤樣的滲透性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高溫干燥極大地影響了樣品的結(jié)構(gòu)，改變了滲透性，可能也會影響吸附研究。因此，在試驗(yàn)之前，將試樣在30℃的真空烘箱中干燥2 d。制備了用于收縮試驗(yàn)的樣品和備用樣品。

1.2 收縮膨脹試驗(yàn)

在試驗(yàn)開始時，應(yīng)變片讀數(shù)設(shè)為0，并抽真空2 h。應(yīng)變變化通過連接到PC 的數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄。試樣在4 MPa 的壓力下用氮?dú)怙柡?，并記錄?yīng)變1 周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大約8 h 后，氮?dú)鉂舛葞缀鯖]有變化。然后，每一級的壓力以500 kPa 的量降低，并在一段時間內(nèi)保持恒定。二氧化碳、甲烷和氮?dú)獾慕馕g隔時間為100 min，而氦氣的解吸間隔時間為50 min（氦氣不吸附氣體，因而解吸時間較短）。在最后一個增量上，壓力降低到大氣壓，樣品被允許解吸，直到相對于應(yīng)變達(dá)到平衡。每次測試后，將樣品抽真空，然后用二氧化碳、甲烷和氦氣重復(fù)同樣的過程。

將煤基質(zhì)體積隨氣體壓力變化的速率定義為解吸氣體的收縮系數(shù)。

式中，Vm為煤基體體積；dVm是煤基體體積的變化；dp是內(nèi)外表面施加壓力的變化；Cm為體積應(yīng)變與氣體壓力的關(guān)系的斜率。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 吸附引起的變化

在每次基體收縮試驗(yàn)之前，樣品用氣體完全飽和，壓力為4 MPa。8 h 后，在4 MPa 氣壓下，4 種不同氣體氮?dú)狻⒑?、甲烷和二氧化碳的體積應(yīng)變變化如圖2 所示。氦氣曲線僅顯示了顆粒壓縮性，因?yàn)闆]有發(fā)生吸附。其他3 條曲線表明，由于氣體吸附，煤基質(zhì)膨脹。

圖2 不同氣體在4 MPa 下吸附時的體積應(yīng)變

二氧化碳吸附引起的膨脹大約是氮?dú)獾?2 倍，是甲烷的8 倍。使用應(yīng)變計的快速取樣系統(tǒng)，可以監(jiān)測試驗(yàn)開始時體積應(yīng)變的變化。靜水壓力導(dǎo)致初始收縮，隨后氣體吸附導(dǎo)致膨脹。圖3 顯示了二氧化碳的這種現(xiàn)象（氦曲線用于比較）。在樣品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，氦曲線也顯示出非線性部分，這歸因于試樣內(nèi)的孔隙壓差。

圖3 二氧化碳和氦的初始體積應(yīng)變

2.2 基質(zhì)引起的體積應(yīng)變變化

通過在500 kPa 階段逐漸降低壓力并允許在一段時間內(nèi)發(fā)生解吸，確定氣體解吸引起的基質(zhì)收縮。圖4 為氦、氮、甲烷和二氧化碳的體積應(yīng)變隨時間的變化，不同氣體的應(yīng)變存在數(shù)量級差異。

圖4 不同氣體從4 MPa 降至0.5 MPa 的體積應(yīng)變

圖4 中，氦曲線顯示了每次減壓循環(huán)期間煤基質(zhì)的膨脹和孔隙壓力恢復(fù)。減壓后，由于施加的液壓應(yīng)力突然降低，煤基質(zhì)立即膨脹。隨后，試樣的內(nèi)部氣體孔隙壓力逐漸降低，這是由氣體從試樣流向周圍環(huán)境時的壓差引起的。這導(dǎo)致有效靜水壓應(yīng)力增加，一些煤基質(zhì)壓縮。由于未發(fā)生解吸，應(yīng)變在約50 min 內(nèi)迅速達(dá)到平衡。圖4 中的氮?dú)馇€顯示的壓力間隔約為100 min。在曲線范圍4～2.5 MPa 的高壓區(qū)域，壓力降低導(dǎo)致的晶粒膨脹高于氣體解吸導(dǎo)致的收縮，而收縮效應(yīng)超過了低壓下的膨脹。在甲烷的情況下，氣體解吸引起的收縮超過了與晶粒膨脹相關(guān)的應(yīng)變。最顯著的是二氧化碳解吸的應(yīng)變高出一個數(shù)量級，因此無法識別晶粒膨脹。

氣體解吸在每個階段達(dá)到平衡時，煤基質(zhì)體積應(yīng)變隨氦氣、甲烷和二氧化碳?xì)怏w壓力降低而變化的曲線如圖5 所示。該含氦煤樣的顆粒壓縮性為?1.3×10?4MPa?1。甲烷的總收縮整體收縮系數(shù)為1.2×10?3MPa?1，二氧化碳為5.2×10?3MPa?1。同時發(fā)現(xiàn)在2～4 MPa 的氣壓范圍內(nèi)，Cm的實(shí)際值低于總值，在0～2 MPa 的氣壓范圍內(nèi)，Cm的實(shí)際值較高。

圖5 煤基質(zhì)體積應(yīng)變隨氣體壓力的降低規(guī)律

2.3 有效應(yīng)力與彈性變形

對于彈性連續(xù)體，由于氣體解吸引起的基體收縮，有效圍壓的相應(yīng)降低可根據(jù)式（2）進(jìn)行計算：

式中，pini為初始孔隙壓力；pnew為新的孔隙壓力。

根據(jù)變形測試結(jié)果，測量得到了1.85 GPa 的切線彈性模量和0.37 的泊松比，由此計算出的體積模量K為2.37 GPa，意味著1 MPa 的靜水壓應(yīng)力變化將導(dǎo)致0.42×10?3的體積應(yīng)變。因此，與解吸相關(guān)的應(yīng)變相當(dāng)于甲烷氣體壓力變化的2.5 倍，這大約相當(dāng)于二氧化碳應(yīng)力變化的10 倍，可以得出，與甲烷和二氧化碳的收縮應(yīng)變相比，有效應(yīng)力變化較小。

2.4 無脫附的有效應(yīng)力加載循環(huán)

在試驗(yàn)中，煤樣經(jīng)受了幾個增加和減少氣壓的循環(huán)，以氦氣為例，以避免因吸附或解吸引起的應(yīng)變變化。圖6 為在不同的氣壓升高和降低循環(huán)中，體積應(yīng)變隨時間變化的曲線。對于正壓力增量，體積應(yīng)變的變化達(dá)到最大值，然后開始逐漸減小，直到穩(wěn)定在某個值。這種現(xiàn)象是由煤樣周圍的氣體壓力和氣體孔隙壓力之間的壓力差引起的。該梯度將迫使氣體流入煤樣，直到壓力達(dá)到平衡。

相反的過程發(fā)生在氣體壓力增量降低時。氣體流速和氣體壓力達(dá)到平衡所需的時間與樣品滲透率有關(guān)。圖6 還表明，由于記錄的體積應(yīng)變對于增量和增量的增加和減少是相同的，因此煤樣表現(xiàn)為完全彈性材料。只有當(dāng)煤樣中存在未連接的孔隙時，才可能出現(xiàn)這種情況。體積應(yīng)變值由太沙基方程控制表示為：

圖6 氦氣的加載和卸載循環(huán)過程體積應(yīng)變

式中，σeff為有效應(yīng)力；σtotal為總有效總應(yīng)力；p為孔隙壓力；m與煤樣連通孔隙體積有關(guān)。

由于這種情況下的總應(yīng)力是施加的氣體壓力，p是孔隙氣體壓力，并且假設(shè)在應(yīng)變變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時達(dá)到外部氣體壓力的值，那么公式（8）可以寫成：

有效應(yīng)力可使用體積法計算中的模量（式（3））。根據(jù)體積應(yīng)變的測量值計算有效靜水壓應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)m的平均值為0.71。因此，公式（9）可改寫為：

3 結(jié)論

基質(zhì)收縮效應(yīng)是煤中解吸氣體的主要反應(yīng)，由于甲烷是最有可能發(fā)生解吸的氣體，因此解吸收縮相當(dāng)于應(yīng)力變化超過氣體壓力增量的2.5 倍。由于解吸基本上是氣體壓力降低的結(jié)果，并導(dǎo)致煤基質(zhì)內(nèi)的收縮，因此煤中會產(chǎn)生較大的應(yīng)變。這些應(yīng)變很可能在煤的強(qiáng)度特性中發(fā)揮重要作用。以氦氣測試的樣品為例，該樣品的有效應(yīng)力與施加壓力之間的常數(shù)m為0.71。該領(lǐng)域的進(jìn)一步工作可有助于確定從煤層中遷移出來的總吸附氣體的百分比，并與從破碎樣品中確定的總吸附氣體百分比相比。同時，觀察到應(yīng)變恢復(fù)變化率的差異，這將為測量煤基質(zhì)內(nèi)的相對應(yīng)力滲透性能提供一些可能性。