王相龍,潘結(jié)南,王 凱,李建新, 程南南,李 猛

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454000;2. 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

煤儲(chǔ)層孔、裂隙特征控制著煤層氣的吸附解吸、擴(kuò)散與滲流等過程[1-3],而儲(chǔ)層滲透率是煤層氣地面開發(fā)的重要指標(biāo),同時(shí)也是井下瓦斯抽采與災(zāi)害防治的重要參數(shù)[4-5]。我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層多受構(gòu)造應(yīng)力作用改造,煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變形與破壞,形成各種類型構(gòu)造煤。通常構(gòu)造煤(尤其是強(qiáng)構(gòu)造變形煤)儲(chǔ)層含氣量高但透氣性差,且發(fā)育結(jié)構(gòu)復(fù)雜的孔、裂隙系統(tǒng)。因此,有必要針對(duì)構(gòu)造煤的孔裂隙結(jié)構(gòu)特征與滲透性的關(guān)系開展研究。

構(gòu)造變形煤與原生結(jié)構(gòu)煤相比,其經(jīng)歷了復(fù)雜的變質(zhì)變形過程,導(dǎo)致瓦斯賦存與運(yùn)移條件發(fā)生改變[6]。近些年來,眾多學(xué)者對(duì)構(gòu)造煤中孔裂隙及其滲透性特征進(jìn)行了大量研究[7-19]。姜波等[7]系統(tǒng)地論述了構(gòu)造煤的變形特征、物理化學(xué)結(jié)構(gòu)及其瓦斯吸附特征,為煤與瓦斯突出預(yù)防與煤層氣開采提供了理論指導(dǎo)。學(xué)者們普遍認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力作用會(huì)使煤體抗壓強(qiáng)度降低[8],煤中孔、裂隙體積[9]與比表面積增加[10],分形維數(shù)減小[11]。但原位地應(yīng)力下,由于儲(chǔ)層地應(yīng)力集中與壓實(shí)作用,構(gòu)造煤孔隙度小、含水性差,煤層氣幾乎全部以吸附狀態(tài)賦存[12],且超量煤層氣可能賦存于超微孔中[13]。此外,構(gòu)造應(yīng)力作用會(huì)使煤大分子結(jié)構(gòu)官能團(tuán)發(fā)生脫落、重排和縮聚等現(xiàn)象,并改造孔隙結(jié)構(gòu)分布從而影響煤體吸附瓦斯能力[14],同時(shí)構(gòu)造應(yīng)力還可促進(jìn)煤化進(jìn)程[15]。

在滲透性特征方面,構(gòu)造煤的滲透性與原生結(jié)構(gòu)煤存在差異。隨著有效應(yīng)力的增加,滲透率呈減小的趨勢(shì)[16],而應(yīng)力加卸載過程中,構(gòu)造煤滲透率的損失要大于原生結(jié)構(gòu)煤,構(gòu)造煤滲透率對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)更加明顯[12]。根據(jù)CHENG 等[17]研究,弱構(gòu)造變形煤中發(fā)育連通良好的微裂隙,具有較高的滲透率,而在糜棱煤中,連通的孔裂隙結(jié)構(gòu)遭到破壞,滲透率降低和滲透率損傷率提高。相反,在ZHAI等[18]研究中,構(gòu)造煤孔、裂隙發(fā)育,氣體滲流通道明顯通暢,相比于原生結(jié)構(gòu)煤的滲透率大,但從野外資料和井下瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)可以清楚地看出,構(gòu)造煤儲(chǔ)層的透氣性低于完整煤層,與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相悖。這可能是因?yàn)闃?gòu)造煤原位條件下的孔、裂隙結(jié)構(gòu)與室內(nèi)條件下構(gòu)造煤實(shí)驗(yàn)樣品存在較大差異的緣故。由此可見構(gòu)造煤制樣與滲透率準(zhǔn)確測(cè)試是仍然一個(gè)難點(diǎn)問題。

同時(shí),在有效應(yīng)力加卸載過程中不同變形程度構(gòu)造煤中裂隙結(jié)構(gòu)特征及對(duì)滲透性的控制機(jī)制還有待進(jìn)一步揭示。因此,進(jìn)行構(gòu)造煤中裂隙特征(分布、發(fā)育、結(jié)構(gòu)和形態(tài))的精確識(shí)別與定量表征,深入探討構(gòu)造煤裂隙特征對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響與控制作用,將有助于全面認(rèn)識(shí)構(gòu)造煤儲(chǔ)層復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)中氣體滲流規(guī)律,為煤層氣勘探開發(fā)與瓦斯防治提供一些理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品采自山西省沁水盆地胡底礦3號(hào)煤層和河南省平煤十三礦已17煤層,其中樣品HD01與PM01(偏向原生結(jié)構(gòu)煤)的堅(jiān)固性系數(shù)分別為1.19和0.81,為弱構(gòu)造變形煤。而樣品HD02與PM02的堅(jiān)固性系數(shù)分別為0.22和0.13,為強(qiáng)構(gòu)造變形煤。煤巖顯微組分信息見表1。

對(duì)強(qiáng)構(gòu)造變形煤進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)和滲流特性的試驗(yàn)研究,柱狀煤樣的制作是首要難題。弱構(gòu)造變形煤樣品HD01和PM01可沿著垂直層理方向取心,煤心直徑為25 mm,長(zhǎng)為27 mm。而強(qiáng)構(gòu)造變形煤煤體強(qiáng)度低,松散且易變形,難以直接取心。因此,筆者采用冷膠法將強(qiáng)構(gòu)造變形煤HD02和PM02進(jìn)行密封,真空飽水1 h后,用環(huán)氧樹脂將煤樣密封在直徑為25 mm,長(zhǎng)為40 mm的柱狀模具中,靜置24 h后,將模具去下,成型的柱狀樣品可用于CT掃描與滲透率測(cè)試。

表1 煤巖顯微組分與工業(yè)分析信息

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用掃描電鏡和CT掃描對(duì)構(gòu)造變形煤中裂隙的二維-三維特征進(jìn)行綜合表征,同時(shí)開展三軸滲透實(shí)驗(yàn)對(duì)其滲透性進(jìn)行分析。

1.2.1 CT掃描實(shí)驗(yàn)

CT掃描實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為Phoenix v |tome |x m微焦點(diǎn)CT系統(tǒng)(美國(guó),General Electric Company)。該系統(tǒng)最大電壓/功率為300 kV/500 W,三維幾何放大倍率為1.3～100倍,細(xì)節(jié)檢測(cè)能力為2 μm,能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種樣品微觀結(jié)構(gòu)的掃描。對(duì)樣品進(jìn)行80 ℃,24 h烘干后進(jìn)行掃描,同時(shí)采用Phoenix datos |x CT軟件對(duì)整個(gè)CT流程鏈進(jìn)行全自動(dòng)分析處理,有效減少了操作時(shí)間和人為因素影響,極大提高了CT結(jié)果的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性。每個(gè)樣品得到1 853張分辨率為14.57 μm的CT二維切片。

數(shù)字圖像處理是煤中孔裂隙的精確識(shí)別與提取的前提。數(shù)字圖像處理包括圖像裁剪、灰度調(diào)節(jié)、濾波處理、閾值分割和三維重構(gòu)。采用高性能計(jì)算機(jī)硬件配置,包括高性能圖形顯卡和雙路處理器以及384 G四通道內(nèi)存,并利用ImageJ,VG Studio和Avizo等軟件對(duì)煤樣二維切片進(jìn)行處理,如圖1所示。數(shù)字圖像處理中最為重要的是濾波處理和閾值分割模塊。采用非局部均值濾波消除圖像點(diǎn)噪聲[19],圖像降噪后煤裂隙與基質(zhì)邊界變得自然。閾值分割采用分水嶺算法,它是一種基于拓?fù)淅碚摰臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分割方法,對(duì)弱邊緣具有較好的識(shí)別能力[20]。

圖1 CT掃描中數(shù)字圖像處理過程Fig.1 Digital image processing process of CT scan

1.2.2 三軸滲透實(shí)驗(yàn)

三軸滲透實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)為TC-3非常規(guī)天然氣巖-氣多過程耦合綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(中國(guó),江蘇拓創(chuàng))。設(shè)備主要部件有:注氣系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、軸壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、出口計(jì)量系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。該儀器參數(shù)電源為380 V,溫控為常溫-150 ℃,測(cè)試加載圍壓為0～40 MPa,測(cè)試加載軸壓為0～40 MPa,滲透率測(cè)試范圍為0.000 1×10-15～10×10-15m2?？蓪?shí)現(xiàn)樣品在應(yīng)力、溫度加載下的滲透性演化多場(chǎng)耦合過程。

實(shí)驗(yàn)氣體采用氦氣,進(jìn)口恒定氣壓為1 MPa,軸壓恒定為4 MPa,圍壓初始為1 MPa,然后將圍壓逐級(jí)加壓至2、3、4、5、6、7、8、9和10 MPa,隨后將圍壓進(jìn)行逐級(jí)卸載至1 MPa,測(cè)試溫度為25℃,逐級(jí)加載和卸載過程中對(duì)滲透率進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)氣體達(dá)西定律,將煤樣的長(zhǎng)度、橫截面積、流量等參數(shù)代入式(1)求得滲透率為

(1)

式中,K為煤樣的氣體滲透率,10-15m2;Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,101 325 Pa;μ為氦氣的氣體黏度,mPa·s;Q為氣體的流速,mL/s;L為煤樣的長(zhǎng)度,cm;A為煤樣的橫截面積,cm2;P1為氣體的進(jìn)口壓力,MPa;P2為氣體的出口壓力,MPa。

2 掃描電鏡與CT掃描分析孔裂隙特征

2.1 裂隙二維平面形態(tài)特征

煤是一種具有較強(qiáng)非均質(zhì)性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔材料[21],其表面孔裂隙的形態(tài)特征可直接利用掃描電鏡觀測(cè),同時(shí)與CT掃描二維切片進(jìn)行對(duì)比研究,如圖2所示。

圖2 孔裂隙二維表面特征Fig.2 2-D surface characteristics of pore-fractures

弱構(gòu)造變形煤HD01(圖2(a))煤樣表面光滑,發(fā)育形態(tài)簡(jiǎn)單且迂曲度小的裂隙;而強(qiáng)構(gòu)造變形煤HD02(圖2(c))發(fā)育形態(tài)復(fù)雜的裂隙,且表面多成隆起形成凸面,表面附著許多煤顆粒且粗糙,這些顆粒接觸不緊密進(jìn)而造成許多空隙結(jié)構(gòu)的存在。CT二維切片明顯呈現(xiàn)3種灰度,其中亮色代表煤中礦物,灰色代表基質(zhì),而黑色則代表為裂隙,反應(yīng)出煤的強(qiáng)非均質(zhì)性。弱構(gòu)造變形煤CT切片中(圖2(b))有大量礦物存在,其中包括原生礦物和充填裂隙的礦物。在強(qiáng)構(gòu)造變形煤中(圖2(d))礦物和裂隙形態(tài)和分布極為復(fù)雜,表明構(gòu)造揉皺作用明顯,使基質(zhì)、裂隙和礦物條帶均發(fā)生扭曲變形。

2.2 裂隙三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征

CT二維切片經(jīng)過一系列的圖像處理后,煤中的裂隙得以準(zhǔn)確的提取出來,圖3為裂隙的三維可視化。弱構(gòu)造變形煤中可見尺寸較大的平板狀裂隙,而強(qiáng)構(gòu)造變形煤中多數(shù)為尺寸小的裂隙團(tuán)簇,定量分析的裂隙開度、體積等數(shù)據(jù)見表2。

圖3 孔裂隙三維可視化Fig.3 3-D visualization of pore-fractures

利用Avizo軟件提取與計(jì)算不同開度裂隙占裂隙總體積的比例,即為不同開度裂隙的體積貢獻(xiàn),如圖4所示。樣品HD01中開度為600～700 μm的裂隙體積貢獻(xiàn)最大,占41.8%;樣品HD02中開度為300～400 μm的裂隙體積貢獻(xiàn)最大,占28.9%;樣品PM01中開度為250～300 μm的裂隙體積貢獻(xiàn)最大,占36.3%;樣品PM02中開度為400～500 μm的裂隙體積貢獻(xiàn)最大,占39.2%。弱構(gòu)造變形煤HD01體積貢獻(xiàn)主要為大裂隙,PM01中裂隙則幾乎不發(fā)育。而強(qiáng)構(gòu)造變形煤HD02和PM02中微裂隙和大裂隙同時(shí)有較大的體積貢獻(xiàn)。

2.3 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型特征分析

首先使用軟件Avizo中Separate Objects模塊將裂隙空間分隔成一組連接和標(biāo)記的球體,然后軟件擴(kuò)展模塊Avizo XPoreNetworkModeling Extension中Generate Pore Network Model命令來建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,然后將其可視化,孔隙的顏色按照體積的大小生成,而喉道的顏色按照等效半徑劃分,生成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

表2 CT掃描裂隙的基礎(chǔ)參數(shù)

圖4 不同開度裂隙的體積貢獻(xiàn)Fig.4 Volume contribution of fractures with different aperture

孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中主要包括孔隙、喉道及其連接模式等參數(shù)。圖6(a)為孔隙半徑頻率分布,可看出4個(gè)樣品孔隙半徑分布均不同,其中高煤階構(gòu)造變形煤(HD01和HD02)孔隙半徑分布較廣,而中煤階構(gòu)造變形煤(PM01和PM02)孔隙半徑集中分布于0～50 μm。同時(shí)高煤階弱構(gòu)造變形煤HD01中有多組峰的出現(xiàn),連接模式復(fù)雜。圖6(b)為喉道半徑分布,高煤階構(gòu)造變形煤(HD01和HD02)喉道半徑分布廣,裂隙連通性較好。中煤階強(qiáng)構(gòu)造變形煤PM02喉道半徑多出現(xiàn)接近于0的谷值,表明了部分喉道的缺失,連通強(qiáng)度較差或是裂隙在小范圍內(nèi)連通。此外,孔裂隙的連通性可由配位數(shù)分析,即每個(gè)孔隙與其他孔隙連接的個(gè)數(shù)。圖6(c)配位數(shù)分布,配位數(shù)最大為26,配位數(shù)在1～5內(nèi)的孔隙構(gòu)成了樣品主體,其中高煤階弱構(gòu)造變形煤HD01存在多孔隙連通的情況,而中煤階弱構(gòu)造變形煤PM01中有相當(dāng)一部分孔隙為末端孔隙,即配位數(shù)為1的孔隙。

煤層滲透率受煤中裂隙的開度、間距、連接強(qiáng)度、連通性以及礦物充填程度和方向等多因素控制[22]。本研究使用26連通作為連通性準(zhǔn)則,即物體之間連接的方式可以是點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸任意一種,三維連通性評(píng)價(jià)公式[23-24]為

(2)

其中,C為連通性;V′為連通裂隙體積;V為樣品體積。而裂隙的連接強(qiáng)度用孔隙-喉道半徑之比來表示,即

(3)

圖5 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Pore network model

圖6 孔隙半徑、喉道半徑和配位數(shù)頻率分布Fig.6 Distribution of pore radius,throat radius and coordination number

其中,Rpt為孔喉比;lp為孔隙半徑;lt為喉道半徑。Rpt≥1,孔喉比越大,表明其連接強(qiáng)度越弱,孔喉比越小,表明孔隙的連接強(qiáng)度越強(qiáng)。

樣品中裂隙的連通性與孔喉比見表3,高煤階煤連通性好于中煤階煤,而強(qiáng)構(gòu)造變形煤連通性大于弱構(gòu)造變形煤。在連接強(qiáng)度方面,強(qiáng)構(gòu)造變形煤的孔喉比均小于弱構(gòu)造變形煤,表明此尺度下強(qiáng)構(gòu)造變形煤的裂隙連接強(qiáng)度強(qiáng)于弱構(gòu)造變形煤。

表3 連通性與孔喉比

3 構(gòu)造煤滲透率及其主控因素分析

3.1 加卸載有效應(yīng)力下滲透率特征

本研究應(yīng)用平均有效應(yīng)力來描述煤層的地應(yīng)力與其存在于孔裂隙的流體壓力之差[25]:

(4)

式中,σe為平均有效應(yīng)力,MPa;σa為軸壓,MPa;σr為圍壓,MPa。

本實(shí)驗(yàn)初始條件軸壓為4 MPa,圍壓為1 MPa,氦氣壓力進(jìn)口壓力為1 MPa,出口壓力為0.1 MPa。圖7為加卸載有效應(yīng)力條件下滲透率變化。由圖7可知,隨著有效應(yīng)力的逐級(jí)加載,所有煤巖樣品的滲透率均減小,而當(dāng)有效應(yīng)力逐級(jí)卸載時(shí),所有煤巖樣品的滲透率均又增大。滲透率與有效應(yīng)力之間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系,其擬合方程為

y=A1e-tσe

(5)

式中,y為滲透率,10-15m2;A1為常數(shù);t為有效應(yīng)力敏感系數(shù),MPa-1。

從圖7中的煤巖樣品滲透率變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),強(qiáng)構(gòu)造變形煤和弱構(gòu)造變形煤滲透率變化均分為3個(gè)階段:即有效應(yīng)力在1.57～2.90 MPa,滲透率隨有效應(yīng)力的增加明顯呈快速下降趨勢(shì);在有效應(yīng)力2.9～4.9 MPa,滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈較快下降趨勢(shì);而4.9～6.9 MPa,滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈緩慢下降趨勢(shì)。

為分析不同變形程度構(gòu)造煤本身特性與其滲透率的關(guān)系,引入了滲透率損失率和不可逆滲透率損失率[26]:

圖7 加卸載有效應(yīng)力條件下滲透率變化Fig.7 Permeability variation under load andrelief effective stress

(6)

式中,Dmax為煤巖樣品的滲透率損失率;K1為初始有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滲透率,10-15m2;Kmin為在有效應(yīng)力加載上升過程中最后一個(gè)應(yīng)力點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的滲透率,10-15m2。

滲透率損失率反應(yīng)了煤巖樣品在有效應(yīng)力加載過程中滲透率損失的占比,而不可逆滲透率損失率反應(yīng)了煤巖樣品在有效應(yīng)力加載后又卸載的滲透率的損傷[26]:

(7)

式中,Dk為煤巖樣品的不可逆滲透率損失率;K1為初始有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滲透率,10-15m2;K′1為當(dāng)有效應(yīng)力在加載又卸載到初始有效應(yīng)力后所對(duì)應(yīng)的滲透率,10-15m2。

表4為4個(gè)樣品的滲透率損失率和不可逆滲透率損失率,由表4可知,樣品的滲透率損失率分布在61.06%～95.98%,而不可逆滲透率損失率分布在22.83%～52.56%。其中HD01煤樣的滲透率損失率和不可逆滲透率損失率均略大于HD02煤;而PM01與PM02總體裂隙度較低且滲透率偏低,滲透率損失率和不可逆滲透率損失率表現(xiàn)出較為復(fù)雜的特征,這可能與受多種因素綜合影響有關(guān),例如裂隙連通性、基質(zhì)組分差異與礦物含量等。

表4 滲透率損失率和不可逆滲透率損失率

3.2 裂隙特征對(duì)滲透性控制作用

煤是一種復(fù)雜且非均質(zhì)性強(qiáng)的多孔介質(zhì),煤中孔、裂隙是煤儲(chǔ)層滲透率大小的直接控制因素,具體包括裂隙開度、數(shù)量與體積,裂隙連通性與連接強(qiáng)度,以及礦物充填程度等。圖8為煤樣實(shí)測(cè)滲透率與裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,由圖8可知,煤樣的滲透率與裂隙的開度、裂隙連通性均呈正相關(guān)關(guān)系,而與孔喉比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí),滲透率與孔裂隙體積和數(shù)量也呈正相關(guān)關(guān)系。其中,裂隙的連通性直接決定了流體可流動(dòng)的通道,裂隙的孔喉比表現(xiàn)了流體流過通道連接處的難易程度,而裂隙的開度對(duì)滲透率大小影響最為顯著。此外,裂隙中充填的礦物與裂隙壁粗糙程度會(huì)降低煤儲(chǔ)層滲透率。值得注意的是,本文中強(qiáng)構(gòu)造變形煤滲透率大于弱構(gòu)造變形煤,是由于在此尺度下強(qiáng)構(gòu)造變形煤的微裂隙發(fā)育,平均開度、連通性和連接強(qiáng)度均強(qiáng)于弱構(gòu)造變形煤。

3.3 基于CT掃描裂隙參數(shù)的滲透率模型

3.3.1 模型推導(dǎo)

煤體滲透特征主要由裂隙控制,流體主要在裂隙空間中做層流流動(dòng),假設(shè)煤體中連通裂隙空間由若干個(gè)圓柱形管組成,聯(lián)立式(2)樣品中裂隙連通性,可得到圓柱形管的數(shù)量n可表達(dá)為

(8)

其中,wav為裂隙的平均開度,L為裂隙長(zhǎng)度。流體在水平圓柱形管中做層流運(yùn)動(dòng)時(shí),可由泊肅葉定律得到單個(gè)裂隙的流量q[27]:

(9)

其中,ΔP為孔隙兩端壓差。聯(lián)立式(8)、(9)可計(jì)算出裂隙的總流量Q為

(10)

由達(dá)西定律變形后裂隙的滲透率表達(dá)為

(11)

將式(10)代入式(11)可計(jì)算出裂隙滲透率為

(12)

同時(shí),考慮到多孔介質(zhì)中孔裂隙形態(tài)復(fù)雜且表面粗糙,對(duì)流體流動(dòng)存在負(fù)面影響,因此引入裂隙的分形維數(shù)、與裂隙度,其關(guān)系表達(dá)式[28-29]為

(13)

(14)

其中,φ為裂隙度;D為分形維數(shù);wmin、wmax為裂隙的最小和最大度?？紤]到裂隙通道兩壁的粗糙度時(shí),需引入,相對(duì)粗糙度[30]為

(15)

其中,σ為裂隙通道的相對(duì)粗糙度;h為絕對(duì)粗糙度,因此裂隙的平均有效開度則變?yōu)閣av-2h。聯(lián)立式(12)～(15)可得到煤體裂隙的有效平均開度與滲透率,裂隙的開度、連通性、連接強(qiáng)度、粗糙度以及分形維數(shù)與滲透率可表達(dá)為

(16)

考慮到裂隙分形維數(shù)與裂隙度則表達(dá)為

(17)

由式(17)可看出,滲透率與連通性和裂隙開度呈正相關(guān)關(guān)系,而與裂隙粗糙度和裂隙分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3.2 模型驗(yàn)證

由式(12)可看出,煤樣滲透率與裂隙連通性呈正相關(guān)關(guān)系,裂隙連通性直接決定了滲透率的大小;同時(shí)裂隙的開度對(duì)滲透率影響顯著,滲透率與開度呈二次方正相關(guān)關(guān)系。通過對(duì)煤樣加卸載有效應(yīng)力下滲透率實(shí)驗(yàn),可得到滲透率與有效應(yīng)力的擬合關(guān)系,擬合公式如圖7所示。當(dāng)有效應(yīng)力為零時(shí)代入擬合公式中即可求出煤樣在無受載情況下的滲透率。將CT掃描樣品的裂隙度、連通性、最大開度與分形維數(shù)代入模型中求得預(yù)測(cè)滲透率,分別為0.002 8×10-15、0.287 5×10-15、0.000 8×10-15和0.008 7×10-15m2,見表5。模型預(yù)測(cè)滲透率均大于實(shí)測(cè)滲透率,裂隙粗糙度對(duì)滲透率具有負(fù)面影響。樣品的滲透率模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)滲透率誤差分別為3.57%、2.02%、50.00%和5.75%。由于樣品PM01中幾乎無裂隙發(fā)育且連通性差,當(dāng)?shù)刃檫B通的管狀裂隙時(shí)預(yù)測(cè)的滲透率相差較大,其余誤差均較小,驗(yàn)證了本文中基于CT掃描滲透率模型的準(zhǔn)確性與適用性。

表5 滲透率模型參數(shù)及與實(shí)測(cè)誤差

4 結(jié) 論

(1)利用掃描電鏡和CT切片觀測(cè)了樣品二維表面特征,弱構(gòu)造變形煤表面發(fā)育形態(tài)簡(jiǎn)單的裂隙,強(qiáng)構(gòu)造變形煤表面多成隆起形成凸面,表面附著煤顆粒且粗糙,裂隙形態(tài)復(fù)雜。

(2)利用CT圖像處理技術(shù)定量分析孔裂隙三維結(jié)構(gòu)特征,結(jié)果表明,在微米尺度下弱構(gòu)造變形煤體積貢獻(xiàn)主要為大裂隙,而強(qiáng)構(gòu)造變形煤中微裂隙有較大體積貢獻(xiàn)。在微米尺度下高煤階連通性好于中煤階,強(qiáng)構(gòu)造變形煤連通性大于弱構(gòu)造變形煤,連接強(qiáng)度也強(qiáng)于弱構(gòu)造變形煤。

(3)構(gòu)造煤滲透率均隨有效應(yīng)力增大均呈負(fù)指數(shù)下降趨勢(shì)。多因素控制了煤儲(chǔ)層滲透率,包括孔隙體積,裂隙開度、數(shù)量、體積、連通性與連接強(qiáng)度,其中開度影響最為顯著。此外,結(jié)合CT掃描裂隙參數(shù)建立了滲透率模型,并驗(yàn)證了在此尺度下的準(zhǔn)確性和適用性。