真三軸煤樣滲透率測定裝置及其應用研究

郝杰

摘 要：基于國內真三軸滲透率測定研究處于相對空白，本文自主研發了真三軸煤樣滲透率測定裝置，能夠模擬真實三向應力狀態下流體通過立方體煤樣孔隙的三維滲流行為，在此基礎上進行了真三軸應力條件下的煤樣滲透率試驗研究。試驗結果表明，煤樣滲透率的水平最大主應力與水平最小主應力敏感性存在明顯差異，且三向應力對煤樣三維滲透率的影響程度不同，進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。

關鍵詞：煤層氣；真三軸；三維；滲透率；敏感性

基于國內真三軸滲透率測定研究處于相對空白，本文自主研發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力狀態下流體通過立方體煤樣孔隙的滲流行為，并進行了真三軸應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、高壓密封艙、流體注入系統、數據采集分析系統等部分組成，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。

壓力加載系統由液壓系統、伺服式液壓缸、高壓膠管、承壓機架組成。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），能實現真實地應力場的三向差異化應力加載。

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，能實現最高70MPa的有效密封。

2 儀器應用研究

試驗所用煤樣取自沁水盆地南部晉城寺河礦區高階無煙煤，晉城寺河礦區含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，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10.8%。含煤地層由灰—深灰色砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰巖及煤層組成。制取棱長為100mm立方體煤樣15塊，標記層理面并分別編號。共進行5組試驗，每組試驗采用3塊煤樣進行重復性試驗，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號煤樣需用有機粘膠將底面封堵。把切割好的煤樣放入特制立方模具內用無機密封膠填充空余空間，在室溫下對煤樣各面的邊角處進行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，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 水平主應力敏感性試驗

試驗一測定1號、2號、3號煤樣在真三軸應力狀態下，不同水平最大主應力時煤樣X-X、Z-Z方向的滲流量，水平最大主應力σH設置為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，水平最小主應力σh和垂直應力σv設置為1MPa；試驗二測定4號、5號、6號煤樣在真三軸應力狀態下，不同水平最小主應力時煤樣X-X、Z-Z方向的滲流量，水平最小主應力σh設置為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，水平最大主應力σH設置為6MPa，垂直應力σv設置為1MPa。水平最大主應力位于Z-Z方向，水平最小主應力位于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“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。試驗結果如表1所示。

由圖4、圖5可知，在水平最大主應力或水平最小主應力的增壓過程中，滲流量的變化具有先“陡”后“緩”的特征，且垂直于水平應力增壓方向的滲流量降低幅度較大，平行于水平應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方向滲流量測試數據分別取平均值，如圖6所示，在真三軸地應力狀態下，水平最大主應力與水平最小主應力增壓過程中，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，說明水平最大主應力對煤樣滲透性的影響較大，而水平最小主應力的影響相對較小。從煤巖孔吼微觀結構入手，分析水平最大主應力與水平最小主應力對煤巖滲透性的影響存在差異的原因：在水平最大主應力作用下，煤巖內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，而在水平最小主應力增壓過程中，被壓縮變小的主要是煤巖內作為次要滲流通道的較小孔吼，因此水平最小主應力對煤巖滲透性的影響弱于水平最大主應力。

4 結語

自主研發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力狀態下的流體通過立方體煤樣的滲流特征，可實現不同三軸圍壓狀態下的一維、二維、三維滲透率測定或滲流機理試。

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

煤巖的三維滲透率隨應力的增大具有先“陡”后“緩”的特征。

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

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