煤層滲透性各向異性規律的實驗研究

趙宇張玉貴岳高偉周俊義

(1.河南理工大學土木工程學院，河南454000;2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南454000)

煤層滲透性各向異性規律的實驗研究

趙宇1張玉貴2岳高偉1周俊義2

(1.河南理工大學土木工程學院，河南454000;2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南454000)

煤儲層具有明顯的層理特征，而層理間割理裂隙破壞了煤體的連續性和整體性，從而導致煤層滲透率各向異性。針對這一特征，沿垂直煤層層理、平行層理垂直面割理和平行層理垂直端割理三個正交方向取芯，采用自主研發的煤巖三軸吸附解吸滲流試驗系統，在不同圍壓和氣體壓力下，對煤樣的面割理、端割理、垂直層理方向上的滲透率進行測試分析，結果表明:不同氣體壓力下，無論是割理方向還是垂直層理方向上滲透率均隨著圍壓增大而減小。在氣體壓力較低時，面割理方向的滲透率較大，氣體壓力對端割理方向和垂直層理方向滲透率影響不大。

滲透性 各向異性 煤儲層 層理 割理

煤儲層滲透率不僅是反映煤層瓦斯滲流特性及運移規律的重要物性參數，也是煤層氣開采、井下瓦斯抽放等重大工程中經常用到的重要參數之一。國內外學者從考慮孔裂隙發育規律、有效應力、溫度、水、吸附膨脹等因素對滲透率影響方面進行了大量的理論和實驗研究。近年來，隨著煤層瓦斯抽采力度不斷增大，煤層各項異性導致瓦斯滲透率方向性差異日益得到重視。Koenig和Stubbs(1986)對美國Warrior盆地煤層的滲透率測試表明，不同割理方向滲透率比高達17∶1;WANG Shugang (2011)，Huoyin Li(2004)等在不同層理、節理條件下進行滲透試驗，指出層理、節理構造對滲透和變形均有重要影響。國內學者黃學滿(2012)基于煤結構異性對瓦斯滲透特性的影響，分析了煤體中不同層理方向對瓦斯滲透影響的差異性;陳金剛等(2003)就煤層割理方向性與煤層抽采效果之間耦合關系進行了現場試驗，建立了煤層氣抽采效果預測模型。

雖然前人對煤層滲透率研究取得了一定有益成果，但主要集中于對煤層滲透率影響因素的研究，對于滲透率各向異性的研究相對較少，部分滲透率各向異性的研究也僅僅局限于平行和垂直層理兩個方向，而對于煤層在三軸作用下滲透率的差異性研究還并不多見。基于此，本文利用平煤八礦煤樣，采用自主研發的煤巖三軸滲流特性試驗系統，測試煤體在不同圍壓和瓦斯壓力下，吸附氣體后煤樣的面割理、端割理、垂直層理方向上的滲透率，對比分析煤體滲透率各向異性差異。

1實驗研究

1.1實驗裝置及煤樣制備

實驗采用河南理工大學瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室煤巖三軸滲流特性試驗系統(見圖1)，該系統可以測試不同煤巖類型煤樣，在三軸壓力和不同孔隙壓力下的吸附、解吸、滲流以及變形、聲學、電學等物性特征。該試驗系統主要由煤樣夾持器、應力加載系統、充氣系統、真空脫氣系統、溫度控制系統及數據采集系統組成。

實驗煤樣取自平煤八礦丁5－6煤層，煤種為1/3焦煤。丁5－6煤層位于下石盒子組上部五煤段下部，煤層厚0.31～3.84m，平均煤層厚度為1.75m。該煤層大部分可采穩定。煤體中層理面明顯，且存在正交的天然裂隙，連續性較弱的端割理的發育受限于連續性較強的面割理。考慮到煤樣制備過程中，成功率偏低，所以井下采集煤樣重點挑選邊長不小于200mm的原煤煤塊，實驗取樣利用KD－2新型巖芯鉆取機，按圖2中的X、Y、Z三個方向上取芯，X方向是平行層理沿面割理方向、Y方向是平行層理沿端割理方向、Z方向為垂直層理方向，取芯后用切割機將上下端面打磨光滑、平行，煤樣試件50mm×100mm，圖3所示。

圖1 煤巖三軸滲流特性試驗系統

圖2 煤體結構示意圖及取樣方向

圖3 鉆取試驗煤樣

1.2實驗方法

實驗過程按照《巖心分析方法(SY/T 5336—2006)》中的相關要求進行，基于實驗安全性的考慮，實驗室禁止進行甲烷滲流實驗，本實驗采用氮氣作為滲透介質。研究表明，煤層對氮氣的吸附能力低于甲烷氣體，因此用氮氣測得的煤巖滲透率要較甲烷測得滲透率稍高。

實驗按照以下步驟進行:(1)將鉆取好的煤樣及時放置于溫度為80℃的干燥箱內烘烤，使試件中的水分與原煤水分相當。(2)將密封保存的試樣裝入煤樣夾持器中，進行密封處理。(3)真空脫氣12h以上，排除其他氣體對試驗造成的影響。(4)調節恒溫裝置，使整個試驗過程處于20℃的恒溫環境中。(5)采用應力加載系統對煤樣加載至設定軸壓和圍壓。(6)對煤樣通入實驗氣體，待吸附壓力2小時之內變化小于0.01MPa，即認為氣體達到吸附平衡。(7)打開煤樣氣體出口端，直至氣體滲流達到穩定狀態，測定瓦斯滲透量。(8)更換其他煤樣，從步驟1開始重復以上步驟，直至完成所有煤樣的試驗。

2煤層各向異性滲透率測試結果及分析

實驗采用達西穩定流方法測定煤樣的滲透率，分別測定煤樣在不同吸附氣體壓力條件下穩態時的氣體流量，根據氣體通過煤樣的流量和煤樣進出口兩端的滲透壓力差等參數計算煤樣的平均滲透率k，其表達式為:

式中，Q為標準狀況下的氣體滲流量，cm3/s;p0為一個標準大氣壓，Pa;μ為瓦斯氣體動力粘度，Pa.s;L為煤樣試件長度，cm;p1，p2分別為煤樣滲透氣體進口、出口壓力，Pa;A為煤樣試件橫截面積，cm2。

不同氣體壓力下的測試結果如圖4a、b、c。可以看出，不同氣體壓力下，無論是割理方向還是垂直層理方向上滲透率均隨著圍壓增大而減小。對于面割理方向的滲透率，在氣體壓力較低(0.5MPa)時，滲透率較大，且隨圍壓增大迅速減小，而氣體壓力較大(1.0MPa、1.5MPa)時，滲透率較小，且變化不大;對于端割理方向的滲透率，氣體壓力較小(0.5MPa、1.0MPa)時，滲透率差別較小，而氣體壓力較大(1.5MPa)時，滲透率較小;對于垂直層理方向的滲透率，氣體壓力影響不大。

不同方向上滲透率的變化規律如圖5所示，在同一氣體壓力下，煤層割理方向上的滲透率均比垂直層理方向上滲透率大，尤其是面割理方向上滲透率比端割理方向、垂直層理方向滲透率大得多，在氣體壓力較低時尤為明顯(圖5a)，但氣體壓力較大時(圖5b、c)，雖然面割理方向滲透率變小，但相對端割理方向、垂直層理方向滲透率依然較大，只是差別降低。

圖4 氣體壓力對煤體不同方向滲透率影響

若用k1、k2和k3分別表示面割理方向滲透率、端割理方向滲透率和垂直層理方向滲透率，將面割理方向滲透率k1、端割理方向滲透率k2分別與垂直層理方向滲透率k3對比分析見圖6。可以看出，在氣體壓力較低時(0.5MPa)，面割理方向滲透率k1約為垂直層理方向滲透率k3的11倍，而當氣體壓力變大時(1.0MPa、1.5MPa)，面割理方向滲透率k1仍為垂直層理方向滲透率k3的2.6～3.5倍。端割理方向滲透率k2與垂直層理方向滲透率k3的比值受瓦斯壓力影響不大，其比值為1.4～2.0。

圖5 不同方向煤樣滲透率變化規律

3結論

(1)不同氣體壓力下，無論是割理方向還是垂直層理方向上滲透率均隨著圍壓增大而減小。

(2)在氣體壓力較低時，面割理方向的滲透率較大，且隨圍壓增大迅速減小，而氣體壓力較大時，隨氣壓增大，滲透率變化不大。氣體壓力較小時，端割理方向的滲透率差別較小;氣體壓力對垂直層理方向的滲透率影響不大。

圖6 不同方向煤樣滲透率對比

(3)在同一氣體壓力下，煤層面割理方向上的滲透率均比端割理方向、垂直層理方向滲透率大得多，在氣體壓力較低時尤為明顯，面割理方向滲透率約為垂直層理方向滲透率的11倍。當氣體壓力變大時，面割理方向滲透率為垂直層理方向滲透率的2.6～3.5倍。端割理方向滲透率為垂直層理方向滲透率為1.4～2.0倍。

(4)由于實驗測得平行層理垂直面割理方向滲透率明顯高于平行層理垂直端割理方向和垂直層理方向，故井下瓦斯抽采最好沿平行層理垂直面割理方向布置鉆孔。

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(責任編輯王一然)

Experimental Study on Anisotropic Permeability of Coal Seam

ZHAO Yu1，ZHNAG Yugui2，YUE Gaowei，ZHOU Junyi2
(1．School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000; 2．College of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000)

The coal permeability is the key parameter to study reservoir percolation characteristics，but coal seam has obvious characteristics of the bedding，and between the beddings the fractures destroy the coal body continuity and integrity，which leads to the characteristics of coal seam permeability anisotropy．According to the characteristics of reservoir，new core drillingmachine of KD-2 is used to core coal samples in three vertical directions of coal body in this paper，and the gas permeability，which is face cleats，butt cleats and vertical bedding direction of raw coal specimens，ismeasured under different gas pressure by coal and rock permeability testing system．The results show that under the same gas pressure，the gas permeability，not only cleat direction but vertical bedding direction，decreaseswith confining pressure increasing．When the gas pressure is lower，the permeability of face cleats is larger，but the gas pressure has little effect for the permeability in butt cleats and vertical bedding direction．

Permeability;anisotropy;coal seam;bedding;cleat

國家科技重大專項資助項目“全國重點煤礦區瓦斯(煤層氣)賦存規律和控制因素”(2011ZX05040－005)和河南省高等學校重點科研項目“受載含瓦斯煤體各向異性滲透特性試驗研究”(15A440013)聯合資助。

趙宇，男，講師，博士研究生，從事煤層氣儲層滲透性研究工作。