彭守建,賈 立,許 江,郭世超
(重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)
根據(jù)國家能源局發(fā)布《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》,云南、貴州、四川、重慶等是國家煤層群開發(fā)的重要推動(dòng)區(qū)[1-7]。然而,西南地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件的顯著特點(diǎn)是:不同巖性在垂向上頻繁交替,多煤層普遍發(fā)育且含氣量高,在垂向上常形成疊置煤層氣系統(tǒng),系統(tǒng)間相互干擾,嚴(yán)重影響了煤層氣的開發(fā)[8]。針對疊置煤層氣系統(tǒng)地質(zhì)特點(diǎn)和開發(fā)方式,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究[9-11]。也有學(xué)者指出,由于疊置煤層氣系統(tǒng)間流體能量差異大,采用多層合采會(huì)導(dǎo)致較大能量系統(tǒng)的流體倒灌進(jìn)入低能量系統(tǒng),抑制甚至屏蔽其流體流向井筒,造成各煤層產(chǎn)能貢獻(xiàn)不均[12-13]。為此,諸多學(xué)者又圍繞疊置煤層氣系統(tǒng)開采制度優(yōu)化開展了一系列研究[14-22]。目前,針對疊置煤層氣系統(tǒng),主要通過研究開采中的開采量、產(chǎn)能貢獻(xiàn)以及開采效率來分析開采效果,且把開采制度優(yōu)化被視為研究熱點(diǎn)。然而,煤層的滲透率是直接反映煤層中氣、水等流體滲透性的重要參數(shù),決定了煤層氣的運(yùn)移和產(chǎn)出,前期關(guān)于滲透率的研究大多集中在單一煤層[23-24],盡管對疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采具有一定的借鑒和參考價(jià)值,但由于成藏特征、流動(dòng)機(jī)理和開采規(guī)律方面的差異,難以完全照搬引用。為此,筆者利用自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置[18],開展疊置煤層氣系統(tǒng)合采物理模擬實(shí)驗(yàn),分析合采過程中的煤層滲透率動(dòng)態(tài)演化及其影響因素,為提高疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開采效率提供新思路和新方法。
疊置煤層氣系統(tǒng)合采物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
試件箱體內(nèi)部有效尺寸為1 050 mm×400 mm×400 mm。在箱體底部安裝有4個(gè)可分別獨(dú)立控制的充氣通道,即可將箱體內(nèi)部劃分為4個(gè)獨(dú)立煤層,每個(gè)煤層的有效尺寸為262.5 mm×400 mm×400 mm(圖1(b))。每個(gè)煤層內(nèi)部分別安裝水平井眼,井眼外徑為18 mm、內(nèi)徑為6.4 mm、總長度為330 mm,其中右側(cè)160 mm段的四周設(shè)計(jì)有透氣小孔,左側(cè)170 mm段為不透氣的可變形軟管,以防止加載過程被折斷(圖1(d))。為了準(zhǔn)確監(jiān)測煤層氣開采量,每個(gè)煤層出口端并聯(lián)了200,10 L/min兩種規(guī)格的流量計(jì),在開采初期使用大量程流量計(jì),當(dāng)流量下降至一定程度時(shí)切換使用小量程流量計(jì)(圖1(c))。在Z方向設(shè)計(jì)有1個(gè)加壓壓桿,在X,Y方向分別設(shè)計(jì)有4個(gè)加壓壓桿,壓桿之間相互獨(dú)立,可通過伺服加載系統(tǒng)編程對其單獨(dú)或編組操控,實(shí)現(xiàn)疊置煤層真三軸應(yīng)力加載。

圖1 疊置煤層氣系統(tǒng)合采物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Physical simulation test device for joint production of superimposed CBM system
該裝置可開展不同儲(chǔ)層壓力、不同儲(chǔ)層地應(yīng)力和不同開采制度等條件下的多層疊置煤層氣開采,同時(shí)具有以下明顯優(yōu)勢:① 4層儲(chǔ)層可通過相互獨(dú)立的加壓壓桿實(shí)現(xiàn)真三軸應(yīng)力加載;② 不同儲(chǔ)層之間可鋪設(shè)相似材料,能更加真實(shí)地模擬現(xiàn)場疊置煤層賦存狀態(tài);③ 試件箱體內(nèi)部有效尺寸大,能降低邊界效應(yīng)的影響。
選取貴州省金佳煤礦煤樣為研究對象。筆者所在課題組[25-26]前期已經(jīng)對煤層氣開采實(shí)驗(yàn)所需相似材料的粒徑配比、成型壓力、成型時(shí)間以及黏結(jié)劑含量等因素開展了詳細(xì)研究,最終基于最大密度曲線理論和致密填充理論確定了最優(yōu)配比方案(表1);對于疊置煤層,相鄰煤層之間需要一種密封隔絕材料,相似材料的配比主要以其強(qiáng)度及滲透率作為參考依據(jù),且應(yīng)遵循以下原則:相似材料滲透率極低,且強(qiáng)度應(yīng)保證不高于型煤,以達(dá)到能隔絕氣體同時(shí)還能保證應(yīng)力傳遞的目的,配比見表2。

表2 密封隔絕層相似材料配比方案(含水率10%)Table 2 Proportion scheme for similar materials of sealed insulation layer(Moisture content is 10%) %
根據(jù)配比方案,將模擬煤層、密封隔絕層相似材料制成φ50 mm×100 mm的試件,利用自主研制的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置[27]測定其力學(xué)及滲透特性。由圖2可知,密封隔絕層相似材料強(qiáng)度約為模擬煤層的一半,實(shí)驗(yàn)過程中未測得氣體流量,即滲透率接近0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,黃泥一方面具有較低的強(qiáng)度,能夠保證隔層材料可順利傳遞相鄰煤層應(yīng)力,同時(shí)不會(huì)影響垂向方向不同區(qū)域的應(yīng)力加載,另一方面隔層材料具有極低的滲透率,能有效隔絕相鄰煤層氣體的竄流,符合真實(shí)的疊置煤層氣儲(chǔ)層系統(tǒng)特點(diǎn)。

圖2 煤巖力學(xué)與滲透特性分析Fig.2 Analysis of mechanics and permeability of coal and rock
首先,地應(yīng)力設(shè)置。由于相鄰煤層間距較小,為了保證在地應(yīng)力加載過程中不破壞密封隔層,在4個(gè)煤層相同方向設(shè)置相同大小的地應(yīng)力。其中,最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力分別為5.0,4.0,3.0 MPa。
其次,對于不同煤層初始儲(chǔ)層(氣體)壓力,則以1.0 MPa為基準(zhǔn),以0.4 MPa初始?jí)毫Σ钸M(jìn)行遞增,即Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ號(hào)煤層的初始儲(chǔ)層壓力分別為1.0,1.4,1.8,2.2 MPa,同時(shí)合采井筒回壓設(shè)置為0.2 MPa(圖1(e)),以模擬合采井筒套壓(表3)。

表3 模擬實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Scheme of simulation experiment
實(shí)驗(yàn)步驟:① 打開真空泵對疊置煤層抽真空;② 依次打開4個(gè)煤層進(jìn)氣口閥門進(jìn)行周期性充氣吸附,吸附時(shí)間為48 h[18,25-26](煤層壓力達(dá)到吸附平衡);③ 調(diào)節(jié)回壓閥為0.2 MPa,以模擬合層開采井筒套壓;④ 同時(shí)打開4個(gè)出氣口閥門,使得4層煤層同步產(chǎn)氣;⑤ 結(jié)束實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行其他組實(shí)驗(yàn)。

圖3 疊置煤層布置與應(yīng)力加載Fig.3 Arrange superposed coal seam and stress loading
在模擬合采過程中,滲透率不能通過傳感器直接監(jiān)測采集,需要一些假設(shè)和模型間接計(jì)算。學(xué)者們針對不同的邊界條件,提出了一系列滲透率計(jì)算模型。此次實(shí)驗(yàn)處在三軸應(yīng)力條件下,因此本文滲透率模型構(gòu)建參考基于三軸應(yīng)力條件建立的滲透率模型[28],并加入了滲透率有效應(yīng)力和基質(zhì)收縮效應(yīng):

(1)


表4 滲透率模型參數(shù)取值Table 4 Parameter values of permeability model
為了分析滲透率隨時(shí)間的演化規(guī)律,在每個(gè)煤層相同空間位置處選擇3條滲透率演化曲線(圖4(a)~(d))。不同測點(diǎn)的演化規(guī)律類似。以Ⅰ號(hào)煤層k/k0(5)為例:開采0 min時(shí)刻,k/k0(5)=1,即煤層動(dòng)態(tài)滲透率k等于初始儲(chǔ)層滲透率k0;隨著開采的進(jìn)行,k漸漸大于k0,即k/k0(5)>1,當(dāng)開采至0.5 min時(shí)刻,比值達(dá)到最大,k/k0(5)=1.030;隨后k開始下降,131 min時(shí)下降至最小值,k/k0(5)=0.946;接著k又開始回升,開采結(jié)束時(shí)k/k0(5)=0.950。對于Ⅱ號(hào)煤層的k/k0(15),開采0.2 min時(shí)上升至最大值,k/k0(15)=1.002,隨后k開始下降,184 min時(shí)下降至最小值,k/k0(15)=0.867;隨著開采的進(jìn)行,k又開始回升,開采結(jié)束時(shí)k/k0(15)=0.870。對比觀察Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)煤層的k/k0(25)和k/k0(35)曲線可以發(fā)現(xiàn),在開采瞬間k便開始下降,Ⅲ,Ⅳ號(hào)煤層滲透率分別在196,213 min時(shí)下降至最小值,對應(yīng)的k/k0(25),k/k0(35)分別為0.777,0.689;隨后,k同樣出現(xiàn)回升,開采結(jié)束時(shí)為0.780,0.690。

圖4 煤層滲透率的時(shí)空演化規(guī)律Fig.4 Spatial-temporal evolution of coal seam permeability
在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ號(hào)煤層中分別選取k/k0(1),k/k0(11),k/k0(21),k/k0(31),進(jìn)一步對比分析4個(gè)煤層的滲透率差異(圖4(e))。可以發(fā)現(xiàn):4個(gè)煤層滲透率曲線的斜率在開采初期變化差異大,至中、后期時(shí)曲線接近線性變化,開采結(jié)束時(shí)k/k0(1)>k/k0(11)>k/k0(21)>k/k0(31)。
為了定量分析合采過程中高儲(chǔ)層壓力煤層對低儲(chǔ)層壓力煤層滲透率的干擾,定義了滲透率差異系數(shù)D,表征較低初始儲(chǔ)層壓力煤層相對最大初始儲(chǔ)層壓力煤層(Ⅳ號(hào)煤層)的滲透率增幅:

(2)
式中,Dj為j號(hào)煤層相對Ⅳ號(hào)煤層的滲透率差異系數(shù),%,差異系數(shù)值越大,表明層間干擾程度越大,反之則越小。
由于各測點(diǎn)的差異系數(shù)演化規(guī)律大致相似,故Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ號(hào)煤層僅選取D(1),D(11),D(21)加以說明(圖4(f))。可見,在疊置煤層氣系統(tǒng)合采過程中,差異系數(shù)處于動(dòng)態(tài)變化之中,合采前期變化顯著,中、后期曲線無明顯變化,D(1),D(11),D(21)分別于開采125,49,31 min時(shí)刻后接近線性變化,至開采結(jié)束時(shí)分別為37.5%,26.5%和13.6%,此進(jìn)一步反映了Ⅰ號(hào)煤層受干擾程度最大,被干擾時(shí)間最長,其次是Ⅱ號(hào)煤層,而Ⅲ號(hào)煤層相對較小。
綜上,疊置煤層氣系統(tǒng)合采過程中,煤層滲透率變化曲線大致可以分為兩類:一類以滲透率先上升后下降再上升為特征,以Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)煤層為代表;另一類以先下降后上升為特征,以Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)煤層為代表。原因在于:在疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過程中,4個(gè)煤層同時(shí)開采且共享1個(gè)開采井筒,導(dǎo)致高儲(chǔ)層壓力煤層的流體倒灌進(jìn)入低儲(chǔ)層壓力煤層,抑制甚至屏蔽低儲(chǔ)層壓力煤層產(chǎn)氣,打破了低儲(chǔ)層壓力煤層的吸附解吸平衡,致使煤層有效應(yīng)力增加、煤體溫度上升和煤體發(fā)生膨脹變形;隨著開采的進(jìn)行,低儲(chǔ)層壓力煤層恢復(fù)產(chǎn)氣,之后煤層有效應(yīng)力、煤體溫度和煤體變形相互耦合共同影響滲透率演化規(guī)律(后述)。
合采過程中外部地應(yīng)力保持恒定,根據(jù)采集到的各煤層進(jìn)出口動(dòng)態(tài)氣壓值,基于袁梅對有效應(yīng)力的研究[30],換算出開采中的有效應(yīng)力變化值:

(3)
式中,σ,σ1和σ2分別為煤層有效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力,MPa;pin和pout分別為煤層進(jìn)氣口和出氣口壓力,MPa。
結(jié)合分析圖5(a),(c)可知,Ⅰ號(hào)煤層開采中的有效應(yīng)力與滲透率呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化,兩者存在較好的對應(yīng)關(guān)系。開采0 min時(shí)刻對應(yīng)點(diǎn)A,B點(diǎn)對應(yīng)有效應(yīng)力最小值3.11 MPa,AB段展示出有效應(yīng)力減小,滲透率增加;C點(diǎn)對應(yīng)滲透率最大值,k/k0(5)=1.03,BC段表明有效應(yīng)力增加,滲透率也增加;至C點(diǎn)后,隨著有效應(yīng)力的增加,滲透率逐漸減小,減小到最小值時(shí)滲透率出現(xiàn)反彈,反彈幅值約為0.004 2 MPa。
同樣,在開采Ⅱ號(hào)煤層過程中,滲透率隨有效應(yīng)力亦呈現(xiàn)階段性變化特征(圖5(b),(d))。開采0 min時(shí)刻點(diǎn),隨著開采的進(jìn)行,AB段表現(xiàn)出有效應(yīng)力增大,滲透率減小,而BC段則是有效應(yīng)力減小,滲透率增大;CD段呈現(xiàn)出有效應(yīng)力增大,滲透率也增大;至D點(diǎn)后,隨著有效應(yīng)力的增加,滲透率逐漸減小;當(dāng)開采結(jié)束時(shí),滲透率同樣地出現(xiàn)反彈,反彈幅值約為0.003 1 MPa。
對比觀察Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)煤層有效應(yīng)力與滲透率耦合關(guān)系(圖5(e),(f)),隨著有效應(yīng)力的增加,滲透率比值始終小于1。其曲線變化規(guī)律呈現(xiàn)2個(gè)階段變化,第1階段是以有效應(yīng)力增加而滲透率減小為特征,第2階段是以有效應(yīng)力增加而滲透率增大為特征,至開采結(jié)束滲透率反彈幅值分別為0.002 9 MPa和0.001 5 MPa。

圖5 有效應(yīng)力與滲透率的耦合關(guān)系Fig.5 Coupling relationship between effective stress and permeability
綜上所述,在疊置煤層氣系統(tǒng)合采初期,Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)煤層的滲透率隨有效應(yīng)力呈階段性變化特征,Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)煤層則是隨著有效應(yīng)力增加,滲透率逐漸減小;開采至后期時(shí),各煤層滲透率均出現(xiàn)反彈現(xiàn)象,且煤層初始有效應(yīng)力越大,滲透率反彈值越大。分析認(rèn)為:在合采初期,高儲(chǔ)層壓力煤層的氣體在壓力梯度的驅(qū)使下快速運(yùn)移出煤層,使得高儲(chǔ)層壓力煤層有效應(yīng)力增加,而有效應(yīng)力的增加壓縮了煤層內(nèi)部的孔隙和裂隙,導(dǎo)致氣體運(yùn)移通道收縮甚至閉合,表現(xiàn)為滲透率的降低;而高儲(chǔ)層壓力煤層的氣體倒灌進(jìn)入了低儲(chǔ)層壓力煤層,使得儲(chǔ)層壓力增大,有效應(yīng)力減小,煤體溫度升高(見2.3節(jié)),煤體發(fā)生膨脹變形。
這3方面因素相互之間形成競爭關(guān)系,共同影響著低壓力煤層滲透率變化,當(dāng)?shù)蛢?chǔ)層壓力煤層恢復(fù)壓降傳遞時(shí),使得儲(chǔ)層壓力減小,而有效應(yīng)力增大,進(jìn)而導(dǎo)致滲透率減小,且儲(chǔ)層壓力越低的煤層,開采中有效應(yīng)力影響程度越小,而煤體溫度和煤體應(yīng)變影響程度越明顯,因此煤層初始有效應(yīng)力越大,滲透率反彈值越大。
前文分析了有效應(yīng)力與煤儲(chǔ)層滲透率的耦合關(guān)系,而煤層氣合采過程中滲透率演化規(guī)律還與煤體溫度變化有關(guān),本節(jié)對此進(jìn)一步分析。
結(jié)合圖6(a),(b)可知,Ⅰ號(hào)煤層開采中的溫度與滲透率變化存在較好的對應(yīng)關(guān)系。A點(diǎn)為開采0 min時(shí)刻點(diǎn),隨著開采的進(jìn)行,高儲(chǔ)層壓力煤層的氣體倒灌進(jìn)入Ⅰ號(hào)煤層,增加了Ⅰ號(hào)煤層游離氣含量,持續(xù)倒灌的氣體加劇了儲(chǔ)層中氣體分子的流動(dòng)與碰撞,致使煤體溫度升高并發(fā)生熱膨脹,而結(jié)合2.2節(jié)分析可知,此時(shí)有效應(yīng)力減小,最終導(dǎo)致滲透率增大,對應(yīng)AB段,即此階段受有效應(yīng)力與溫度共同影響,其中有效應(yīng)力起主控作用。當(dāng)開采進(jìn)入BC段時(shí),倒灌的氣體開始運(yùn)移出煤層,游離氣含量減少,溫度開始下降,而滲透率的變化具有滯后性,所以仍保持著微小增加趨勢。當(dāng)開采進(jìn)入CA段,煤體溫度基本維持不變,而滲透率急速下降,說明此階段影響滲透率變化的主導(dǎo)因素是有效應(yīng)力(結(jié)合2.2節(jié)分析)。至A點(diǎn)后,吸附氣開始解吸,溫度開始降低,滲透率逐漸減小。開采后期滲透率出現(xiàn)回彈,至開采結(jié)束時(shí)溫度下降量為5.87 ℃、滲透率比回彈幅值為0.004 2。

圖6 煤體溫度與滲透率的耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship between coal temperature and permeability
觀察Ⅱ,Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)煤層的溫度與滲透率耦合關(guān)系(圖6(c)~(f))不難發(fā)現(xiàn),溫度與滲透率同樣具有較好對應(yīng)關(guān)系,滲透率比隨著溫度的降低而減小,且在開采初期各煤層均存在一個(gè)AB階段,使得滲透率急速下降,而溫度基本保持不變,即此階段的滲透率變化影響因素由有效應(yīng)力主導(dǎo);開采后期都會(huì)出現(xiàn)滲透率回彈現(xiàn)象,至開采結(jié)束時(shí)Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ號(hào)煤層的最終溫度下降量和滲透率比回彈幅值分別為7.02,7.18,10.61 ℃和0.87,0.78,0.69。
前文已論述了有效應(yīng)力、煤體溫度與滲透率間的耦合關(guān)系,本節(jié)進(jìn)一步研究煤體體積應(yīng)變與滲透率的耦合關(guān)系。觀察圖7可知,煤層氣合層開采過程中煤體的變形會(huì)影響煤層滲透率演化。
如圖7(a),(c),Ⅰ號(hào)煤層A點(diǎn)為開采0 min時(shí)刻點(diǎn),在開采瞬間滲透率急劇上升至峰值點(diǎn)B(0,1.03),隨后又直線式下降至點(diǎn)C(0,0.98),即在BC段開采期間,滲透率演化主要受控于煤體溫度和有效應(yīng)力起主導(dǎo)作用,不受煤體變形的影響;至C點(diǎn)后,煤體變形逐漸增加,滲透率非線性下降,之后出現(xiàn)回彈現(xiàn)象,回彈幅值為0.004 2,當(dāng)開采結(jié)束時(shí)對應(yīng)點(diǎn)D(1.76,0.95)。

圖7 煤體應(yīng)變與滲透率的耦合關(guān)系Fig.7 Coupling relationship between coal strain and permeability
Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ號(hào)煤層的煤體變形與滲透率耦合關(guān)系與Ⅰ號(hào)煤層相似,皆具有階段性變化特征,即存在線性變化階段和非線性變化階段(圖7(b),(d)~(f)),在線性變化階段,煤體不發(fā)生變形,滲透率演化主要受煤體溫度和有效應(yīng)力控制,進(jìn)入非線性變化階段后,煤體發(fā)生變形,滲透率非線性下降,隨著變形量逐漸增大,滲透率呈現(xiàn)回彈現(xiàn)象,且變形量越小,滲透率回彈幅值越大。
(1)在初始儲(chǔ)層壓力分別為1.0,1.4,1.8,2.2 MPa條件下,開展了4層疊置煤層氣系統(tǒng)合采物理模擬實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)滲透率變化曲線可以分為兩類:一類為滲透率先上升后下降再上升,發(fā)生在初始?xì)怏w壓力較低的煤層;另一類為先下降后上升,在初始?xì)怏w壓力較高時(shí)出現(xiàn)這種情況。
(2)定義了滲透率差異系數(shù)D來定量表征合采過程中的層間干擾。差異系數(shù)在合采初期變化顯著,中、后期變化不明顯,開采結(jié)束時(shí)Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ號(hào)煤層相對于Ⅳ號(hào)煤層的差異系數(shù)分別為37.5%,26.5%和13.6%,表明合采過程中高儲(chǔ)層壓力煤層的氣體倒灌進(jìn)入了低儲(chǔ)層壓力煤層,抑制了低儲(chǔ)層壓力煤層產(chǎn)氣,初期干擾現(xiàn)象顯著,中、后期不明顯,且初始?xì)怏w壓力越低,受干擾程度越大。
(3)4個(gè)煤層的滲透率演化皆呈階段性變化特征,說明煤層有效應(yīng)力、煤體溫度和煤體變形相互耦合共同影響著滲透率演化規(guī)律,且不同初始?xì)怏w壓力煤層受影響程度各不相同。對于初始?xì)怏w壓力最高的Ⅳ號(hào)煤層,開采初期以有效應(yīng)力影響為主,而煤體溫度和煤體應(yīng)變分別在滲透率比下降至0.87和0.75時(shí)才開始對滲透率演化產(chǎn)生作用。