煤巖力熱耦合滲流特性實驗裝置開發與應用

萬軍鳳，王 飛，王艷麗，王學武

（1.中國石油大學勝利學院 油氣工程學院，山東 東營257000；2.中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，山東 青島 266580）

煤巖滲透率作為反映瓦斯氣體滲流難易程度的重要指標[1]，是煤層氣開發的關鍵[2-3]；同時，煤巖滲透率還是開展煤與瓦斯突出防治研究等一系列礦山安全問題的切入點，這就決定煤巖滲流特性實驗成為了煤巖實驗測試的核心內容[4]。為研究煤巖的滲流特性，國內外學者進行了大量研究，取得了較多研究成果[5-13]，但研究的滲透率影響因素較單一，僅僅考慮加載應力、溫度、含水率、注氣壓力某一方面或幾個方面，未考慮各因素綜合作用時對瓦斯滲流規律的影響；對不同含水狀態的煤巖進行瓦斯滲流實驗時，缺少煤樣中流失水分的計量；不同的滲流實驗中夾持器下游出口壓力直接與大氣相通，這與煤礦現場實際情況不太相符。為此，在吸收目前同類滲流實驗裝置優點的基礎上，克服上述不足，設計開發了新的實驗裝置，該實驗裝置可較好地模擬煤儲層瓦斯滲流所處的環境，進行溫度、含水率、地應力及注氣壓力多因素耦合作用下的煤巖瓦斯滲流特性實驗，以模擬再現瓦斯運移過程，為更深層次地探索瓦斯滲流機制提供技術支持。

1 實驗裝置設計及核心技術

煤巖力熱耦合滲流特性實驗裝置結構圖如圖1。裝置主要由儲層環境模擬系統、氣體注入及調壓系統、回壓控制系統、氣水分離系統、氣體計量系統、數據監測采集系統等核心技術組成。

圖1 實驗裝置結構圖Fig.1 Experimental device structure diagram

核心技術如下：

1）儲層環境模擬系統。為模擬地質環境中不同埋深下的煤儲層壓力和溫度，專門設計了圓柱煤巖三軸夾持器，煤巖三軸夾持器如圖2。通過和手搖泵的配套使用，可對煤樣在軸向和側面圍向分別施加載荷，以模擬地下煤巖的受力狀態。軸向應力、圍向應力也可單獨調整控制，以實現不同應力下的非均衡受載實驗；可實現的軸向應力及圍向應力最高為40 MPa。儲層環境溫度的模擬主要由溫度控制單元來實現，溫度控制單元由RKC-CD901型的溫控器、電加熱帶、溫度傳感器等組成。電加熱帶包裹于夾持器腔體中間層部分，溫度傳感器探針則安裝在夾持器腔體上，保證了溫度檢測數據的可靠性。可對試件加熱的溫度范圍為室溫至150℃，夾持器的溫度控制精度為±0.5℃。圓柱煤巖三軸夾持器適用試件尺寸為φ50 mm×（50～100 mm）。

圖2 煤巖三軸夾持器Fig.2 Coal and rock triaxial gripper

2）氣體注入及調壓系統。氣體注入及調壓系統主要包括高純甲烷氣瓶、輸氣管路、減壓設備及互聯管閥等。實驗時，利用減壓設備調節供給煤巖三軸夾持器的上游氣體壓力，輸氣管路采用4 mm優質不銹鋼管線，耐壓性能良好，夾持器的下游出口壓力則由回壓控制系統調節控制，輸氣管線、壓力傳感器及進、出氣口的連接均采用雙卡套連接，密封可靠，保證了系統的氣密性。

3）回壓控制系統。為保證室內煤巖滲流特性實驗更接近煤礦現場實際，設計了回壓控制系統，回壓控制系統主要包括：氮氣氣瓶及氮氣氣瓶減壓器、回壓器、回壓器氣體壓力入口閥門、輸氣管路等。通過調節氮氣氣瓶供給回壓器的氣體壓力大小，可實現對夾持器下游出口壓力較精確控制。

4）氣水分離系統。滲流實驗時，考慮到煤樣中少量水分會被瓦斯氣體攜帶流出，在夾持器下游出口端設計了氣水分離系統，以獲取攜帶出的水分質量。氣水分離系統主要由集水瓶、精密分析天平及輸氣管路連接而成，該系統中的集水瓶內置硅膠，能夠充分吸收煤樣出口端隨瓦斯氣體帶出的水分，精密分析天平（精度≤0.01 g）的使用保證了水分測量的精確性。

5）氣體計量系統。氣體計量系統由高精度玻璃計量管、硅膠管，轉換接頭及管線連接而成。高精度玻璃計量管上刻繪有精度刻線，實驗過程中應根據不同滲透率的煤樣適時調整玻璃計量管的量程規格，以保證測量的精確性。

6）數據監測采集系統。系統可實現對實驗系統壓力、溫度等參數的實時采集與數據處理。

2 實驗概況

為驗證煤巖力熱耦合滲流特性實驗裝置的實驗功能及測試精度，對原煤煤樣在模擬煤儲層溫度的條件下，進行了加載應力、含水率和注氣壓力耦合作用下的瓦斯滲流特性實驗。

實驗煤樣采用沁水盆地鄭莊煤礦原煤煤樣，煤樣規格：φ50 mm×100 mm；由于煤巖主要氣體成分為甲烷，所以實驗氣體采用純濃度99.99%甲烷。設定實驗煤樣溫度為煤儲層溫度25℃，對干燥煤樣以及含水率分別為1.35%、2.58%、2.90%、3.51%的5種煤樣進行不同受載方式及注氣壓力下的瓦斯滲流特性實驗。滲流實驗方案見表1。

表1 滲流實驗方案Table 1 Seepage experiment schemes

實驗時，首先確保實驗設備氣密性良好，然后將實驗煤樣稱重，待將煤樣放入三軸夾持器后，給煤樣施加實驗方案中應力、溫度預定值，進而設置夾持器下游出口端的回壓值；再注氣，等煤樣吸附穩定6 h后，打開夾持器下游閥門，開始記錄實驗數據，實驗結束后，讀取電子天平顯示值的變化，得到實驗煤樣穩定滲流時的含水率，同時根據達西定律求出不同實驗條件下的煤樣滲透率。

3 實驗結果

實驗溫度恒定在25℃，注氣壓力1.0、1.5 MPa條件下，交替升高軸向應力、圍向應力，得到不同受載方式下煤樣滲透率與含水率變化曲線，煤樣滲透率與含水率關系曲線如圖3。煤樣滲透率與含水率關系擬合方程見表2。

圖3 煤樣滲透率與含水率關系曲線Fig.3 Relationship curves between permeability and water content

表2 煤樣滲透率與含水率關系擬合方程Table 2 Fitting equation of relation between permeability and water content

由圖3可知：煤樣滲透率對加載應力變化反應十分敏感，煤樣滲透率隨加載應力的增大而顯著減小，但加載應力增幅相同時，低加載應力條件下煤樣滲透率的下降幅度明顯大于高加載應力條件時。由圖3（a）可知，取含水率為1.35%的煤樣作為分析對象，當所施加的軸向應力、圍向應力從（2 MPa，2 MPa）變化到（4 MPa，4 MPa）時，煤樣滲透率由0.041×10-3μm2下降到0.019×10-3μm2，減少了0.022×10-3μm2；繼續進行煤樣加載實驗，即軸向應力、圍向應力再由（4 MPa，4 MPa）增加到（6 MPa，6 MPa）時，煤樣滲透率則減少了0.010 4×10-3μm2。這是由于煤體受載發生形變過程中，其變形及閉合難度越來越大所導致的結果。

由圖3和表2可知，恒定注氣壓力及受載方式下，煤樣滲透率隨含水率的增加逐漸減小，但減小趨勢變緩，兩者呈負相關關系。由圖3（b）可知，注氣壓力1.5 MPa條件下，軸向應力和圍向應力均為4 MPa時，煤樣含水率從0%依次增大至2.58%及3.51%，煤樣滲透率減少幅度則分別為50.89%、32.53%。顯然，水分的存在使得煤巖滲透率大幅下降，因煤具有較好的親水性，隨著煤樣含水率的增加，水會占據更多的煤巖孔隙空間；同時，水進入煤巖多孔介質時，水會優先占據大孔隙，微孔隙較難進入[14]，瓦斯滲流通道則越來越窄甚至完全閉合[15]，從而導致煤樣滲透率變小但減小趨勢變緩。

由表2推導出煤樣滲透率K與含水率w之間的一般關系式：

式中：A、B、C為擬合參數，A、C＞0，B＜0。

上述瓦斯滲流特性實驗在多因素耦合作用下開展，可較好地模擬煤層現場瓦斯滲流受多因素共同影響的實際情況。根據上述實驗結果：含水率的增大會導致煤樣滲透率降低，這從理論上論證了工程現場廣泛采用的煤層注水是降低煤與瓦斯突出危險性的有效措施之一。

在煤礦開采過程中，可通過現場的監測數據（煤層瓦斯壓力、含水率等），利用式（1），預測煤層的滲透率，進而推算瓦斯涌出量，從而及時調整礦井開采工作方案或者合理安排瓦斯抽放，這對于預防瓦斯突出事故具有重要的實際意義。

4結語

1）煤巖力熱耦合滲流特性實驗裝置能將實驗煤樣所受溫度場、應力場恢復到煤儲層原位溫度、應力狀態，利用該裝置進行的實驗能綜合反映加載應力、注氣壓力、溫度及含水率對滲透率的耦合作用，可較好地再現煤巖滲流動態過程。

2）隨加載應力的增大，煤巖基質受到壓縮，瓦斯滲流通道變窄，煤樣滲透率大幅下降，但加載應力增幅相同時，滲透率下降幅度明顯變小。在煤層氣井開發過程中，需要考慮應力變化對氣井產能的影響。

3）含水率是影響煤樣滲透率的重要因素，煤樣滲透率隨含水率的增加逐漸減小，但減小趨勢伴隨含水率的增大逐漸變緩，與含水率呈負相關關系。這從理論上論證了煤層注水是降低煤與瓦斯突出危險性的有效措施之一。

4）通過開展多因素綜合作用下的瓦斯滲流特性實驗研究，驗證了該裝置在功能上的多樣性及運行穩定性、可靠性。