基于X-ray μCT掃描的煤孔隙瓦斯微觀滲流各向異性特征研究

車禹恒

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

煤體微觀孔隙空間結構如同煤體的DNA，控制著煤體的宏觀物理性質，對煤層瓦斯的賦存狀態和滲流特性起決定性作用，是揭示瓦斯微觀滲流機制的基礎。瓦斯微觀滲流機制的研究對非常規油氣資源開發、CO2地質封存和地下水文等工程研究具有深遠意義[1]。然而，現階段國內外關于瓦斯滲流機制的研究多集中于宏觀尺度，鮮有基于微觀尺度對瓦斯滲流機制進行研究[2]。隨著X-ray μCT掃描技術的發展，煤體微觀孔隙結構三維重建已成為該研究領域的熱點。如何將三維重構模型用于數值模擬是研究煤體內部瓦斯滲流規律的難點之一，也是巖石力學和煤層瓦斯動力學領域的熱點問題[3]。

呂兆興[4]通過對包括孔隙和裂隙在內的雙重多孔介質的三維逾滲數值計算，認為裂隙的存在能大大提高多孔介質逾滲概率；楊保華等[5-6]采用多場耦合有限元軟件COMSOL和三維處理軟件Avizo相結合的方法，對巖石堆浸散體孔隙內的溶液流速及壓力的分布規律進行了研究分析，得到介質的水傳導率；Bird等[8]對碳酸鹽孔隙空間的電流流動進行了模擬，并計算出樣品的滲透率及電氣形成因子；劉向君等[8]對砂巖的絕對滲透率和彈性參數進行了模擬，并將模擬結果和實測參數進行比對分析從而驗證了數值模擬的可靠性；王剛等[9-12]將編寫的Matlab程序與逆向工程技術相結合對孔隙模型進行了優化處理，并導入ANSYS軟件對煤層氣的流動進行模擬，同時通過計算得到了煤層氣的非達西滲流系數。

由于瓦斯在煤層中的滲流往往是沿不同方向流動，故研究煤孔隙內部瓦斯微觀滲流的各向異性特征顯得尤為重要。因此，筆者以鄂爾多斯盆地低階煤為研究對象，進行X-ray μCT掃描，重建煤孔隙微觀空間結構模型，采用COMSOL軟件對煤微觀孔隙REV單元內瓦斯單向和多向滲流進行數值模擬，研究煤孔隙瓦斯微觀滲流的各向異性特征，以期優化瓦斯抽采鉆孔、煤層氣井結構參數，提高煤層瓦斯抽采效率。

1 實驗樣品及過程

實驗煤樣分別為鄂爾多斯盆地西緣羊場灣礦褐煤(YCW)和鄂爾多斯盆地東緣斜溝礦氣煤(XG)，其埋深分別為607.5、109.9 m。樣品為5 mm×5 mm×10 mm 的長方體原煤，煤樣工業分析結果見表1。

表1 煤樣工業分析結果

實驗采用Nano Voxel-3000系列高分辨率X射線計算機斷層掃描儀。實驗過程中測試電壓為 120 kV，測試電流為50 μA，曝光時間為1 000 ms。采用局部掃描模式，分辨率為0.5 μm，掃描時間為 52 min。

2 煤孔隙瓦斯微觀滲流數值模擬

2.1 微觀孔隙結構網格劃分

通過提取REV單元[13-14]內最大連通孔隙團空間結構模型進行瓦斯微觀滲流數值模擬，采用Geomagic和ANSYS ICEM軟件對孔隙團重構模型進行逆向優化和網格劃分，重構單元尺寸為5 μm×5 μm×5 μm[15-16]。重構的煤微觀孔隙網絡模型(PNM)及網格劃分結果(Mesh)如圖1所示。

(a)YCW褐煤

2.2 數值模擬方案及邊界條件

采用COMSOL軟件進行瓦斯微觀滲流數值模擬，研究不同方向上的單向和多向滲流規律。單向滲流指的是瓦斯僅向一個方向滲流，而其他方向不流通。多向滲流指的是瓦斯從REV單元的1個表面流入，從其他5個表面流出。

設置參數如下：入口壓力分別為0.3、0.5、1.0、1.4 MPa，壓力梯度分別為4×1010、8×1010、18×1010、26×1010Pa/m，瓦斯密度為0.717 kg/m3，動力黏度為1.150 2×10-5Pa·s，溫度為293 K。所有出口邊界條件都設為壓力出口，壓力為0.1 MPa；入口邊界設為壓力入口。不流通的REV表面設置為自由滑移壁面，孔隙壁面設置為無滑移壁面。采用組合ILU預處理技術與廣義最小殘差算法GMRES穩態求解器進行方程組求解[17]。

3 煤微觀孔隙瓦斯單向滲流各向異性特征

3.1 孔隙壓力

REV單元孔隙壓力分布云圖如圖2所示。從微觀角度可知，瓦斯沿各方向均存在滲流優勢；從孔隙壓力沿滲流方向的變化可知，孔喉尺寸僅是壓力變化幅度的1個影響因素；影響更大的是孔隙在不同方向的連通程度，在某一方向連通性越強，連通孔隙越多，則孔隙壓力變化越大，這是瓦斯滲流方向存在優勢的根本原因。

(a)YCW褐煤

不同滲流方向上截面平均孔隙壓力隨滲透距離的變化曲線如圖3所示。

(a)YCW褐煤

分析圖3可知，在固定的壓力梯度下，孔隙壓力隨滲透距離增加總體降低，但在內部，不同孔隙結構的局部變化規律存在差異。YCW褐煤孔隙壓力變化的線性程度更高，孔隙壓力受結構擾動影響較小；XG氣煤各方向瓦斯微觀滲流更為復雜。其原因在于低階變質程度煤中，孔隙壓力只在某一個方向或某一段滲流長度內發生波動，但都存在滲流穩定的優勢方向。

3.2 滲流速率

不同滲流方向的流線圖如下頁圖4所示。由圖4可知，YCW褐煤瓦斯沿x方向的流線更加彎曲、稀疏，且局部流速較大;瓦斯沿z方向的流線更加順直、密集，瓦斯滲流更為暢通。XG氣煤沿z方向流線明顯最為稀疏，彎曲程度更高，流線存在多處截斷，不利于瓦斯滲流。

不同滲流方向截面平均滲流速率隨滲透距離的變化曲線如下頁圖5所示。分析圖5可知，同一樣品在不同方向的瓦斯滲流速率變化規律差別很大。YCW褐煤中，z方向瓦斯滲流速率最高，僅在16 m/s左右范圍內小幅度波動，因此該方向瓦斯滲流最穩定；在y方向上，當滲透距離超過2 μm時，滲流速率由12.25 m/s增至17.73 m/s，增幅達44.73%，這主要是孔喉尺寸突然減小所致。

(a)YCW褐煤

(a)YCW褐煤

XG氣煤中，x方向滲流速率緩慢降低，y方向滲流速率在2.5 μm處突然升高，并在4 μm處達到峰值8.01 m/s。

3.3 滲透率

為了直觀對比瓦斯單向滲流的優勢方向，將各方向的絕對滲透率進行統計，結果如圖6所示。

圖6 不同方向瓦斯滲透率對比

由圖6可知，YCW褐煤在z方向上的滲透率最高，為0.64×10-3μm2；XG氣煤在x、y方向的滲透率差別不大，分別為0.22×10-3、0.23×10-3μm2，遠高于z方向的滲透率，因此這兩個方向都可視其為瓦斯滲流的優勢方向。

4 煤微觀孔隙瓦斯多向滲流特征

瓦斯在煤體中的實際滲流不僅僅沿某一方向進行，而會在壓力梯度的作用下沿各個方向滲流。由于孔隙系統內部具有較強的各向異性，單元內各出口流量差異較大，瓦斯滲流對方向表現出極大的選擇性。

在REV單元3個方向上以等距取11個截面，計算不同滲透距離下瓦斯滲流速率平均值，得到瓦斯多向滲流速率隨滲透距離的變化關系曲線，如圖7所示。

(a)YCW褐煤

由圖7可知，在與滲流入口垂直的主滲流方向上，滲流速率逐漸降低，在出口處幾乎降至0。表明在瓦斯多向滲流過程中，入口流入的瓦斯優先從主滲流方向四周的出口流出，因此越靠近主滲流方向出口，滲流速率越低。該現象充分體現出瓦斯在孔隙系統內滲流的多向選擇性。

由圖7(a)可知，在YCW褐煤中，當瓦斯從-x表面流入時，在z=0.5 μm處瓦斯滲流速率最大，高達11.61 m/s;y=4 μm處也存在峰值6.69 m/s。當-y為滲流入口時，x方向滲流速率起伏上升，表現出一定的傾向性，在x=3 μm處峰值最大，為11.22 m/s。當-z為滲流入口時，x方向2個出口表面流速都較低，但在中部存在2個較高的峰值，分別為14.02、11.11 m/s；y方向各截面流速變化較小，基本穩定在8 m/s左右。

由圖7(b)可知，在XG氣煤中，當瓦斯從-x表面流入時，在z方向1.5 μm處，滲流速率優先上升至峰值5.27 m/s。從-y表面流入時，x方向滲流速率逐漸降低；在z方向2 μm處滲流速率達到峰值6.00 m/s。從-z表面流入時，x方向滲流速率逐漸降低，在y方向2.5 μm處，滲流速率達到峰值 1.97 m/s。

將各個出口表面的體積流量占總流量的比值繪制成雷達圖，如圖8所示(圖中刻度標值表示體積流量所占比例)。

(a)YCW褐煤

由圖8(a)可知，在YCW褐煤中，當-x作為滲流入口時，+y方向為優勢滲流方向，流量所占比例為41.89%；當-y作為滲流入口時，+x方向為優勢滲流方向，流量所占比例為44.22%；當-z作為滲流入口時，-y方向為優勢滲流方向，流量所占比例為38.43%。

由圖8(b)可知，XG氣煤中，當-y或-z作為滲流入口時，優勢滲流方向均為+x，流量所占比例分別為66.66%、41.56%；當-x作為滲流入口時，優勢滲流方向則為-y，流量所占比例為51.67%。

通過比較分析，在研究尺度范圍內，不同的微觀孔隙系統對瓦斯滲流方向的影響都具有一定傾向性，這些傾向性使瓦斯在煤層滲流的宏觀表現均存在明確的方向性，對于瓦斯抽采鉆孔、煤層氣井布置參數的優化具有指導作用。

5 結論

1)從微觀角度分析，瓦斯單向和多向滲流均存在優勢滲流方向。孔喉連通程度是壓力變化幅度的重要影響因素，是瓦斯優勢滲流方向存在的根本原因。低階變質程度煤中，孔隙壓力只在某一個方向或某一段滲流長度內發生波動。

2)單向瓦斯滲流過程中，羊場灣(YCW)褐煤在z方向上的滲透率最高，最高值為0.64×10-3μm2；斜溝(XG)氣煤中，y方向上的滲透率最高，最高值為0.23×10-3μm2。

3)多向瓦斯滲流過程中，羊場灣褐煤中，+y、+x、-y方向均為優勢滲流方向，流量所占比例分別為41.89%、44.22%、38.43%；斜溝氣煤中，-y、+x為優勢滲流方向，流量所占比例分別為51.67%、66.66%、41.56%。