煤體吸附變形對(duì)3 種氣體滲透率演化的影響

周銀波，李曉麗，李晗晟，王佳樂，毛淑星，王世杰

（1.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作 454150；3.鄭州工業(yè)技師學(xué)院，河南鄭州 451150；4.河南工程學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，河南鄭州 451191）

滲透率是用于衡量瓦斯抽采的重要參數(shù)，研究不同因素對(duì)滲透率的影響特征，有助于認(rèn)識(shí)煤層中氣體流動(dòng)的機(jī)理[1-4]。煤體滲透率的影響因素眾多，如氣體種類、煤巖性質(zhì)等，大量研究認(rèn)為煤體滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[5-7]。煤體是一種特殊的有機(jī)巖體，在應(yīng)力和氣體吸附影響下，煤基質(zhì)發(fā)生變形，導(dǎo)致煤體內(nèi)氣體流動(dòng)的孔隙結(jié)構(gòu)改變[8-9]。Levine等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤體吸附甲烷后體積膨脹量與氣體壓力呈類似Langmuir 的關(guān)系。在考慮吸附變形和應(yīng)力變形的基礎(chǔ)上，大量與滲透率有關(guān)的試驗(yàn)得到開展。吳雙等[11]基于力學(xué)形變理論，計(jì)算并分析了滲透率與軸向應(yīng)力的響應(yīng)關(guān)系，討論了孔隙壓縮系數(shù)對(duì)滲透率的影響；劉帥帥等[12]分析了有效應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率各向異性的影響特征，認(rèn)為煤基質(zhì)裂隙壓縮是控制滲透率變化的主控因素；李祥春等[13]研究了不同壓力下煤體滲透率的變化規(guī)律，認(rèn)為低壓條件下煤巖膨脹變形為主導(dǎo)因素，高壓條件下有效應(yīng)力為主導(dǎo)因素；劉超等[14]采用循環(huán)加載試驗(yàn)深入分析了復(fù)雜應(yīng)力路徑對(duì)煤體滲透率的影響特征。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，部分學(xué)者綜合考慮了吸附形變和有效應(yīng)力形變，建立了更加科學(xué)的滲透率理論模型，并討論了氣體吸附和滲透率之間的關(guān)系。LU 等[15]認(rèn)為煤體吸附形變量并未全部參與影響滲透率，引入修正系數(shù)f 來修正基質(zhì)體形變對(duì)滲透率的影響；李波波等[16]建立了煤基質(zhì)膨脹變形、溫度和氣體壓力影響下的滲透率耦合模型，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)也探討了基質(zhì)體變形對(duì)滲透率的影響。綜上所述，采用三軸滲流試驗(yàn)裝置，開展了不同吸附能力的氣體（氦氣、氮?dú)夂投趸迹┰诿后w中的滲流試驗(yàn)，研究了同一煤樣中不同氣體和氣壓條件下滲透率的變化規(guī)律，進(jìn)一步分析了3 種氣體在不同有效應(yīng)力下滲透率與氣體壓力之間的關(guān)系，最終討論了氣體吸附對(duì)煤體壓縮系數(shù)和滲透率損害率的影響。以期能夠深入認(rèn)識(shí)氣體吸附對(duì)煤體滲透率演化的控制機(jī)制。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

煤樣取自山西省沁城煤礦井下無煙煤，煤樣水分1.39%，灰分11.38%，揮發(fā)分7.59%，固定碳為81.97%，真密度1.47 cm3/g。自井下采用保鮮膜包裹送至試驗(yàn)室鉆取柱狀標(biāo)準(zhǔn)煤樣（50 mm×100 mm），打磨光滑。三軸滲流試驗(yàn)裝置如圖1。煤樣軸壓采用伺服壓力機(jī)控制，圍壓采用平流泵注水施加（最大10 MPa），通過軸壓和圍壓的精準(zhǔn)控制滿足試驗(yàn)應(yīng)力所需的要求。煤樣夾持器采用304 不銹鋼加工而成，配合耐壓耐腐蝕的氟橡膠套筒保證煤樣的密閉性。

圖1 三軸滲流試驗(yàn)裝置Fig.1 Triaxial seepage experimental device

1.2 試驗(yàn)方法

為研究氣體吸附作用對(duì)煤體滲透率的影響特征，開展了不同氣體在同一煤樣中滲透率隨氣體壓力的變化試驗(yàn)，以及不同氣壓下滲透率隨有效應(yīng)力的演化試驗(yàn)。采用氦氣作為對(duì)照氣體，測(cè)試氮?dú)夂投趸荚跇?biāo)準(zhǔn)煤樣中的滲流規(guī)律。

1）將煤樣置于真空干燥箱內(nèi)恒溫60 ℃干燥48 h，去除水分的影響，通過煤樣夾持器將煤樣與氟橡膠套筒緊密結(jié)合。

2）試驗(yàn)開始前，采用真空泵對(duì)試驗(yàn)裝置抽真空12 h，排除裝置內(nèi)空氣；而后通入測(cè)試氣體開始滲流試驗(yàn)，為保證吸附穩(wěn)定，每個(gè)測(cè)試壓力點(diǎn)的氣體吸附時(shí)間設(shè)置為6 h。

在同一煤樣的試驗(yàn)中為減弱氣體吸附中不可逆的形變對(duì)后續(xù)氣體滲流試驗(yàn)的影響，根據(jù)氣體的吸附能力將氣體的試驗(yàn)順序設(shè)置為氦氣、氮?dú)夂投趸?。每種氣體滲流試驗(yàn)結(jié)束后，抽真空后開始下一氣體的滲流試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同氣體在同一煤樣中的滲流試驗(yàn)

為對(duì)比不同吸附能力氣體在同一煤樣中的滲透率差異，將煤體軸壓和圍壓設(shè)置為6 MPa（靜水壓），測(cè)試不同氣體壓力下氦氣、氮?dú)夂投趸細(xì)怏w的滲透率，3 種氣體在煤體中的吸附能力依次為：氦氣>氮?dú)?二氧化碳。試驗(yàn)中氦氣、氮?dú)夂投趸紲y(cè)試最大壓力分別為4.98、5.00、3.84 MPa，3 種氣體在同一煤樣中的滲透率如圖2。試驗(yàn)結(jié)果顯示：氣體壓力相近時(shí)，3 種氣體滲透率大小依次為氦氣、氮?dú)夂投趸迹缓夂偷獨(dú)獾臐B透率隨著氣體壓力的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，而在測(cè)試范圍內(nèi)二氧化碳?xì)怏w滲透率則逐漸下降。

圖2 3 種氣體在同一煤樣中的滲透率Fig.2 Permeability of three gases in the same coal sample

氣體吸附和應(yīng)力的變化，造成煤體孔隙的孔徑改變。在應(yīng)力恒定條件下，氣體壓力升高，煤體吸附量增大導(dǎo)致煤基質(zhì)膨脹孔隙收縮，同時(shí)也降低了煤體的有效應(yīng)力，煤基質(zhì)應(yīng)力變形減弱孔隙擴(kuò)張，氣體吸附和有效應(yīng)力存在競(jìng)爭關(guān)系。吸附性氣體滲流試驗(yàn)初期，煤基質(zhì)膨脹能力較強(qiáng)，氣體吸附造成的孔隙收縮量強(qiáng)于有效應(yīng)力造成的孔隙擴(kuò)張能力。隨著氣體壓力繼續(xù)升高，煤體膨脹逐漸穩(wěn)定，而有效應(yīng)力持續(xù)降低，此時(shí)，氣體吸附導(dǎo)致的孔隙收縮則弱于有效應(yīng)力導(dǎo)致的孔隙擴(kuò)張。因而，氮?dú)鉂B透率呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。煤體吸附二氧化碳的能力是氦氣和氮?dú)獾臄?shù)倍，同時(shí)煤基質(zhì)也將出現(xiàn)較大幅度的吸附變形，試驗(yàn)中氣體壓力受限，在試驗(yàn)周期內(nèi)氣體吸附導(dǎo)致的孔隙收縮一直強(qiáng)于有效應(yīng)力降低導(dǎo)致的孔隙擴(kuò)張，二氧化碳的滲透率持續(xù)下降。現(xiàn)煤體屬于低透氣性儲(chǔ)層，氣體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所測(cè)滲透率高于其本質(zhì)滲透率，這一特征稱為Klinkenberg 效應(yīng)，該特征在低氣壓條件下尤為顯著。一般認(rèn)為氦氣屬于不吸附性氣體，但在試驗(yàn)初期滲透率仍出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由Klinkenberg 效應(yīng)所致。隨著氦氣壓力的不斷升高，氣體分子自由程不斷下降，Klinkenberg 效應(yīng)也將逐漸弱化，因而在試驗(yàn)后期氦氣滲透率在有效應(yīng)力影響下不斷升高。雖然氮?dú)夂投趸荚诘蛪弘A段也將存在Klinkenberg 效應(yīng)，但被氣體吸附導(dǎo)致的孔隙收縮所掩蓋。

煤層氣開采過程中，為了提高煤層氣體采收率，向煤層中注入惰性氣體提高煤層氣產(chǎn)量成為常用技術(shù)。注氣過程中由于氣體吸附能力具有一定差異性，特別是注二氧化碳技術(shù)，將改變煤體孔隙結(jié)構(gòu)，原始煤體的滲透率將發(fā)生變化。此時(shí)，氣體吸附對(duì)滲透率的影響將顯得尤為重要。

2.2 不同氣壓下滲透率隨有效應(yīng)力的變化試驗(yàn)

為了深入對(duì)比吸附變形對(duì)煤體滲透率的影響，選取3 組煤樣，分別測(cè)試氦氣、氮?dú)夂投趸荚诤愣鈮海?、2 MPa）條件下滲透率隨有效應(yīng)力的變化。恒定氣體壓力條件下煤體滲透率測(cè)試結(jié)果如圖3。

圖3 恒定氣體壓力條件下煤體滲透率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Coal permeability under constant gas pressure

圖3 顯示，隨著有效應(yīng)力的升高，氣體的滲透率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；有效應(yīng)力相同時(shí)氮?dú)夂投趸几邭鈮海? MPa）所測(cè)滲透率均小于低氣壓（1 MPa），而氦氣在1 MPa 和2 MPa 時(shí)所測(cè)滲透率相差極小。

大量研究認(rèn)為煤體吸附氦氣所產(chǎn)生的變形量可忽略，煤體孔隙僅受有效應(yīng)力的控制，因此，相同有效應(yīng)力下不同氣壓氦氣所測(cè)滲透率相差較小。對(duì)于吸附性氣體，氣體壓力恒定時(shí)，煤基質(zhì)體膨脹變形量保持不變，有效應(yīng)力增大導(dǎo)致煤體孔隙收縮，因此，隨著有效應(yīng)力的增大滲透率不斷降低；當(dāng)吸附性氣體壓力增大且有效應(yīng)力不變時(shí)，煤基質(zhì)體所受應(yīng)力控制的變形量保持不變，但基質(zhì)體膨脹量將增大導(dǎo)致孔隙收縮，因此，相同有效應(yīng)力下氣體壓力越高滲透率越低。氣體滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為[12]：

式中：k、k0分別為有效應(yīng)力為σ、σ0時(shí)的滲透率，10-15m2；Cf為煤體壓縮系數(shù)，MPa-1；σ 為有效應(yīng)力，MPa；σ0為初始有效應(yīng)力，MPa。

通過式（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，壓縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。壓縮系數(shù)是反映煤體對(duì)應(yīng)力敏感性的1 個(gè)重要參數(shù)，受到氣體吸附作用的影響，煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，也將導(dǎo)致壓縮系數(shù)的變化。計(jì)算結(jié)果顯示：2 MPa 氦氣平均壓縮系數(shù)大于1 MPa，吸附性氣體（氮?dú)夂投趸迹┰? MPa 所得平均壓縮系數(shù)均小于1 MPa。有效應(yīng)力相同時(shí)，吸附性氣體吸附壓力越高，煤體內(nèi)裂隙的閉合程度將越顯著，導(dǎo)致其平均壓縮系數(shù)降低。

表1 壓縮系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Results of compressibility coefficient calculation

為量化有效應(yīng)力對(duì)煤體滲透率的影響，采用滲透率損害率η 如式（2）：

η 數(shù)值的正負(fù)分別代表滲透率升高和降低。采用式（2）對(duì)3 種氣體不同氣壓條件下，有效應(yīng)力的滲透率損害率進(jìn)行了計(jì)算，不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率如圖4。

圖4 不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率Fig.4 Permeability damage rate under different effective stresses

試驗(yàn)結(jié)果顯示：氣壓恒定條件下，有效應(yīng)力越大則滲透率損害率越大。氦氣氣壓為2 MPa 時(shí)，不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率均大于1 MPa；而氮?dú)夂投趸細(xì)怏w在2 MPa 所得滲透率損害率則小于1 MPa。吸附性氣體吸附壓力越大，煤體變形則愈顯著，將導(dǎo)致煤體部分性質(zhì)發(fā)生改變，例如壓縮系數(shù)、力學(xué)性質(zhì)等。

煤體滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，受到有效應(yīng)力和氣體吸附作用的影響，煤體滲透率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。煤體采動(dòng)或煤層氣開采等活動(dòng)對(duì)原始煤體滲透率造成影響。受到采動(dòng)影響煤體應(yīng)力下降或氣體壓力下降，煤體孔隙將發(fā)生擴(kuò)張，則滲透率將升高；而煤層注氣驅(qū)替技術(shù)中，大量高壓吸附性氣體的注入，造成煤基質(zhì)體膨脹孔隙收縮，則滲透率將下降。因而，在煤層瓦斯抽采和煤層氣采收過程中，科學(xué)的考慮氣體的吸附作用將有助于提高滲透率及抽采量的預(yù)測(cè)精度。

3 結(jié) 論

1）煤層瓦斯抽采過程中，煤體滲透率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值，氣體的吸附作用導(dǎo)致煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響到煤體滲透率的大小。氣體的吸附能力越強(qiáng)，煤基質(zhì)體膨脹作用越顯著，導(dǎo)致滲透率下降愈加明顯。

2）煤體滲透率與有效應(yīng)力和氣體吸附之間有著緊密的關(guān)系，氣體壓力升高導(dǎo)致煤體膨脹效應(yīng)顯著且有效應(yīng)力下降。2 種因素存在競(jìng)爭作用，外界應(yīng)力恒定時(shí)，隨著氣體壓力的升高，煤體滲透率呈先下降后上升的趨勢(shì)。

3）恒定氣壓條件下，煤體滲透率隨有效應(yīng)力升高而降低；受到氣體吸附的影響，相同有效應(yīng)力條件下高壓氣體滲透率小于低壓氣體滲透率。同時(shí)，隨著吸附性氣體壓力的升高煤體平均壓縮系數(shù)降低，這也導(dǎo)致高氣壓條件下煤體滲透率隨有效應(yīng)力的損害率普遍大于低氣壓條件下的損害率η。