長焰煤氣水相滲特征實(shí)驗(yàn)研究

陳功輝， 唐明云， 甯江琪， 張海路

（1. 安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤層氣主要為甲烷氣體，具有潔凈、熱效率高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于汽車燃料、居民生活用氣、工業(yè)用電等領(lǐng)域。煤炭清潔高效利用是基于中國資源稟賦保障能源安全的重要戰(zhàn)略舉措，是建立強(qiáng)大的新能源體系、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵支撐[1]。我國長焰煤資源量為79 515 萬t，占全國煤炭資源總量的51.23%，主要分布于我國新疆、陜西、內(nèi)蒙古等西北和華北的早中侏羅世含煤地層中[2]。長焰煤在形成過程中由于各種物理化學(xué)作用，其內(nèi)部蘊(yùn)藏大量煤層氣，煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤儲(chǔ)層中，歷經(jīng)氣水兩相流運(yùn)移過程才變成可供開發(fā)利用的清潔能源[3]。在實(shí)際的煤層氣開采工程中，地下水和煤層氣同屬于流體且共存于地層[4]，隨著開采深度不斷增加，有效應(yīng)力、孔隙壓力、溫度等不斷變化，同時(shí)煤儲(chǔ)層中煤層氣的保護(hù)機(jī)制與呈線性滲流的地下水之間會(huì)受采動(dòng)影響相互作用，致使煤層氣開采工程實(shí)施難度增大，因此需要對(duì)煤儲(chǔ)層中煤層氣與地下水之間的復(fù)雜滲流特性進(jìn)行探索，以降低煤層氣開采難度、提高煤層氣開采效率[5-6]。

當(dāng)前國內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的氣水相滲特征做了大量研究并獲得一些成果。文獻(xiàn)[7-11]通過不同溫度條件下氣水相滲實(shí)驗(yàn)研究，分析得到氣水相滲曲線的含氣飽和度隨溫度升高而增加。文獻(xiàn)[12-14]通過改變圍壓條件進(jìn)行氣水相滲實(shí)驗(yàn)，得到氣水相對(duì)滲透率隨著圍壓增加而逐漸減小。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為在不同圍壓條件下的氣水相滲曲線形狀相似，但氣水相滲曲線隨著圍壓增大而逐漸往右偏移。文獻(xiàn)[16-18]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣水相對(duì)滲透率隨著有效應(yīng)力的增加而降低。文獻(xiàn)[19-21]設(shè)置不同驅(qū)替壓差進(jìn)行致密砂巖氣藏氣水相滲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著驅(qū)替壓差增大，束縛水飽和度下降，氣水相滲曲線兩相共滲區(qū)變寬。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，通過TCXS-Ⅱ型煤巖氣水相對(duì)滲透率測定儀進(jìn)行長焰煤氣水相滲實(shí)驗(yàn)，分析不同有效應(yīng)力、孔隙壓力與溫度對(duì)長焰煤氣水相滲特征的影響，以期為長焰煤儲(chǔ)層水力壓裂和注熱開采等煤層氣開采技術(shù)研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考。

1 煤樣制備及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)所需煤樣取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗魏家峁礦區(qū)，規(guī)格為 ?50 mm×100 mm，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)所用氣體為高純度甲烷氣體。

圖1 煤樣Fig. 1 Coal sample

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用TCXS-II 型煤巖氣水相對(duì)滲透率測定儀，如圖2 所示，其主要工作原理：通過調(diào)節(jié)減壓閥控制氣體入口壓力，流體以一定壓力進(jìn)入煤樣夾持器并在煤樣中進(jìn)行流固耦合，當(dāng)流體從煤樣夾持器出口流出后，分別通過氣體流量計(jì)、電子天平采集產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量，最終根據(jù)入口壓力、出口壓力、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量等數(shù)據(jù)計(jì)算得到該流體在煤樣中的滲透率。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 2 Experimental device

2 實(shí)驗(yàn)原理

基于非穩(wěn)態(tài)法的氣水相對(duì)滲透率測定以經(jīng)典非活塞驅(qū)替理論為基礎(chǔ)，假定兩相流體彼此不相融且不可壓縮，忽略毛細(xì)管力和重力的影響，且煤樣中任意一個(gè)斷面上的氣水飽和度相同。利用非穩(wěn)態(tài)法對(duì)煤樣進(jìn)行氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程中煤樣出口端每一時(shí)刻的產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和兩端壓差等數(shù)據(jù)，通過“J.B.N.”的方式計(jì)算出氣水相對(duì)滲透率及含氣飽和度[22]，最終繪制成氣水相滲曲線。

基于達(dá)西定律的穩(wěn)定流法常用于實(shí)驗(yàn)室測定煤樣氣體有效滲透率，即根據(jù)瓦斯氣體通過煤樣的穩(wěn)定滲流量和煤樣兩端的滲透壓力差等可測量參數(shù)計(jì)算煤樣氣體有效滲透率。

式中：Kg為煤樣氣體有效滲透率，10-3μm2；Qk為標(biāo)況下的滲流流量，cm3/s；P0為大氣壓力，0.1 MPa；μ為氣體動(dòng)力黏度，mPa·s；L為煤樣長度，cm；A為煤樣橫截面面積，cm2；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa。

不同溫度下甲烷動(dòng)力黏度存在差異，見表1，需結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況選擇。

表1 不同溫度下甲烷動(dòng)力黏度Table 1 Methane dynamic viscosity under different temperatures

絕對(duì)滲透率與氣體有效滲透率的關(guān)系為

式中：K為絕對(duì)滲透率，10-3μm2；B為克林肯伯格常數(shù)，MPa；為平均孔隙壓力，MPa。

實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄進(jìn)出口壓力及氣驅(qū)水過程中的瞬時(shí)產(chǎn)水量、瞬時(shí)產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)水量和累計(jì)流體產(chǎn)量。

含氣飽和度計(jì)算公式為

式中：Sg為含氣飽和度，%；mi為i時(shí)刻產(chǎn)出水質(zhì)量，g；m1為飽和水狀態(tài)的煤樣質(zhì)量，g；m0為干燥后的煤樣質(zhì)量，g。

氣水相對(duì)滲透率計(jì)算公式為

式中：Krw，Krg分別為水相、氣相相對(duì)滲透率；fw為含水率；V(t)為無因次累計(jì)流體產(chǎn)量；I為相對(duì)注入能力；μw，μg分別為水相、氣相的動(dòng)力黏度，mPa·s；Vw(t)為無因次累計(jì)產(chǎn)水量；Qw，Q(t)分別為初始時(shí)刻、t時(shí)刻煤樣出口端產(chǎn)水量，cm3/s；?p0，?p(t)分別為初始時(shí)刻、t時(shí)刻壓差，MPa。

氣體體積因壓力發(fā)生改變，所以需計(jì)算平均體積流量。

式中：Vi為i時(shí)刻累計(jì)流體產(chǎn)量，cm3；?Vwi，?Vgi分別為i-1 時(shí)刻到i時(shí)刻水增量、氣增量，cm3； ?P為驅(qū)替壓差，MPa。

有效應(yīng)力是指煤樣實(shí)際受到的應(yīng)力，具體計(jì)算公式為

式中： σ0為有效應(yīng)力，MPa； σ1為軸壓，MPa； σa為圍壓，MPa。

3 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

通過改變圍壓和軸壓來模擬長焰煤儲(chǔ)層地層條件。圍壓分別選用5，7，9 MPa，軸壓相應(yīng)均比圍壓小1 MPa，采用式（10）即可求得相應(yīng)的有效應(yīng)力。不同有效應(yīng)力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 不同有效應(yīng)力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters of gas water relative permeability under different effective stress

通過改變孔隙壓力來模擬長焰煤儲(chǔ)層瓦斯壓力條件。不同孔隙壓力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 不同孔隙壓力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters of gas water relative permeability under different pore pressures

不同溫度下氣水相滲實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表4。

表4 不同溫度下氣水相滲實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 4 Experimental parameters of gas water relative permeability under different temperatures

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

采用非穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行氣水相對(duì)滲透率測定，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1） 裝樣加壓。將試件裝入煤樣夾持器中，設(shè)定所需圍壓、軸壓參數(shù)。

2） 真空脫氣。將進(jìn)氣口減壓閥關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉出氣口閥門，打開真空泵對(duì)試件進(jìn)行真空脫氣，脫氣時(shí)間為12 h 左右。脫氣的目的在于排出管路內(nèi)雜質(zhì)和煤樣內(nèi)部吸附的氣體，降低對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3） 恒溫處理。打開恒溫箱，調(diào)整溫度至實(shí)驗(yàn)要求的設(shè)置，使其保持足夠的保溫時(shí)間，以保證煤樣的溫度與設(shè)定的溫度一致，通過調(diào)節(jié)入口壓力測試氣體絕對(duì)滲透率。

4） 試件抽真空處理。抽出試件和管路內(nèi)的氣體，使用恒速恒壓泵將液體低壓、低速壓入試件，待瞬時(shí)流量穩(wěn)定，則液體充分飽和。

5） 氣體驅(qū)替液體。將氣體以一定壓力壓入試件，并開始記錄數(shù)據(jù)，此過程開始時(shí)只有液體流出，然后出現(xiàn)氣水混合物，最后待沒有液體產(chǎn)出時(shí)，完成實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同有效應(yīng)力下長焰煤氣水相滲特征

不同有效應(yīng)力下長焰煤氣水相滲曲線如圖3所示。

圖3 不同有效應(yīng)力下長焰煤氣水相滲曲線Fig. 3 Gas water relative permeability curves of long flame coal under different effective stresses

從圖3 可看出，當(dāng)含氣飽和度增大時(shí)，氣相相對(duì)滲透率不斷增大，而水相相對(duì)滲透率不斷減小；有效應(yīng)力增大對(duì)氣水相滲曲線有較為明顯的影響，相對(duì)于3.7 MPa 有效應(yīng)力時(shí)氣水相滲曲線，5.7 MPa 和7.7 MPa 有效應(yīng)力時(shí)氣相、水相相對(duì)滲透率曲線由下凹狀態(tài)逐漸趨于平緩，氣相相對(duì)滲透率上升幅度減小，而水相相對(duì)滲透率下降幅度略有增加；在不同有效應(yīng)力作用下的水相相對(duì)滲透率曲線變化顯著，但氣相相對(duì)滲透率曲線變化較小。

不同有效應(yīng)力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。可看出在不同有效應(yīng)力作用下，煤樣在氣驅(qū)水后殘余水飽和度存在明顯差異。具體地說，有效應(yīng)力越大，殘余水飽和度越大。本質(zhì)原因是煤樣煤心骨架發(fā)生變化，有效應(yīng)力的增大迫使煤樣孔隙、裂隙空間被壓縮，最終導(dǎo)致煤樣內(nèi)流體滲透性能降低。此外，當(dāng)入口壓力處于某固定值時(shí)，孔隙內(nèi)吸附的水分及裂隙內(nèi)游離的水分更加難以排出，從而使殘余水飽和度升高。

表5 不同有效應(yīng)力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of gas water relative permeability under different effective stress

為進(jìn)一步研究水相、氣相滲透率對(duì)有效應(yīng)力的敏感性，計(jì)算滲透率損失率，結(jié)果如圖4 所示。可看出隨著有效應(yīng)力增加，氣相、水相滲透率損失率均呈上升趨勢，但水相滲透率損失率增幅更顯著。表明有效應(yīng)力的增大對(duì)流體的滲透性能存在抑制作用，且對(duì)水相滲流的抑制作用大于氣相滲流。

圖4 長焰煤滲透率損失率隨有效應(yīng)力變化曲線Fig. 4 Change curve of permeability loss rate of long flame coal with effective stress

4.2 不同孔隙壓力下長焰煤氣水相滲特征

不同孔隙壓力下長焰煤氣水相滲曲線如圖5 所示。可看出隨著孔隙壓力增大，水相相對(duì)滲透率曲線下降幅度變緩，氣相相對(duì)滲透率曲線上升幅度更加明顯，相同含氣飽和度的氣相相對(duì)滲透率逐漸降低，氣水共滲范圍變寬。這可能是由于氣體分子發(fā)生克林肯伯格效應(yīng)，從而降低了氣體有效滲透率，進(jìn)而影響了煤樣的滲流能力。

圖5 不同孔隙壓力下長焰煤氣水相滲曲線Fig. 5 Gas water relative permeability curves of long flame coal under different pore pressures

不同孔隙壓力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。可看出隨著孔隙壓力增大，等滲點(diǎn)飽和度由57.1%增大至62.4%，這可能是由于煤樣對(duì)水分子的吸附能力高于甲烷分子，即煤樣具有較強(qiáng)的親水性；隨著孔隙壓力增大，殘余水飽和度呈降低趨勢，這可能是由于當(dāng)孔隙壓力升高至一定程度時(shí)，束縛被破壞，導(dǎo)致孔隙及裂隙中存在的水受更大的氣驅(qū)壓力而成為可動(dòng)水被驅(qū)出，微小的孔隙中被鎖住的水也會(huì)因液阻效應(yīng)的作用被強(qiáng)制排出，導(dǎo)致殘余水飽和度降低。

表6 不同孔隙壓力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of gas water relative permeability under different pore pressure

4.3 不同溫度下長焰煤氣水相滲特征

不同溫度下長焰煤氣水相滲曲線如圖6 所示。可看出隨著溫度升高，等滲點(diǎn)向含氣飽和度減小方向平移，氣水共滲范圍變寬，氣相相對(duì)滲透率增長幅度及水相相對(duì)滲透率下降幅度均逐漸變大。

圖6 不同溫度下長焰煤氣水相滲曲線Fig. 6 Gas water relative permeability curves of long flame coal under different temperatures

不同溫度下氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。可看出隨著溫度上升，殘余水飽和度呈下降趨勢，這可能是由于溫度上升導(dǎo)致分子間運(yùn)動(dòng)劇烈，原吸附在煤基質(zhì)孔裂隙的氣體分子開始游離于滲流通道中，且水分子也處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易被氣體分子所驅(qū)；20 ℃時(shí)氣相絕對(duì)滲透率大于40 ℃時(shí)氣相絕對(duì)滲透率，而60 ℃及80 ℃時(shí)氣相絕對(duì)滲透率在兩者之間。隨著溫度由20 ℃升至40 ℃，氣相絕對(duì)滲透率逐漸減小，主要原因是煤樣受到5.7 MPa 有效應(yīng)力約束時(shí)，由于熱應(yīng)力小于所加載的有效應(yīng)力，煤樣在近似剛性約束的條件下，只能向內(nèi)部孔隙空間膨脹，即發(fā)生內(nèi)膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部孔隙喉道變窄，孔隙率減小。當(dāng)溫度由40 ℃升至80 ℃時(shí)，氣相絕對(duì)滲透率逐漸增大，主要原因是由于有效應(yīng)力的作用，隨著溫度升高，煤樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，達(dá)到有效應(yīng)力作用的臨界值后，煤樣向外膨脹，致使其內(nèi)部孔隙擴(kuò)張，孔隙率增大，從而使得滲透率增加。

表7 不同溫度下氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Experimental results of gas water relative permeability under different temperatures

為進(jìn)一步研究溫度與氣相滲流能力間的關(guān)系，繪制不同溫度下氣相有效滲透率變化曲線，如圖7所示。可看出隨著溫度升高，長焰煤的氣相有效滲透率并未呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，這表明在不同含氣飽和度下，溫度對(duì)氣相有效滲透率的影響并不呈單一的變化規(guī)律。具體而言，相同含氣飽和度下，60 ℃時(shí)氣相有效滲透率大部分高于80 ℃時(shí)氣相有效滲透率，而40 ℃時(shí)氣相有效滲透率高于20 ℃時(shí)氣相有效滲透率。主要原因在于長焰煤煤樣對(duì)甲烷具有很強(qiáng)的吸附性，煤樣因吸附甲烷發(fā)生吸附膨脹，引起煤樣變形，從而導(dǎo)致微裂隙閉合，煤樣滲透率降低；當(dāng)溫度升高至60 ℃時(shí)，甲烷氣體分子熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，迫使甲烷氣體分子更容易從煤樣內(nèi)部孔裂隙基質(zhì)中解吸出來，因此升高溫度可減少甲烷吸附；但當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至80 ℃時(shí)，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力增加，煤樣內(nèi)部的總有效應(yīng)力增加導(dǎo)致孔裂隙被壓縮，此時(shí)溫度升高反而對(duì)滲透率產(chǎn)生負(fù)作用。

圖7 不同溫度下氣相有效滲透率變化曲線Fig. 7 Change curve of gas phase effective permeability under different temperatures

不同溫度下氣相滲流量變化曲線如圖8 所示，可看出氣相滲流量隨溫度升高逐漸增大。

圖8 不同溫度下氣相滲流量變化曲線Fig. 8 Change curve of gas phase seepage flow under different temperatures

5 結(jié)論

1） 當(dāng)有效應(yīng)力由3.7 MPa 增大至7.7 MPa 時(shí)，氣相相對(duì)滲透率上升幅度減小，而水相相對(duì)滲透率下降幅度略有增加；有效應(yīng)力的增大會(huì)對(duì)流體的滲透能力產(chǎn)生抑制作用，且對(duì)水相滲流的抑制作用大于氣相滲流；殘余水飽和度隨著有效應(yīng)力的增大而增大。

2） 當(dāng)孔隙壓力由2 MPa 增大至6 MPa 時(shí)，水相相對(duì)滲透率曲線下降幅度變緩，氣相相對(duì)滲透率曲線上升幅度更加明顯，氣水共滲范圍變寬，等滲點(diǎn)飽和度增大，殘余水飽和度減小。

3） 當(dāng)溫度由20 ℃升高至80 ℃時(shí)，氣相相對(duì)滲透率增長幅度及水相相對(duì)滲透率下降幅度均逐漸變大，氣水共滲范圍變寬，殘余水飽和度呈下降趨勢，氣相滲流量呈增長趨勢。