煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)實驗

摘 要

摘要：煤儲層滲透率是決定煤層氣開采成敗的關(guān)鍵參數(shù)之一。以煤基質(zhì)為研究對象，根據(jù)應(yīng)力來源的不同，提出了煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力的概念。分析認(rèn)為：煤儲層滲透率隨煤層氣開采而動態(tài)變化正
摘要：煤儲層滲透率是決定煤層氣開采成敗的關(guān)鍵參數(shù)之一。以煤基質(zhì)為研究對象，根據(jù)應(yīng)力來源的不同，提出了煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力的概念。分析認(rèn)為：煤儲層滲透率隨煤層氣開采而動態(tài)變化正是煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。隨著煤層氣的采動，有效應(yīng)力(煤基質(zhì)外力)增大，裂隙寬度減小，煤儲層滲透率降低；而流體壓力降低，煤層氣解吸，煤基質(zhì)發(fā)生收縮，產(chǎn)生煤基質(zhì)內(nèi)力，裂隙寬度增大，煤儲層滲透率增高。為了探討煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力與煤基質(zhì)變形特性的關(guān)系，開展了三軸力學(xué)實驗和吸附膨脹實驗，根據(jù)實驗結(jié)果的分析和總結(jié)，提出了煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)的新觀點，構(gòu)建了煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力耦合作用下的自調(diào)節(jié)模式。研究成果為煤層氣的有效開采提供了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：煤基質(zhì)；自調(diào)節(jié)效應(yīng)；煤儲層；滲透率；有效應(yīng)力；三軸力學(xué)實驗；吸附膨脹煤層氣
    煤儲層滲透率的改善來自于多種應(yīng)力因素的綜合作用，包括上覆巖層重力、構(gòu)造應(yīng)力、地下水動力、熱力場等動力條件。這些應(yīng)力的變化，引起煤基塊的變形，諸多應(yīng)力耦合導(dǎo)致煤儲層裂隙的開合程度發(fā)生變化，進而影響到煤儲層滲透率的不斷變化。筆者以煤儲層煤基質(zhì)為研究對象，把來自于基質(zhì)外部的應(yīng)力稱為基質(zhì)外力，其中，有效應(yīng)力為垂直于裂隙方向總應(yīng)力與煤儲層內(nèi)孔隙、裂隙流體壓力之差，是決定煤層中天然裂隙開合程度的應(yīng)力因素。把基質(zhì)因外部應(yīng)力變化引起自身形變調(diào)整而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為基質(zhì)內(nèi)力。
    關(guān)于煤基質(zhì)內(nèi)外力對煤儲層滲透率以及煤基塊的吸附/解吸應(yīng)變的影響，相關(guān)文獻報道較少[1～3]，尤其是對煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力耦合作用與煤基質(zhì)變形特性關(guān)系缺乏探索。為此，筆者開展了綜合物理模擬實驗，以求建立煤基質(zhì)在內(nèi)外應(yīng)力耦合作用下的自調(diào)節(jié)效應(yīng)和模式。
1 綜合模擬實驗簡介
1.1 實驗樣品制備
實驗煤樣采自沁水盆地中-南部晉城、潞安礦區(qū)山西組3#煤層(表1)。宏觀煤巖類型為裂隙發(fā)育中等的半亮煤-半暗煤，煤類為瘦煤-3號無煙煤。層面方向在大煤塊上鉆取直徑為25mm、高為50mm的圓柱樣，將煤樣端面切平整，加工精度按國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的標(biāo)準(zhǔn)進行。
 
1.2 實驗裝置
    綜合物理模擬實驗在中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂中心實驗室進行，實驗設(shè)備為美國Terra Tek公司制造的巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)。
1.3 綜合實驗?zāi)M方案
1.3.1吸附膨脹實驗
    實驗前，將樣品置于5%的KCl溶液中，抽真空，排除其中的氣相介質(zhì)，飽和水平衡24～48h。實驗時保持有效應(yīng)力不變，向飽和水煤樣充入純度為99.99%的CH4氣體，分別測試CH4壓力0.5、1.0、2.0、3.0、4.0MPa和4.5MPa以及相應(yīng)圍壓，2.0、3.0、4.0、5.0MPa和5.5MPa條件下每一個測點煤樣吸附甲烷的縱向、徑向及體積膨脹量，每點穩(wěn)定時間為12h。
1.3.2三軸力學(xué)實驗
    圍壓設(shè)計為8MPa，軸壓從大氣壓開始逐漸加大，加載速率為0.035MPa/s，直至樣品破壞為止。實驗過程中，計算機每10s采集一組數(shù)據(jù)，采集的主要數(shù)數(shù)據(jù)有圍壓、軸壓、流體壓力、軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變1(垂直面裂隙)、徑向應(yīng)變2(垂直端裂隙)、平均徑向應(yīng)變、體積應(yīng)變、時間等。
1.4 綜合實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果
1.4.1吸附膨脹實驗
研究表明，CH4吸附應(yīng)變可以精確地模擬成朗格繆爾等溫吸附模型[2]。
 
式中：εv為壓力p下吸附的體積應(yīng)變；εmax與朗格繆爾方程中朗格繆爾體積數(shù)據(jù)表達(dá)的含義相當(dāng)，代表理論最大應(yīng)變量，即無限壓力下的漸近值；p50與朗格繆爾壓力數(shù)據(jù)表達(dá)的含義相當(dāng)，代表煤樣達(dá)到最大應(yīng)變量的1/2時的壓力。
    進一步實驗表明，吸附應(yīng)變與壓力并非呈線性關(guān)系，而呈一條曲線，低壓時曲線較陡，高壓時曲線變得平緩，與吸附等溫線類似。將式(1)化成直線型，即：
 
    由式(2)進行線性擬合，計算出截距εmax/p50以及斜率1/p50然后，解出εmax和p50，代入式(1)，即可得到朗格繆爾型吸附膨脹方程。
    筆者對晉城鳳凰山礦、陽泉一礦、左權(quán)石港礦、陽城臥莊礦的煤樣分別進行了自然煤樣、飽和水煤樣、氣水飽和煤樣3種類型進行了三軸壓縮實驗研究[4]，高平望云礦、潞安常村礦、五陽礦、霍州李家村礦、晉城成莊礦煤樣的實驗結(jié)果為本課題組前期研究工作[5]，文中實驗數(shù)據(jù)相同。通過實驗，測得煤在有效應(yīng)力和溫度不變的情況下，流體壓力(p)與體積應(yīng)變(εv)的對應(yīng)關(guān)系，實驗結(jié)果見表1。
1.4.2三軸力學(xué)實驗
    煤層氣開發(fā)均是在地下一定深度范圍內(nèi)進行，人們更為關(guān)心的是原地應(yīng)力條件下煤的力學(xué)性質(zhì)，即飽和水、氣煤樣在圍限壓力下的力學(xué)行為和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所表現(xiàn)出的變形特征。在煤儲層所處地應(yīng)力環(huán)境下，隨著煤層氣的開采，圍壓的變化很小，可以視為不變。因此，實驗采用假三軸來進行樣品參數(shù)的實驗。
在假三軸力學(xué)實驗中，模擬地層的圍壓是通過油壓來加載的，所以有：
 
式中：E為彈性模量；v為泊松比；σ1、σ2、σ3為三軸壓力，其中σ1表示垂向壓力，實驗中指軸壓，σ2、σ3表示水平壓力，實驗中指圍壓，在假三軸力學(xué)實驗中，；σ2=σ3；ε1為垂向應(yīng)變，實驗指軸向應(yīng)變；ε2橫向應(yīng)變，實驗指平均徑向應(yīng)變。
將實驗中得到的軸向應(yīng)變、平均徑向應(yīng)變、軸壓和圍壓代入上兩式，求出每一點的彈性模量和泊松比訓(xùn)。煤樣三軸模擬實驗結(jié)果見表2。
 
    設(shè)成莊礦煤儲層埋深在800m左右，此深度下的實驗滲透率為初始滲透率，體積壓縮系數(shù)根據(jù)三軸壓縮力學(xué)實驗結(jié)果，利用擬合的公式來計算飽和水煤樣的相應(yīng)壓力對應(yīng)的數(shù)值，然后求其平均值，可以得到不同儲層壓力下體積壓縮系數(shù)。
2 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)耦合關(guān)系及模式
    在煤層氣采動過程中，隨著地下水和煤層氣的采出，煤儲層的流體壓力也同時降低，使得有效應(yīng)力(煤基質(zhì)外力)增大，裂隙寬度減小，導(dǎo)致煤儲層滲透率降低。另一方面，流體壓力降低，使煤層氣解吸，煤基質(zhì)受到干擾，發(fā)生收縮，產(chǎn)生煤基質(zhì)內(nèi)力，裂隙寬度增大，導(dǎo)致煤儲層滲透率增高。煤儲層滲透率的變化正是這兩種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。這種綜合現(xiàn)象稱為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)，其中，煤基質(zhì)收縮導(dǎo)致煤儲層滲透率增高的現(xiàn)象為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正效應(yīng)，有效應(yīng)力增大致使煤儲層滲透率降低的現(xiàn)象為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)負(fù)效應(yīng)[4～6]。

2.1 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)耦合關(guān)系
    煤基質(zhì)收縮參數(shù)為吸附膨脹參數(shù)，泊松比為表2中對應(yīng)煤樣的泊松比值。設(shè)煤儲層氣、水飽和，流體壓力從5.9MPa開始逐漸降低1.0MPa左右，煤基質(zhì)內(nèi)外力綜合作用效果見圖1。成莊無煙煤煤基質(zhì)有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)大于煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng)，望云、常村和左權(quán)煤樣在儲層壓力降至3MPa之前，有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)大于煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng)，當(dāng)儲層壓力降至3MPa之后，煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng)大于有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)，而五陽和陽泉煤樣，煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng)始終大于有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)。根據(jù)插值或縮小流體壓力步長的計算分析，可以得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)總體趨勢或規(guī)律性，即：流體壓力不變時，煤基質(zhì)內(nèi)力滲透率增加率隨應(yīng)力滲透率降低率的增加而增加，滲透率降低率與增加率之間呈現(xiàn)出“指數(shù)量板”模式。
 
式中：△Kn為煤基質(zhì)內(nèi)力滲透率增加率，%；△Ky為煤基質(zhì)外力滲透率降低率，%；a1、b1為擬合系數(shù)。
2.2 流體壓力-綜合調(diào)節(jié)效應(yīng)耦合關(guān)系及模式
    把煤基質(zhì)正、負(fù)效應(yīng)進行疊加，即可得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)綜合滲透率變化率結(jié)果(表3)。
    各個樣品以及各個煤級的煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與流體壓力耦合關(guān)系呈現(xiàn)出相似規(guī)律性。根據(jù)實驗結(jié)果，在不同煤級之間進行插值，即可得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與流體壓力之間的“負(fù)對數(shù)量板”模式：
    △Kz=-a2㏑p+b2    (6)
式中：△Kz為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率，%；p為流體壓力，MPa；a2、b2為擬合系數(shù)。
對于給定煤級的樣品，隨流體壓力的逐漸降低，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率逐漸增大(圖2)，也就是有效應(yīng)力滲透率降低率逐漸小于煤基質(zhì)收縮滲透率增加率。這意味著煤層氣開采過程中，隨著儲層壓力逐漸降低，煤儲層滲透率有逐漸增加的趨勢。在較低壓下，煤儲層的滲透率有望得到改善。
 

2.3 煤級-綜合調(diào)節(jié)效應(yīng)耦合關(guān)系及模式
    圖3顯示，隨著煤級的逐漸增加，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率呈現(xiàn)出降低的規(guī)律性。也就是說，隨煤級的增加，有效應(yīng)力滲透率降低率有大于煤基質(zhì)收縮滲透率增加率的趨勢。在Ro=2.87%時，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率在模擬的各個壓力下始終為負(fù)值，也就是應(yīng)力滲透率降低率始終大于煤基質(zhì)收縮滲透率增加率，而隨著煤級的逐漸減小，在模擬的壓力范圍內(nèi)，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率由負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)化為正值，Ro=1.89%條件下，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率全部轉(zhuǎn)化為正值，這同時可能反映了低中中煤級煤比高煤級煤具有較高的煤層氣開發(fā)潛勢[6]。根據(jù)煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與煤級之間的耦合規(guī)律，在不同煤級之間進行插值，即可以得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與煤級之間的“負(fù)對數(shù)量板”模式(圖3)：
    △Kz=-a3㏑Ro+b3     (7)
式中：Ro為鏡質(zhì)組反射率，%；a3、b3為擬合系數(shù)。

3 結(jié)論
    1) 以煤基質(zhì)為研究對象，根據(jù)應(yīng)力來源的不同，提出了煤基質(zhì)內(nèi)、外應(yīng)力的新概念。
    2) 隨著煤層氣采動，煤基質(zhì)因外力變化而引起收縮內(nèi)力的產(chǎn)生，對煤儲層滲透率的貢獻恰好相反，根據(jù)這一現(xiàn)象，提出了煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)的新觀點。
    3) 煤基質(zhì)內(nèi)力滲透率增加率隨煤基質(zhì)外力滲透率降低率的增加而增加，符合指數(shù)量板模式。
    4) 流體壓力的增加，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)呈負(fù)對數(shù)模式降低，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)模式預(yù)示：隨著煤層氣開采，儲層壓力的降低，煤儲層滲透率有不斷改善的趨勢。
    5) 隨著煤級的逐漸增加，煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率呈負(fù)對數(shù)模式降低，反映了低中煤級煤比高煤級煤具有較高的煤層氣開發(fā)潛勢。
參考文獻
[1] SOMERTON W，DUDLEY R C，SOYLEMEZOGLU I M. Effect of stress on permeability of coal[C]∥ SPWLA 16th Annual Logging Symposium[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ＆ Geomechanics.1975，12(5-6)：129-145.
[2] HARPALANI S，SCHRAUFNAGEL R A. Influence of matrix shrinkage and compressibility on gas production from coalbed methane reservoirs[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition. New Orleans，Louisiana：SPE 20729，1990.
[3] GEONGE J D ST，BARAKAT M A. The change in effective stress associated with shrinkage from gas desorption in coal[J].International Journal of Coal Geology，2001，45(2/3)：105-113.
[4] 陳金剛.高煤級煤儲層滲透率的構(gòu)造-采動控制效應(yīng)與作用機理[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2003.
[5] 傅雪海.多相介質(zhì)煤巖體物性的物理模擬與數(shù)值模擬[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2001.
[6] 秦勇，傅雪海，吳財芳，等.高煤級煤儲層彈性自調(diào)節(jié)作用及其成藏效應(yīng)[J].科學(xué)通報，2005，50(增刊1)：82-86.
 
(本文作者：陳金剛 陳義 劉大全 鄭州大學(xué)工程力學(xué)系)