煤基质膨胀收缩对储层渗透率影响的新数学模型

煤层渗透率变化受多种因素制约,其中有效应力和煤吸附–解吸过程中煤基质的膨胀/收缩是两个主要因素。基于这两方面影响因素,采用体积不变原理和MATCHSTICK模型,提出新的预测渗透率变化的模型,有效回避了经典模型中使用不确定参数引起的渗透率模拟误差问题。研究结果表明,渗透率随煤层压力的变化存在3种理论模型,煤层气排采过程中,应尽可能使得渗透率变化曲线呈现下降缓慢、抬升稳定快速且增幅较大的趋势。最后,通过与经典的Palmer-Mansoori模型和Shi-Durucan模型的模拟对比,并利用现场实测数据进行验证,证明了本文推导模型的正确性和实用性。     

损伤和剪胀效应对裂隙煤体渗透率演化规律的影响研究

煤层瓦斯渗透率是影响瓦斯抽采和动力灾害防治的重要参数。为了研究煤体损伤和剪胀变形对渗透率的影响,首先引入损伤变量反映煤体损伤破坏状态,建立了基于体应变增量的煤体损伤本构模型。并采用Hurst指数表征裂隙表面粗糙度,基于裂隙表面的分形特征,建立了裂隙渗透率在压缩和剪切作用下的演化模型。通过对TOUGH2和FLAC3D软件进行二次开发,建立了基于双重孔隙模型的TOUGH2(CH4)-FLAC气-固耦合数值分析工具。采用本软件对煤样单轴压缩过程进行模拟分析,结果表明：煤体的破坏是损伤单元累积和贯通的结果,最终形成贯通煤体的损伤带是造成煤体失稳破坏的主因;围岩内的渗透率增加区域与损伤区位置基本一致,其中裂隙系统的渗透率增加幅度最大可达2个数量级;剪切破坏区的裂隙发生剪胀变形,引起裂隙渗透率大幅增加。建立的理论模型与数值计算工具为制定瓦斯治理措施提供了理论指导。     

A theoretical model for gas adsorption-induced coal swelling

Swelling and shrinkage (volumetric change) of coal during adsorption and desorption of gas is a well-known phenomenon. For coalbed methane recovery and carbon sequestration in deep, unminable coal beds, adsorption-induced coal volumetric change may cause significant reservoir permeability change. In this work, a theoretical model is derived to describe adsorption-induced coal swelling at adsorption and strain equilibrium. This model applies an energy balance approach, which assumes that the surface energy change caused by adsorption is equal to the elastic energy change of the coal solid. The elastic modulus of the coal, gas adsorption isotherm, and other measurable parameters, including coal density and porosity, are required in this model. Results from the model agree well with experimental observations of swelling. It is shown that the model is able to describe the differences in swelling behaviour with respect to gas species and at very high gas pressures, where the coal swelling ratio reaches a maximum then decreases. Furthermore, this model can be used to describe mixed-gas adsorption induced-coal swelling, and can thus be applied to CO₂-enhanced coalbed methane recovery.     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面：CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。     

高瓦斯煤的渗透性试验

煤岩体变形和强度以及流体在多孔隙裂隙煤中的渗流规律,是高瓦斯煤层开采中关注的问题。阐述了高瓦斯煤力学介质属性、微结构模型、渗透特性及其孔裂隙和破碎块度的分形特征;利用电液伺服岩石力学试验系统,以数控瞬态渗透法进行了煤样全应力应变过程的电液伺服试验,研究了全应力应变过程中煤样渗透性的变化特征。试验结果显示:煤样的力学性能与其微结构和微孔隙特征密切相关,渗透率变化与试样内部裂隙发展变化过程密切相关。     

气爆对煤体渗透性影响的实验研究

我国煤层的渗透率普遍偏低,采用常规增产改造和降压开发技术难以奏效。因此,提出了一种全新的卸压增透技术-气爆。阐述了气爆的实验原理、实验过程及气爆前后渗透率的对比。通过对40组气爆实验数据的分析研究可知:在气爆压力相近的情况下,当煤的硬度系数f为0.5~0.9,且渗透率k为0.001~0.005 D时,气爆效果更明显,部分煤体的渗透率甚至增加了10倍;同时,爆破孔深度、位置和气爆压力的大小也是影响渗透率变化的重要因素。实验结果为气爆技术的实际应用提供了数据支持。     

超临界CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究

为解决我国高瓦斯煤层渗透性差导致瓦斯抽采率低的难题,利用超临界二氧化碳强扩散和溶解增透等独特优点,采用自制三轴渗透实验装置,开展不同温度下超临界二氧化碳作用后煤的宏观增透实验,在宏观增透实验基础上进行煤微观扫描成像实验。结果表明：恒定体积应力和孔隙压力条件下,不同温度超临界二氧化碳作用后,煤的渗透率较增透前提高一个数量级,但在二氧化碳的超临界温度范围内,煤的渗透率随温度增加呈负指数变化规律。超临界二氧化碳作用后,煤微观孔隙率较增透前提高两个数量级,随着温度增加,煤微观孔裂隙的演化速率减慢,孔隙率随温度增加呈负指数变化规律。宏微观实验数据同时表明,煤宏观渗透率随微观孔隙率增加而增大。超临界二氧化碳增透过程中,孔隙压力对低渗透煤层的增透效果起主控作用。     

提高煤储层渗透率的酸化实验

为了研究酸化对煤储层渗透率的影响,进行了室内酸化实验。采取山西沁水盆地南部晋城矿区3号煤层中裂隙发育的煤样,分别将其制成60~80目的干燥煤粉和直径为50 mm的煤心,用不同的酸液体系对煤粉和煤心进行处理,测量煤粉酸化后的溶蚀率以及煤心酸化前后的渗透率和孔隙度。实验结果发现,经酸化后煤心渗透率由原来的0.5×10^-3 μm²左右提高到3.0×10^-3 μm²左右,孔隙度增加了5.5%左右。对煤心进行酸化处理能极大的提高其渗透性,为煤层气酸化现场施工提供实验支撑。     

孔隙压力梯度对煤的渗透性影响实验

为了研究煤体渗透率与压力梯度之间的关系,在考虑煤体吸附变形的基础上建立了煤体渗透率与瓦斯压力梯度的数学模型,并在恒温条件下进行同一压力梯度不同吸附平衡压力的条件下和同一吸附平衡压力不同压力梯度条件下的渗流实验。研究结果表明：在较低的孔隙压力条件下,煤体渗透率随着吸附平衡压力和压力梯度的增加而减小;建立的渗透率动态演化模型能够较好地描述煤层瓦斯抽采过程中瓦斯的流动规律。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和抽采工作提供一定的理论支撑,具有一定的指导和实践意义。     

煤体吸附膨胀变形模型理论研究

为了深入探讨煤体吸附瓦斯发生膨胀变形效应的力学行为,基于煤-气吸附界面的表面自由能变化等于煤体弹性能的变化基本假设,从理论上推导了煤体吸附膨胀模型中吸附膨胀变形表达式和吸附膨胀应力表达式,模型中各参数的物理意义明确。通过已有的试验数据分别从低气体压、中气体压和高气体压3个角度对吸附变形模型的适用性和正确性进行了验证。模拟结果表明,模型预测数据与已有的试验数据吻合度较高,能够很好地描述不同气体在不同压力条件下的煤体吸附膨胀差异性,拟合精度均较高;在综合考虑吸附膨胀应力和气体压力对煤体吸附膨胀变形影响前提下,忽略吸附气体体积Va对煤体吸附膨胀变形的影响。     

煤储层渗透率动态变化效应研究

基于现代测试技术和煤层气井实测排采数据,采用物理模拟和数值模拟研究方法,探讨了开采过程中煤储层渗透率动态变化效应。研究结果表明,试验模拟和数值模拟渗透率数值相差较大,可达1～2个数量级;煤储层渗透率动态变化效应呈现出两种相反的规律,即数值模拟渗透率随流体压力降低而衰减,试验模拟渗透率随流体压力降低而增大,两种模拟渗透率动态变化特征看似相互矛盾,实则相互衔接,预示煤储层渗透率在排采过程中会逐渐得以改善。根据分析,揭示了二者差异性的根本原因。提出在整个排采过程中,应采用动态渗透率指标,不断调整和优化工作制度     

Evaluation of the reservoir permeability of anthracite coals by geophysical logging data

Permeability is one of the most significant reservoir parameters. It is commonly obtained by experiment, history simulation, injection/falloff well test and geophysical logging. Among these, geophysical logging remains as the most economic and efficient technique in evaluating coal permeability in the vicinity of an open-hole. In this paper, geophysical logging data are used to evaluate the coal reservoir permeability for the No. 3 coal seam in the southern Qinshui Basin (Fanzhuang and Zhengzhuang coal zones). Ideally coal reservoirs consist of coal matrix and fracture networks that can be represented by a model called a collection of sheets. Based on the model, coal reservoir permeability can be quantitatively calculated using the theoretical formula of k_f = 8.50 × 10^− 4 w²φ_f, in which fracture width (w) and fracture porosity (φ_f) were obtained by dual laterolog and density logging data, respectively. Calculative results show that coal reservoir permeability ranged from 0.017 mD to 0.617 mD for the Fanzhuang coal zone and from 0.047 mD to 1.337 mD for the Zhengzhuang coal zone. The permeability decreases with coal burial depth, reflecting variations in penetration capability of coal reservoirs at varying depths. Comparing results with those from injection/falloff well tests, however, shows that the model-calculated permeability is slightly higher. This is expected because the model did not include the influence from coal anisotropy.     

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。     

突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨

通过对突出危险煤渗透性试验研究,系统分析了不同围压、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态条件下突出煤样的渗透特性,分别建立了突出危险煤的渗透性与围压、瓦斯压力和应力-应变等主要控制因素之间的定性和定量关系,探讨了不同载荷条件下突出危险煤渗透性的控制机制和变化规律。研究结果表明,载荷条件对突出危险煤的渗透性具有重要影响：(1) 在固定瓦斯压力条件下,突出危险煤样的渗透率随围压的增大而减小,且服从指数函数变化规律。(2) 在固定围压条件下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力之间大致呈“V”字型变化;Klikenberg效应发生在瓦斯压力p < 1 MPa的范围内。(3) 在三轴压缩下的应力-应变全过程中,不同载荷条件下突出危险煤样的渗透率-应变曲线变化趋势几乎一致,且都呈“V”字型走势;在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小;进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程;峰值强度之后渗透率持续增大直至试验结束;煤样渗透率反超后的变化要较反超前变化平缓。     

构造应力场对煤储层渗透性的控制机制研究

以山西沁水盆地为例,首先进行了成煤后古构造应力场恢复和有限元模拟,分析了现代地壳主应力的分布特点;其次,结合煤、岩层中裂隙分布的差异性,分析了盆地东部、东南部煤储层裂隙的展布规律和主要受控特点,总结出晋城、潞城和阳泉3个“裂隙—应力”控制模式,并将全盆地煤层渗透性划分为好、中、差3个等级,并进行预测评价。     

利用测井数据解析含煤地层渗透特性

研究受采动影响含煤地层渗透特性的变化规律,结合电视钻孔成像技术综合分析覆岩破坏高度,对煤矿开采瓦斯抽放系统钻孔位置合理布置具有重要意义。根据测井资料（密度、伽马）,解析地层边界、泥质含量及纯岩段夹层、弱层的存在及其对含煤地层渗透特性的影响。理论分析与现场实测表明：原始地层伽马曲线和泥质含量可以解析泥岩、粘土层和夹层、弱层的位置;含煤地层渗透率受采动影响,渗透率增高区由采前泥岩、粘土与其他岩体层交界和原始裂隙区向采后纯岩夹层、弱层区演化;被研究含煤地层冒落带顶点深度433 m,裂隙带顶点深度382 m。     

构造煤渗透率对温度变化响应规律的试验研究

针对含瓦斯构造煤渗透率与温度变化关系,利用自主研发的含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展不同应力条件下含瓦斯构造煤原煤样的渗透率与温度变化的试验研究。试验结果表明：（1）在试验温度变化过程中,构造煤样渗透率随温度升高而降低,渗透率与温度变化呈现负指数函数分布规律;（2）在试验温度变化过程中,构造煤渗透率损失率与有效应力符合Boltzmann分布,渗透率损失率存在有效应力门槛值大约为4.515 MPa。渗透率变化主要分为渗透率加速变化与平稳变化两个阶段,构造煤样渗透率从加速阶段过渡到平稳变化温度大约为45 ℃;（3）在温度21～80 ℃范围内,渗透率敏感性系数数量级为10-2,温度变化对构造煤样渗透率影响不显著。同时,有效应力的增加使得温度敏感性系数降低。     

新集矿区煤的孔渗性实验室测定研究

采用新集矿区煤样进行实验室条件下孔渗性测试分析,研究该区煤在不同围限压力下有效孔隙度和气体渗透率的动态变化趋势;同时,对孔渗性的实验室测试方法的可行性,结合该区试井测试结果分析比较,提出测试结果适用性评价。     

钻孔瓦斯压力恢复法求解煤层透气性系数

煤层透气性系数可以准确评估煤层瓦斯的可抽采性能,指导煤层增透改造工艺。借鉴油气试井中的压力恢复曲线相关方法求解煤层透气性系数,建立适应于煤矿井下钻孔瓦斯流动的理论模型。采用半对数直线段分析方法,利用双对数、半对数压力恢复特征曲线,合理确定压力恢复曲线中期直线段起始点位置,准确计算中期直线段的斜率大小,继而计算煤层透气性系数。通过现场实例验证,并和径向流量法计算结果对比,其相对误差为13%~36.6%,平均误差为24.62%,验证了压力恢复曲线求解煤层透气性系数方法的可行性。     

应力对煤岩裂缝宽度及渗透率的影响

煤层气的开发实践表明,煤岩裂缝和渗透率是制约我国煤层气资源开发成败的关键因素之一。以室内实验为手段,系统研究了有效应力改变条件下煤岩裂缝宽度和渗透率的变化规律。结果表明:煤岩裂缝宽度和渗透率都随有效应力的增大而减小;当有效应力达到8 MPa后,裂缝宽度变化相对缓慢,渗透率变化也很微弱。由此可见,煤岩裂缝和渗透率对应力的变化非常敏感。