突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

气固耦合作用下温度对煤瓦斯渗透率影响规律的实验研究

为得到温度对煤瓦斯渗透率的影响规律, 在实验室通过改装三轴渗透仪, 进行了不同温度条件下煤瓦斯的渗透率测定实验。实验结果表明, 在不同温度下, 渗透率随有效应力的减小均呈二次抛物线趋势, 即渗透率先减小后增大。在卸载初期, 温度较低时煤瓦斯渗透率下降梯度比高温时大, 渗透率值较高; 卸载后期, 较高温度时煤瓦斯渗透率上升梯度比低温时大, 渗透率值大。由实验可知, 煤层气开采过程中, 对于不同温度, 煤瓦斯渗透率的变化关系均具有典型煤层气开采的三阶段主导作用特征。有效应力、气体吸热和煤固体受热是影响煤体渗透率的重要因素。在卸载初期, 煤固体受热膨胀及有效应力对渗透率起主导作用, 卸载中后期, 气体滑脱和气体吸热对渗透率起主导作用。实验分析后认为, 开采煤层气时采用先压裂后注热的方式将有助于提高煤层气的产量。      

温度和有效应力对砂岩渗透性影响的试验研究

为探讨温度和有效应力对渗透性的影响,在不同温度水平和不同有效应力水平下进行了砂岩的渗透率试验。根据试验结果,初步分析了温度和有效应力对砂岩渗透率及其水力传导系数的影响。试验结果表明,砂岩的渗透率及其水力传导系数都是温度和有效应力的函数:在温度一定的条件下,砂岩的渗透率和水力传导系数均随有效应力的增加而呈负指数规律减小;在有效应力一定的条件下,砂岩的渗透率随温度的升高而减小,但水力传导系数与温度之间的关系函数并非单调函数。因此,在工程实践中不考虑温度和有效应力对岩石 (体)渗透性的影响是不合适的。     

平均有效应力对煤系页岩瓦斯微观吸附-解吸特性影响试验研究

页岩气井初期和后期产气规律差异本质上是三维应力变化下微观游离态、吸附态瓦斯赋存运移产出机制不同。为从微观角度揭示平均有效应力对煤系页岩气井生产初期游离态瓦斯和后期吸附态瓦斯产出规律影响,以双鸭山盆地东保卫煤矿36~#煤层底板煤系页岩为研究对象,采用核磁共振T₂谱技术对模拟原位应力状态煤系页岩试样进行瓦斯微观吸附-解吸试验。以平均有效应力作为煤系页岩所受原位应力状态指标,以核磁共振T₂谱幅值积分作为煤系页岩微观吸附态、游离态瓦斯含量定量表征指标,定量研究了吸附-解吸过程中煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯含量与平均有效应力的关系,及微观吸附态和游离态瓦斯迟滞系数与平均有效应力的关系,通过多因素线性回归明确了平均有效应力对煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯赋存产出规律影响。试验发现:吸附-解吸过程煤系页岩微观吸附态瓦斯含量与平均有效应力关系分别符合Dubinin-Radushkevich(简称D-R)函数模型和Weibull函数模型,吸附-解吸过程微观游离态瓦斯含量与平均有效应力均符合线性函数模型;微观吸附态瓦斯迟滞系数随着平均有效应力降低以对数函数规律...     

有效应力对煤吸附特性影响的试验研究

为了研究煤岩吸附特性受有效应力影响的机制,结合压汞试验所测定的孔隙率和孔径分布情况,利用自制的原煤等温吸附装置,分别在不同有效应力条件下对山西潞安煤样进行了CH4等温吸附试验。结果表明：①恒温条件下,随着有效应力的增加,煤对CH4吸附量呈下降趋势,气体压力越高时这种变化趋势越明显;②Langmuir方程吸附常数a与有效应力呈负相关关系、吸附常数b则呈正相关关系,分析认为这与原煤内部部分微孔隙封闭和化学势差变化有关;③根据试验数据拟合得出考虑有效应力影响的Langmuir方程形式,所得结果对于煤层气资源评价和开采具有较大的参考价值。     

地应力和瓦斯压力作用下深部煤与瓦斯突出试验

基于目前煤与瓦斯突出模拟试验均为人为控制突出口打开的实际情况,自主研制了可改变轴压、围压和孔隙压,实现突出口自行打开的煤与瓦斯突出模拟仪。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾矿为例,试验模拟了煤层开采深度分别为900、 1 100、1 300 m时,突出煤层临近工作面区域在地应力和瓦斯压力共同作用下诱导发生煤与瓦斯突出全过程。试验利用轴压、围压模拟地应力作用,孔隙压模拟瓦斯压力作用。经相似理论计算确定了3种开采深度下轴压和围压值、孔隙压逐级增加得到了突出时瓦斯压力,并拟合了关系曲线。研究结果表明：开采深度、轴压、围压、瓦斯压力与突出距离、突出强度间均呈幂指数增加规律。随深度增加,地应力与瓦斯压力对突出影响增量逐渐减小。瓦斯压力对突出影响作用存在3阶段特征,分别为急剧影响增加阶段、稳定影响增加阶段和缓慢影响增加阶段,确定了瓦斯压力对突出影响变化率最大值,即瓦斯压力变化异常区与稳定区分界点为0.75 MPa,对应开采深度为350 m,与前人理论分析结果基本吻合。由此可以推断,随深部开采,地应力与瓦斯压力共同作用下煤与瓦斯突出频度将增加,但强度和破坏程度增加率将趋于平缓。所得结论对该矿深部煤与瓦斯突出机制认识和预测防治具有参考意义。     

多孔介质应力对孔隙压力影响的研究

通过大量的现场测试发现 ,含瓦斯煤岩是一个复杂的系统 ,煤体应力的变化是引起其他一系列变化的主导因素。随煤体应力的变化 ,孔隙压力呈指数形式变化 ;介质的渗透性受孔隙压力梯度的控制。     

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。     

含瓦斯煤相似材料研制及其突出试验应用

采用相似物理模拟试验研究煤与瓦斯突出机制和规律是目前有效的方法,含瓦斯煤体相似材料是突出定量模拟的关键因素。研制出一种新型的含瓦斯煤体相似材料,该相似材料以一定粒径分布的煤粉为骨料,以腐植酸钠水溶液为胶结剂,混合压制成型后干燥。大量正交配比试验表明:在成型压力15 MPa下,相似材料的重度、孔隙率趋于稳定并与原煤十分接近;相似材料抗压强度高,可调范围达0.5~2.8 MPa,与胶结剂浓度近似呈线性正比关系;吸附解吸试验表明,相似材料的吸附性良好,其与原煤的吸附等温线一致;并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定和各物理力学参数调节方便等特点,可用来模拟不同强度原煤。采用相似材料制作的型煤开展了煤与瓦斯突出试验,成功模拟了煤与瓦斯突出现象和过程,证明该相似材料能很好地模拟具有吸附解吸特性的含瓦斯煤体。     

基坑降水总应力变化时有效应力增量和沉降量计算

针对基坑降水引起地面沉降计算值比实际值偏大的情况，本文系统分析了潜水和承压含水层在降水后，不同条件下土中总应力及有效应力的计算。基坑降水后土体中的总应力不是通常认为的一成不变。特别是基坑降水中常遇到的降低潜水含水层水头的情况，总应力是减小的，有效应力增量值也小于孔隙水压力下降值。对比分析了通常采用的不变原理和本文提出的可变原理两种情况，降水后土体总应力和有效应力增量计算值有差异，采用分层总和法计算了基于两种原理的沉降量。潜水含水土层沉降量计算偏差最大，基于总应力不变的沉降量比总应力可变的计算沉降量约大20%。本文计算原理对于抽取深层承压地下水导致地面沉降同样适用。     

覆压作用下页岩的孔渗性实验及其应力敏感性研究

为了研究页岩在应力作用下的孔渗变化及孔隙结构特征,采用四川盆地昭通区块页岩样,不同压力条件下对页岩的孔隙度和渗透率进行实验分析,建立了页岩样孔隙度、渗透性与净覆压之间的相关关系和模型;采用渗透率损害率和应力敏感系数分析了页岩储层的应力敏感性。研究结果表明,页岩基质孔隙度和渗透率随有效应力的增加呈负指数函数规律降低,渗透率与孔隙结构有关,页岩地层中包括基质孔隙和裂隙共同发育的双重介质体系。当净覆压小于5 MPa时,页岩储层应力敏感系数变化较大,应力敏感性强;当净覆压大于5 MPa时,页岩储层应力敏感系数随有效应力的增加下降速度整体减缓,且存在波动变化,应力敏感性减弱,渗透率损害率随有效应力的增大而缓慢增加。研究发现,不同孔径的孔隙度随应力的增大而减小,反映了页岩中不同孔径对孔隙度的协同效应,对揭示页岩储层的孔径变化,指导深部页岩储层的物性特征具有一定的实际意义。     

有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。     

有效应力强度指标与总应力强度指标的关系

由总应力强度指标计算的 ,并不是试样破坏时的真实破裂角,而仅是一个假想的破裂角,与之对应的平面是一个假想的剪切破坏面。试验结果表明,试样破坏时的真实破裂角,是用有效应力强度指标 计算的 。分析论证了在关于土的抗剪强度计算的相关公式中,有效应力强度指标与总应力强度指标不可混用,且公式中有效应力强度指标应与有效应力相对应、总应力强度指标应与总应力相对应。     

考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析

在煤层气的初级生产过程中,为了获取较高的生产率,需要降低储层压力,储层压力下降对于煤层气的渗透率具有两个相反的效应：（1）储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2）煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高。Shi和Durucan、Palmer-Mansoori以及Gray等都建立了包含了基质收缩效应以及有效应力的影响的渗透率模型,其模型都基于以下两个关键假设：煤岩体处于单轴应变状态以及竖向应力恒定。为了检验上述两个假设的合理性,建立了一个考虑基质收缩效应以及渗流场-应力场耦合作用下的煤层气流动模型,对煤层气初级生产过程中渗透率的变化进行了耦合分析。分析结果表明：单轴应变的假设具有合理性,而竖向应力是随指向生产井的应变梯度的变化而变化的,其对于渗透率的变化具有重要影响,因此,竖向应力恒定的假设可能导致渗透率预测出现误差;上述渗透率模型都可能低估煤层气初级生产过程中渗透率的变化。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1. 00、0. 60、0. 57、0. 57、0. 52,气煤样依次为1.00、0. 64、0. 50、0. 54和0. 55,无烟煤样依次为1.00、0. 74、0. 58、0. 50和0. 56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52,气煤样依次为1.00、0. 64、0.50、0.54和0.55,无烟煤样依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。