荊俊杰,梁衛(wèi)國,張倍寧,黎 力

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院,原位改性采礦教育部重點實驗室,太原 030024)

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含水率對煤層瓦斯?jié)B流特性影響的試驗研究

荊俊杰,梁衛(wèi)國,張倍寧,黎 力

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院,原位改性采礦教育部重點實驗室,太原 030024)

針對煤層注水軟化或水力增透技術造成的煤體含水率高,進而影響煤層瓦斯的滲流特性的問題,利用自主研發(fā)的MCQ-Ⅱ型煤層瓦斯?jié)B流試驗設備,對原煤試件進行了25 ℃、31 MPa恒定溫壓條件下含水率(質量分數(shù))分別為0%,2%,4%,6%,8%的瓦斯?jié)B透性試驗。研究發(fā)現(xiàn),在恒定溫壓條件下,煤樣滲透率隨滲透壓的增加而增加,且含水率越高,滲透率隨滲透壓升高增加越快;瓦斯的啟動壓力隨含水率的增加而增加,在不同的含水率條件下,可測到滲透率的最低瓦斯?jié)B透壓力為2 MPa,由于滲透壓力較大,滲透過程中的Klinkenberg效應不明顯;瓦斯?jié)B透率隨含水率的增加呈指數(shù)降低,當含水率低于6%時滲透率隨含水率增加降低較快,當含水率高于6%時含水率對滲透率的影響程度減弱;在煤體注水過程中,煤體彈性模量會降低,使得煤體在軸向和徑向的壓縮應變增大,當含水率超過6%后,含水率對于煤體變形的影響減弱,且煤體變形過程中表現(xiàn)出各向異性,軸向應變始終大于徑向應變。該結論對于煤層注水或水力壓裂后,煤層中瓦斯運移規(guī)律變化研究有一定的指導意義。

煤層瓦斯;滲透率;含水率;變形;各向異性

在煤礦開采過程中,煤與瓦斯突出的防治和提高瓦斯抽采率一直是工程上較為關注的問題,相應地煤層注水[1-2]、水力壓裂[3-4]、水力割縫[5-6]等成為較為廣泛采用的解決措施。但在此過程中,水作為壓力液體進入煤體中,進而對瓦斯在煤體中的解吸和運移產生影響。

關于水分對煤層瓦斯解吸特性的影響,許多學者已經進行過研究。張國華等[7]研究了水鎖效應對煤體瓦斯解吸的影響,發(fā)現(xiàn)外液侵入1 h內,煤體瓦斯解吸量降低7% ～26%;聶百勝等[8-9]利用6種不同含水率的煤樣對瓦斯的極限解吸量進行研究,并應用分子熱力學和表面物理化學理論研究了煤吸附水的微觀機制;趙東等[10]研究了高壓注水對煤體瓦斯解吸特性的影響。

煤體在吸附水分后力學特性會發(fā)生改變。蔣承林[11]通過不同含水率煤樣力學試驗和理論分析,認為煤層在吸附水后強度降低,塑性增強。蔣長寶等[12]在恒定的有效應力條件下,進行了不同原始含水率的含瓦斯煤樣全應力-應變瓦斯?jié)B流試驗,發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加,煤樣抗壓強度降低。

吸水后的煤體滲流特性會發(fā)生改變。魏建平等[13]利用型煤試件,進行了不同含水率條件下瓦斯的滲透性試驗,發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)B透率與含水率呈負相關關系;劉震等[14]采用型煤試件進行了高壓注水煤樣和液態(tài)水潤濕煤樣的滲透率測試,發(fā)現(xiàn)相比于干燥煤樣,高壓注水煤樣滲透率有所提高；WANG Shugang et al[15]利用3種不同類型裂隙的煤樣進行不同含水率條件下煤體滲透率研究,發(fā)現(xiàn)煤體吸水后孔隙率降低導致滲透率下降。

以上試驗研究,采用煤樣多為型煤煤樣,且試件尺寸較小。而煤是一種不均質的多孔介質,內部孔裂隙十分發(fā)育,這些裂隙對煤體的滲透和力學特性均有十分重要的影響。因此筆者采用大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)原煤試件,試件內部包含豐富的孔裂隙結構。同時,上述研究中,煤體含水率控制多數(shù)采用飽和吸水的方式,一方面不能控制煤體的含水率,另一方面也不能真實模擬井下煤體注水過程。因此,本文利用平流泵以恒壓方式向煤體中注水,并通過注入水計量來控制煤體內含水率。模擬煤層在注水后,不同含水率條件下煤體滲透率和力學特性變化,為工程實踐提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗試件

本次試驗的煤樣試件取自山西沁水煤田東緣,左權縣境內15#煤層,煤階屬貧煤。為減少機械加工過程中震動對煤體原生結構影響,先采用手工方法將大塊的原煤加工成煤樣粗胚,然后用磨砂機打磨成100 mm×100 mm×200 mm長方體煤樣試件。再將加工好的煤樣放入真空干燥箱內干燥72 h,保證煤體達到絕對干燥狀態(tài)。取出煤樣試件進行稱重,煤樣重2 790.59 g,在相同溫壓條件下,對多組煤樣試件進行不同含水率(質量分數(shù),0%,2%,4%,6%,8%)條件下CH4滲透性實驗。試驗過程中,流體流動沿層理方向,即試件高度方向。

1.2 試驗裝置

試驗使用MCQ-Ⅱ型煤層瓦斯?jié)B流試驗設備(圖1),該裝置通過一臺平流泵可實現(xiàn)恒定壓力或恒定流量的水流注入；軸壓、圍壓分別由一臺PLC注入泵控制,在保證壓力穩(wěn)定的同時,通過泵體自身的注入流量的變化,還可推算煤體軸向和徑向變形量。加熱保溫裝置可以保證試件始終處于恒溫環(huán)境中。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of the experimental equipment

1.3 試驗步驟

在體積應力31 MPa、溫度25 ℃條件下,對貧煤試件分別進行不同含水率(質量分數(shù),0%,2%,4%,6%,8%)的瓦斯?jié)B透性試驗,具體步驟如下。

1) 將試件裝入壓力室中,交替加載軸壓、圍壓分別至11 MPa、10 MPa;

2) 將壓力室溫度加熱至25 ℃,并對試件進行連續(xù)48 h抽真空處理;

3) 調節(jié)調壓閥至設定壓力,打開注入閥門,以恒定的壓力向煤體中注入CH4,待出口流量穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù);

4) 調節(jié)調壓閥至下一設定壓力,重復步驟3),直至完成該體積應力條件下所有的滲透率測試;

5) 對試件進行48 h抽真空處理,打開平流泵,以恒定的壓力向煤體中注入55.81 mL的水,使煤體含水率達到2%,模擬煤層注水或水力增透過程;

6) 關閉平流泵,重復步驟3)-4),直至完成該條件下所有滲透率測試;

7) 打開平流泵,以恒定壓力向煤體中注水至下一含水率,重復6),直至完成不同含水率條件下煤體的滲透性測試。

1.4 試驗原理

瓦斯在煤體中的滲透規(guī)律符合達西定律[16],其計算公式為:

(1)

式中:K為滲透率,m2;Q為氣體流量,m3/s;μ氣體動力黏度,Pa·s,甲烷取11.067×10-3Pa·s;h為試件高度,m;p1為進口壓力,Pa;p2出口壓力,Pa;A為試件橫截面積,m2。

2 試驗結果

2.1 滲透壓對滲透率影響

滲透壓力的計算公式為:

式中:p為滲透壓力,Pa。

圖2為在25 ℃、31 MPa恒定溫壓條件下,瓦斯在不同含水率的煤樣中滲透率隨滲透壓的變化關系。由圖可以看出,在相同的含水率條件下,隨著滲透壓力的升高,瓦斯的滲透率逐漸增大。且當滲透壓小于7 MPa時,隨含水率的增加,滲透率隨滲透壓升高增加越快；在滲透壓由6.5 MPa增加至7 MPa過程中,含水率為0%，2%，4%，6%，8%條件下,煤樣滲透率分別增加2.13%，5.99%，15.37%，18.55%，36.38%。

圖2 25 ℃、31 MPa恒定溫壓條件下,瓦斯在不同含水率的煤樣中滲透率隨滲透壓的變化關系Fig.2 Under the stable condition of 25 ℃、31 MPa,the coal permeability varies with the seepage pressure under different moisture content

魏建平等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在不同含水率條件下,隨著滲透壓的升高,滲透率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,Klinkenberg 效應十分明顯；但在本次實驗過程中,并未出現(xiàn)該現(xiàn)象。這主要是由于其試驗試件為型煤,試件成分較為均勻,試件所受體積應力較小(最高僅為15 MPa),在較小的滲透壓下(0.2～0.8 MPa)即可測到滲透率值。煤體在吸水后,水分子附著在煤體表面,使得瓦斯在煤體中流動的黏滯阻力性能降低[14],Klinkenberg效應在0.6 MPa滲透壓力下表現(xiàn)十分明顯[13]；而在干燥煤樣中,Klinkenberg 效應主要在1 MPa滲透壓下較為明顯[17],含水率增加后,Klinkenberg 效應影響范圍降低。

由于本次試驗采用原煤試件,且試件所受體積應力較大(31 MPa),含水飽和度增加后,瓦斯的啟動壓力梯度也相應增加[18],在本次設備可檢測范圍內,有氣體滲出的瓦斯?jié)B透壓力隨含水率逐漸增大,且最小為2 MPa,因此Klinkenberg效應不再明顯,滲透率隨滲透壓增大而增大。

同時,在煤樣吸水過程中,由于氫鍵和范德華力的作用,水分子吸附在煤體表面,這種吸附作用強于瓦斯與煤體之間的范德華力作用[14],降低了CH4分子與煤體的直接接觸。隨著煤體含水率不斷升高,附著在煤體表面的水分子逐漸增多,瓦斯被煤體捕獲的概率進一步降低。在滲透過程中,吸附的瓦斯越少,由瓦斯吸附引起的煤體膨脹越小。因此,在相同的溫壓條件下,升高相同滲透壓力,含水率高的煤樣滲透率增加程度較大。

2.2 含水率對滲透率的影響

圖3為在恒定溫度和滲透壓條件下,煤樣滲透率隨含水率的變化。由圖可以看出,隨著含水率的增加,煤體滲透率呈指數(shù)下降。在7.5 MPa滲透壓條件下,當含水率由0%增加至4%時,煤樣滲透率由14.94×10-4md下降至5.61×10-4md,下降62.45%。

圖3 在恒定溫度和有效應力條件下煤樣滲透率隨含水率的變化Fig.3 Under the stable condition of effective stress,the coal permeability varies with moisture content

表1為3種滲透壓條件下,煤體滲透率的降低率(某一含水率下煤體滲透率與下一含水率較高的煤體滲透率的差值的之比)隨著含水率的變化。由表可以看出,當含水率低于6%時,隨著含水率的升高,煤體中水分對滲透率的影響逐漸增大；在含水率超過6%后,水分增加對煤體滲透率影響減弱。在7 MPa滲透壓力下,當含水率由4%增加至6%時,煤樣滲透率增加60.86%；而在含水率由6%增加至8%時,煤樣滲透率下降31.45%。

表1 不同滲透壓條件下滲透率降低率隨含水率的變化

在煤層注水初期,水分子首先進入較大的裂隙和割理中,水分子吸附在裂隙表面或占據(jù)整個裂隙空間,使得瓦斯運移的有效通道減小甚至閉塞；且隨著注水量的增大,水分在煤體裂隙和割理中占據(jù)的空間進一步增大,瓦斯的滲透率進一步降低,這使得煤體含水率由0%增加至6%過程中,煤體的滲透率下降逐漸增大。

由于煤體裂隙空間有限,當較大裂隙被水分子填充完后,水分子進一步向煤體內微裂隙、無效裂隙及非連通孔隙中運移。由于無效裂隙和非連通孔隙并未參與流體滲流過程,使得含水率進一步增加對煤體滲透率的影響減弱。

相反,在煤層氣開采過程中,隨著排水降壓的不斷進行,煤體的含水率不斷下降,煤基質表面自由能增加,引起煤基質收縮,在滲透壓不變的條件下,煤體滲流通道增大;同時含水率降低使得煤體孔裂隙中水分減少,煤體滲流通道有效通過面積增加,煤體滲透率隨含水率的降低而升高。

2.3 滲透過程中的力學特性變化

圖4 25 ℃、31 MPa體積應力條件下,煤體在不同滲透壓下各應變隨含水率的變化關系Fig.4 Under the stable condition of 25 ℃、31 MPa,axial and radial strain vary with moisture content under different seepage pressure

圖4為25 ℃、31 MPa體積應力條件下,煤體在3種滲透壓下軸向應變和徑向應變隨含水率的變化關系。由圖可以看出,隨著含水率的升高,煤樣的壓縮應變逐漸增大,與滲透率隨含水率變化趨勢一致。在含水率低于6%時,隨著含水率增加,煤樣的壓縮應變增加較快；當含水率超過6%后,兩個方向的壓縮應變增加趨勢減緩。在7.5 MPa滲透壓下,當含水率由4%增加至6%時,煤樣的軸向壓縮應變由3.432 9×10-3上升至7.737 8×10-3,增加了125.41%；徑向壓縮應變由1.056 9×10-3上升至2.921 4×10-3,增加了176.41%。在含水率由6%增加至8%時,軸向壓縮應變和徑向壓縮應變僅上升至11.106 4×10-3和3.846 5×10-3,分別僅增加43.53%和31.67%。

煤樣的彈性模量隨含水率的增加逐漸降低[12],在相同的滲透壓條件下,含水率越大,煤樣壓縮應變越大；但當煤樣含水率超過某一值時,水對煤體的弱化作用開始降低,煤體壓縮應變減小。

煤樣試件吸水后發(fā)生膨脹,由于煤體所受體積應力較大,膨脹只能轉向煤體內部；同時,煤體彈性模量降低,在外部應力恒定的情況下,煤體進一步被壓縮,兩者共同作用,使得煤體滲透率隨含水率增加而降低。

值得注意的是,在本次試驗過程中,煤體的軸向應變始終大于徑向應變。這主要是由于水在裂隙中的封堵作用,瓦斯在煤體徑向方向運移較為緩慢,CH4分子很難傳遞至煤樣試件側面并最終作用到徑向方向。在含水率為6%,滲透壓為7.5 MPa條件下,滲透穩(wěn)定后,在沿煤體層理方向試件表面均勻分布3個孔隙壓力測點值為4.31，0.04，0.35 MPa,所以在徑向方向煤體孔隙壓力較小。

3 結論

1) 在相同的溫壓和含水率條件下,煤樣瓦斯的滲透率隨滲透壓的升高而增大,且由于水分子的吸附減少了煤體中瓦斯的吸附量,煤樣含水率越高,滲透率隨滲透壓升高增加越快。

2) 在25 ℃、31 MPa體積應力條件下,瓦斯的啟動壓力隨含水率的增加而增加,由于滲透過程中瓦斯?jié)B透壓較高,滲透過程中的Klinkenberg效應不明顯。

3) 在一定的滲透壓條件下,瓦斯?jié)B透率隨含水率的增加呈指數(shù)降低,且當含水率低于6%時,滲透率隨含水率增加降低較快；當含水率高于6%時,含水率對滲透率的影響程度減弱。

4) 由于煤體吸水后彈性模量降低,在恒定的滲透壓條件下,隨著含水率的升高,煤體的壓縮應變逐漸增大；在含水率超過6%后,水分對于煤體變形影響降低,且在煤體變形過程中,軸向應變始終大于徑向應變。

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(編輯：龐富祥)

Experimental Investigation on Coal Permeability Under Water Injection

JING Junjie,LIANG Weiguo,ZHANG Beining,LI Li

(Taiyuan University of Technology,College of Mining Engineering,KeyLaboratoryofIn-situProperty-improvingMiningofMinistryofEducation,Taiyuan030024,China)

In this paper, the experimental study was conducted on coal specimens of large size(100 mm×100 mm×200 mm) under the stable condition of temperature and pressure (25 ℃，31 MPa) with moisture content 0%，2%，4%，6% and 8% separately, using a new experimental apparatus MCQ-Ⅱ.The study showed that: Under the condition of 25 ℃ and the volumetric stress of 31 MPa,the threshold pressure of methane increases with the rise of moisture content, the lowest gas seepage pressure is 2 MPa under different moisture content.Owing to greater seepage pressure, Klinkenberg effect is not obvious;Under the stable condition of temperature and pressure, permeability of coal increases with increasing seepage pressure and the rising rate of permeability becomes higher with the increase of moisture content;The gas permeability decreases exponentially with increase of moisture content, the increase of permeability is relatively faster when moisture content is below 6%, and it becomes slower when moisture content is above 6%;The elastic modulus of coal decreases in the process of water injection, since the axial and radial compressive strain increases, when moisture content is above 6%, the influence of moisture content on coal mass deformation becomes weak,and anisotropy decreases in the process, the axial strain is always higher than radial strain.This research is of guiding significance for gas extraction under different moisture content after coal seam water injection or hydraulic fracturing,and it is of higher engineering value.

coalbed methane;permeability;moisture content;deformation;anisotropy

1007-9432(2016)04-0450-05

2016-01-08

國家杰出青年基金資助項目:原位溶浸采礦理論與技術(51225404)；"三晉學者"支持計劃資助項目(2013)

荊俊杰(1989-)，男，山西陽泉人，碩士生，主要從事二氧化碳驅替開采煤層氣的研究，(E-mail)1002993296@qq.com

梁衛(wèi)國，教授，博導，主要從事原位溶浸采礦理論與技術的研究，(E-mail)liangweiguo@tyut.edu.cn

TD 712.6

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.004