郭俊慶，康天合，張惠軒，柴肇云，楊永康

(太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

我國(guó)煤巖儲(chǔ)層富含大量非常規(guī)天然氣，其中煤層氣儲(chǔ)量為3.68×1013m3，頁(yè)巖氣儲(chǔ)量為1.12×1015m3，分別位居世界第3位和第1位。但是這些非常規(guī)天然氣的開(kāi)發(fā)極其困難，主要原因是儲(chǔ)層滲透率低或極低，我國(guó)煤層滲透率一般為10-18～10-16m2，較美國(guó)低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[1];頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率低至10-23～10-19m2。并且儲(chǔ)層滲透率隨深度增加越發(fā)減小。因此，改善煤巖儲(chǔ)層滲透性是非常規(guī)天然氣高效開(kāi)采的關(guān)鍵所在。

目前，國(guó)內(nèi)外提高煤巖儲(chǔ)層滲透性的方法可歸納為卸壓法與外加場(chǎng)法兩大類(lèi)，其中卸壓法主要包括水力化方法(如水力壓裂、水力割縫與水力沖孔)、多分支水平井、開(kāi)采保護(hù)層、爆破致裂(如炸藥爆破、液態(tài)CO2爆破與電脈沖爆破)等;外加場(chǎng)法主要包括外加物理場(chǎng)(如溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)或電磁場(chǎng))、外加化學(xué)場(chǎng)(如外加強(qiáng)氧化劑或多組分酸)和外加生物場(chǎng)(如微生物降解)等。學(xué)者們據(jù)此研發(fā)了相關(guān)滲流試驗(yàn)設(shè)備并進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，取得了許多成果。如SOMMERTON等[2]、HARPALANI等[3]、周世寧和林柏泉[4]、程遠(yuǎn)平等[5-6]、趙陽(yáng)升[7]、許江等[8]、尹光志等[9]和王登科等[10]采用自主研發(fā)的三軸應(yīng)力煤巖滲流試驗(yàn)裝置研究了有效應(yīng)力、瓦斯壓力或吸附作用等對(duì)煤體滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)煤體滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)力較為敏感，且與有效應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變化，與瓦斯壓力呈“U”型規(guī)律變化;胡耀青等[11]和李志強(qiáng)等[12]采用自主研制的三軸滲透試驗(yàn)機(jī)配備加熱爐研究了溫度對(duì)煤體滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)煤體滲透率隨溫度升高呈負(fù)指數(shù)規(guī)律或“U”型規(guī)律變化;王宏圖等[13]和王恩元等[14]結(jié)合三軸滲流試驗(yàn)裝置與電場(chǎng)實(shí)施裝置研究了電場(chǎng)作用下煤中甲烷氣體的滲透性，發(fā)現(xiàn)在保持瓦斯壓力梯度0.04 MPa/cm和電壓1 500 V的條件下，滲流速度和滲透系數(shù)比無(wú)電場(chǎng)時(shí)提高15%;嚴(yán)家平等[15]采用自行研制的大型物理模擬裝置研究了聲波場(chǎng)作用下含瓦斯煤體的滲透特性，發(fā)現(xiàn)煤樣外加聲場(chǎng)后滲透率增大，且與作用時(shí)間呈正比，增幅達(dá)1.24倍;郭紅玉等[16]進(jìn)行了不同煤階煤與強(qiáng)氧化劑ClO2的作用，通過(guò)煤表面刻蝕和滲透率的對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)ClO2在作為低溫破膠劑的同時(shí)兼具煤儲(chǔ)層化學(xué)增透效果，將煤樣滲透率提高了0.37～2.03倍。

工程應(yīng)用中以卸壓法的增透效果最好，但是該方法存在以下不足:① 到開(kāi)采后期，因氣體壓力逐漸衰竭，驅(qū)動(dòng)力不足，達(dá)到降壓極限后煤基質(zhì)與頁(yè)巖表面吸附瓦斯難以解吸或放散，長(zhǎng)期開(kāi)采難以達(dá)標(biāo)[17];② 在實(shí)施過(guò)程中，由于卸壓引起的應(yīng)力變化會(huì)破壞煤巖基質(zhì)，加上鉆具研磨、壓裂支撐劑打磨以及我國(guó)頁(yè)巖與煤較松軟等原因，煤巖層中會(huì)產(chǎn)生大量煤粉與礦物顆粒，這些顆粒極易堵塞孔裂隙和鉆孔，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透性的永久性傷害[18];③ 開(kāi)采解放層引起的巖層移動(dòng)會(huì)造成套管錯(cuò)斷，同時(shí)也具有解放層的條件限制，鉆孔、割縫與水壓致裂等卸壓方法影響范圍小、工程量大，加之煤巖體破碎程度受限，瓦斯解吸時(shí)間長(zhǎng)[19-20]。

鑒于上述原因，康天合等[21-22]提出了電化學(xué)強(qiáng)化煤瓦斯解吸滲流的探索性思路，企圖通過(guò)電化學(xué)方法中的電滲驅(qū)動(dòng)、電泳解堵、電解增透與電熱升溫等四位一體作用提高煤層瓦斯解吸滲流速率，為瓦斯高效抽采提供一種新的更為有效的技術(shù)途徑。為此，迫切需要研制一套煤巖中的氣液流體可在電勢(shì)差與壓力差耦合作用下的三軸滲流試驗(yàn)裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)“煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置”)，以便闡明煤巖在電動(dòng)與壓動(dòng)雙重動(dòng)力作用下的滲流規(guī)律及其機(jī)理，為電化學(xué)提高非常規(guī)天然氣采收率提供指導(dǎo)。筆者在分析同類(lèi)滲流試驗(yàn)裝置與煤巖電動(dòng)滲流特性(簡(jiǎn)稱(chēng)“電滲特性”)的基礎(chǔ)上，研制了煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置，較詳細(xì)地介紹該裝置的功能、組成及各部件的關(guān)鍵技術(shù)，給出該裝置所進(jìn)行的前期試驗(yàn)研究成果。

1 煤巖的電滲特性

煤巖的電滲特性是指在電場(chǎng)作用下，煤巖孔裂隙或顆粒間空隙中的液體發(fā)生運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。一般情況下，煤粒與黏土礦物顆粒等溶膠粒子在水溶液中帶負(fù)電[23]，因吸附溶液中的反離子而使表面附近溶液中的單位體積凈電荷密度不為零，表面電荷與溶液中平衡電荷重新分布形成雙電層，即緊密層與擴(kuò)散層，如圖1所示。施加電場(chǎng)后，在擴(kuò)散層內(nèi)距離固體表面某一位置處的溶液會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，運(yùn)移速率v與滑移面上的電位有關(guān):

(1)

式中，ζ為滑移面上的電動(dòng)電位，mV，受電解液pH影響;D為雙電層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m;η為電解液的黏度系數(shù)，Pa·s;E為外加直流電場(chǎng)的電位梯度，V/cm。

圖1 雙電層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of double electrode layer structure

目前，電滲特性方面的研究對(duì)象多為巖土，尤其是黏土礦物。其關(guān)鍵參數(shù)有2個(gè):電動(dòng)滲流速度與電動(dòng)滲透系數(shù)。采用的試驗(yàn)裝置均為無(wú)荷載或單軸受壓下的電滲試驗(yàn)裝置[24]，如圖2所示。一般情況下，細(xì)粒土的電動(dòng)滲流速度比水力滲流速度高2～4個(gè)數(shù)量級(jí)[25]，水力滲透系數(shù)為10-5～10-10m/s，而電動(dòng)滲透系數(shù)為10-8～10-9(m2·V)/s，且不受粒徑大小影響[26]。對(duì)于巖石而言，CHILINGAR G V等[27]發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)可將含黏土礦物砂巖中的水流速提高2～32倍。AGGOUR M A等[28]采用Arabian輕質(zhì)油和NaCl水溶液研究了電場(chǎng)對(duì)砂巖油水兩相相對(duì)滲透率的影響，發(fā)現(xiàn)加電后油水相對(duì)滲透率比值增大，并且煤巖孔裂隙通道越窄，電滲流速率越快。然而，在三軸條件下的電滲試驗(yàn)及其裝置鮮見(jiàn)報(bào)道。

圖2 巖土電滲試驗(yàn)裝置[24]Fig.2 Experimental apparatus of electroosmosis of rock and soil[24]

2 裝置的主要功能與技術(shù)參數(shù)

2.1 主要功能

煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置可測(cè)試三軸應(yīng)力狀態(tài)下煤巖流體在電勢(shì)差與壓力差雙重動(dòng)力作用時(shí)的滲透系數(shù)，獲得煤巖電動(dòng)滲透系數(shù)及其隨有效應(yīng)力和電化學(xué)作用參數(shù)(如電解液種類(lèi)及濃度、pH值、電位梯度、電極材質(zhì)等)的變化規(guī)律，在電化學(xué)作用場(chǎng)下可模擬三軸應(yīng)力下電滲驅(qū)動(dòng)煤巖體中液體流動(dòng)并攜帶氣體運(yùn)移的過(guò)程，研究電化學(xué)場(chǎng)作用下的氣水兩相滲流規(guī)律和強(qiáng)化機(jī)理，是煤巖流體電動(dòng)力學(xué)這一新領(lǐng)域較理想的試驗(yàn)裝置。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)最大軸壓30 MPa(油缸壓力)，最大圍壓10 MPa，精度0.05 MPa。

(2)最大孔隙壓力10 MPa，精度0.05 MPa。

(3)溫度測(cè)試范圍0～100 ℃。

(4)試樣尺寸φ75 mm×150 mm。

(5)集液瓶容量500 mL，精度0.5 mL;天平量程120 g，精度0.1 mg;集氣量筒容量1 L，精度0.5 mL。

(6)電壓范圍:0～250 V;電流范圍:0～1.2 A。

(7)溶液為水、弱酸、弱堿、強(qiáng)堿或鹽類(lèi)，電解液濃度最大至飽和。

(8)電極材質(zhì)為黃銅或不銹鋼等高剛度導(dǎo)電材料。

3 裝置組成及各部件的關(guān)鍵技術(shù)

圖3為自主研制的煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置。該裝置主要由加載系統(tǒng)、三軸滲透室、孔隙壓控制系統(tǒng)、電化學(xué)作用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5部分組成。

3.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要由軸向加載和圍壓加載兩部分構(gòu)成，如圖3所示。其中，軸向加載包括軸向加載機(jī)架5、加載油泵11和蓄能器8、壓力表7及高壓管等。軸向加載機(jī)架是由上承壓板28與下承壓板28經(jīng)4根立柱固定而形成的框架結(jié)構(gòu);圍壓加載包括圍壓高壓氣瓶24、壓力表7-5和截止閥14-6等。該加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加載過(guò)程的連續(xù)性、穩(wěn)定性和精確性。

圖3 煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置Fig.3 Triaxial seepage experiment for coal and rock under coupling of pressure-motion and electro-motion 1—試樣;2—橡膠套;3—多孔電極板;4—三軸滲透室;5—加載機(jī)架;6—加載油缸;7—壓力表;8—蓄能器;9—三位四通閥;10—單向閥;11—加載 油泵;12—油箱;13—高壓氣瓶(加載孔隙壓);14—截止閥;15—參考罐;16—穩(wěn)壓閥;17—真空泵;18—真空壓力表;19—恒壓恒流注液泵;20—儲(chǔ) 液罐;21—集液瓶;22—水槽;23—集氣量筒;24—高壓氣瓶(加載圍壓);25—直流電源;26—電流表;27—溫度數(shù)顯表;28—承壓板;29—天平

3.2 三軸滲透室

三軸滲透室4是該試驗(yàn)裝置放置煤巖樣、施加電化學(xué)作用場(chǎng)及產(chǎn)生試驗(yàn)所需圍壓環(huán)境的機(jī)構(gòu)，如圖4所示。三軸滲透室由頂蓋1、外筒3、底座4和加壓活塞6四部分組成。其中，頂蓋、底座與外筒之間分別采用頂蓋法蘭2和底座法蘭5經(jīng)8條螺栓進(jìn)行連接緊固，連接處用“O”型密封圈密封，可有效保證氣密性。頂蓋與底座的材質(zhì)為尼龍66，外筒與法蘭材質(zhì)為碳鋼，這樣既可確保電化學(xué)作用過(guò)程中的絕緣效果，又可保證壓力室的承壓能力。加壓活塞桿置于頂蓋中間，材質(zhì)為尼龍66，直徑75 mm，并且在頂蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有兩道“O”型密封圈，確保頂蓋與加壓活塞之間的密封效果。

為了保證煤巖樣所受孔隙壓和圍壓的獨(dú)立，用三元乙丙材質(zhì)的橡膠套11包裹試件，在橡膠套兩端面內(nèi)側(cè)分別設(shè)有上壓環(huán)7和下壓環(huán)9，壓環(huán)之間安裝4個(gè)定位桿8(圖5(a))，用于傳遞頂蓋施加的壓力，確保橡膠套兩端邊的密封效果，進(jìn)而將孔隙壓與圍壓分隔。在加壓活塞下端面和底座上端面分別設(shè)有直徑65 mm、深5 mm，用于安裝2個(gè)電極板的腔室，如圖5(b),(c)所示。為使氣/液均勻地流過(guò)試件斷面，在兩電極板中均勻開(kāi)孔并在其一端沿孔開(kāi)槽。另外，在外筒側(cè)面設(shè)有2個(gè)接口，1個(gè)用于連接圍壓加載管路，另1個(gè)連接溫度傳感器。在底座和加壓活塞中分別布置2對(duì)孔，1對(duì)用于進(jìn)氣/液和陽(yáng)極導(dǎo)線(xiàn)插孔，另1對(duì)用于出氣/液和陰極導(dǎo)線(xiàn)插孔。由于煤表面帶負(fù)電荷，為保證電滲方向與壓差方向一致，將陽(yáng)極設(shè)置在煤樣下端，陰極設(shè)置在煤樣上端。

圖4 三軸滲透室Fig.4 Triaxial seepage chamber 1—頂蓋;2—頂蓋法蘭;3—外筒;4—底座;5—底座法蘭; 6—加壓活塞;7—上壓環(huán);8—支撐桿;9—下壓環(huán);10—陰極多 孔電極板;11—橡膠套;12—陽(yáng)極多孔電極板;13—煤樣; 14—圍壓接口;15—溫度傳感器接口;16—進(jìn)液/氣孔; 17—陽(yáng)極導(dǎo)線(xiàn)孔;18—出液/氣孔;19—陰極導(dǎo)線(xiàn)孔

3.3 孔隙壓控制系統(tǒng)

孔隙壓控制系統(tǒng)由高壓氣瓶13、參考罐15、TBP-5010t型恒壓恒流注液泵19、穩(wěn)壓閥16和氣體管路等組成，如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)減壓閥或注液泵調(diào)節(jié)三軸滲透室進(jìn)氣/液孔的流體壓力，通過(guò)與參考罐相連的壓力表7-3的讀數(shù)測(cè)定進(jìn)氣量，出氣/液孔的壓力則為大氣壓。

3.4 電化學(xué)作用系統(tǒng)

電化學(xué)作用系統(tǒng)由DH1722A-4型單路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源25、注液泵19、儲(chǔ)液罐20和電極板3等組成(圖3)。

3.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力表7-1,7-2和7-5、溫度傳感器、溫度數(shù)顯表27、集液瓶21、天平29與量筒23等組成(圖3)。其中，壓力表用于測(cè)試軸壓、圍壓和孔隙壓;溫度傳感器和溫度數(shù)顯表用于測(cè)試電化學(xué)作用過(guò)程中煤樣溫度變化;集液瓶、天平與與集氣量筒用于測(cè)量滲流通過(guò)的液體和氣體體積。

圖5 三軸滲透室零部件Fig.5 Components of triaxial seepage chamber

4 煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)

為驗(yàn)證煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置的可靠性，結(jié)合煤層氣產(chǎn)出過(guò)程中的3個(gè)階段，先后進(jìn)行了電動(dòng)-壓動(dòng)雙動(dòng)力作用下的飽和水流與氣液兩相流全過(guò)程滲流試驗(yàn)，本文給出部分試驗(yàn)結(jié)果。

4.1 煤樣采集與加工

試驗(yàn)所用無(wú)煙煤樣取自晉煤集團(tuán)寺河二號(hào)井15號(hào)煤層，采用巖石取芯機(jī)、切割機(jī)與打磨機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)取回的大塊煤加工為直徑75 mm、長(zhǎng)150 mm的圓柱狀試件，試件兩端面不平行度小于0.05 mm。將制備好的試件烘干稱(chēng)重并放置于干燥箱內(nèi)備用。為確保試驗(yàn)安全，氣體采用純度為99.9%的高純氮?dú)狻?/p>

4.2 試驗(yàn)方案及步驟

4.2.1試驗(yàn)方案

(1)進(jìn)行不同電位梯度的煤樣飽水單相滲流試驗(yàn)。軸壓6 MPa，圍壓4 MPa，進(jìn)口水壓為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，出口水壓恒定為0.1 MPa，電位梯度依次為0，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0 V/cm;

(2)進(jìn)行有無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)的煤樣氣水兩相滲流試驗(yàn)。軸壓6 MPa，圍壓4 MPa，進(jìn)口氣壓為1.5 MPa，出口氣壓恒定為0.1 MPa，有電場(chǎng)時(shí)的電位梯度設(shè)定為4 V/cm。

4.2.2試驗(yàn)步驟

(1)絕對(duì)滲透率測(cè)試。施加軸壓6 MPa，側(cè)壓4 MPa，孔隙氣壓1.5 MPa，檢查裝置密封性，測(cè)試煤中氣體絕對(duì)滲透率ka，計(jì)算公式為

(2)

式中，p1與p0分別為試驗(yàn)環(huán)境的入口孔隙壓力與出口孔隙壓力，MPa;Qg為氣體體積流量，mL/s;μg為氣體黏度，Pa·s;L為煤樣長(zhǎng)度，本試樣為15 cm;A為試樣橫截面積，本試樣為44.17 cm2。

(2)飽和水。取出煤樣并置于真空干燥箱烘干稱(chēng)重m0，將干燥煤樣置于真空飽水裝置中的密閉容器內(nèi)，并完全浸沒(méi)于蒸餾水中，開(kāi)啟真空泵，抽真空48 h至含水飽和，稱(chēng)取飽和水的煤樣質(zhì)量m1，依照下式計(jì)算煤樣的含水體積Vp:

(3)

式中，ρw為水密度。

(3)飽水單相滲流試驗(yàn)。施加軸壓6 MPa，側(cè)壓4 MPa，進(jìn)口水壓0.5 MPa，檢查裝置密封性。打開(kāi)出液孔，采用集液瓶收集水。根據(jù)水體積與時(shí)間計(jì)算水流量，至流量基本不發(fā)生變化時(shí)關(guān)閉進(jìn)液閥。根據(jù)下式計(jì)算壓差作用下的滲透系數(shù)λh(也稱(chēng)水力傳導(dǎo)系數(shù)):

(4)

其中，Qh為壓差作用下的水體積流量，mL/s;kh為液體滲透率;γ為容重，kN/m3;μh為水黏度，水在20 ℃時(shí)黏度為0.839 mPa·s。對(duì)飽水煤樣施加電場(chǎng)，電位梯度依次為0.5，1.0，2.0，4.0，8.0 V/cm，重復(fù)進(jìn)行進(jìn)口水壓為0.5 MPa時(shí)的飽水單相滲流試驗(yàn)。然后將孔隙水壓依次設(shè)定為1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，在每一恒定壓力下待水流量穩(wěn)定后分別重復(fù)進(jìn)行不同電位梯度(0.5～8.0 V/cm)時(shí)的飽水單相滲流試驗(yàn)。

(4)氣水兩相滲流試驗(yàn)。在飽水煤樣的兩端施加孔隙氣壓，軸壓6 MPa，側(cè)壓4 MPa，進(jìn)口壓力1.5 MPa，采用氣驅(qū)液的方式，同時(shí)打開(kāi)出氣/液孔，采用集液瓶與量筒分別收集氣體與液體。根據(jù)氣/液體體積與時(shí)間計(jì)算其流量，至氣體流量不發(fā)生變化時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥。根據(jù)式(2)與式(4)分別計(jì)算氣水兩相流動(dòng)時(shí)的氣體滲透率與液體滲透率，分別記為krg與krw。用各相滲透率與氣體絕對(duì)滲透率的比值即可得到氣相相對(duì)滲透率與液相相對(duì)滲透率，分別用Krg與Krw表示。含氣飽和度Sg為

(5)

其中，Vw為出水體積，mL。對(duì)飽水煤樣施加電場(chǎng)，電位梯度4 V/cm，重復(fù)氣水兩相滲流試驗(yàn)。殘余水飽和度Swo為

(6)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.3.1雙動(dòng)力作用下煤中水的滲透特性

表1和圖6為煤樣在軸壓6 MPa、側(cè)壓4 MPa、出口水壓0.5～2.5 MPa以及不同電位梯度作用時(shí)的水滲流流量?？梢钥闯?，無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)煤中水的平均滲流流量為1.745×10-3cm3/s，施加電位梯度0.5，1.0，2.0，4.0與8.0 V/cm后，平均流量依次增至2.912×10-3，5.169×10-3，9.581×10-3，19.196×10-3與29.78×10-3cm3/s，平均增幅依次為1.67，2.96，5.49，11.00與17.07倍。CHILINGAR G V等[27]和ADAMSON L G[29]也發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)可將砂巖中的水流速提高2～32 倍。

表1 不同電位梯度時(shí)煤中水滲流流量結(jié)果
Table 1 Results of flux of water seepage from coalin different potential gradient10-3cm3/s

電位梯度/(V·cm-1)出口水壓/MPa0.51.01.52.02.5平均00.2150.8461.0422.8813.7391.745 0.50.4241.647 2.3714.6525.4672.912 1.01.8653.225 4.9287.1588.6695.169 2.04.0676.497 8.48213.64515.2169.581 4.09.87217.645 20.47922.33825.64519.196 8.013.64825.588 32.03335.64741.98229.780

圖6 煤中水滲流流量隨電位梯度變化曲線(xiàn)Fig.6 Flow rate of water varied with potential gradient

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，擬合得到5種不同出口水壓下，煤樣水滲流流量與電位梯度關(guān)系擬合曲線(xiàn)，如圖6所示。可以得出，軸壓與側(cè)壓固定、不同孔隙水壓條件下，煤樣的水滲流流量Q與電位梯度E之間的關(guān)系表達(dá)式以及相關(guān)系數(shù)分別為

(7)

其中，Q為水滲流流量，10-3cm3/s。

由式(7)可以得出，5種不同孔隙水壓條件下，煤樣的水滲流流量與電位梯度呈明顯的線(xiàn)性關(guān)系，隨著電位梯度的增加，煤樣水滲流流量呈線(xiàn)性增加。由此，可以推導(dǎo)出軸壓、側(cè)壓與孔隙水壓一定的情況下，煤中水滲流流量與電位梯度之間的一般表達(dá)式:

Q=b+aE

(8)

其中，a，b均為擬合系數(shù)，b表示電位梯度為0、僅有孔隙壓力作用時(shí)飽水煤樣滲流流量。

結(jié)合達(dá)西定律與電滲理論可知，對(duì)飽水煤樣施加電場(chǎng)后，水滲流流量由壓力差與電勢(shì)差共同作用，即總的水滲流流量為

(9)

其中，Qe為單位電勢(shì)差作用下的水體積流量，mL/s;λe為電動(dòng)滲透系數(shù)，cm2/(V·s);U為電勢(shì)，V。結(jié)合式(8)與式(9)可知:①b=Aλhdp/dL，結(jié)合式(4)可計(jì)算得到該煤樣的滲透系數(shù)為1.825×10-10～5.291×10-10cm2/(Pa·s)，平均3.597×10-10cm2/(Pa·s)，見(jiàn)表2;②a=Aλe，說(shuō)明a與電動(dòng)滲透系數(shù)有關(guān)，計(jì)算可得該無(wú)煙煤的電動(dòng)滲透系數(shù)為4.064×10-5～11.021×10-5cm2/(V·s)，平均8.221×10-5cm2/(V·s)。對(duì)比可知單位電勢(shì)差(V/cm)提供的水流量約為單位壓差(Pa/cm)作用的1.61×105～4.09×105倍，平均2.49×105倍。

另外，結(jié)合式(1),(9)可得電動(dòng)滲透系數(shù)計(jì)算式:

(10)

由式(10)可知電動(dòng)滲透系數(shù)與電動(dòng)電位、介電常數(shù)與黏度系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。因此，可通過(guò)改變電動(dòng)電位(比如改變?nèi)芤旱膒H值)來(lái)提高煤巖的電動(dòng)滲透系數(shù)。

表2 煤中水力傳導(dǎo)系數(shù)與電動(dòng)滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果
Table 2 Calculation results of hydraulic conductivity and electro-osmotic coefficients

孔隙水壓/MPa水力傳導(dǎo)系數(shù)λh/(10-10 cm2·(Pa·s)-1)電動(dòng)滲透系數(shù)λe/(10-5 cm2·(V·s)-1)(λe/λh)/1050.52.5284.0641.61 1.01.8257.4674.09 1.53.1929.1222.86 2.05.1499.4291.83 2.55.29111.0212.08 平均3.5978.2212.49

4.3.2雙動(dòng)力作用下煤中氣水相對(duì)滲透特性

圖7為有無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)氣驅(qū)水過(guò)程中煤樣的產(chǎn)液量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種條件下的產(chǎn)液量均呈現(xiàn)先快速增大后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì);加電后煤樣的累積產(chǎn)液量由6.47 mL增至12.19 mL，增幅達(dá)1.88倍，達(dá)到平衡時(shí)的時(shí)間由26 011 s降至17 103 s，降幅達(dá)34.2%。

圖7 煤中氣水兩相滲流累積產(chǎn)液量隨時(shí)間變化Fig.7 Flow rate of water varied with potential gradient

圖8為有無(wú)電場(chǎng)條件下煤樣中氣水相對(duì)滲透率隨含氣飽和度的變化曲線(xiàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。該煤樣氣體絕對(duì)滲透率(ka)為0.625×10-15m2，施加電場(chǎng)后煤樣中的殘余水飽和度(Swo)由71.4%降至47.9%，兩相等滲點(diǎn)時(shí)的含氣飽和度(Sg)由16.2%增至24.4%，氣水相對(duì)滲透率由0.046增至0.094，兩相流區(qū)間由0.229增至0.450，在殘余水飽和度下的氣體滲透率(krg)由0.167×10-15m2增至0.476×10-15m2。說(shuō)明施加電場(chǎng)可以降低煤樣中的殘余水飽和度，增加氣水相對(duì)滲透率與殘余水下的氣體有效滲透率，這是由于電滲作用驅(qū)動(dòng)煤樣孔裂隙中的滯留水，從而攜帶氮?dú)膺\(yùn)移所致。SHEN等[30]通過(guò)比較中國(guó)與美國(guó)煤層的氣水相對(duì)滲透特征發(fā)現(xiàn)，中國(guó)煤層氣產(chǎn)氣量低的主要原因是較高的殘余水飽和度，因此可通過(guò)電化學(xué)方法中的電滲作用減小其含水飽和度并延長(zhǎng)產(chǎn)氣周期。

圖8 煤中氣水相對(duì)滲透率與含氣飽和度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 Gas or water relative permeability of coal varied with gas saturation 注：Ke,rg,Ke,rw分別為加電后的氣、水相對(duì)滲透率

表3 煤樣中氣水兩相滲流試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of gas or water relative seepage experiment

ka/10-15m2電場(chǎng)SwoKrg=KrwKrSg兩相區(qū)間 krg/10-15m20.625無(wú)0.7140.0460.1620.2290.167有0.4790.0940.2440.4500.476

5 結(jié) 論

(1)為了明晰電化學(xué)強(qiáng)化煤巖流體滲流規(guī)律，自行研制了煤巖電動(dòng)-壓動(dòng)三軸滲流試驗(yàn)裝置，該裝置主要由加載系統(tǒng)、三軸滲透室、孔隙壓控制系統(tǒng)、電化學(xué)作用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，可絕緣、耐酸堿腐蝕。

(2)該裝置可實(shí)現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)下煤巖流體在電動(dòng)-壓動(dòng)雙重動(dòng)力作用時(shí)的滲流規(guī)律研究并測(cè)試電動(dòng)滲透系數(shù)，最大可提供10 MPa的流體壓力與15 V/cm的電位梯度，特殊設(shè)計(jì)的多功能加卸載絕緣壓頭可固定電極并均勻通過(guò)流體，特殊設(shè)計(jì)的底座與上蓋等零部件配合法蘭可實(shí)現(xiàn)絕緣與高強(qiáng)度。

(3)利用該裝置進(jìn)行了電動(dòng)-壓動(dòng)雙動(dòng)力作用下煤樣飽水單相滲流與氣水兩相滲流試驗(yàn)。飽水煤樣滲流流量隨電位梯度升高呈線(xiàn)性規(guī)律增大，煤樣滲透系數(shù)為3.597×10-10cm2/(Pa·s)，電動(dòng)滲透系數(shù)為8.211×10-5cm2/(V·s)，說(shuō)明單位電勢(shì)差(V/cm)提供的水流量約為單位壓差(Pa/cm)作用的2.49×105倍;施加電場(chǎng)后煤樣中殘余水飽和度明顯降低，氣水相對(duì)滲透率與殘余水時(shí)的氣體有效滲透率增大。該試驗(yàn)裝置的研制可促進(jìn)電化學(xué)強(qiáng)化煤巖流體滲流規(guī)律的深入研究，同時(shí)也可加快煤巖流體電動(dòng)力學(xué)這一新理論的發(fā)展及其在強(qiáng)化油氣采收、軟巖脫水加固、礦山導(dǎo)流增注等工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。需要強(qiáng)調(diào)的是，目前本論文的研究主要是限制在室內(nèi)的理論研究階段，如果要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)還需要做大量工作。