煤基質自調(diào)節(jié)效應實驗

摘 要

摘要：煤儲層滲透率是決定煤層氣開采成敗的關鍵參數(shù)之一。以煤基質為研究對象，根據(jù)應力來源的不同，提出了煤基質內(nèi)外應力的概念。分析認為：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鍵參數(shù)之一。以煤基質為研究對象，根據(jù)應力來源的不同，提出了煤基質內(nèi)外應力的概念。分析認為：煤儲層滲透率隨煤層氣開采而動態(tài)變化正是煤基質內(nèi)外應力綜合作用的結果。隨著煤層氣的采動，有效應力(煤基質外力)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，煤基質發(fā)生收縮，產(chǎn)生煤基質內(nèi)力，裂隙寬度增大，煤儲層滲透率增高。為了探討煤基質內(nèi)外應力與煤基質變形特性的關系，開展了三軸力學實驗和吸附膨脹實驗，根據(jù)實驗結果的分析和總結，提出了煤基質自調(diào)節(jié)效應的新觀點，構建了煤基質內(nèi)外應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。
關鍵詞：煤基質；自調(diào)節(jié)效應；煤儲層；滲透率；有效應力；三軸力學實驗；吸附膨脹煤層氣
    煤儲層滲透率的改善來自于多種應力因素的綜合作用，包括上覆巖層重力、構造應力、地下水動力、熱力場等動力條件。這些應力的變化，引起煤基塊的變形，諸多應力耦合導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為研究對象，把來自于基質外部的應力稱為基質外力，其中，有效應力為垂直于裂隙方向總應力與煤儲層內(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力因素。把基質因外部應力變化引起自身形變調(diào)整而產(chǎn)生的應力稱為基質內(nèi)力。
    關于煤基質內(nèi)外力對煤儲層滲透率以及煤基塊的吸附/解吸應變的影響，相關文獻報道較少[1～3]，尤其是對煤基質內(nèi)外應力耦合作用與煤基質變形特性關系缺乏探索。為此，筆者開展了綜合物理模擬實驗，以求建立煤基質在內(nèi)外應力耦合作用下的自調(diào)節(jié)效應和模式。
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學會推薦的標準進行。
 
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，實驗設備為美國Terra Tek公司制造的巖石力學實驗系統(tǒng)。
1.3 綜合實驗模擬方案
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，飽和水平衡24～48h。實驗時保持有效應力不變，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。
1.3.2三軸力學實驗
    圍壓設計為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、軸向應變、徑向應變1(垂直面裂隙)、徑向應變2(垂直端裂隙)、平均徑向應變、體積應變、時間等。
1.4 綜合實驗數(shù)據(jù)處理及結果
1.4.1吸附膨脹實驗
研究表明，CH4吸附應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下吸附的體積應變；εmax與朗格繆爾方程中朗格繆爾體積數(shù)據(jù)表達的含義相當，代表理論最大應變量，即無限壓力下的漸近值；p50與朗格繆爾壓力數(shù)據(jù)表達的含義相當，代表煤樣達到最大應變量的1/2時的壓力。
    進一步實驗表明，吸附應變與壓力并非呈線性關系，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，測得煤在有效應力和溫度不變的情況下，流體壓力(p)與體積應變(εv)的對應關系，實驗結果見表1。
1.4.2三軸力學實驗
    煤層氣開發(fā)均是在地下一定深度范圍內(nèi)進行，人們更為關心的是原地應力條件下煤的力學性質，即飽和水、氣煤樣在圍限壓力下的力學行為和應力-應變關系所表現(xiàn)出的變形特征。在煤儲層所處地應力環(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，在假三軸力學實驗中，；σ2=σ3；ε1為垂向應變，實驗指軸向應變；ε2橫向應變，實驗指平均徑向應變。
將實驗中得到的軸向應變、平均徑向應變、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。煤樣三軸模擬實驗結果見表2。
 
    設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)三軸壓縮力學實驗結果，利用擬合的公式來計算飽和水煤樣的相應壓力對應的數(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 煤基質自調(diào)節(jié)效應耦合關系及模式
    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，使得有效應力(煤基質外力)增大，裂隙寬度減小，導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，煤基質受到干擾，發(fā)生收縮，產(chǎn)生煤基質內(nèi)力，裂隙寬度增大，導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綜合作用的結果。這種綜合現(xiàn)象稱為煤基質自調(diào)節(jié)效應，其中，煤基質收縮導致煤儲層滲透率增高的現(xiàn)象為煤基質自調(diào)節(jié)正效應，有效應力增大致使煤儲層滲透率降低的現(xiàn)象為煤基質自調(diào)節(jié)負效應[4～6]。

2.1 煤基質自調(diào)節(jié)正、負效應耦合關系
    煤基質收縮參數(shù)為吸附膨脹參數(shù)，泊松比為表2中對應煤樣的泊松比值。設煤儲層氣、水飽和，流體壓力從5.9MPa開始逐漸降低1.0MPa左右，煤基質內(nèi)外力綜合作用效果見圖1。成莊無煙煤煤基質有效應力負效應大于煤基質收縮的正效應，望云、常村和左權煤樣在儲層壓力降至3MPa之前，有效應力的負效應大于煤基質收縮的正效應，當儲層壓力降至3MPa之后，煤基質收縮的正效應大于有效應力的負效應，而五陽和陽泉煤樣，煤基質收縮的正效應始終大于有效應力的負效應。根據(jù)插值或縮小流體壓力步長的計算分析，可以得到煤基質自調(diào)節(jié)正、負效應總體趨勢或規(guī)律性，即：流體壓力不變時，煤基質內(nèi)力滲透率增加率隨應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為煤基質內(nèi)力滲透率增加率，%；△Ky為煤基質外力滲透率降低率，%；a1、b1為擬合系數(shù)。
2.2 流體壓力-綜合調(diào)節(jié)效應耦合關系及模式
    把煤基質正、負效應進行疊加，即可得到煤基質自調(diào)節(jié)綜合滲透率變化率結果(表3)。
    各個樣品以及各個煤級的煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與流體壓力耦合關系呈現(xiàn)出相似規(guī)律性。根據(jù)實驗結果，在不同煤級之間進行插值，即可得到煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與流體壓力之間的“負對數(shù)量板”模式：
    △Kz=-a2㏑p+b2    (6)
式中：△Kz為煤基質自調(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)，也就是有效應力滲透率降低率逐漸小于煤基質收縮滲透率增加率。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)效應耦合關系及模式
    圖3顯示，隨著煤級的逐漸增加，煤基質自調(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，有效應力滲透率降低率有大于煤基質收縮滲透率增加率的趨勢。在Ro=2.87%時，煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率在模擬的各個壓力下始終為負值，也就是應力滲透率降低率始終大于煤基質收縮滲透率增加率，而隨著煤級的逐漸減小，在模擬的壓力范圍內(nèi)，煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率由負值逐漸轉化為正值，Ro=1.89%條件下，煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率全部轉化為正值，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，即可以得到煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與煤級之間的“負對數(shù)量板”模式(圖3)：
    △Kz=-a3㏑Ro+b3     (7)
式中：Ro為鏡質組反射率，%；a3、b3為擬合系數(shù)。

3 結論
    1) 以煤基質為研究對象，根據(jù)應力來源的不同，提出了煤基質內(nèi)、外應力的新概念。
    2) 隨著煤層氣采動，煤基質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，提出了煤基質自調(diào)節(jié)正、負效應的新觀點。
    3) 煤基質內(nèi)力滲透率增加率隨煤基質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，煤基質自調(diào)節(jié)綜合效應呈負對數(shù)模式降低，煤基質自調(diào)節(jié)效應模式預示：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，煤基質自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率呈負對數(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
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(本文作者：陳金剛 陳義 劉大全 鄭州大學工程力學系)