含水率对煤层气渗流的影响

刘永茜,张 浪,李浩荡,邓志刚

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京 100013;3.神华集团有限责任公司煤炭生产部,北京 100011)

含水率对煤层气渗流的影响

刘永茜1,2,张 浪1,2,李浩荡3,邓志刚1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京 100013;3.神华集团有限责任公司煤炭生产部,北京 100011)

煤的含水率影响煤层气的赋存状态和运移能力。结合基质吸附变形理论,分析了煤层中水分存在对基质力学性质的影响规律,探讨了含水率对煤层裂隙变形及煤层气运移的控制作用;采用含水率分别为0.112%,0.498%和0.785%的原煤进行煤层气渗流实验,研究发现,增压过程中随有效应力增加煤层气渗流速度呈非线性递减,二者满足二次函数关系;煤层含水率大小决定该函数的应力敏感区位置和最小渗流速度;随着煤的含水率增加,煤层气渗流速度变化的应力敏感点逐步降低(分别为5.48,5.17和4.78 MPa)。

含水率;渗流速度;有效应力;煤层气

早在20世纪20年代,前苏联学者卡佳霍夫已经开始关注含水率差异对岩石渗透率影响[1],而煤层渗透率与含水率关系的实验研究起步较晚,且大多基于常规油气渗流实验研究。油气工程开发过程中,学者们关于流体渗流能力的研究大都基于压力梯度假设[2],分析特定储层压力和渗透率条件下流体的渗流规律,而含水煤体的气体渗流研究涉及到更复杂的耦合作用。Shi等[3]通过大量实验,发现在一定的含水率范围内,随含水率的升高煤体渗透率也呈线性变化,当煤样含水率超过某个临界值时,含水率对气体吸附的影响变为0,而煤体渗透能力加速衰减;Louis研究发现[4],多孔介质的孔隙特征尺度决定其束缚水分子的能力,并决定气体运移通道的“有效半径”,结合孔隙率与渗透率的关系,给出二者关系模型,并通过实验得到验证;A.G.Kin建立了包含水分、灰分以及压力等多因素的吸附关联模型[5],同时指出,水分含量大小决定了定压储层的最大渗流速度,也在一定程度上验证了Jouber的理论。

张新民[6]、苏现波[7]等尝试研究含水煤岩的吸附和渗流实验,指出含水率差异在不同煤阶中的影响不同;张先敏[8]强调含水煤样气体渗流速度受到有效应力和气体压力梯度指标影响;尹光志等[9]认为一定条件下煤体含水率与有效渗透率关系可用线性函数表述;Frank van Bergen等[10]指出不同成熟度的煤质存在含水率敏感区域,尤其在低含水率区(4.0%以下)影响显著[8]。Mckee C.R.等[11]和Enever等[12]通过实验得到了煤体有效应力对渗透率的影响规律,然而都是在干燥条件下进行的,并且通常采用型煤煤样进行渗流实验。稳定含水率的渗流实验缺乏可比性,型煤煤样的实验并不能客观描述地下煤层真实孔隙(裂隙)系统中煤层气的运移情况。为此,本实验结合基质吸附变形理论,采用不同含水率的原煤煤样进行应力条件下的渗流实验比较,探讨有效应力与渗流速度(渗透率)、含水率与应力敏感性之间的关系,更具有科学和工程意义。

1 基质渗透率与煤含水率的关系

1.1 煤的孔隙特征与含水能力

煤中水的存在形态可以分为游离水和化合水。游离水是煤内部裂隙和孔隙毛细管吸附或表面附着的水,化合水是煤基质中与有机官能团化合作用存在的结合水[13]。通常将煤的含水率与含水饱和度关联分析,考虑基质的双重渗流特性,确定煤中气体渗流变化关键取决于裂隙的开闭程度。

实验室通过改变容器中的温度和湿度,调节煤样含水率,也就是改变煤中游离水的浓度。煤的结构链中不饱和官能团数量庞大,具备了束缚大量流体分子的条件,而水分子较甲烷分子有更高的极性条件[14],由此导致流体分子“竞争吸附”。多层水分子吸附形成附着水,弱化了煤的表面能,降低了煤体的可压缩性,改变了其部分力学参数。比表面积越大,其压缩变形影响越大。根据“竞争吸附”理论及相关的气体吸附实验[15-18],过高的含水率会导致气体渗流的启动压力梯度现象发生,进而改变其渗透特性,这已经通过实验方法得到验证。储层中的煤层气渗流,需要考虑应力环境导致煤体变形和含水率控制的渗透率变化影响。

1.2 含水率与启动压力梯度

Ali Sabir等[19]通过实验发现,含水煤样与干燥煤样存在显著差异,水分子不仅影响了基质的有效孔隙度,并导致煤的可压缩性降低,弹性模量变化,进而影响煤的渗透率。在此之前已有不少学者认为,孔隙度的结构差异是流体启动压力梯度变化的核心因素,储层流体压力梯度(λ)大于临界值(λc)时,流速与流体压力才满足函数关系[2]。含水率的变化会改变λc的大小,因此含水率的大小会决定渗流速度的大小。然而,煤层渗流的气动压力梯度效应,在超低含水率(＜1.0%)煤层中影响并不明显,只有在近饱和或超饱和含水煤层的气体渗流过程中,压力梯度效应相对显著。

1.3 含水煤体裂隙变形理论

与常规气体吸附(解吸)引起煤体膨胀(收缩)不同,含水率变化体现的不仅是煤体基质的变形作用,而更重要的是对煤体力学性质的改变。大量实验研究发现[20],煤岩黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强,这肯定了含水率对煤体细观结构和力学参数的影响。为此,有学者[21]根据Mohr-Coulomb强度理论提出应力条件下用含水率表示的煤岩强度公式,即

其中,τf为抗剪强度;w为含水率;A,B,C,D均为试验参数。在弹性变形阶段,相同围压条件下,含水率的改变决定了煤岩原生裂隙(孔隙)的变化,进而根据孔隙度与渗透率的立方定律

其中,eh为流体渗流等效开度;e为裂隙间距。根据Barton关于应变条件下开度计算的半经验公式[22],对于气体可以描述为

其中,e0为裂隙的初始开度;un为裂隙的法向压缩位移,以压缩为正;C为裂隙的粗糙度;函数f(w)在围压稳定条件下可以认为定值α。在不同含水率条件下的渗透率关系可表示为极限残余渗透率(K0)与变压开度变化的函数,即

2 应力条件下煤层气渗流实验

2.1 含水煤样的制备

实验煤样选取河南煤化工集团某矿二1煤层原生结构煤,在实验室进行人工切割。利用抛光机进行上、下端面抛光,加工成直径ϕ=50.0 mm、高度h= 100.0 mm的圆柱体标准试件。实验采用的原煤样含水率Mad=2.89%,孔隙度F=6.46%,弹性模量E= 3.1 GPa,泊松比υ=0.36。

首先确定实验原煤煤样初始含水率(煤的工业分析)。在确定初始含水率基础上,通过加热脱水的方法,逐步降低煤样含水率,最终确定了除干燥样外其他3组不同含水率的实验煤样,其含水率分别为0.112%,0.498%和0.785%。

2.2 实验设备

本实验采用的三轴渗透仪,主要包括数字控制系统(施加围压和轴压)、甲烷气瓶、三轴煤层气渗透仪、数字化气体流量计等,可以实验模拟不同应力条件下原生结构煤的渗流特性。围压由电动油泵加载,气体压力由高压气瓶提供,气体流量由数字式电子气体流量计采集,实验室内环境温度为20℃。

2.3 实验操作步骤

具体实验操作步骤如下:

(1)固定试件。原煤试件安放在渗透实验装置上,用热缩胶固定,再用吹风机加热软化,使其紧贴壁面,充分接触、密闭。

(2)气密性检查。施加小围压和轴压,通入定量甲烷气体,关闭阀门,观察压力计是否稳定。如果压力不稳定,重新固定并密闭试件;保证密闭的前提下,试件在0.35 MPa的气体压力下等温吸附不小于12 h,吸附充分。

(3)轴压预加载。稳定测试试件前提下,保持匀速加载(0.1 MPa/min)至1.0 MPa的轴压,维持10～15 min。

(4)围压加载。加载围压(0.1 MPa/min)至2.0 MPa,观测压力计和流量计读数,并记录数据。试件吸附40 min甲烷后,释放5.0～8.0 min气体,流量稳定后,测定其渗流速度。

(5)围压调节。逐级改围压至1.0～7.0 MPa围压,测试原煤试件渗流速度变化量。

3 实验结果与分析

3.1 有效应力与煤层气渗流速度的关系

根据岩土力学理论可知,有效应力是指作用于煤层的总应力与其存在于孔隙或裂隙中的流体压力之差,即

其中,σe为煤样所受的有效应力,MPa;p1为原煤煤样进口端气体压力,MPa;p2为原煤煤样出口端气体压力,取0.1 MPa;σa为轴向压力,MPa;στ为环向压力,MPa。根据上述步骤,进行变压渗流实验,得到图1所示的有效应力与气体渗流速度之间的变化关系。

图1 有效应力与渗流速度的关系Fig.1 Relationship between effective stress and seepage velocity

根据图1数据发现,随有效应力增加,煤层渗流速度呈非线性递减。通过式(5)计算,获得相应的有效应力,按照传统的方法拟合得到煤样渗流速度与有效应力之间的非线性关系,即

式中,v为原煤煤样的甲烷渗流速度,mL/min。

比较分析发现,可以采用二次函数关系式代替传统的指数函数关系描述渗流速度衰减与有效应力关系,且有更高的拟合精度。

3.2 含水率对煤层气渗流速度的影响比较

统计干燥煤样和3个含水煤样的流速-有效应力发现,受实验条件和试件尺度限制,超低含水煤样甲烷渗流过程中,气体压力梯度现象并不明显,而气体流速与有效应力之间二次函数关系见表1。

表1 不同含水率煤样v-σe关系统计Table 1 v-σerelationship of different moisture coal samples

相同有效应力条件下,随着含水率的提高,渗流速度逐渐降低,差异显著,这与文献[8]结论一致。与饱和含水煤样相比,超低含水率(＜1.0%)煤样的渗流速度对单位有效应力的变化更加敏感。比较表1中几组函数发现,随含水率提高,流速变化的应力敏感点逐步降低(分别为 5.69,5.48,5.17和4.78 MPa),气体的最小渗流速度递减(分别为17.76,16.80,12.20和5.45 mL/min)。

比较其他3组含水煤样的渗流曲线(图2),不同含水率煤样的甲烷渗流速度都随有效应力的增加而衰减,但其变化速率有差异。由流速v与渗透率K的关系[2],结合实验试件几何参数,可求得应力变化过程中煤层渗透率的变化规律,见式(8)所示。

式中,Q为气体流量;p0为大气压力;μ为气体黏度;L为试件长度;A为试件断面积。

图2 不同含水率的渗流特征曲线比较Fig.2 Comparison of percolation flow curves of different moisture contents

依据应力条件下含水煤样渗透率变化关系(式(1),(4)和(8)),可以将气体最小流速折算为其极限残余渗透率K0,作为评价含水率对其渗透率影响的参数依据。根据表1的4个二次函数,可以确定4个煤样最小渗透率K0分别为0.481×10-15,0.455× 10-15,0.326×10-15和0.148×10-15m2,也就是4条渗透率曲线的最小值。

比较表1中4个二次函数的系数变化规律,可以清晰反映煤层气渗流速度与含水率的变化关系,以及渗流速度的应力敏感性和流速极值的关系。当有效应力达到一定值后,煤样含水率大小对其最小渗流速度影响差异不大(图3),而当有效应力为0时,气体流速达到极值且差异最明显。统计发现,理论渗透率(有效应力为0)与极小渗透率K0的变化规律一致,相同应力条件下渗透率与煤体内部含水率呈线性关系递减,与文献[9]有相似的结论,如图4所示。

图3 渗透率与有效应力的关系Fig.3 Relationship between permeability and effective stress

图4 渗透率与含水率的关系Fig.4 Relationship between permeability and moisture contents

按蠕变损伤理论[23],维持试件长度稳定,比较端面面积变化,通过实验后煤样结构的观测和统计,3种含水煤样都有不同程度的损伤破坏,损伤度(D)最大的为含水率0.785%的煤样(D=15.81%),其次为含水率 0.498%的煤样(D=10.24%),含水率0.112%煤样损伤最微小(D=6.83%),这也与文献[20]结论吻合。

同时需要强调指出,有效应力的过度增大可能会导致煤样的局部破裂,改变煤体的整体结构,从而提高煤层渗透性。通过以上分析研究发现,煤层的渗透率在一定的有效应力范围内满足二次函数关系(部分),随含水率的差异二次函数的曲线特征(开口大小和对称轴位置)有差异,反映了煤层渗透率对含水率变化的敏感程度。这是对传统的有效应力-渗透率关系的修正。

4 结 论

(1)增压过程中,有效应力与煤层气渗流速度之间满足非线性关系。随有效应力增大,煤层气渗流速度降低,比较发现,二者之间满足二次函数关系(部分),这比传统的负指数关系有更高的精度。

(2)含水率控制着应力条件下渗流速度变化的敏感性。煤层甲烷渗流实验证实,气体渗流过程中存在渗透率极值点,前后气体渗流速度变化差异显著。随着煤的含水率提高,极值点对应的有效应力值不断减小。

(3)相同有效应力条件下,超低含水煤层(＜1%)渗透率随含水率的升高而呈线性降低。

(4)相同加载路径下的煤体损伤度统计结果证实,煤体黏聚力和内摩擦角随含水率提高有线性减小趋势。

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Effect of moisture content on CBM seepage

LIU Yong-qian1,2,ZHANG Lang1,2,LI Hao-dang3,DENG Zhi-gang1,2

(1.Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.National Key Lab of Coal High Efficient Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China;3.Coal Production Department,Shenhua Group Co.,Ltd.,Beijing 100011,China)

The moisture content determines CBM occurrence state and its transport capacity in coal seam.Based on the substrate adsorption deformation theory,the authors analyzed the effects of water content on the mechanical properties of matrix,and moisture content control on fracture deformation and coal-bed gas migration in coal seam,and completed a group of CBM seepage experiments using coal samples with different moisture contents,0.112%,0.498%and 0.785%respectively.The study demonstrates that the seepage velocity nonlinearly decreases with the increase of effective stress in the stress loading process;the flow velocity and effective stress relationship is a quadratic function of distribution;and the moisture content determines the stress sensitive area and the minimum flow velocity.Therefore, the maximum flow rate can be calculated.With the increase of water content,the stress sensitive point of CBM seepage velocity decreases gradually,i.e.,5.48,5.17 and 4.78 MPa.

water content;flow velocity;effective stress;coal-bed methane

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1840-05

2014-04-21 责任编辑:常 琛

山西省煤层气联合研究基金资助项目(2013012007);国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”资助项目(2011ZX05040-1, 2011ZX05063-9)

刘永茜(1984—),男,河南南阳人,博士。E-mail:yqliu518@126.com

刘永茜,张 浪,李浩荡,等.含水率对煤层气渗流的影响[J].煤炭学报,2014,39(9):1840-1844.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8013

Liu Yongqian,Zhang Lang,Li Haodang,et al.Effect of moisture content on CBM seepage[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9): 1840-1844.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8013