井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

张千贵，范翔宇，陈 平，李广治，李铭辉，马天寿

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500）

井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

张千贵1，2，范翔宇2，陈 平2，李广治1，李铭辉1，马天寿2

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500）

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置，进行0.5和1.0 MPa煤层气渗流压力、0.5和1.0 MPa煤层气恒定压力条件下原煤样全应力-应变过程三轴压缩试验，研究井周煤层气渗流特征及煤层气渗流与恒压对煤岩力学性质的影响。结果表明：煤岩渗透系数和煤层气流量随轴向应变增加先降低，在屈服点减小到最低点后逐渐增大，最后趋于稳定；煤层气恒压下的煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力下的值；恒定煤层气压力越大，煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小；煤层气渗流压力越大，煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量越小；研究结果可为煤层气欠平衡钻井压力控制、固井及储层改造等设计与施工提供技术支持。

岩石力学；煤层气；煤岩渗透率；力学性质；欠平衡钻井

近年来，虽然在煤层气运移机制与煤岩力学性质研究方面已取得一些成果［1-8］，但中国煤与煤层气开采过程中灾害事故依然严峻［9］。煤岩的损伤过程影响煤层气流量［10］，而煤岩的变形破坏发展阶段与煤层气渗流速度相对应［11］，瓦斯流量随围压的增大而减小［12］，型煤的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系［13］。随着煤样中含水率的增加，含瓦斯型煤的渗透率逐渐减小，整体呈负指数关系［14］。在轴压和围压固定的情况下，型煤的瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增大而增大［15］。型煤体积应变的变化趋势能很好地体现其渗透率的变化趋势［16］。煤岩微裂隙发育和毛管压力高等特点导致压裂液极易侵入煤层，影响煤岩孔隙结构和渗流能力［17］。煤层气井井周裂隙系统中，气、水两相流动与多分支水平井井筒压力及入流量分布密切相关［18］。围压和瓦斯压力对含瓦斯煤样的变形特性和抗压强度都有一定程度的影响［19］。受卸围压影响，煤体会出现明显的扩容现象，径向发生明显膨胀，变形模量下降，且泊松比增大［20］。随着围压的增加，型煤的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加［21］。气体渗流降低含煤层气煤岩的强度，并促进煤岩的结构破坏［22］。在瓦斯抽放过程中，煤样损伤变形的进程与瓦斯流量密切相关［23］，有效应力变化会诱发部分煤岩单元发生损伤［24］。井周煤层气渗流是影响欠平衡钻井井筒压力的主要因素，煤岩的力学性质是决定煤层稳定的关键因素［25］。目前，煤层气储层井周气体运移规律及煤层气流动特征对煤岩力学性质的影响机制仍尚未明确。笔者结合煤层气钻完井实际工况，就煤层气储层井周气体渗流特征及煤层气渗流与恒定压力对煤岩力学特性的影响进行深入研究，为类似条件下钻井压力控制、井壁稳定分析和固井设计与施工提供技术支持。

1　试验准备

1.1试验材料

试验煤样取自贵州省松河煤矿的典型煤层气富集层。在实验室制作成Φ50 mm×100 mm的原煤标准试件（图1），观察发现试件节理发育，裂隙清晰可见，不均匀性非常明显。试件的密度与尺寸见表1。

图1　原煤试样Fig.1 Specimen of raw coal

表1　煤岩试样密度与尺寸Table 1 Density and size of coal samples

1.2试验装置

所用试验设备为重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自行研制开发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置［26］。

1.3试验方案

为模拟煤层气井欠平衡钻井中不同煤层气渗流压差下气体流动规律及固井作业后煤层气压力恒定环境对煤岩力学性质的影响，方案设计如下：试验所用气体为高纯度甲烷气，水浴恒温为45°，周围压力为8 MPa。选取相同煤样4件，在1.0 MPa煤层气压力下吸附12 h，0.5、1.0 MPa煤层气渗流压力和0.5、1.0 MPa煤层气恒定压力条件下进行煤岩的全应力-应变过程三轴压缩试验，试验过程中记录煤层气渗流流量与压力。试验数据记录频率为1次/s。试验试样编号与试验条件见表1。

2　试验结果分析

2.1煤岩全应力-应变关系

试验过程中采集试样的轴向力、轴向变形、径向变形，并考虑试样尺寸，绘制4种试验条件下煤样的全应力-应变关系，结果见图2。图2中ε1为轴向应变，ε2为横向应变（ε2=ε3），εv为体积应变，其计算式为

图2　煤岩全应力-应变关系Fig.2 Relationship between complete stress and strain of coal

从图2中可以看出，4种试验条件下煤样的全应力-应变过程大致可分为压实阶段、弹性阶段、屈服阶段、失稳阶段和残余应力阶段，与其他煤岩三轴全应力-应变曲线的变化规律基本一致［21］。但压密阶段并不明显，仅在轴向应变较小（小于0.013%）时轴向应力缓慢增加。弹性阶段煤样内的原生孔隙和裂隙闭合，应力-应变基本呈线性关系，服从Hooke定律。压密阶段与弹性阶段初期主要为轴向压缩，横向变形较小。当达到煤样屈服强度时开始出现损伤，产生新的裂隙，应力-应变曲线进入非线性阶段，直至轴向应力达到抗压强度。在失稳阶段应力随应变的增加而减小。受围压作用的影响，在残余应力阶段煤样仍能承受一定的荷载。

2.2煤层气渗流与煤岩轴向应变的关系

渗透系数是研究岩石渗透性的一个重要指标，煤岩是一种典型的多孔介质［27］，煤层气在煤岩中的渗流类似于水在土体中的流动，根据达西定律，对于饱和砂，渗流量Q与上、下游水头差（p1-p2）和垂直于水流方向的截面积A成正比，而与渗流长度（即水流过的距离）L成反比［28］，即

考虑煤层气黏度，根据公式（2），煤层气渗流［29］可表示为

式中，k为渗透率，10-3μm2；Q为煤层气流量，mL· s-1；L为煤样长度，cm；μ为煤层气黏度系数，室温20℃时煤层气黏度系数为1.09×10-5Pa·s；A为煤样横截面积，cm2；p1为入口煤层气压力，MPa；p2为出口煤层气压力，即大气压，取0.1 MPa。

考虑煤层气重度γg（kN·m-3）的煤层气渗透系数kx计算式为

由式（3）和（4）可得

将试验数据代入式（5）可计算得到煤样的渗透系数，绘制出煤岩渗透系数、煤层气流量与轴向应变关系曲线见图3。从图3可以看出，煤样渗透系数和煤层气流量随轴向应变的增加变化显著，且趋势基本一致，均与煤样的变形损伤演化过程密切相关［12］。

图3　不同渗流压力下煤样轴向应变与渗透系数、煤层气流量关系曲线Fig.3 Relationship between axial strain of coal sample and coal permeability coefficient，gas flow under different seepage pressures

对比两种渗流压力下煤层气流动情况，0.5MPa渗流压力下煤样渗透系数与煤层气流量随轴向应变增加而变化的曲线波动相对较大，表明低渗流压力下煤层气流动受煤岩内部微结构变形损伤影响更为敏感。随着轴向应变的增加，0.5 MPa渗流压力下煤样渗透系数和煤层气流量在屈服点之前减小量分别为1.241×10-9m/s和0.177 mL/s（减幅9%和11.49%），在屈服点之后增大量分别为1.168× 10-9m/s和0.267 mL/s（增幅16.93%和22.57%）；1.0 MPa渗流压力下煤样渗透系数和煤层气流量在屈服点之前减小量分别为6.625×10-9m/s和0.833 mL/s（减幅52.91%和51.22%），屈服点后增大量分别为2.558×10-9m/s和1.733 mL/s（增幅43.40%和50.48%）。表明低渗流压力下，在压密阶段和弹性阶段煤岩微结构变化对煤层气渗流的降低影响较小，而屈服阶段和失稳阶段对煤层气渗流的增大影响显著；高渗透压力下，在压密阶段和弹性阶段煤岩微结构变化能显著降低煤层气渗流速度，而屈服阶段和失稳阶段煤岩微观结构的损伤破坏对煤层气渗流速度增大的影响相对于降低的影响弱。

在全应力-应变过程轴向应变变化范围内，煤层气流量-轴向应变曲线呈现下凹，并最后趋于平缓，采用三次函数形式对不同渗流压力下煤样全应力-应变过程中轴向应变与煤层气流量的关系进行拟合，表达式为

式中，a、b、c和d为试验参数，与煤层气渗流压力、围压及煤岩性质等条件有关。

对两种渗流压力下煤层气流量进行计算。

（1）0.5 MPa渗流压力下（R2=0.893）：

（2）1.0 MPa渗流压力下（R2=0.963）：

从拟合结果可以看出，拟合方程预测值与试验结果吻合性很好。

2.3煤岩试验特征参数

4种试验条件下煤样试验特征值见表2。从图2和表2可以看出，煤层气恒定压力三轴抗剪强度、屈服强度和弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力条件下的值，3个参数相对减小幅度分别达到33.50%、32.32%、15.06%（0.5 MPa）和30.77%、24.98%、12.63%（1.0 MPa）。三轴抗压强度时，煤层气恒定压力条件下的轴向应变、横向应变绝对值也显著低于相应煤层气渗流压力条件下的值，两个特征值相对减小幅度分别为29.09%、36.27%（0.5 MPa）和16.23%、68.60%（1.0 MPa）。

对比两种煤层气恒定压力条件下煤样试验特征值，煤层气恒定压力越大，煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小，抗压强度时的轴向应变和横向应变绝对值反而减小：煤样三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量相对减小幅度分别为11.12%、6.34%和6.30%，三轴抗压强度时的轴向应变和横向应变绝对值相对降低幅度分别为9.14%和51.20%。

对比两种煤层气渗流压力条件下煤样试验特征值，煤层气渗流压力越大，煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量以及抗压强度时的轴向应变和横向应变绝对值越小：煤样三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量相对减小幅度分别为14.63%、17.93%和8.91%，三轴抗压强度时的轴向应变和横向应变绝对值相对增大幅度分别为6.83%和0.94%。

表2　煤样试验特征值Table 2 Typical values of coal sample tested under different conditions

3　讨 论

3.1煤岩变形对煤层气渗流规律的影响

煤岩是一种孔隙-裂隙双重结构的多孔性有机岩石［30］，储层煤岩赋存有游离与吸附的煤层气，游离的煤层气在压力梯度条件下会在煤岩孔隙中定向流动，即煤层气的渗流，一般可以采用达西定律描述［31］。煤岩受三轴压缩作用，屈服点之前，受到挤压变得致密，裂隙孔隙的闭合面增加［32］，使煤层气流动变得更加困难。屈服点后，原生裂隙扩展，并形成新的裂隙，增大了煤层气运移通道，煤样渗透系数与煤层气流量逐渐增大。煤岩破坏后（残余应力阶段），煤样出现剪切滑移面（图4），虽然随轴向应变继续增大，但煤层气运移通道并未显著扩展或增多，煤岩渗透系数并未明显增加，煤层气流量趋于稳定。

图4　试验后的原煤试样Fig.4 Raw coal sample after test

3.2煤层气压力、渗流对煤岩力学特性的影响

在煤层气压力恒定时，煤层气压力以体积力形式作用于煤岩，气体压力增加，阻碍了煤岩的收缩程度，促进煤岩内部裂隙发生、发展；煤层气压力增大，煤体孔隙裂隙中的游离煤层气减弱了剪切面上的摩擦力，在一定程度上阻碍了裂隙的闭合，增加了煤样的延展性，也使煤样强度和弹性模量降低，三轴抗压强度时的轴向应变增大。另一方面，煤层气压力增大，增强了煤样吸附性，吸附煤层气后减小了煤的表面张力，使煤的骨架发生膨胀变形，也使煤中微裂隙扩张，减小了煤粒间的结合力，使强度降低，弹性模量减小［22］。此外，梁冰等［33］认为煤层气对煤来说是活泼流体，它对煤体除了力学作用外，还有非力学的附加作用，而这种附加作用与孔隙压力有一定联系，因此在相同围压、不同孔隙煤层气压力作用下，煤体在弹性变形阶段的力学响应和力学性质随孔隙煤层气压力的变化而变化。并且，对于煤体的非线性变形阶段，由于煤层气非力学作用的附加影响，其力学响应将随孔隙煤层气压力的不同而产生更大的变化。故气体压力越大，煤岩三轴抗压强度越小，且抗压强度时的轴向应变越大。

在煤层气渗流情况时，煤层气出口端为大气压力（0.1 MPa），煤层气恒定压力与气体渗流条件下煤样等效气体压力可以由图5表示：煤层气进口端气体压力与相同恒定压力时整个煤样的孔隙气体压力相同，但随着煤层气向煤样出口端渗流，煤样中的煤层气压力逐渐减小至0.1 MPa。在煤层气渗流情况下，煤样中等效煤层气体积压力显著低于相应的煤层气恒定压力条件下煤样中的煤层气体积压力，故由煤层气体积应力引起的煤岩内部裂隙发生、发展程度减弱，游离煤层气对煤岩摩擦力与裂隙的闭合的影响也显著降低。同时由吸附煤层气造成的煤岩强度弱化影响也会相应减小。并且，煤层气非力学作用的附加影响也会相应降低，故呈现出如2.1和2.3节试验结果。

图5　煤层气恒定压力与气体渗流条件下煤样气体压力曲线Fig.5 CBM pressure curves in coal samples under conditions of CBM constant pressure and CBM seepage

在高渗流压力试验条件下，由于煤层气等效压力的增加上所述煤层气对煤岩力学性质的负面影响也会相应增大。并且，高渗流压力作用下，煤层气对煤岩微裂隙的冲刷与携带煤岩屑的冲击破坏作用增大，进一步促进煤岩的结构破坏，显著降低煤岩的强度和弹性模量。

3.3工程实用分析

欠平衡钻井是一项高风险的钻井活动，它允许地层流体进入井筒，因此在钻井过程中对进入井筒的流体进行有效的监测与控制及其重要［34］。地层气体侵入量与地层参数、油气层暴露厚度、地层压力有关［35］。煤层气欠平衡钻井中，井周煤岩渗透系数和煤层气流量与煤岩变形特征关系密切，式（6）能有效反映煤岩变形与煤层气流量的关系，预测浸入井筒环空煤层气含量，可为煤层气欠平衡钻井压力控制提供基础依据。

煤层气欠平衡钻井过程中，井周煤层气在一定气体压差下运移，渗流压差的增大能显著降低煤岩结构强度，对于井壁稳定极为不利。固井作业需要向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环空注入水泥［34］。在完井作业之前，密闭的井周煤岩中煤层气高度聚集，其压力大幅增加，也会使煤岩强度显著降低。在煤层气勘探开发过程中，结合本研究所得结果可获得如下几点认识：

（1）欠平衡钻井逐渐打开煤层，地层原始应力环境逐渐破坏，井周煤岩承受的应力差增大，首先发生弹性变形，原始裂隙闭合，体积压缩。达到屈服强度后，产生新裂隙并逐渐扩展，体积扩大。井周煤层气渗流流量在打开储层之初是逐渐减小而后逐渐增大的动态过程。在渗透减弱时，井近周地带可视为相对恒定压力状态，易造成煤岩力学性质显著减弱，故应尽量降低欠平衡压差，以平衡地层渗流压力。

（2）在欠平衡钻井打开煤层气储层后，井周煤岩破坏形成渗流通道，高井底欠压值易引起煤层气在高渗透压差下流动，由此造成井周煤岩结构进一步破坏，建议根据煤层气出气量严格控制欠平衡压差，以确保井壁安全。

（3）井壁有无渗透性对近井壁的孔隙压力有很大影响。当井壁有渗透性时，近井壁地层的孔隙压力会受到井底压力的干扰而发生改变，如欠平衡钻井时近井筒的地层流体将向井筒中渗流。由于渗流速度差异，随着时间的推移，近井筒的孔隙压力逐渐降落到井筒中的压力水平［36］，对井壁的失稳产生影响［37］，导致钻井液密度窗口减小。

（4）固井施工中水泥环封闭井周，随着时间的延长，井周煤层气压力逐渐增大，对井壁稳定非常不利，在固井方案设计时应考虑恒定气体压力对煤岩力学性质的影响而增加固井强度。

（5）在储层改造时，可考虑降低井底压力，以增加井周煤层气渗透压差，破坏煤岩结构，增大煤层气运移通道，达到煤层气增产目的。

4　结 论

（1）煤岩渗透系数和煤层气流量的变化与煤岩的内部结构变形损伤过程密切相关：压密阶段和弹性阶段，煤样渗透系数与煤层气流量逐渐降低；屈服阶段和失稳阶段，煤样渗透系数和煤层气流量逐渐增大；残余应力阶段，煤样渗透系数和煤层气流量逐渐趋于稳定。低渗流压力下煤岩渗透系数与煤层气流量随轴向应变的增加曲线波动较大，屈服后阶段煤岩渗透系数和煤层气流量显著增大；高渗透压力下，压密阶段和弹性阶段煤岩微结构变化能显著降低煤层气渗流强度。

（2）在煤层气渗流条件和煤层气恒定压力条件下，气体压力越大，煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量、抗压强度时的轴向应变和横向应变绝对值均越小。并且，煤层气恒定压力下，煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量、抗压强度时的轴向应变和横向应变绝对值均显著低于煤层气渗流条件下相应的值。

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（编辑 李志芬）

Experimental study on gas flow and mechanical behaviors of coalbed near borehole under constant flow and CBM pressures

ZHANG Qiangui1，2，FAN Xiangyu2，CHEN Ping2，LI Guangzhi1，LI Minghui1，MA Tianshou2
（1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control in Chongqing University，Chongqing 400030，China；2.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation in Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

The flow behavior of coalbed methane（CBM）and its influence on the mechanical properties of coal at near wellbore region were conducted under different pressures using a self-designed"tri-axial stress gas permea-meter"for CMB testing.The experiments were carried out under gas flow pressures of 0.5 MPa and 1.0 MPa and constant CBM reservoir pressures of 0.5 MPa and 1.0 MPa，respectively.The experimental results show that with the increase of the axial pressure or strain，the coal's permeability and gas flow both decrease gradually firstly，and reach the lowest point at yield point，then increase to a stable value finally.The strength，yield strength and elasticity modulus of coal samples under a constant CBM reservoir pressure are all smaller than those under corresponding gas flow pressures.Under constant CBM reservoir pressure or gas flow pressure，the bigger these pressures are，the smaller the shear strength，yield strength and elasticity modulus ofcoalbed around the wellbore will be.These observations can be useful for pressure control during operations of unbalanced drilling，well completion and reservoir stimulation.

rock mechanics；coalbed methane；coal permeability；mechanical property；unbalanced drilling

TE 21

A

1673-5005（2015）05-0094-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.05.013

2015-01-05

国家自然科学基金项目（51474185）；国家“973”计划项目（2013CB228003）；煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研究项目（2011DA105287-FW201203）；中国博士后科学基金项目（2014M560728）

张千贵（1982-），男，博士，研究方向为岩石力学与油气井工程稳定性、非常规天然气开发理论与技术。E-mail：zqkk2909@163. com。

范翔宇（1974-），男，教授，博士，研究方向为油气井岩体力学、钻井地质环境描述及灾害防治技术、测井技术在石油工程中的应用。E-mail：swpu_fxy666@126.com。

引用格式：张千贵，范翔宇，陈平，等.井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2015，39（5）：94-101.

ZHANG Qiangui，FAN Xiangyu，CHEN Ping，et al.Experimental study on gas flow and mechanical behaviors of coalbed near borehole under constant flow and CBM pressures［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（5）：94-101.