基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法

韩　颖，王　博，张飞燕

(1.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；4.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法

韩颖1，2，3，王博2，张飞燕3，4

(1.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；4.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

摘要：为探讨低渗煤层瓦斯流动的非达西特征，基于GSI煤体分类体系与砂岩启动压力梯度测试方法，进行了不同煤体结构煤样的启动压力梯度测试，建立了启动压力梯度与煤体结构的回归关系，实现了煤层瓦斯流动状态的快速判识。研究表明：在煤矿井下采集煤样或直接观测煤壁，获取其煤体结构，并与GSI煤体分类体系进行比对，确定煤样GSI值后，通过启动压力梯度测试并建立其与GSI的关系，即可实现不同煤体结构煤层启动压力梯度的快速获取与瓦斯流动状态的快速判识。

关键词：启动压力梯度；煤层瓦斯；流动状态；快速判识；地质强度指标；低速非线性渗流

长期的低渗透油气藏开发实践表明，流体在低渗多孔介质中的流动为带有启动压力梯度的低速非线性渗流[1]。启动压力梯度概念由B.A.费劳林(苏联，1951)提出，他认为只有当实际压力梯度大于某一临界值时，流动才能发生，此临界值称为启动压力梯度[2]。闫庆来等[3]、吴景春等[4]通过室内实验证实了流体在低渗储层内渗流时存在非线性段及启动压力梯度；陈永敏等[5]通过实验论证了存在渗流启动压力和低速渗流时出现非线性的低速非达西渗流规律。多年来，众多研究者就低速非线性渗流的形成机理[6]、判识标准[7]、数值解法[8]等问题开展了大量研究，但其对象皆为低渗透油气藏。

我国煤层渗透率一般在1 md以下，具有“低渗”特点，郭红玉等[9]通过实验初步证实了气体通过低渗煤样时存在低速非达西现象和启动压力梯度。但是，现行瓦斯抽采技术大多遵循线性渗流理论—达西定律，往往忽略了低渗煤层内存在的低速非线性渗流及扩散现象，导致抽采难易程度评价及抽采工艺选择出现偏差。针对具有不同煤体结构的煤层，如何快速、准确地评价其抽采难易程度以及选择适宜的抽采工艺，以实现瓦斯高效抽采，是煤矿现场亟待解决的问题；而解决该问题的前提及关键，在于对瓦斯在不同煤体结构煤层内流动状态的准确把握。基于此，本文开展了基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法研究。

1基于地质强度指标的煤体结构定量表征方法

1995年，E.Hoek等创立了地质强度指标[10](Geological Strength Index，GSI)，这是一种岩体分类体系，根据岩体结构、岩体中岩块的嵌锁状态与不连续面质量，综合各种地质信息，估算不同地质条件下的岩体强度。GSI岩体分类体系[10]如图1所示。

图1　GSI岩体分类体系

郭红玉等[11]分别采用煤体被切割的基质块与裂隙宽度代替图1中的岩体块度与不连续面风化状况，建立了基于GSI的煤体结构定量表征方法。与传统煤体结构五分法相对应的GSI煤体分类体系[11]如图2所示，GSI取值范围见表1。

2煤样启动压力梯度测试方法

2.1测试原理

本文测试借鉴吴凡等[12]计算砂岩启动压力梯度的方法，其基本思路如下所示。

根据达西定律，当不考虑启动压力梯度时的气体渗流方程见式(1)。

图2　GSI煤体分类体系

表1　GSI取值范围

(1)

式中，v为气体通过煤芯的流速，m/s；K为煤芯渗透率，m2；p1为入口气体压力，Pa；p2为出口气体压力，Pa；p0为大气压力，101325 Pa；μ为气体动力粘度，Pa.s；L为气体流经长度，即煤芯高度，m。

当存在启动压力梯度时，气体渗流方程见式(2)。

(2)

令v=0，则推导得式(3)。

(3)

因此，启动压力梯度计算公式见式(4)。

(4)

式中，λ为启动压力梯度，Pa/m。

2.2测试系统与煤样制备

启动压力梯度测试系统主要由高压N2气源、RMT-150B岩石力学试验机、样品室、CY-60型气体压力传感器、气体质量流量计、气体流量积算仪、数据采集及处理仪器构成[9]，如图3所示。

图3　启动压力梯度测试系统

数据采集仪采用YJZ-16型静态电阻应变仪，可与计算机通讯，实现数据实时、自动采集。气体质量流量计为两种：D07-11CM型流量计，量程为20L/min，与D08-8CM型流量积算仪配套连接；D07-11C型流量计，量程为50mL/min，与D08-8C型流量积算仪配套连接，两者串联工作，实现气体流量的实时、全程测试。

由于样品室较小，仅能容纳Ф50mm×50mm的煤样，故将Ⅰ、Ⅱ类煤体结构煤样直接制备成Ф50mm×50mm的原煤煤芯；对于Ⅲ～Ⅴ类煤体结构煤样，因其较为破碎、无法直接钻取煤芯，故依据密度相等的原则，称取与Ⅰ、Ⅱ类煤芯相同质量的煤样，加压制备成Ф50mm×50mm的型煤煤芯。

2.3测试方法与数据处理

将制备好的煤芯装入样品室，并在其上方放置透气板；通过RMT-150B试验机向煤芯加载4kN轴向力及2MPa围压，开启高压N2源，使气体流经煤芯后，直接排至大气；气体压力传感器及气体质量流量计同步、实时测试气体压力与流量。为确保系统密封良好，测试过程中气体压力不得超过2MPa。

表2　沙曲煤矿1#煤芯测试数据

3基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法研究

研究表明：当瓦斯在煤层中流动时，若瓦斯压力梯度Δp/L(煤层埋藏深度每增加1m，煤层瓦斯压力的平均增加值，一般为0.005～0.015MPa/m[13])大于等于启动压力梯度，瓦斯将发生低速非线性渗流；反之则不流动，瓦斯仅通过扩散途径产出；只有当启动压力梯度为零时，瓦斯才会发生线性渗流[14]。

根据前述测试方法，对采自华晋焦煤有限责任公司沙曲煤矿的一系列煤样进行启动压力梯度测试，并参照GSI煤体分类体系(图2)，对不同煤体结构煤样的GSI赋值，结果见表3。

根据表3中数据，对λ与GSI关系进行回归分析，如图5所示。可以看出，λ与GSI关系显著。当GSI=46.58时，λ=0；当GSI<46.58时，λ=0.00189(46.58-GSI)1.49665，λ随GSI的减小而增大，即煤体结构越破碎，瓦斯流动所需的启动压力梯度越大；当GSI>46.58时，λ=0.00189(GSI-46.58)1.50559，λ随GSI的增大而增大，即煤体结构越完整，瓦斯流动所需的启动压力梯度越大。

图4　v与关系回归分析图

表3　不同煤体结构煤样的GSI值与启动压力梯度测试数据

图5　λ与GSI关系回归分析图

综上所述，对于沙曲煤矿而言，只要在井下采集煤样或直接观测煤壁，获取其煤体结构，并与GSI煤体分类体系进行比对，确定煤样GSI值后，即可通过上述关系得出λ，将λ与Δp/L进行比较，即可快速判定煤层瓦斯的流动状态：Δp/L≥λ，为低速非线性渗流；Δp/L<λ，为扩散；λ=0，为线性渗流。

4结论

1)基于GSI煤体分类体系与砂岩启动压力梯度测试方法，进行了不同煤体结构煤样的启动压力梯度测试，并建立了启动压力梯度与GSI的回归关系。

2)在煤矿井下采集煤样或直接观测煤壁，获取其煤体结构，并与GSI煤体分类体系进行比对，确定煤样GSI值后，通过启动压力梯度测试并建立其与GSI的关系，即可实现不同煤体结构煤层启动压力梯度的快速获取与瓦斯流动状态的快速判识。

需要说明的是，本文仅为初步实验，所得结论有待进一步验证。下一步需增加实验样本，并对启动压力梯度测试系统进行改进，扩大充气压力范围；此外，围压、气体黏度及煤样渗透率、含水饱和度、温度等因素对启动压力梯度的影响需进一步深入研究。

参考文献

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[4]吴景春，袁满，张继成，等.大庆东部低渗透油藏单相流体低速非达西渗流特征[J].大庆石油学院学报，1999，23(2)：82-84.

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[14]马耕，苏现波，魏庆喜.基于瓦斯流态的抽放半径确定方法[J].煤炭学报，2009，34(4)：501-504.

Fast recognition method of gas flow state in coal seam based on starting pressure gradient

HAN Ying1，2，3，WANG Bo2，ZHANG Fei-yan3，4

(1.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region(Henan Province)，Jiaozuo 454000，China；2.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；3.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control(Henan Polytechnic University)，Jiaozuo 454000，China；4.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract:In order to discuss non-Darcy characteristics of gas flow in low-permeability coal seam，based on coal body classification system and test method of starting pressure gradient in sandstone，starting pressure gradient in coal seam which have different coal structure was measured，the regression relationship between starting pressure gradient and coal structure was acquired，fast recognition of gas flow state in coal seam was realized.Research results show that coal structure can be acquired according to sampling or wall observation in coal mine firstly，GSI value of coal samples will be obtained by use of coal body classification system based on GSI，secondly starting pressure gradient can be tested in laboratory and the relationship between it and GSI will be acquired，then fast acquisition of starting pressure gradient and fast recognition of gas flow state in coal seam which have different coal structure will be realized.

Key words：starting pressure gradient；coal seam gas；flow state；fast recognition；geological strength index；low velocity nonlinear percolation

收稿日期：2015-07-20

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51404093)；河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目资助(编号：WS2012A09)；国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目资助(编号：henan-0025-2015AQ；henan-0007-2015AQ)；河南省教育厅科学技术研究重点项目资助(编号：14A440012)；焦作市科技计划项目资助(编号：2014400013)；河南理工大学博士基金项目资助(编号：B2008-15；B2012-093)

作者简介：韩颖(1980-)，男，山东济南人，博士，副教授，主要从事矿井瓦斯防治与瓦斯地质领域的教学与科研工作。

中图分类号：TD712+.5

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0104-05