基于压汞实验的煤层气渗透性分析研究

李　智　王月红

（1华北理工大学矿业工程学院河北唐山0630092河北省矿山开发与安全技术重点实验室河北唐山063009）

基于压汞实验的煤层气渗透性分析研究

李智1，2王月红1，2

（1华北理工大学矿业工程学院河北唐山0630092河北省矿山开发与安全技术重点实验室河北唐山063009）

煤层气是优质的清洁能源，具有极大的开发和利用前景，而煤岩的渗透特性直接影响到煤层气的抽采效果。现阶段对煤层赋存CO的出现与运移的相关研究诸多，发现煤层气与煤储层渗透性有直接或间接的关系。现从CO渗透性角度出发，从宏观及微观的角度，系统研究孔隙压力、煤岩渗透性对CO运移的影响规律，对提高煤层气抽采率具有重要指导意义。

煤层气；煤层自燃；空隙压力；渗透性

1　研究现状

目前，国内外学者对煤岩渗透特性的影响因素进行了大量研究。林柏泉和周世宁的研究表明，在围压恒定的条件下，煤岩渗透率与孔隙压力之间服从指数函数关系［1］；工程实际与实验有差别，相同的情况比较少见。曹树刚等研究了孔隙压力对原煤渗透特性的影响，得出孔隙压力与渗透率之间呈二次多项式关系；胡耀青等的试验研究表明，含瓦斯煤的渗透系数随体积应力增加而递减，随孔隙压力呈抛物线型变化［2］；赵阳升等研究了吸附解吸作用对煤岩渗透率的影响，并指出煤岩渗透系数随孔隙压力呈负幂函数关系［3］；彭守建等通过试验研究得出渗透率随有效应力的增加而迅速减小，其变化符合负指数函数关系［4］。本文拟以原煤为研究对象，利用工业分析、压汞实验等手段研究煤层CO渗透规律。

2　实验研究

本实验研究内容仅限于开滦集团吕家坨煤矿，故只采集了吕家坨矿各煤层煤样，依据国家标准GB474-2008规定选取具有代表性的煤样，并经过多级筛分制取了不同粒度的煤样，以备实验所需。

实验使用AutoPoreⅣ9500型压汞仪对煤样进行压汞实验，所得实验数据如下表1所示。

表1　煤样的孔隙结构

由表1分析可知，孔隙类型中，1#、6#煤样大孔、过渡孔占孔容比较大，中孔及微孔的孔容比较小，2#、3#、4#、5#煤样大孔、过渡孔及微孔占孔容比较大，中孔的孔容比较小。可见，在孔隙结构中，以大孔、过渡孔为主，其次是中孔，再次为微孔。孔比表面积的大小与孔容和孔径的分布有密切关系，在孔容相同的条件下，具备较小孔径的孔容比例越大，孔比表面积就越大。经数据分析可知，该煤样主要为气煤、1/3焦煤，煤体结构不稳定，易发生缓慢氧化作用。

将煤样放入实验仪器，先进行低压分析，再进行高压分析，会得到孔径与累积进汞量曲线图，鉴于版面原因，只列举进汞量和退汞量明显的3#和6#煤样进行研究分析，如下图1所示。

图1　压力与累积进汞量曲线图

从图中可以看出，煤样的进汞量和退汞量有明显的差异，有着退汞滞后的现象，因此我们选取3#和6#煤样来研究，下面是3#和6#煤样的孔径与进汞量的曲线图：

图2　煤样孔径与进汞量曲线图

从上图2中可以看出在高压条件下（压力大于26000psi a时），3#煤的进汞量和退汞量几乎一致，结合孔隙类型可以观察出，因为3#煤中微孔数量和过渡孔数量所占比例超过50%，可以判定3#煤中的微孔和过渡孔基本为滞留孔，才会使得煤样在压力小于26000psi a时，进汞量和退汞量出现明显的差异，出现了退汞滞后，才会造成汞的残留。而6#煤样在高压时，煤样中的微孔有汞的残留，所以6#煤样在压力小于18000psi a时开始出现退汞滞后。在0~4000psi a时，经孔隙孔径分析，可知此处为中孔和大孔，所占比例达到90%，可以判定6#煤中大孔、中孔、过渡孔多为开放孔，而过渡孔和微孔所占比例较小，微孔主要以吸附为主，所以在高压时进汞量和退汞量几乎一致，可见微孔基本为半封闭孔。这充分说明了微孔、小孔对侵入汞的滞留作用。

对压汞法测得结果进行统计。在坐标图里作出与的图像，得到斜率K，Db=4+K，以为纵坐标，以为横坐标，作出图3如下：

图3　各煤样的关系

经过对上述图像进行分析，可以看出在为2.1左右的时候，也就是孔径大约在120nm的时候，两者的关系曲线明显变成两段。孔径大于120时，线性相关性显著，相关系数大于0.9，此区间的孔隙分形特征可以用分形维数D1表示；而孔径小于120nm的时候，线性相关性不明显，相关系数小于0.9，其用维数D2表示。而1#、6#煤样相关性显著，则用维数D1表示。

表2　孔隙结构的分形维数

根据上表数据显示，孔隙按照作用可以分为两类，一部分（孔径大于120nm）作用于煤层气的渗透，为煤层气的运移提供条件；另一部分（孔径小于120nm）用于煤层气的吸附与扩散。由表可见，吕家坨煤样的分形维数较小，说明煤种大孔、过渡孔含量较高，由分形特性表明，煤的表面结构相当复杂。

3　结语

（1）随着煤变质程度的增加，固定碳和灰分含量增加，挥发分含量下降。分形维数D1随煤级的增加，可以证明，煤与煤级中间增加孔隙度的降低煤的变质程度对煤的孔隙结构有较大影响。（2）一般细长的线性裂缝都算作裂隙，裂隙在煤层气的发生、发展和运移中做出了主要的贡献，也直接影响着煤储层的有效孔隙度和渗透率。（3）孔径大小对进汞量影响明显，大孔和微孔进汞量很大，而中孔和过渡孔则进汞量较少。通过之前煤样的孔隙形态分析得出，随煤变质程度的增加，煤孔隙发展趋势为开放孔-封闭孔-半封闭孔，而孔隙开放与否以及开放程度对煤的气体的吸附量有很大影响，开放孔能瞬间吸附大量气体，当时间充足时半封闭孔对气体的吸附效果也接近开放孔，封闭孔对气体的吸附作用短时间内不会太明显。故该煤样大孔和微孔中，为开放孔或接近开放孔吸附效果的半封闭孔偏多，中孔及过渡孔则封闭孔偏多。开放孔和半封闭孔对气体渗流有较明显影响，而封闭孔对渗流过程基本没有影响。

［1］许江，曹偈，李波波，周婷，李铭辉，刘东.煤岩渗透率对孔隙压力变化响应规律的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，02：225-230.

［2］袁梅.含瓦斯煤渗透特性影响因素与煤层瓦斯抽采模拟研究［D］.重庆大学，2014.

［3］刘星光.含瓦斯煤变形破坏特征及渗透行为研究［D］.中国矿业大学，2013.

［4］周东平，沈大富，余模华，郭臣业.地应力对瓦斯渗流特性影响的试验研究［J］.矿业安全与环保，2012，S1：6-8+12+188.

华北理工大学研究生创新项目（2016S19）。

李智（1990—），男，河北省沧州人，研究生。