煤岩电动-压动三轴渗流试验装置的研制

郭俊庆，康天合，张惠轩，柴肇云，杨永康

(太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024)

我国煤岩储层富含大量非常规天然气，其中煤层气储量为3.68×1013m3，页岩气储量为1.12×1015m3，分别位居世界第3位和第1位。但是这些非常规天然气的开发极其困难，主要原因是储层渗透率低或极低，我国煤层渗透率一般为10-18～10-16m2，较美国低2～3个数量级[1];页岩储层渗透率低至10-23～10-19m2。并且储层渗透率随深度增加越发减小。因此，改善煤岩储层渗透性是非常规天然气高效开采的关键所在。

目前，国内外提高煤岩储层渗透性的方法可归纳为卸压法与外加场法两大类，其中卸压法主要包括水力化方法(如水力压裂、水力割缝与水力冲孔)、多分支水平井、开采保护层、爆破致裂(如炸药爆破、液态CO2爆破与电脉冲爆破)等;外加场法主要包括外加物理场(如温度场、电场、声场或电磁场)、外加化学场(如外加强氧化剂或多组分酸)和外加生物场(如微生物降解)等。学者们据此研发了相关渗流试验设备并进行了系列试验研究，取得了许多成果。如SOMMERTON等[2]、HARPALANI等[3]、周世宁和林柏泉[4]、程远平等[5-6]、赵阳升[7]、许江等[8]、尹光志等[9]和王登科等[10]采用自主研发的三轴应力煤岩渗流试验装置研究了有效应力、瓦斯压力或吸附作用等对煤体渗透性的影响，发现煤体渗透系数对应力较为敏感，且与有效应力呈负指数规律变化，与瓦斯压力呈“U”型规律变化;胡耀青等[11]和李志强等[12]采用自主研制的三轴渗透试验机配备加热炉研究了温度对煤体渗透性的影响，发现煤体渗透率随温度升高呈负指数规律或“U”型规律变化;王宏图等[13]和王恩元等[14]结合三轴渗流试验装置与电场实施装置研究了电场作用下煤中甲烷气体的渗透性，发现在保持瓦斯压力梯度0.04 MPa/cm和电压1 500 V的条件下，渗流速度和渗透系数比无电场时提高15%;严家平等[15]采用自行研制的大型物理模拟装置研究了声波场作用下含瓦斯煤体的渗透特性，发现煤样外加声场后渗透率增大，且与作用时间呈正比，增幅达1.24倍;郭红玉等[16]进行了不同煤阶煤与强氧化剂ClO2的作用，通过煤表面刻蚀和渗透率的对比测试，发现ClO2在作为低温破胶剂的同时兼具煤储层化学增透效果，将煤样渗透率提高了0.37～2.03倍。

工程应用中以卸压法的增透效果最好，但是该方法存在以下不足:① 到开采后期，因气体压力逐渐衰竭，驱动力不足，达到降压极限后煤基质与页岩表面吸附瓦斯难以解吸或放散，长期开采难以达标[17];② 在实施过程中，由于卸压引起的应力变化会破坏煤岩基质，加上钻具研磨、压裂支撑剂打磨以及我国页岩与煤较松软等原因，煤岩层中会产生大量煤粉与矿物颗粒，这些颗粒极易堵塞孔裂隙和钻孔，导致储层渗透性的永久性伤害[18];③ 开采解放层引起的岩层移动会造成套管错断，同时也具有解放层的条件限制，钻孔、割缝与水压致裂等卸压方法影响范围小、工程量大，加之煤岩体破碎程度受限，瓦斯解吸时间长[19-20]。

鉴于上述原因，康天合等[21-22]提出了电化学强化煤瓦斯解吸渗流的探索性思路，企图通过电化学方法中的电渗驱动、电泳解堵、电解增透与电热升温等四位一体作用提高煤层瓦斯解吸渗流速率，为瓦斯高效抽采提供一种新的更为有效的技术途径。为此，迫切需要研制一套煤岩中的气液流体可在电势差与压力差耦合作用下的三轴渗流试验装置(简称“煤岩电动-压动三轴渗流试验装置”)，以便阐明煤岩在电动与压动双重动力作用下的渗流规律及其机理，为电化学提高非常规天然气采收率提供指导。笔者在分析同类渗流试验装置与煤岩电动渗流特性(简称“电渗特性”)的基础上，研制了煤岩电动-压动三轴渗流试验装置，较详细地介绍该装置的功能、组成及各部件的关键技术，给出该装置所进行的前期试验研究成果。

1 煤岩的电渗特性

煤岩的电渗特性是指在电场作用下，煤岩孔裂隙或颗粒间空隙中的液体发生运动的性质。一般情况下，煤粒与黏土矿物颗粒等溶胶粒子在水溶液中带负电[23]，因吸附溶液中的反离子而使表面附近溶液中的单位体积净电荷密度不为零，表面电荷与溶液中平衡电荷重新分布形成双电层，即紧密层与扩散层，如图1所示。施加电场后，在扩散层内距离固体表面某一位置处的溶液会发生相对滑动，运移速率v与滑移面上的电位有关:

(1)

式中，ζ为滑移面上的电动电位，mV，受电解液pH影响;D为双电层的介电常数，F/m;η为电解液的黏度系数，Pa·s;E为外加直流电场的电位梯度，V/cm。

图1 双电层结构示意Fig.1 Schematic diagram of double electrode layer structure

目前，电渗特性方面的研究对象多为岩土，尤其是黏土矿物。其关键参数有2个:电动渗流速度与电动渗透系数。采用的试验装置均为无荷载或单轴受压下的电渗试验装置[24]，如图2所示。一般情况下，细粒土的电动渗流速度比水力渗流速度高2～4个数量级[25]，水力渗透系数为10-5～10-10m/s，而电动渗透系数为10-8～10-9(m2·V)/s，且不受粒径大小影响[26]。对于岩石而言，CHILINGAR G V等[27]发现电场可将含黏土矿物砂岩中的水流速提高2～32倍。AGGOUR M A等[28]采用Arabian轻质油和NaCl水溶液研究了电场对砂岩油水两相相对渗透率的影响，发现加电后油水相对渗透率比值增大，并且煤岩孔裂隙通道越窄，电渗流速率越快。然而，在三轴条件下的电渗试验及其装置鲜见报道。

图2 岩土电渗试验装置[24]Fig.2 Experimental apparatus of electroosmosis of rock and soil[24]

2 装置的主要功能与技术参数

2.1 主要功能

煤岩电动-压动三轴渗流试验装置可测试三轴应力状态下煤岩流体在电势差与压力差双重动力作用时的渗透系数，获得煤岩电动渗透系数及其随有效应力和电化学作用参数(如电解液种类及浓度、pH值、电位梯度、电极材质等)的变化规律，在电化学作用场下可模拟三轴应力下电渗驱动煤岩体中液体流动并携带气体运移的过程，研究电化学场作用下的气水两相渗流规律和强化机理，是煤岩流体电动力学这一新领域较理想的试验装置。

2.2 主要技术参数

(1)最大轴压30 MPa(油缸压力)，最大围压10 MPa，精度0.05 MPa。

(2)最大孔隙压力10 MPa，精度0.05 MPa。

(3)温度测试范围0～100 ℃。

(4)试样尺寸φ75 mm×150 mm。

(5)集液瓶容量500 mL，精度0.5 mL;天平量程120 g，精度0.1 mg;集气量筒容量1 L，精度0.5 mL。

(6)电压范围:0～250 V;电流范围:0～1.2 A。

(7)溶液为水、弱酸、弱碱、强碱或盐类，电解液浓度最大至饱和。

(8)电极材质为黄铜或不锈钢等高刚度导电材料。

3 装置组成及各部件的关键技术

图3为自主研制的煤岩电动-压动三轴渗流试验装置。该装置主要由加载系统、三轴渗透室、孔隙压控制系统、电化学作用系统和数据采集系统等5部分组成。

3.1 加载系统

加载系统主要由轴向加载和围压加载两部分构成，如图3所示。其中，轴向加载包括轴向加载机架5、加载油泵11和蓄能器8、压力表7及高压管等。轴向加载机架是由上承压板28与下承压板28经4根立柱固定而形成的框架结构;围压加载包括围压高压气瓶24、压力表7-5和截止阀14-6等。该加载系统实现了加载过程的连续性、稳定性和精确性。

图3 煤岩电动-压动三轴渗流试验装置Fig.3 Triaxial seepage experiment for coal and rock under coupling of pressure-motion and electro-motion 1—试样;2—橡胶套;3—多孔电极板;4—三轴渗透室;5—加载机架;6—加载油缸;7—压力表;8—蓄能器;9—三位四通阀;10—单向阀;11—加载 油泵;12—油箱;13—高压气瓶(加载孔隙压);14—截止阀;15—参考罐;16—稳压阀;17—真空泵;18—真空压力表;19—恒压恒流注液泵;20—储 液罐;21—集液瓶;22—水槽;23—集气量筒;24—高压气瓶(加载围压);25—直流电源;26—电流表;27—温度数显表;28—承压板;29—天平

3.2 三轴渗透室

三轴渗透室4是该试验装置放置煤岩样、施加电化学作用场及产生试验所需围压环境的机构，如图4所示。三轴渗透室由顶盖1、外筒3、底座4和加压活塞6四部分组成。其中，顶盖、底座与外筒之间分别采用顶盖法兰2和底座法兰5经8条螺栓进行连接紧固，连接处用“O”型密封圈密封，可有效保证气密性。顶盖与底座的材质为尼龙66，外筒与法兰材质为碳钢，这样既可确保电化学作用过程中的绝缘效果，又可保证压力室的承压能力。加压活塞杆置于顶盖中间，材质为尼龙66，直径75 mm，并且在顶盖内侧设有两道“O”型密封圈，确保顶盖与加压活塞之间的密封效果。

为了保证煤岩样所受孔隙压和围压的独立，用三元乙丙材质的橡胶套11包裹试件，在橡胶套两端面内侧分别设有上压环7和下压环9，压环之间安装4个定位杆8(图5(a))，用于传递顶盖施加的压力，确保橡胶套两端边的密封效果，进而将孔隙压与围压分隔。在加压活塞下端面和底座上端面分别设有直径65 mm、深5 mm，用于安装2个电极板的腔室，如图5(b),(c)所示。为使气/液均匀地流过试件断面，在两电极板中均匀开孔并在其一端沿孔开槽。另外，在外筒侧面设有2个接口，1个用于连接围压加载管路，另1个连接温度传感器。在底座和加压活塞中分别布置2对孔，1对用于进气/液和阳极导线插孔，另1对用于出气/液和阴极导线插孔。由于煤表面带负电荷，为保证电渗方向与压差方向一致，将阳极设置在煤样下端，阴极设置在煤样上端。

图4 三轴渗透室Fig.4 Triaxial seepage chamber 1—顶盖;2—顶盖法兰;3—外筒;4—底座;5—底座法兰; 6—加压活塞;7—上压环;8—支撑杆;9—下压环;10—阴极多 孔电极板;11—橡胶套;12—阳极多孔电极板;13—煤样; 14—围压接口;15—温度传感器接口;16—进液/气孔; 17—阳极导线孔;18—出液/气孔;19—阴极导线孔

3.3 孔隙压控制系统

孔隙压控制系统由高压气瓶13、参考罐15、TBP-5010t型恒压恒流注液泵19、稳压阀16和气体管路等组成，如图3所示。试验时，通过减压阀或注液泵调节三轴渗透室进气/液孔的流体压力，通过与参考罐相连的压力表7-3的读数测定进气量，出气/液孔的压力则为大气压。

3.4 电化学作用系统

电化学作用系统由DH1722A-4型单路稳压稳流电源25、注液泵19、储液罐20和电极板3等组成(图3)。

3.5 数据采集系统

数据采集系统由压力表7-1,7-2和7-5、温度传感器、温度数显表27、集液瓶21、天平29与量筒23等组成(图3)。其中，压力表用于测试轴压、围压和孔隙压;温度传感器和温度数显表用于测试电化学作用过程中煤样温度变化;集液瓶、天平与与集气量筒用于测量渗流通过的液体和气体体积。

图5 三轴渗透室零部件Fig.5 Components of triaxial seepage chamber

4 煤岩电动-压动三轴渗流试验

为验证煤岩电动-压动三轴渗流试验装置的可靠性，结合煤层气产出过程中的3个阶段，先后进行了电动-压动双动力作用下的饱和水流与气液两相流全过程渗流试验，本文给出部分试验结果。

4.1 煤样采集与加工

试验所用无烟煤样取自晋煤集团寺河二号井15号煤层，采用岩石取芯机、切割机与打磨机将现场取回的大块煤加工为直径75 mm、长150 mm的圆柱状试件，试件两端面不平行度小于0.05 mm。将制备好的试件烘干称重并放置于干燥箱内备用。为确保试验安全，气体采用纯度为99.9%的高纯氮气。

4.2 试验方案及步骤

4.2.1试验方案

(1)进行不同电位梯度的煤样饱水单相渗流试验。轴压6 MPa，围压4 MPa，进口水压为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，出口水压恒定为0.1 MPa，电位梯度依次为0，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0 V/cm;

(2)进行有无电场作用时的煤样气水两相渗流试验。轴压6 MPa，围压4 MPa，进口气压为1.5 MPa，出口气压恒定为0.1 MPa，有电场时的电位梯度设定为4 V/cm。

4.2.2试验步骤

(1)绝对渗透率测试。施加轴压6 MPa，侧压4 MPa，孔隙气压1.5 MPa，检查装置密封性，测试煤中气体绝对渗透率ka，计算公式为

(2)

式中，p1与p0分别为试验环境的入口孔隙压力与出口孔隙压力，MPa;Qg为气体体积流量，mL/s;μg为气体黏度，Pa·s;L为煤样长度，本试样为15 cm;A为试样横截面积，本试样为44.17 cm2。

(2)饱和水。取出煤样并置于真空干燥箱烘干称重m0，将干燥煤样置于真空饱水装置中的密闭容器内，并完全浸没于蒸馏水中，开启真空泵，抽真空48 h至含水饱和，称取饱和水的煤样质量m1，依照下式计算煤样的含水体积Vp:

(3)

式中，ρw为水密度。

(3)饱水单相渗流试验。施加轴压6 MPa，侧压4 MPa，进口水压0.5 MPa，检查装置密封性。打开出液孔，采用集液瓶收集水。根据水体积与时间计算水流量，至流量基本不发生变化时关闭进液阀。根据下式计算压差作用下的渗透系数λh(也称水力传导系数):

(4)

其中，Qh为压差作用下的水体积流量，mL/s;kh为液体渗透率;γ为容重，kN/m3;μh为水黏度，水在20 ℃时黏度为0.839 mPa·s。对饱水煤样施加电场，电位梯度依次为0.5，1.0，2.0，4.0，8.0 V/cm，重复进行进口水压为0.5 MPa时的饱水单相渗流试验。然后将孔隙水压依次设定为1.0，1.5，2.0，2.5 MPa，在每一恒定压力下待水流量稳定后分别重复进行不同电位梯度(0.5～8.0 V/cm)时的饱水单相渗流试验。

(4)气水两相渗流试验。在饱水煤样的两端施加孔隙气压，轴压6 MPa，侧压4 MPa，进口压力1.5 MPa，采用气驱液的方式，同时打开出气/液孔，采用集液瓶与量筒分别收集气体与液体。根据气/液体体积与时间计算其流量，至气体流量不发生变化时关闭进气阀。根据式(2)与式(4)分别计算气水两相流动时的气体渗透率与液体渗透率，分别记为krg与krw。用各相渗透率与气体绝对渗透率的比值即可得到气相相对渗透率与液相相对渗透率，分别用Krg与Krw表示。含气饱和度Sg为

(5)

其中，Vw为出水体积，mL。对饱水煤样施加电场，电位梯度4 V/cm，重复气水两相渗流试验。残余水饱和度Swo为

(6)

4.3 试验结果及分析

4.3.1双动力作用下煤中水的渗透特性

表1和图6为煤样在轴压6 MPa、侧压4 MPa、出口水压0.5～2.5 MPa以及不同电位梯度作用时的水渗流流量。可以看出，无电场作用时煤中水的平均渗流流量为1.745×10-3cm3/s，施加电位梯度0.5，1.0，2.0，4.0与8.0 V/cm后，平均流量依次增至2.912×10-3，5.169×10-3，9.581×10-3，19.196×10-3与29.78×10-3cm3/s，平均增幅依次为1.67，2.96，5.49，11.00与17.07倍。CHILINGAR G V等[27]和ADAMSON L G[29]也发现电场可将砂岩中的水流速提高2～32 倍。

表1 不同电位梯度时煤中水渗流流量结果
Table 1 Results of flux of water seepage from coalin different potential gradient10-3cm3/s

电位梯度/(V·cm-1)出口水压/MPa0.51.01.52.02.5平均00.2150.8461.0422.8813.7391.745 0.50.4241.647 2.3714.6525.4672.912 1.01.8653.225 4.9287.1588.6695.169 2.04.0676.497 8.48213.64515.2169.581 4.09.87217.645 20.47922.33825.64519.196 8.013.64825.588 32.03335.64741.98229.780

图6 煤中水渗流流量随电位梯度变化曲线Fig.6 Flow rate of water varied with potential gradient

对试验结果进行整理分析，拟合得到5种不同出口水压下，煤样水渗流流量与电位梯度关系拟合曲线，如图6所示。可以得出，轴压与侧压固定、不同孔隙水压条件下，煤样的水渗流流量Q与电位梯度E之间的关系表达式以及相关系数分别为

(7)

其中，Q为水渗流流量，10-3cm3/s。

由式(7)可以得出，5种不同孔隙水压条件下，煤样的水渗流流量与电位梯度呈明显的线性关系，随着电位梯度的增加，煤样水渗流流量呈线性增加。由此，可以推导出轴压、侧压与孔隙水压一定的情况下，煤中水渗流流量与电位梯度之间的一般表达式:

Q=b+aE

(8)

其中，a，b均为拟合系数，b表示电位梯度为0、仅有孔隙压力作用时饱水煤样渗流流量。

结合达西定律与电渗理论可知，对饱水煤样施加电场后，水渗流流量由压力差与电势差共同作用，即总的水渗流流量为

(9)

其中，Qe为单位电势差作用下的水体积流量，mL/s;λe为电动渗透系数，cm2/(V·s);U为电势，V。结合式(8)与式(9)可知:①b=Aλhdp/dL，结合式(4)可计算得到该煤样的渗透系数为1.825×10-10～5.291×10-10cm2/(Pa·s)，平均3.597×10-10cm2/(Pa·s)，见表2;②a=Aλe，说明a与电动渗透系数有关，计算可得该无烟煤的电动渗透系数为4.064×10-5～11.021×10-5cm2/(V·s)，平均8.221×10-5cm2/(V·s)。对比可知单位电势差(V/cm)提供的水流量约为单位压差(Pa/cm)作用的1.61×105～4.09×105倍，平均2.49×105倍。

另外，结合式(1),(9)可得电动渗透系数计算式:

(10)

由式(10)可知电动渗透系数与电动电位、介电常数与黏度系数等参数有关。因此，可通过改变电动电位(比如改变溶液的pH值)来提高煤岩的电动渗透系数。

表2 煤中水力传导系数与电动渗透系数计算结果
Table 2 Calculation results of hydraulic conductivity and electro-osmotic coefficients

孔隙水压/MPa水力传导系数λh/(10-10 cm2·(Pa·s)-1)电动渗透系数λe/(10-5 cm2·(V·s)-1)(λe/λh)/1050.52.5284.0641.61 1.01.8257.4674.09 1.53.1929.1222.86 2.05.1499.4291.83 2.55.29111.0212.08 平均3.5978.2212.49

4.3.2双动力作用下煤中气水相对渗透特性

图7为有无电场作用时气驱水过程中煤样的产液量随时间的变化曲线。可以看出，随着时间的延长，两种条件下的产液量均呈现先快速增大后逐渐趋于平稳的趋势;加电后煤样的累积产液量由6.47 mL增至12.19 mL，增幅达1.88倍，达到平衡时的时间由26 011 s降至17 103 s，降幅达34.2%。

图7 煤中气水两相渗流累积产液量随时间变化Fig.7 Flow rate of water varied with potential gradient

图8为有无电场条件下煤样中气水相对渗透率随含气饱和度的变化曲线，测试结果见表3。该煤样气体绝对渗透率(ka)为0.625×10-15m2，施加电场后煤样中的残余水饱和度(Swo)由71.4%降至47.9%，两相等渗点时的含气饱和度(Sg)由16.2%增至24.4%，气水相对渗透率由0.046增至0.094，两相流区间由0.229增至0.450，在残余水饱和度下的气体渗透率(krg)由0.167×10-15m2增至0.476×10-15m2。说明施加电场可以降低煤样中的残余水饱和度，增加气水相对渗透率与残余水下的气体有效渗透率，这是由于电渗作用驱动煤样孔裂隙中的滞留水，从而携带氮气运移所致。SHEN等[30]通过比较中国与美国煤层的气水相对渗透特征发现，中国煤层气产气量低的主要原因是较高的残余水饱和度，因此可通过电化学方法中的电渗作用减小其含水饱和度并延长产气周期。

图8 煤中气水相对渗透率与含气饱和度关系曲线Fig.8 Gas or water relative permeability of coal varied with gas saturation 注：Ke,rg,Ke,rw分别为加电后的气、水相对渗透率

表3 煤样中气水两相渗流试验结果Table 3 Results of gas or water relative seepage experiment

ka/10-15m2电场SwoKrg=KrwKrSg两相区间 krg/10-15m20.625无0.7140.0460.1620.2290.167有0.4790.0940.2440.4500.476

5 结 论

(1)为了明晰电化学强化煤岩流体渗流规律，自行研制了煤岩电动-压动三轴渗流试验装置，该装置主要由加载系统、三轴渗透室、孔隙压控制系统、电化学作用系统及数据采集系统等组成，可绝缘、耐酸碱腐蚀。

(2)该装置可实现三轴应力状态下煤岩流体在电动-压动双重动力作用时的渗流规律研究并测试电动渗透系数，最大可提供10 MPa的流体压力与15 V/cm的电位梯度，特殊设计的多功能加卸载绝缘压头可固定电极并均匀通过流体，特殊设计的底座与上盖等零部件配合法兰可实现绝缘与高强度。

(3)利用该装置进行了电动-压动双动力作用下煤样饱水单相渗流与气水两相渗流试验。饱水煤样渗流流量随电位梯度升高呈线性规律增大，煤样渗透系数为3.597×10-10cm2/(Pa·s)，电动渗透系数为8.211×10-5cm2/(V·s)，说明单位电势差(V/cm)提供的水流量约为单位压差(Pa/cm)作用的2.49×105倍;施加电场后煤样中残余水饱和度明显降低，气水相对渗透率与残余水时的气体有效渗透率增大。该试验装置的研制可促进电化学强化煤岩流体渗流规律的深入研究，同时也可加快煤岩流体电动力学这一新理论的发展及其在强化油气采收、软岩脱水加固、矿山导流增注等工程领域的广泛应用。需要强调的是，目前本论文的研究主要是限制在室内的理论研究阶段，如果要应用于现场还需要做大量工作。