孔隙压力和温度对煤岩中氮气渗流影响的实验研究

2021-04-06姚冠霖唐明云郑鹏先段三壮张海路

煤矿安全 2021年3期

姚冠霖，唐明云，2，郑鹏先，段三壮，张海路

（1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001；2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001）

渗透率作为反映瓦斯在煤岩中流动难易程度的重要指标，对矿井瓦斯灾害的防治有着重要意义。研究表明，煤岩渗透率受温度、围岩应力、孔隙压力、流体属性等因素的影响。温度主要通过热效应，膨胀效应等方式影响煤岩渗透率。文献[1-6]通过不同温度下实验研究，得出渗透率随温度变化多呈现出指数函数关系以及幂函数关系，且包括煤阶在内的诸多条件均会影响煤岩渗透特性；而孔隙压力主要通过改变煤岩吸附特性影响渗透率，文献[7-10]中均通过实验均得出了煤岩渗透率随孔隙压力变化呈现出幂函数变化规律，以上的实验表明煤岩渗透率对温度和孔隙压力变化都表现出一定的敏感性，文献[11-14]研究了不同温度，压力条件下的渗透率模型，不仅证实了考虑温度与孔隙压力的必要性，同时也在理论层面验证了前人实验得出的部分煤岩渗透率变化规律。以上学者在对煤岩渗透率研究方面取得了较好的成果，但其主要是对温度或孔隙压力等单因素作用下的煤岩渗透特性规律进行研究，而且实验孔隙压力和温度普遍偏低，难以准确反映高温高压下煤岩渗透特性，此外，实验多以甲烷为流体介质进行实验，但文献[15-16]都通过实验证实吸附气体对煤岩渗透特性均存在一定影响。随着传统的压裂技术越来越难以适应生产需求，液氮压裂作为一种新型的增透技术正逐步获得应用，可氮气究竟对煤岩渗透率造成怎样影响却少有研究[17]。因此研究氮气作用下煤岩渗透特性对实际生产具有一定指导意义。

1 实验样品和仪器

实验采集煤岩取自潘集矿区11-2 煤层，使用岩石钻孔取样机和岩石磨片机取样，将煤岩加工为实验试件，煤岩为直径50 mm、长度100 mm 的圆柱体。

实验采用自主研制的RLQZ-2 型煤岩渗透率测试装置，装置可进行高温蒸汽或常温下不同气体的煤岩渗透率实验。实验装置主要由气瓶，真空机，夹持器，围压泵，恒温箱，流量计等组成，RLQZ-2 型煤岩渗透率测试装置示意图如图1。待实验仪器参数表盘显示读数稳定后，全部过程均在实验操作桌面完成，由计算机采集数据及软件程序处理数据，确保实验数据准确可靠性。

图1 RLQZ-2 型煤岩渗透率测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of RLQZ-2 coal rock permeability test device

2 实验过程

根据中华人民共和国石油天然气行业标准发布的SY/T 5336—1996《岩心常规分析方法》，采用基于达西定律的稳定流法计算煤岩渗透率，即根据气体通过煤岩的稳定渗流量和煤岩两端的渗透压力差等可测量参数计算煤岩的渗透率，具体计算公式为：

式中：k 为煤岩试件实测渗透率，m2；Q 为标况下的渗流流量，cm3/s；p0为大气压力，0.101 MPa；μ为氮气气体动力黏度，Pa·s；L 为试件长度，mm；A为试件横截面面积，cm2；p1为进口端压力，MPa；p2为出口端压力，MPa。

不同温度氮气气体动力黏度不同，渗透率求解时需要考虑到温度对氮气黏度的影响，不同温度下氮气动力黏度见表1。

表1 不同温度下氮气动力黏度Table 1 Nitrogen dynamic viscosity at different temperatures

温度、应力状态以及天然裂隙等在内的各种因素都会通过影响孔隙率，特别是有效孔隙率来影响渗透率，根据力学平衡原理，在孔隙率的研究成果的基础上有效应力方程如下：

式中：σ′为有效应力，MPa；α 为孔隙压缩系数，取1；σi为外应力，MPa；p 为孔隙压力，MPa。

实验开始时，首先将原煤试件安装于夹持器中，对整个实验装置进行1 h 抽真空处理，以围压泵分别施以5、6、7、8、9 MPa 围压，设定实验温度20 ℃，使用恒温箱对试件进行4 h 的恒温后进行2、3、4、5、6 MPa 孔隙压力下的渗透率实验。实验结束后更换煤样，再分别进行实验温度为40、60、80 ℃下的渗透率实验。

3 实验结果

3.1 孔隙压力对煤岩渗透率的影响

众多学者所进行的煤岩渗透特性实验中，施加的孔隙压力普遍较低（3 MPa 以内），对高压状态下煤岩渗透特性研究较少，因此进行了孔隙压力最高为6 MPa 的煤岩渗透率实验，根据恒定有效应力下改变孔隙压力测得的氮气稳定流量，按式（1）计算出煤岩渗透率，使用数据分析软件对实验数据进行拟合，不同温度下渗透率随孔隙压力变化拟合曲线如图2。

图2 不同温度下渗透率随孔隙压力变化拟合曲线Fig.2 Fitting curves of permeability with pore pressure at different temperatures

由图2 可知，在恒定有效应力条件下，改变实验温度，煤岩渗透率随孔隙压力变化呈现出以下规律：

1）煤岩渗透率在不同温度下随孔隙压力的变化趋势基本一致，均呈现先快速减小而后逐渐平稳的特征。

2）孔隙压力一定时，煤岩渗透率在不同温度下表现出较大差异，实验开始时的煤岩渗透率随温度增加呈下降的趋势，并且下降量随温度的升高而降低。当孔隙压力为2 MPa，与20 ℃低温区间相比，当温度分别为40、60、80 ℃时的煤岩渗透率要低得多，降幅最高为35%，且主要集中在1.7×10-17～2.1×10-17m2这一区间内。

3）孔隙压力一定时，不同温度下渗透率在低压阶段表现出较大差异，40 ℃之后的煤岩渗透率曲线出现“断崖式”下降，且温度分别为60、80 ℃时的渗透率曲线比较接近，二者数据相差最大仅为6.95%。

在恒定有效应力下，改变温度条件，渗透率随孔隙压力的加载呈现出一定的规律性。在低孔隙压力阶段，煤岩的裂隙-孔隙结构受到的压缩作用较强；同时因氮气具有一定的吸附性，根据表面化学基本理论，煤基质吸附气体后表面化学能降低，分子间作用力减小引起煤基质膨胀，压缩煤岩渗流通道；附着在基质表面的氮气也会掺混其他杂质阻塞煤岩内部孔隙。以上几点均会降低煤岩的孔隙度造成渗透率快速下降。

随着孔隙压力的增大，氮气的吸附趋于平衡，而煤体内部孔隙体积是有限的，它的吸附变形会越来越小，即孔隙率的减小量会越来越小，渗透率的变化量也会越来越小；煤岩又以微小孔最为发育，当孔隙压力达到一定值，煤岩内部的原先闭合的微小孔打开，形成新的渗流通道。但孔隙压力对渗透率的减小作用更强，因此渗透率曲线仍然呈下降态势，只不过下降趋势放缓。

对实验数据进行非线性曲线拟合之后，可以得到恒定有效应力下，孔隙压力对渗透率影响方程：

式中：a1、b1为曲线拟合系数。

各温度下曲线的拟合系数见表2。

3.2 温度对煤岩渗透率的影响

根据不同温度下测得的氮气稳定流量，按式（1）可计算出煤岩渗透率，使用origin 对实验数据进行拟合，不同孔隙压力下渗透率随温度变化拟合曲线如图3。

图3 不同孔隙压力下渗透率随温度变化拟合曲线Fig.3 Fitting curves of permeability with temperature under different pore pressures

分析图3 可知，煤岩受恒定有效应力时，在不同孔隙压力条件下，渗透率变化呈现如下规律：

1）煤岩渗透率在不同孔隙压力下随温度变化的趋势基本一致，均是呈现先快速降低后逐渐平缓的负指数关系。在20～40 ℃的温度下，渗透率下降趋势明显，在40～80 ℃的温度下，渗透率下降速度降低。

2）当温度一定时，渗透率在随孔隙压力增大逐渐降低。在低温低压区间集中在2.4×10-17～2.6×10-17m2之间，而在在高温高压区间，渗透率集中在1.7×10-17～2.2×10-17m2。但总体上渗透率随孔隙压力的增加呈下降趋势。

3）孔隙压力一定时，煤岩渗透率对温度表现出不同的敏感性。即在不同孔隙压力条件下升高温度，在相同温差范围内，渗透率减小量越来越小；在温差相同时，孔隙压力越大，渗透率减小量也越小。

根据实验可知，煤岩的于裂隙-孔隙结构使其具有更强非均质性，温度引发的热效应通过影响煤岩的物理性质，使其更容易受应力作用产生压缩变形，很大程度上降低了煤岩孔隙度；由表1 可知，随着温度升高，氮气动力黏度增大，氮气在煤岩中渗流变得更加困难，因此在实验前期渗透率快速下降；但煤岩内部的孔隙体积是有限的，受有效应力的压缩作用，孔隙体积的改变量会越来越小，另一方面温度升高导致煤岩内部的水分等易挥发物质在孔隙压的作用下排出，之前闭合的孔隙连通，煤岩渗透通道增加，并且温度升高，煤岩对氮气的解吸能力增大，但由于温度引起的变形作用较大，但渗透率仍然是呈下降趋势，但是变化较之前更为平稳。

对渗透率数据使用软件拟合，得到的恒定有效应力下，温度T 对渗透率k 影响的方程如下：

式中：T 为温度，℃；a2、b2为曲线拟合系数。

各孔隙压力下曲线的拟合系数见表3。

3.3 孔隙压力和温度共同作用对煤岩渗透率的影响

根据实验得出的渗透率数据，以孔隙压力为x轴变量，温度为y 轴变量，渗透率为z 轴变量，使用专业的数据处理软件，得到煤岩在温度和孔隙压力作用下的渗透率曲面图以及拟合曲线图，温度和孔隙压力共同作用下渗透率变化曲面图如图4。

分析可知，影响煤岩渗透率的因素并非等价存在，在不同阶段不同因素影响所占权重不同导致煤岩渗透率变化出现差异[18]。在恒定有效应力的条件下，渗透率在温度或者孔隙压力单一因素影响下均是呈现出逐渐降低的趋势，并且都对二者表现出一定的敏感性。

图4 温度和孔隙压力共同作用下渗透率变化曲面图Fig.4 Curved surface diagram of permeability change under the combined action of temperature and pore pressure

图2 表明，煤岩渗透率随孔隙压力增大呈减小趋势，且减小的趋势逐渐放缓。煤岩渗透率变化与吸附膨胀密切相关，温度较低时，热效应并不明显，该有效应力下煤岩并未产生宏观裂隙，但吸附产生的变形会造成煤岩内部原生孔隙裂隙的缩小，氮气的运移通道减小甚至闭合，随着孔隙压力进一步增大，内部压实使得相同孔隙压力差下的压缩程度降低，渗透率降速放缓。

图3 表明，煤岩渗透率随温度增大呈减小趋势，且减小的趋势逐渐放缓。温度引发的热效应强化了煤岩的易损状态。使其内部的微观结构更容易发生改变。但随着实验温度的提高，受有效应力影响，煤岩的热膨胀效应被作用效果被削弱，导致在高温条件下，煤岩渗透率对温度的敏感性大大降低，这也就解释了为什么图2 中不同温度条件下的煤岩渗透率会出现“断崖式”下降。

当温度超过一定阈值后，温度引发的效应开始占据主导地位；对于不同孔隙压力下，煤岩渗透率随温度变化曲线都存在一定降低，并且孔隙压力为3 MPa 时，煤岩渗透率变化在40 ℃之后明显更快，孔隙压力分别为4、5、6 MPa 时的渗透率曲线的变化呈现出一定的相似性，这一点从拟合系数上可以看出。基于以上分析和实验结果，得出3 MPa、40 ℃是实验孔隙压力与温度作用的临界点。由于温度和孔隙压力作用效果存在临界区间，所以拟合曲面并不是随某一因素单调变化，而是呈现出在拟合曲面的两翼向中间凹陷区域过渡的的趋势。

使用专业数据处理软件，对测试得出的实验数据进行非线性曲线拟合，方程选取Parabola2D模型，得出温度和孔隙压力对煤岩渗透率共同影响的拟合曲面参数方程：