基于X-ray μCT扫描的煤孔隙瓦斯微观渗流各向异性特征研究

车禹恒

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

煤体微观孔隙空间结构如同煤体的DNA，控制着煤体的宏观物理性质，对煤层瓦斯的赋存状态和渗流特性起决定性作用，是揭示瓦斯微观渗流机制的基础。瓦斯微观渗流机制的研究对非常规油气资源开发、CO2地质封存和地下水文等工程研究具有深远意义[1]。然而，现阶段国内外关于瓦斯渗流机制的研究多集中于宏观尺度，鲜有基于微观尺度对瓦斯渗流机制进行研究[2]。随着X-ray μCT扫描技术的发展，煤体微观孔隙结构三维重建已成为该研究领域的热点。如何将三维重构模型用于数值模拟是研究煤体内部瓦斯渗流规律的难点之一，也是岩石力学和煤层瓦斯动力学领域的热点问题[3]。

吕兆兴[4]通过对包括孔隙和裂隙在内的双重多孔介质的三维逾渗数值计算，认为裂隙的存在能大大提高多孔介质逾渗概率；杨保华等[5-6]采用多场耦合有限元软件COMSOL和三维处理软件Avizo相结合的方法，对岩石堆浸散体孔隙内的溶液流速及压力的分布规律进行了研究分析，得到介质的水传导率；Bird等[8]对碳酸盐孔隙空间的电流流动进行了模拟，并计算出样品的渗透率及电气形成因子；刘向君等[8]对砂岩的绝对渗透率和弹性参数进行了模拟，并将模拟结果和实测参数进行比对分析从而验证了数值模拟的可靠性；王刚等[9-12]将编写的Matlab程序与逆向工程技术相结合对孔隙模型进行了优化处理，并导入ANSYS软件对煤层气的流动进行模拟，同时通过计算得到了煤层气的非达西渗流系数。

由于瓦斯在煤层中的渗流往往是沿不同方向流动，故研究煤孔隙内部瓦斯微观渗流的各向异性特征显得尤为重要。因此，笔者以鄂尔多斯盆地低阶煤为研究对象，进行X-ray μCT扫描，重建煤孔隙微观空间结构模型，采用COMSOL软件对煤微观孔隙REV单元内瓦斯单向和多向渗流进行数值模拟，研究煤孔隙瓦斯微观渗流的各向异性特征，以期优化瓦斯抽采钻孔、煤层气井结构参数，提高煤层瓦斯抽采效率。

1 实验样品及过程

实验煤样分别为鄂尔多斯盆地西缘羊场湾矿褐煤(YCW)和鄂尔多斯盆地东缘斜沟矿气煤(XG)，其埋深分别为607.5、109.9 m。样品为5 mm×5 mm×10 mm 的长方体原煤，煤样工业分析结果见表1。

表1 煤样工业分析结果

实验采用Nano Voxel-3000系列高分辨率X射线计算机断层扫描仪。实验过程中测试电压为 120 kV，测试电流为50 μA，曝光时间为1 000 ms。采用局部扫描模式，分辨率为0.5 μm，扫描时间为 52 min。

2 煤孔隙瓦斯微观渗流数值模拟

2.1 微观孔隙结构网格划分

通过提取REV单元[13-14]内最大连通孔隙团空间结构模型进行瓦斯微观渗流数值模拟，采用Geomagic和ANSYS ICEM软件对孔隙团重构模型进行逆向优化和网格划分，重构单元尺寸为5 μm×5 μm×5 μm[15-16]。重构的煤微观孔隙网络模型(PNM)及网格划分结果(Mesh)如图1所示。

(a)YCW褐煤

2.2 数值模拟方案及边界条件

采用COMSOL软件进行瓦斯微观渗流数值模拟，研究不同方向上的单向和多向渗流规律。单向渗流指的是瓦斯仅向一个方向渗流，而其他方向不流通。多向渗流指的是瓦斯从REV单元的1个表面流入，从其他5个表面流出。

设置参数如下：入口压力分别为0.3、0.5、1.0、1.4 MPa，压力梯度分别为4×1010、8×1010、18×1010、26×1010Pa/m，瓦斯密度为0.717 kg/m3，动力黏度为1.150 2×10-5Pa·s，温度为293 K。所有出口边界条件都设为压力出口，压力为0.1 MPa；入口边界设为压力入口。不流通的REV表面设置为自由滑移壁面，孔隙壁面设置为无滑移壁面。采用组合ILU预处理技术与广义最小残差算法GMRES稳态求解器进行方程组求解[17]。

3 煤微观孔隙瓦斯单向渗流各向异性特征

3.1 孔隙压力

REV单元孔隙压力分布云图如图2所示。从微观角度可知，瓦斯沿各方向均存在渗流优势；从孔隙压力沿渗流方向的变化可知，孔喉尺寸仅是压力变化幅度的1个影响因素；影响更大的是孔隙在不同方向的连通程度，在某一方向连通性越强，连通孔隙越多，则孔隙压力变化越大，这是瓦斯渗流方向存在优势的根本原因。

(a)YCW褐煤

不同渗流方向上截面平均孔隙压力随渗透距离的变化曲线如图3所示。

(a)YCW褐煤

分析图3可知，在固定的压力梯度下，孔隙压力随渗透距离增加总体降低，但在内部，不同孔隙结构的局部变化规律存在差异。YCW褐煤孔隙压力变化的线性程度更高，孔隙压力受结构扰动影响较小；XG气煤各方向瓦斯微观渗流更为复杂。其原因在于低阶变质程度煤中，孔隙压力只在某一个方向或某一段渗流长度内发生波动，但都存在渗流稳定的优势方向。

3.2 渗流速率

不同渗流方向的流线图如下页图4所示。由图4可知，YCW褐煤瓦斯沿x方向的流线更加弯曲、稀疏，且局部流速较大;瓦斯沿z方向的流线更加顺直、密集，瓦斯渗流更为畅通。XG气煤沿z方向流线明显最为稀疏，弯曲程度更高，流线存在多处截断，不利于瓦斯渗流。

不同渗流方向截面平均渗流速率随渗透距离的变化曲线如下页图5所示。分析图5可知，同一样品在不同方向的瓦斯渗流速率变化规律差别很大。YCW褐煤中，z方向瓦斯渗流速率最高，仅在16 m/s左右范围内小幅度波动，因此该方向瓦斯渗流最稳定；在y方向上，当渗透距离超过2 μm时，渗流速率由12.25 m/s增至17.73 m/s，增幅达44.73%，这主要是孔喉尺寸突然减小所致。

(a)YCW褐煤

(a)YCW褐煤

XG气煤中，x方向渗流速率缓慢降低，y方向渗流速率在2.5 μm处突然升高，并在4 μm处达到峰值8.01 m/s。

3.3 渗透率

为了直观对比瓦斯单向渗流的优势方向，将各方向的绝对渗透率进行统计，结果如图6所示。

图6 不同方向瓦斯渗透率对比

由图6可知，YCW褐煤在z方向上的渗透率最高，为0.64×10-3μm2；XG气煤在x、y方向的渗透率差别不大，分别为0.22×10-3、0.23×10-3μm2，远高于z方向的渗透率，因此这两个方向都可视其为瓦斯渗流的优势方向。

4 煤微观孔隙瓦斯多向渗流特征

瓦斯在煤体中的实际渗流不仅仅沿某一方向进行，而会在压力梯度的作用下沿各个方向渗流。由于孔隙系统内部具有较强的各向异性，单元内各出口流量差异较大，瓦斯渗流对方向表现出极大的选择性。

在REV单元3个方向上以等距取11个截面，计算不同渗透距离下瓦斯渗流速率平均值，得到瓦斯多向渗流速率随渗透距离的变化关系曲线，如图7所示。

(a)YCW褐煤

由图7可知，在与渗流入口垂直的主渗流方向上，渗流速率逐渐降低，在出口处几乎降至0。表明在瓦斯多向渗流过程中，入口流入的瓦斯优先从主渗流方向四周的出口流出，因此越靠近主渗流方向出口，渗流速率越低。该现象充分体现出瓦斯在孔隙系统内渗流的多向选择性。

由图7(a)可知，在YCW褐煤中，当瓦斯从-x表面流入时，在z=0.5 μm处瓦斯渗流速率最大，高达11.61 m/s;y=4 μm处也存在峰值6.69 m/s。当-y为渗流入口时，x方向渗流速率起伏上升，表现出一定的倾向性，在x=3 μm处峰值最大，为11.22 m/s。当-z为渗流入口时，x方向2个出口表面流速都较低，但在中部存在2个较高的峰值，分别为14.02、11.11 m/s；y方向各截面流速变化较小，基本稳定在8 m/s左右。

由图7(b)可知，在XG气煤中，当瓦斯从-x表面流入时，在z方向1.5 μm处，渗流速率优先上升至峰值5.27 m/s。从-y表面流入时，x方向渗流速率逐渐降低；在z方向2 μm处渗流速率达到峰值6.00 m/s。从-z表面流入时，x方向渗流速率逐渐降低，在y方向2.5 μm处，渗流速率达到峰值 1.97 m/s。

将各个出口表面的体积流量占总流量的比值绘制成雷达图，如图8所示(图中刻度标值表示体积流量所占比例)。

(a)YCW褐煤

由图8(a)可知，在YCW褐煤中，当-x作为渗流入口时，+y方向为优势渗流方向，流量所占比例为41.89%；当-y作为渗流入口时，+x方向为优势渗流方向，流量所占比例为44.22%；当-z作为渗流入口时，-y方向为优势渗流方向，流量所占比例为38.43%。

由图8(b)可知，XG气煤中，当-y或-z作为渗流入口时，优势渗流方向均为+x，流量所占比例分别为66.66%、41.56%；当-x作为渗流入口时，优势渗流方向则为-y，流量所占比例为51.67%。

通过比较分析，在研究尺度范围内，不同的微观孔隙系统对瓦斯渗流方向的影响都具有一定倾向性，这些倾向性使瓦斯在煤层渗流的宏观表现均存在明确的方向性，对于瓦斯抽采钻孔、煤层气井布置参数的优化具有指导作用。

5 结论

1)从微观角度分析，瓦斯单向和多向渗流均存在优势渗流方向。孔喉连通程度是压力变化幅度的重要影响因素，是瓦斯优势渗流方向存在的根本原因。低阶变质程度煤中，孔隙压力只在某一个方向或某一段渗流长度内发生波动。

2)单向瓦斯渗流过程中，羊场湾(YCW)褐煤在z方向上的渗透率最高，最高值为0.64×10-3μm2；斜沟(XG)气煤中，y方向上的渗透率最高，最高值为0.23×10-3μm2。

3)多向瓦斯渗流过程中，羊场湾褐煤中，+y、+x、-y方向均为优势渗流方向，流量所占比例分别为41.89%、44.22%、38.43%；斜沟气煤中，-y、+x为优势渗流方向，流量所占比例分别为51.67%、66.66%、41.56%。