应力环境对煤岩吸附变形和渗透率的影响试验研究

2021-10-21姜永东刘正杰谢英亮谢成龙

煤矿安全 2021年10期

周凤，姜永东，覃超，刘正杰，李栋，谢英亮，谢成龙

（重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030）

我国煤层地质条件复杂，普遍具有“低渗透率、低含气饱和度、低储层压力”[1]的特点，给煤层的高效开发带来了巨大挑战。目前，煤层气主要的增产技术有：水力压裂、水力割缝、气体驱替和水平井技术等。其中CO2注入增强型煤层气开采（CO2-ECBM）是一种重要的增产方法，不仅可以通过竞争吸附作用和降低CH4分压来促进CH4解吸，提高煤层气采收率，还能同时实现CO2封存减缓温室气体排放。渗透率作为影响地质流体运移的重要参数，主要受有效应力、基质膨胀/收缩以及气体滑脱效应等因素影响，其中气体滑脱主要在孔隙压力较低时出现。由于CO2对煤的亲和力比CH4和N2大，CO2吸附引起的基质膨胀会导致CO2注入过程中储层渗透率和注入能力显著下降[2-3]，这也是CO2-ECBM 或CO2存储工程中的重要技术障碍之一。武腾飞[4]从热力学角度分析了CH4、CO2在煤基质表面的吸附热力学特性；吕乾龙[5]采用恒容和恒压2 种方法研究了CH4、CO2在煤中的吸附解吸特征，表明CO2吸附量总是大于CH4。据San Jun 盆地CO2-ECBM 试井试验报道，注入井渗透率在CO2注入过程中降低了近2 个数量级[6]。许江[7]、林柏泉[8]等通过试验发现，随着CH4和CO2等吸附性气体注入压力的增大渗透率逐渐降低，并推测该现象主要由气体吸附引起的基质膨胀导致。另外，不同配比的混合吸附性气体（CH4/CO2或CO2/N2）渗流试验还揭示了，在相同的注入压力下煤样渗透率随着强吸附应变气体组分浓度的增加而减小的规律[9-10]。以上研究均表明注入CO2等吸附性气体产生的基质膨胀变形对渗透率的演化具有不利影响。目前，气体吸附诱导的煤体应变主要通过无外部应力约束的（自由状态）试验获取，有悖于现场实际应力环境，而约束吸附诱导应变可能更能代表现场条件。应力约束下的吸附变形显著低于无应力约束状态，这将导致原有的基质膨胀对渗透率的影响被严重高估，这也可能是在一些CO2-ECBM 现场试验[11]中观察到的CO2注入能力增强，以及在实验室试验[12]中显示CO2渗透率反弹的重要原因之一。学者们[13-14]还研究了不同应力条件下渗透率随气体压力的变化规律，随着瓦斯压力的降低，渗透率表现为2 种变化趋势：逐渐增大和先减小后增大（“V”字形变化）。因此，采用稳态法进行大尺寸原煤CH4、CO2渗流试验，研究不同应力环境下煤岩吸附应变和气体滑脱效应对CH4、CO2渗流过程的影响；研究可为不同埋深煤储层CO2-ECBM 和CO2地质封存过程中的渗透率模型的构建、煤层气增产和CO2封存效果预测提供一定的理论基础。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备介绍

试验采用重庆大学自行研制的CO2致裂煤岩试验系统，该设备主要由4 个部分组成：气体供给系统、轴压围压加载系统、渗流系统、数据采集系统。高纯度气体由集中供气管道提供；轴向载荷由伺服压力试验机提供，最大轴压为20 MPa，围压由电动油泵加载，最高可加载至15 MPa；渗流系统包括三轴室和恒温油浴箱，试验温度为室温至200 ℃；数据采集系统包括应力采集和流量采集，应力采集系统实时显示轴压、围压、轴向变形和径向变形的变化，出气端气体流量由七星D07-11C 质量流量计实时采集。

1.2 试验方案和测试步骤

1）试验所用的煤样取自陕西黄陵二号煤矿，煤层埋深200～600 m，将原煤取心加工为ϕ100 mm×200 mm 外表没有明显裂纹且上下两端不平行度小于0.05 mm 的试件作为试验样品。

2）设计埋深为200～600 m，渗流试验中煤样的试验参数见表1。

表1 渗流试验中煤样的试验参数Table 1 Experimental parameters of coal samples in seepage test

3）试验步骤如下：①检查装置气密性后，将煤样放入三轴室内，用热缩管裹好，并用热风枪加热使其紧贴煤壁，安装环向引伸计，用喉箍固定煤样上下两端，以保证其良好的密封性；②交替加载轴压、围压至设计数值，连接真空泵，对煤样抽真空4 h；③设定油浴箱温度至30 ℃，将三轴室下降至油浴箱内，打开进气端阀门，减压阀调节至1.5 MPa，通入He气，让煤样充分吸附24 h；④打开出气端阀门，流量计采集气体渗流过程中的流量变化，流速稳定时停止采集，关闭出气端阀门；⑤改变进气压力（1.5 MPa→1.2 MPa→0.9 MPa→0.6 MPa→0.3 MPa），让煤样继续吸附24 h，测量出气端气体流速，重复此步骤至进气压力为0.3 MPa；⑥连接真空泵，对煤样抽真空24 h，进气端气体换成CH4和CO2，重复步骤③～步骤⑤；⑦更换煤样，改变轴压和围压的大小，重复上述步骤②～步骤⑥，进行新的渗流试验。为了防止气体溢出，试验过程中始终保持围压大于气压，样品S-1 进气压力为1.0 MPa →0.8 MPa →0.6 MPa→0.4 MPa→0.2 MPa。

气体在煤岩中的流动符合达西定律，渗透率计算公式为：

式中：K 为渗透率，10-15m2；Q 为出口端气体流速，cm3/s；p0为大气压，MPa；μ 为气体黏度，Pa·s；L为样品高度，cm；A 为样品横截面积，cm2；p1、p2分别为出气端和进气端气体压力，MPa。

2 试验结果

2.1 应力环境对煤岩吸附应变的影响

气体注入煤体过程中，气体分子会吸附在煤体表面，使得煤体表面张力下降，煤基质发生膨胀；同时，煤体内孔隙压力增大，作用在煤体上的有效应力减小，两者共同作用导致煤体对外表现出膨胀变形[7]。CH4、CO2均为吸附性气体，煤体吸附过程中产生的吸附应变计算如下[15]：

式中：εSW为吸附引起的体积应变；εL为Langmuir 体积应变，可以表示煤体的最大吸附应变；pL为Langmuir 压力，MPa；p 为气体压力，MPa。

煤岩吸附应变随气体压力拟合参数见表2。不同应力环境下煤岩吸附应变随气体压力变化如图1。

表2 煤岩吸附应变随气体压力拟合参数Table 2 Fitting parameters of coal and rock adsorption strain with gas pressure

图1 不同应力环境下煤岩吸附应变随气体压力变化Fig.1 Change of coal and rock adsorption strain with gas pressure under different stress environments

不同应力环境下气体压力与吸附应变均能用Langmuir 曲线拟合，且相关性系数大于0.98，说明拟合效果较好。相同应力环境下，随着气体压力增加，CH4、CO2吸附应变均增大，CO2最大吸附应变为CH4的1.01～2.93 倍，表明CO2吸附可能会使煤基质表面自由能变化更为显著，从而表现出较大的吸附膨胀变形。当外部应力增加时，CH4、CO2最大吸附应变逐渐减小且两者的吸附应变差值逐渐减小，表明煤体吸附变形对外部应力环境的变化十分敏感，吸附应变降低是由于外部应力较高导致煤体吸附能力减弱。低应力环境下（浅部煤储层），基质膨胀会减小割理系统渗透性，不利于CO2的持续注入和煤层气的增产，但高应力环境下（深部煤储层），渗透率的演化行为可能受基质变形影响较小。与无应力约束条件下的吸附应变相比（CH4∶0.0128，CO2∶0.0237）[16-17]，应力约束环境下的CH4和CO2最大吸附应变降低了1～2 个数量级，这使得气体吸附/解吸诱导的煤基质膨胀/收缩对渗透率的影响被削弱。对于不同的工程背景，减弱的煤基质膨胀/收缩变形也存在着积极或者消极的影响。对于压力衰减法煤层气生产，CH4解吸引起的基质收缩变形对渗透率增大的正效应将会减弱，不利于煤层气的产出。相反地，对于CO2-ECBM，CO2吸附引起的基质膨胀变形对渗透率降低的负效应将会减弱，有利于CO2的注入。因此对于深部储层，无应力约束CO2吸附应变的渗透率模型会使得注气增产效果被严重低估。

2.2 应力环境对渗透率的影响

不同应力环境下渗透率随气体压力变化如图2。

图2 不同应力环境下渗透率随气体压力变化Fig.2 Permeability changes with gas pressure under different stress environments

由图2 可知，随着应力环境的改变，渗透率呈现出2 种变化趋势。在较低应力环境下，随着气体压力衰减，2 种气体渗透率均先减小后增大呈“V”字形变化（图2（a）和图2（b））；当外部应力较大时，随气体压力减小，渗透率一直增加（图2（c）～图2（e）），渗透率随气体压力呈现负指数变化。随着外部应力增大，割理孔隙被压缩，2 种气体渗透率均急剧降低，由于CO2吸附产生较大的基质膨胀应变，导致相同条件下CO2渗透率低于CH4。与较低应力状态下的CH4和CO2初始渗透率相比，高应力状态下的初始渗透率分别降低了87.41%和91.79%，CO2渗透率下降更为明显，表明CO2渗透率对应力环境的变化更为敏感。在较低应力状态下，随着气体压力衰减，有效应力增大导致渗透率降低；但随着气体压力降至0.6 MPa，气体滑脱效应开始占据主导地位，渗透率出现反弹。当外部应力增大，吸附引起的基质膨胀和割理孔隙均减小。煤体渗透率的变化是吸附/解吸引起的基质膨胀/收缩、气体滑脱效应以及有效应力耦合竞争作用的结果。随着气体压力减小，吸附膨胀对煤体渗透率降低的影响减小，而割理孔隙减小将导致气体滑脱效应增强使得气体滑脱效应更早的主导渗透率的演化，如在较高应力状态下，气体压力降至1.2 MPa 时气体滑脱效应便开始占据主导地位。