煤中气体解吸收缩有效应力变化特征

王鹏

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司， 山西 晋城市 048000)

0 引言

煤基质中瓦斯的存储和流动主要与孔隙结构和裂隙网络（节理）有关。煤作为一种双重孔隙结构，面割理和端割理是煤中气体流动的主要和次要通道，二者通常相互正交或近似正交，基本上都垂直层理面[1−2]。煤中的气体主要以吸附层的形式存在于煤的内部表面，或以游离气体的形式存在于大孔隙和裂缝中，吸附层占甲烷总量的90%～98%，剩余的少量气体（2%～10%）位于开放孔隙空间内，如大孔隙、裂缝[3]。煤中储存的气体主要是甲烷，其次是乙烷，还存在一些二氧化碳、一氧化碳和氮气。煤因解吸气体而收缩是一种众所周知的现象[4]。煤基质中的任何体积变化也会影响割理孔径，从而影响煤的气流特性。煤基体收缩，导致割理孔隙度增加，割理闭合，这是由于气体孔隙压力降低导致有效应力增加。收缩率低于地应力时，割理孔隙度和渗透率可能会随着气体抽采产量的增加而降低。解吸作用下的煤基质收缩不仅可能使割理变宽，还可能降低有效水平应力，导致垂直和近似垂直割理上的应力降低，从而进一步打开这些割理，并显著增加渗透率[5−7]。这一效应解释了为什么煤层的实际产气量往往大于常规气藏中模拟技术预测的产气量。因此，不同气体解吸时煤基质体积变化规律是建立可靠的煤层气产量预测模型的关键因素之一，进而实现其精确预测。

1 实验系统

为研究解吸变形规律，根据煤炭工业部颁布的煤的甲烷吸附量测定方法（MT/T752-1997），对现有的试验平台进行改进，使之能满足原煤的吸附-解吸变形试验要求。改进后的模拟测试装置如图1所示。该装置的工作原理是：通过真空泵对装过煤且已经检查过气密性的煤样罐抽真空，当达到要求的真空度以后，通过充气罐向煤样罐充气，在设定的温度和压力下平衡后通过解吸装置计量吸附量和解吸量，通过分析解吸过程煤样变形数据，得出不同条件下的解吸变形规律。

图1 模拟测试装置原理

1.1 煤样

试验所用样品均为原生结构煤，采自赵固二矿二1 煤层（无烟煤）。将大块煤块放入泡沫中，然后密封在密封袋中，防止氧化。在实验室对样品以相同方向取芯，直径为52.5 mm，长度为45 mm，将试样端部平行研磨。从类似煤样的渗透性试验中发现，高温干燥极大地影响了样品的结构，改变了渗透性，可能也会影响吸附研究。因此，在试验之前，将试样在30℃的真空烘箱中干燥2 d。制备了用于收缩试验的样品和备用样品。

1.2 收缩膨胀试验

在试验开始时，应变片读数设为0，并抽真空2 h。应变变化通过连接到PC 的数据记录仪连续记录。试样在4 MPa 的压力下用氮气饱和，并记录应变1 周。结果发现，在大约8 h 后，氮气浓度几乎没有变化。然后，每一级的压力以500 kPa 的量降低，并在一段时间内保持恒定。二氧化碳、甲烷和氮气的解吸间隔时间为100 min，而氦气的解吸间隔时间为50 min（氦气不吸附气体，因而解吸时间较短）。在最后一个增量上，压力降低到大气压，样品被允许解吸，直到相对于应变达到平衡。每次测试后，将样品抽真空，然后用二氧化碳、甲烷和氦气重复同样的过程。

将煤基质体积随气体压力变化的速率定义为解吸气体的收缩系数。

式中，Vm为煤基体体积；dVm是煤基体体积的变化；dp是内外表面施加压力的变化；Cm为体积应变与气体压力的关系的斜率。

2 测试结果及分析

2.1 吸附引起的变化

在每次基体收缩试验之前，样品用气体完全饱和，压力为4 MPa。8 h 后，在4 MPa 气压下，4 种不同气体氮气、氦气、甲烷和二氧化碳的体积应变变化如图2 所示。氦气曲线仅显示了颗粒压缩性，因为没有发生吸附。其他3 条曲线表明，由于气体吸附，煤基质膨胀。

图2 不同气体在4 MPa 下吸附时的体积应变

二氧化碳吸附引起的膨胀大约是氮气的12 倍，是甲烷的8 倍。使用应变计的快速取样系统，可以监测试验开始时体积应变的变化。静水压力导致初始收缩，随后气体吸附导致膨胀。图3 显示了二氧化碳的这种现象（氦曲线用于比较）。在样品达到稳定状态之前，氦曲线也显示出非线性部分，这归因于试样内的孔隙压差。

图3 二氧化碳和氦的初始体积应变

2.2 基质引起的体积应变变化

通过在500 kPa 阶段逐渐降低压力并允许在一段时间内发生解吸，确定气体解吸引起的基质收缩。图4 为氦、氮、甲烷和二氧化碳的体积应变随时间的变化，不同气体的应变存在数量级差异。

图4 不同气体从4 MPa 降至0.5 MPa 的体积应变

图4 中，氦曲线显示了每次减压循环期间煤基质的膨胀和孔隙压力恢复。减压后，由于施加的液压应力突然降低，煤基质立即膨胀。随后，试样的内部气体孔隙压力逐渐降低，这是由气体从试样流向周围环境时的压差引起的。这导致有效静水压应力增加，一些煤基质压缩。由于未发生解吸，应变在约50 min 内迅速达到平衡。图4 中的氮气曲线显示的压力间隔约为100 min。在曲线范围4～2.5 MPa 的高压区域，压力降低导致的晶粒膨胀高于气体解吸导致的收缩，而收缩效应超过了低压下的膨胀。在甲烷的情况下，气体解吸引起的收缩超过了与晶粒膨胀相关的应变。最显著的是二氧化碳解吸的应变高出一个数量级，因此无法识别晶粒膨胀。

气体解吸在每个阶段达到平衡时，煤基质体积应变随氦气、甲烷和二氧化碳气体压力降低而变化的曲线如图5 所示。该含氦煤样的颗粒压缩性为−1.3×10−4MPa−1。甲烷的总收缩整体收缩系数为1.2×10−3MPa−1，二氧化碳为5.2×10−3MPa−1。同时发现在2～4 MPa 的气压范围内，Cm的实际值低于总值，在0～2 MPa 的气压范围内，Cm的实际值较高。

图5 煤基质体积应变随气体压力的降低规律

2.3 有效应力与弹性变形

对于弹性连续体，由于气体解吸引起的基体收缩，有效围压的相应降低可根据式（2）进行计算：

式中，pini为初始孔隙压力；pnew为新的孔隙压力。

根据变形测试结果，测量得到了1.85 GPa 的切线弹性模量和0.37 的泊松比，由此计算出的体积模量K为2.37 GPa，意味着1 MPa 的静水压应力变化将导致0.42×10−3的体积应变。因此，与解吸相关的应变相当于甲烷气体压力变化的2.5 倍，这大约相当于二氧化碳应力变化的10 倍，可以得出，与甲烷和二氧化碳的收缩应变相比，有效应力变化较小。

2.4 无脱附的有效应力加载循环

在试验中，煤样经受了几个增加和减少气压的循环，以氦气为例，以避免因吸附或解吸引起的应变变化。图6 为在不同的气压升高和降低循环中，体积应变随时间变化的曲线。对于正压力增量，体积应变的变化达到最大值，然后开始逐渐减小，直到稳定在某个值。这种现象是由煤样周围的气体压力和气体孔隙压力之间的压力差引起的。该梯度将迫使气体流入煤样，直到压力达到平衡。

相反的过程发生在气体压力增量降低时。气体流速和气体压力达到平衡所需的时间与样品渗透率有关。图6 还表明，由于记录的体积应变对于增量和增量的增加和减少是相同的，因此煤样表现为完全弹性材料。只有当煤样中存在未连接的孔隙时，才可能出现这种情况。体积应变值由太沙基方程控制表示为：

图6 氦气的加载和卸载循环过程体积应变

式中，σeff为有效应力；σtotal为总有效总应力；p为孔隙压力；m与煤样连通孔隙体积有关。

由于这种情况下的总应力是施加的气体压力，p是孔隙气体压力，并且假设在应变变化达到稳定状态时达到外部气体压力的值，那么公式（8）可以写成：

有效应力可使用体积法计算中的模量（式（3））。根据体积应变的测量值计算有效静水压应力，发现m的平均值为0.71。因此，公式（9）可改写为：

3 结论

基质收缩效应是煤中解吸气体的主要反应，由于甲烷是最有可能发生解吸的气体，因此解吸收缩相当于应力变化超过气体压力增量的2.5 倍。由于解吸基本上是气体压力降低的结果，并导致煤基质内的收缩，因此煤中会产生较大的应变。这些应变很可能在煤的强度特性中发挥重要作用。以氦气测试的样品为例，该样品的有效应力与施加压力之间的常数m为0.71。该领域的进一步工作可有助于确定从煤层中迁移出来的总吸附气体的百分比，并与从破碎样品中确定的总吸附气体百分比相比。同时，观察到应变恢复变化率的差异，这将为测量煤基质内的相对应力渗透性能提供一些可能性。