煤體結(jié)構(gòu)全程演變過程中滲透特性試驗(yàn)研究及意義

郭紅玉,拜 陽,藺海曉,李廣生,蘇現(xiàn)波

(1．河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室— —省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南 焦作 454000;2．河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454000;3．中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南協(xié)同創(chuàng)新中心,河南焦作 454000)

煤體結(jié)構(gòu)全程演變過程中滲透特性試驗(yàn)研究及意義

郭紅玉1,2,3,拜 陽2,藺海曉2,李廣生2,蘇現(xiàn)波1,2,3

(1．河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室— —省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南 焦作 454000;2．河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454000;3．中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南協(xié)同創(chuàng)新中心,河南焦作 454000)

在引入地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)實(shí)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)定量表征的基礎(chǔ)上,通過平行煤樣在應(yīng)力應(yīng)變不同階段的結(jié)構(gòu)特征、聲發(fā)射和滲透率等參數(shù)的觀測和拼接,得到煤體結(jié)構(gòu)全程演變過程中滲透特性變化趨勢。結(jié)果表明:煤體結(jié)構(gòu)(GSI)改善階段,煤樣由壓密向彈性變形過渡,聲發(fā)射強(qiáng)度由弱變強(qiáng),孔裂隙逐漸閉合導(dǎo)致滲透率降低;煤體結(jié)構(gòu)(GSI)脆性破壞階段,煤樣發(fā)生屈服和破裂,聲發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),隨著裂縫充分?jǐn)U展,滲透率增加滯后并達(dá)到最大值;煤體結(jié)構(gòu)(GSI)塑性降低階段,先期形成裂隙的凹凸部分被剪切和磨蝕,連通性變差,煤樣逐漸粉末化,聲發(fā)射計(jì)數(shù)明顯增加但強(qiáng)度較小,隨著應(yīng)變增加,應(yīng)力曲線緩慢上翹,達(dá)到重新壓實(shí)效果,滲透率急劇下降。

煤體結(jié)構(gòu);滲透率;地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI);聲發(fā)射;煤層氣

煤層氣開采具有煤礦減災(zāi)、獲取清潔能源和節(jié)能減排三重意義,但我國煤層氣產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)近30 a的發(fā)展,目前僅在沁水盆地、河?xùn)|煤田和阜新盆地等局部實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)作,2012年煤層氣產(chǎn)量只有25．7億m3,而美國達(dá)到508億m3,差距甚大。除了技術(shù)和政策兩個(gè)因素外,復(fù)雜多變的煤體結(jié)構(gòu),尤其是軟煤儲層滲透率比美國低幾個(gè)數(shù)量級也是一個(gè)不爭的客觀事實(shí)[1]。煤體結(jié)構(gòu)不但與煤儲層的滲透率密切相關(guān),同時(shí)對煤儲層的增透方式也有決定性影響,但目前我國的煤層氣開發(fā)幾乎千篇一律采用“活性水+石英砂”水力壓裂模式,在焦作、平頂山、陽泉和淮南等軟煤發(fā)育的區(qū)塊均無法獲得成功[2-3],盲目工程行為造成的經(jīng)濟(jì)損失以億元計(jì),嚴(yán)重挫傷了對煤層氣產(chǎn)業(yè)的投資信心,因此亟需建立基于煤體結(jié)構(gòu)的儲層增透優(yōu)選模式。

煤的應(yīng)力應(yīng)變和滲透率的關(guān)系是瓦斯?jié)B流的關(guān)鍵因素之一,國內(nèi)外大量學(xué)者對此進(jìn)行了卓有成效的探索。國外比較有代表性有 W．J．Sommerton[4], C．R．Mckee[5],S．Harpalani[6]和J．R．E．Enever等[7],主要得出應(yīng)力作用對煤孔隙和滲流的影響規(guī)律。尹光志等[8-9]以重慶松藻煤電公司打通一礦突出煤層取得的煤樣為研究對象,進(jìn)行了含瓦斯煤卸圍壓蠕變與滲流試驗(yàn)研究,分析了其黏塑性本構(gòu)關(guān)系與考慮Klinkenberg效應(yīng)的卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律,并采用三軸滲透儀模擬突出煤試樣在不同地應(yīng)力作用下煤層滲透率的變化規(guī)律。楊永杰等[10]通過多個(gè)煤樣試驗(yàn)加載破壞,發(fā)現(xiàn)應(yīng)變-滲透率曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢基本一致,但表現(xiàn)出相對“滯后”的特點(diǎn)。王廣榮等[11]研究了煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透特性,認(rèn)為瓦斯在煤巖中的流動(dòng)特性與受載過程中煤巖內(nèi)部產(chǎn)生的損傷演化密切相關(guān);圍壓使煤巖內(nèi)部的瓦斯通道發(fā)生壓密閉合,導(dǎo)致滲透率隨圍壓的增大而減小。范俊佳等[12]通過煤的微孔結(jié)構(gòu)測試證實(shí)完整和強(qiáng)變形煤儲層滲透率過低,均不利于煤層氣擴(kuò)散和滲流,而中等變形程度煤儲層最利于煤層氣的開采。在地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)實(shí)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)定量表征基礎(chǔ)上[13-14],筆者直接采用原始塊煤制樣,分別在應(yīng)變不同階段卸載并觀測煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,采用平行煤樣方法對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,探索煤體結(jié)構(gòu)在全程演變過程中滲透特性的變化規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括煤的應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)、滲透率測試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測3部分(圖1)。其中應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B。氣體壓力傳感器和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀分別采用北京泰瑞金星研制的CY-60型高精度壓力傳感器和YJZ-16型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。聲發(fā)射檢測采用北京科海恒生科技有限公司開發(fā)的基于PCI總線控制的多通道CDAE-1全數(shù)字化聲發(fā)射檢測及分析系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig．1 Experiment testing system

1.2 平行煤樣挑選

從陽泉寺家莊煤礦井下工作面采集新鮮塊煤,挑選未受采掘影響且體積盡量大的煤樣進(jìn)行煤樣工業(yè)分析和反射率測試(表 1),在室內(nèi)制備尺寸為?50 mm×50 mm的煤芯(圖2)。由于煤樣在應(yīng)變達(dá)到峰值以后不可恢復(fù),也即一旦倒出樣品缸就不可能再次裝入繼續(xù)實(shí)驗(yàn),因此只有采用平行煤樣才能達(dá)到煤的應(yīng)力應(yīng)變的全程測試與描述。為盡可能降低煤巖強(qiáng)度和滲透性離散性而帶來的試驗(yàn)誤差,試驗(yàn)前應(yīng)先選擇縱波速度相近的煤樣(表2)。聲波測試采用UTA-2000A型非金屬超聲監(jiān)測分析儀,傳感器頻率為35 kHz;采樣頻率為10 MHz,時(shí)間精度為0．1 μs。

表1 煤樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of coal samples

圖2 加工的煤樣Fig．2 The processed coal samples

表2 煤樣應(yīng)變階段與相應(yīng)GSI值的對應(yīng)關(guān)系Table 2 Relation between stress phases and corresponding GSI values of coal samples

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

(1)首先取平行煤樣B1-7,在圍壓5 MPa,軸向以1．0 kN/s速率加載直至重新壓實(shí),應(yīng)力上升為止,查明煤樣應(yīng)力應(yīng)變?nèi)套兓卣?為實(shí)驗(yàn)階段劃分提供依據(jù)(圖4)。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變不同階段的煤體結(jié)構(gòu)特征(倒出樣品缸狀態(tài))Fig．3 Coal structure characteristics in different stress-strain stages

(2)依次取平行煤樣,與文獻(xiàn)[13]中的標(biāo)準(zhǔn)GSI模板對比,得到GSI區(qū)間范圍,取上、下限的平均值作為煤體結(jié)構(gòu)的GSI值(圖5,圖中斜線上的數(shù)值即為GSI值,“N/A”表示在這個(gè)范圍內(nèi)不適用),然后把煤樣裝入樣品缸,開啟軸向加載系統(tǒng),在1．0 kN/s的軸向控制下加載,記錄氣體的壓力和流量,同時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測,觀察煤的應(yīng)力應(yīng)變曲線,分別在以下階段卸載,觀測煤體結(jié)構(gòu)的GSI值:

圖4 煤樣B1-7的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig．4 Stress-strain curve for the coal sample B1-7

圖5 煤體結(jié)構(gòu)量化模板[13]Fig．5 Quantitative model of coal structure[13]

①與B1-7相比,在應(yīng)力上升至峰值50%時(shí)卸載,觀察煤樣的裂隙變化特征,觀測相應(yīng)的GSI值。由于此時(shí)煤樣未破碎,繼續(xù)裝入樣品缸,然后觀察應(yīng)力曲線基本達(dá)到峰值時(shí)卸載,觀測相應(yīng)的GSI值。

②在應(yīng)變峰值之后的不同階段,卸載觀察煤體結(jié)構(gòu),不同的是煤樣卸載后首先在樣品缸內(nèi)觀察,然后與倒出樣品缸后狀態(tài)相結(jié)合,最終確定出煤樣的GSI值。在應(yīng)變峰值后卸載,進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)觀察后,煤樣破碎無法裝入樣品缸,只有把平行煤樣裝入樣品缸,繼續(xù)以后階段的實(shí)驗(yàn)。為防止樣品缸內(nèi)部密封橡膠套的變形超過極限而破壞,軸向應(yīng)變達(dá)到8%左右即停止實(shí)驗(yàn)。不同應(yīng)力應(yīng)變階段的煤體結(jié)構(gòu)特征如圖3所示,相應(yīng)的GSI值見表2。

(3)應(yīng)用測得氣體壓力和氣體流量計(jì)算煤樣的滲透率,并按照每一個(gè)樣品的試驗(yàn)階段,舍棄重復(fù)數(shù)據(jù),將滲透率、聲發(fā)射、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“全程拼接”,得到煤體結(jié)構(gòu)全程演變過程中應(yīng)力應(yīng)變—煤體結(jié)構(gòu)(GSI)—滲透率變化趨勢(圖6)。

2.2 結(jié)果分析

(1)煤體結(jié)構(gòu)(GSI)改善階段。

相當(dāng)于圖3和圖6中的①～③階段,表征煤體結(jié)構(gòu)的GSI值從83升高到88和95,聲發(fā)射信號逐漸增強(qiáng),表明屬于孔隙介質(zhì)的煤樣內(nèi)部微孔隙和裂隙較發(fā)育,隨應(yīng)力增加發(fā)生閉合,煤樣的滲透率逐漸降低。此階段屬于壓密和彈性變形區(qū)間,煤樣B1-2沒有發(fā)生破壞,卸壓后觀測GSI值仍可裝入樣品缸繼續(xù)試驗(yàn)。

(2)煤體結(jié)構(gòu)(GSI)脆性破壞階段。

相當(dāng)于圖3和圖6中的④和⑤階段,GSI值從最高值95急劇降低至65和53,聲發(fā)射強(qiáng)度達(dá)到最高值,表明煤樣發(fā)生了屈服和破壞,滲透率此時(shí)并不是最高值,主要原因是煤樣內(nèi)部的裂隙還在進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通并出現(xiàn)宏觀裂縫,因此滲透率滯后于應(yīng)力峰值逐漸增加到最大值。④→⑤應(yīng)力顯著下降,但滲透率基本維持在最大值附近。

(3)煤體結(jié)構(gòu)(GSI)塑性降低階段。

圖6 煤樣的應(yīng)力應(yīng)變—煤體結(jié)構(gòu)—滲透率變化趨勢Fig．6 Stress-strain-coal structure-permeability change trend of coal sample

相當(dāng)于圖3和圖6中的⑥～⑧3個(gè)階段,GSI從38逐漸降低至20和13,聲發(fā)射計(jì)數(shù)明顯增加但強(qiáng)度較小,表明先期形成的裂隙的凹凸部分被剪切和磨蝕,圖3也表明煤樣逐漸粉末化,裂隙相互切割導(dǎo)致連通性變差,滲透率下滑。隨著應(yīng)變持續(xù)增加,應(yīng)力曲線緩慢上翹,煤顆粒重新壓實(shí),滲透率急劇下降。

3 基于煤體結(jié)構(gòu)(GSI)的儲層增透方式

(1)GSI≤45。

從圖6看出,在GSI=0～45時(shí),煤體已呈現(xiàn)塑性變形,任何針對煤體本身的改造措施都將降低GSI值,滲透率非但沒有改善反而不斷惡化,說明適用硬煤的水力壓裂等增透措施并不適合軟煤,已被列為地面煤層氣開發(fā)的禁區(qū),也是困擾我國煤層氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)程的最大障礙,亟需另辟蹊徑。針對本煤層不可增透的特點(diǎn),可以在煤層的頂?shù)装暹M(jìn)行強(qiáng)化間接開采煤層氣,強(qiáng)化方式為水力壓裂或者松動(dòng)爆破[15](圖7)。比如山西古交將兩層間距不足10 m的煤層和中間夾層同時(shí)射孔,采用限流壓裂獲得的產(chǎn)氣量比單純煤層改造高2～3倍。鶴壁中泰礦業(yè)井下對煤層頂板鉆孔小規(guī)模壓裂,取得了661 m3/d產(chǎn)氣量,證實(shí)了此工藝的可行性。

圖7 GSI=0～45煤層氣開采示意Fig．7 Coalbed methane developing schematic diagram in GSI=0～45 coal reservoir

(2)GSI=45～55。

當(dāng)GSI=45～55,滲透率處于最優(yōu)水平,任何儲層改造都有可能使GSI減小而降低滲透率,因此要選擇經(jīng)濟(jì)有效的近井地帶解堵方式清除鉆完井過程造成的污染,而不必采用代價(jià)昂貴的儲層改造措施,近井地帶解堵方式主要包括裸眼洞穴、高能氣體壓裂(HEGF)和超短半徑徑向噴射等技術(shù)。例如美國San Juan盆裸眼洞穴法和阜新劉家區(qū)L30井徑向水力噴射取得成功[16-17],而煤層較軟時(shí)無論是高能氣體壓裂還是裸眼洞穴效果均不理想[18]。

(3)GSI≥55。

從圖6看出,GSI=55～100,煤體結(jié)構(gòu)趨于完整,滲透率逐漸變差,如何使完整的煤體發(fā)生脆性破壞,把GSI降低為50左右,是儲層增透方式優(yōu)選的關(guān)鍵。當(dāng)GSI從55增加到100時(shí),隨著煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸增加和滲透率的降低,可以依次采用煤體破壞程度逐漸增強(qiáng)的直井水力壓裂、水平井分段壓裂和頁巖氣開采采用的體積改造(SRV)[19-20]等技術(shù)(圖8)。

圖8 基于煤體結(jié)構(gòu)的儲層增透方式優(yōu)選Fig．8 Method optimization of permeability increase of coal reservoir based on coal structures

4 結(jié) 論

(1)通過煤體結(jié)構(gòu)—應(yīng)力應(yīng)變—滲透率全程演變試驗(yàn),把表征煤體結(jié)構(gòu)的GSI變化劃分為3個(gè)階段:GSI逐步改善時(shí),滲透率因孔裂隙閉合而降低,煤樣處于壓密和彈性變形范圍;GSI脆性破壞階段,煤樣發(fā)生了屈服和破壞,煤樣內(nèi)部的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展和貫通,并出現(xiàn)宏觀裂縫,滲透率滯后于應(yīng)力峰值逐漸增加到最大值;GSI塑性降低階段,先期形成裂隙的凹凸部分被剪斷和磨蝕,煤樣逐漸粉末化,隨著應(yīng)變持續(xù)增加,煤顆粒重新壓實(shí),滲透率急劇下降。

(2)GSI=0～45軟煤階段,由于本煤層無法進(jìn)行強(qiáng)化增透,通過煤層頂?shù)装鍙?qiáng)化間接抽采煤層氣; GSI=45～55,采用近井地帶解堵而不必選擇花費(fèi)高額的儲層強(qiáng)化措施;GSI=55～100硬煤階段,隨著煤體結(jié)構(gòu)的完整性增加,依次選擇儲層改造強(qiáng)度加深的直井和水平井分段壓裂,直至采用頁巖氣常用的體積改造模式。

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Experimental study on permeability characteristics in complete evolution process of coal structure and its significance

GUO Hong-yu1,2,3,BAI Yang2,LIN Hai-xiao2,LI Guang-sheng2,SU Xian-bo1,2,3
(1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control(Henan Polytechnic University),Jiaozuo 454000,China;2.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;3.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region,Henan Province,Jiaozuo 454000,China)

Coal reservoir’s permeability is closely related to its coal structure,their relationship is of significance to the method optimization of permeability increase for coal reservoirs with different structures．Based on the introduction of geological strength index(GSI)to quantitatively characterize the coal structure,the corresponding parameters including coal structure,acoustic emission and permeability,etc were tested and analyzed．Subsequently the variation trends of permeability features with different coal structures in a complete evolution process were discovered．The results show that during the improvement phase of coal structure(GSI),the coal samples transit from compaction to elastic deformation;the acoustic emission strength turns from weak to strong and the permeability decreases due to the gradual closure of micro-fissures．During the brittle failure phase of coal structure(GSI),the coal samples become yielded and failed; the acoustic emission strength increases gradually and the permeability has a hysteresis increase and then increases to its maximum as a result of the full extension of fractures．During the plastic decrease phase of coal structure(GSI),the concave and convex parts of early-formed fractures are cut and corroded;the connectivity becomes weak and coal sam-ples are powdered gradually;at the same time,the acoustic emission count increases significantly but with less strength,and with the increase of strain,the stress curve becomes upturned which indicates the effect of re-compaction,and also the permeability has a notable decrease．

coal structure;permeability;geological strength index(GSI);acoustic emission;coalbed mathane

P618．11

A

0253-9993(2014)11-2263-06

2013-11-08 責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472127,41472129);山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2013012004)

郭紅玉(1978—),男,河南遂平人,副教授,博士。E-mail:ghy1026@126．com。通訊作者:蘇現(xiàn)波(1963—),男,河南孟津人,教授。E-mail:1054608403@qq．com

郭紅玉,拜 陽,藺海曉,等．煤體結(jié)構(gòu)全程演變過程中滲透特性試驗(yàn)研究及意義[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(11):2263-2268．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1631

Guo Hongyu,Bai Yang,Lin Haixiao,et al．Experimental study on permeability characteristics in complete evolution process of coal structure and its significance[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2263-2268．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1631