甲烷氣滲流作用對(duì)煤巖強(qiáng)度的影響

王力

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

甲烷氣滲流作用對(duì)煤巖強(qiáng)度的影響

王力

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

煤層氣井在排采生產(chǎn)階段，由于甲烷的不斷脫附、滲流，煤層孔隙壓力和有效應(yīng)力逐漸發(fā)生變化，煤巖力學(xué)強(qiáng)度減弱，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)層孔隙度、滲透率，甚至井壁穩(wěn)定性均有一定影響。對(duì)煤層氣在煤層間的滲流過(guò)程與煤巖的力學(xué)性質(zhì)間的耦合關(guān)系進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，為煤層氣井完井、開(kāi)發(fā)等方案制定提供了理論支持。聲波發(fā)射實(shí)驗(yàn)和單軸/三軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CH4流經(jīng)煤巖巖心時(shí)間的延長(zhǎng)，煤巖彈性模量逐漸降低，表明煤巖力學(xué)強(qiáng)度下降。單軸/三軸抗壓實(shí)驗(yàn)表明，煤巖的彈性模量和最大抗壓強(qiáng)度隨圍壓的下降而減小，且在高圍壓條件下下降較慢，低圍壓條件下下降較快。該結(jié)果表明，在煤層氣生產(chǎn)一定時(shí)間后，井下煤層可能產(chǎn)生坍塌、掉塊而影響生產(chǎn)作業(yè)。

煤層氣；滲流；煤巖；力學(xué)性質(zhì)

煤巖具有雙重裂隙系統(tǒng)：裂縫體系和孔隙體系，前者是煤層氣重要的滲透流通通道，后者是煤層氣主要的儲(chǔ)集場(chǎng)所［1］。煤巖的裂縫體系可分為割理與節(jié)理。節(jié)理將割理系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，使得煤巖的裂縫體系形成了更大的網(wǎng)絡(luò)，提高了煤層滲透特性［2-3］。

煤巖吸附氣體后，吸附相化學(xué)勢(shì)增大，表面能減小，最終導(dǎo)致強(qiáng)度降低［4］。CH4的脫附和不斷流動(dòng)也會(huì)對(duì)煤巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響煤層的穩(wěn)定性，造成煤層垮塌，對(duì)煤層氣生產(chǎn)造成不良影響。

一般說(shuō)來(lái)，煤巖的滲透率與有效應(yīng)力呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)關(guān)系，而在低圍壓下，隨著有效應(yīng)力的減小，滲透率有所下降［5］，這是由于氣體吸附導(dǎo)致煤巖發(fā)生膨脹引起的。煤階上升滲透率下降，濕度減小滲透率增大［6］，灰分含量上升煤巖滲透率下降［7-9］。氣體在煤巖中的滲透率依次為N2＞CH4＞CO2［10-14］。

1 煤樣準(zhǔn)備與基本測(cè)試

Coal sample preparation and basic tests

1.1 巖心準(zhǔn)備

Core preparation

鉆取直徑為25 mm、長(zhǎng)度為50 mm 圓柱狀巖心，并將巖心兩端面磨光。其中6 塊用于測(cè)試橫、縱波波速，為后續(xù)巖心選擇合理的驅(qū)替時(shí)間；14塊用于對(duì)比驅(qū)替造成的強(qiáng)度變化和單軸/三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，為便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，巖心鉆取位置兩兩相近。

1.2 煤巖組分測(cè)定

Maceral test

文中選取陜西某煤礦煤樣2塊，按GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》對(duì)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析與元素分析［15］。煤巖組分含量平均為：水分1.06%，灰分18.66%，揮發(fā)分15.09%，固定碳65.19%，見(jiàn)表1。

表1 煤樣元素分析結(jié)果Table 1 Analysis results on elements of coal samples

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，1#煤樣屬于無(wú)煙煤，2#煤樣屬于中高等變質(zhì)程度的煙煤，如焦煤。

1.3 煤巖結(jié)構(gòu)分析

Analysis on the structure of coal rock

利用S4800 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡研究了煤巖孔隙結(jié)構(gòu)、裂縫類型、大小、連通情況，以及礦物發(fā)育形態(tài)和在孔隙中的產(chǎn)狀和分布狀況等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1a和圖1b可以看出，煤巖的孔隙（粒間孔、層間縫等）發(fā)育，孔洞微小且不連通（這在后面的核磁共振實(shí)驗(yàn)也可以看出），煤巖中夾雜一定量的黏土礦物，同時(shí)也發(fā)育有微小孤立的氣孔；由圖1c和圖1d可以看出，該煤巖還發(fā)育有尺寸更小的縫洞，裂紋較規(guī)則平整，黏土礦物呈集中分布。

圖1 煤巖的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 EMS picture of coal rocks

1.4 低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)分析

Analysis on low-field NMR test

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)利用地層流體中含有的氫原子核，通過(guò)檢測(cè)巖石孔隙內(nèi)部的流體性質(zhì)、流體量以及巖石與流體之間表面的相互作用來(lái)獲取巖石物性參數(shù)。目前它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于砂巖和碳酸巖的物性研究，通過(guò)核磁共振譜峰的面積與相應(yīng)質(zhì)子數(shù)的正比關(guān)系，可以定量研究煤巖的孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、孔隙度等特征。實(shí)驗(yàn)采用MesoMR23-060H-1型儀器，探頭直徑60 mm，磁場(chǎng)強(qiáng)度0.5±0.05 T，磁體溫度為 32±0.01℃。兩塊不同煤巖的核磁共振數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表2 1#煤巖核磁共振數(shù)據(jù)Table 2 NRM data of No.1 coal rock

表3 2#煤巖核磁共振數(shù)據(jù)Table 3 NRM data of No.2 coal rock

圖2 煤巖的核磁共振譜圖Fig.2 NMR diagram of coal rocks

由圖2（a）可知，該煤巖譜圖有3個(gè)典型的波峰，分別為0.1～1 ms，10～100 ms和＞100 ms，分別代表煤巖中存在小孔隙、中孔隙和大孔隙。不同波峰表示煤巖樣品中不同類型大小的孔隙，0.1～1 ms之間的波峰窄而高，表示孔隙類型單一，其他2個(gè)波峰較寬闊，表示存在多種孔隙類型。峰值大小代表了該種類型的孔隙所占所有孔隙的百分比，例如1#號(hào)煤層中小孔隙占66.49%，中孔隙占5.31%，大孔隙占28.2%；而2#煤層中小孔隙占73.3%。

不同峰值之間的曲線代表了煤巖不同大小孔隙的連通性。波峰與波峰相連，說(shuō)明煤層中2種孔隙相連通；波峰與波峰不相連說(shuō)明兩種孔隙不連通。如圖2b 10～100 ms波峰與＞100 ms波峰相連，說(shuō)明中孔隙和大孔隙這2種孔隙相連通，而小孔隙與中、大2種孔隙不連通。

結(jié)果分析表明：該煤巖小孔、中孔和大孔隙在不同地層中連通情況不同，但存在的共同點(diǎn)是小孔隙與其他孔隙均不連通，且小孔隙對(duì)應(yīng)波峰窄而高，說(shuō)明小孔隙類型較單一，而大孔隙對(duì)應(yīng)波峰較寬闊，說(shuō)明孔隙類型較復(fù)雜，綜合煤層巖性分析，煤層大孔隙還包括微型裂縫和割理等類型，并且大、中孔隙在煤層中大都互相連通，是煤層氣的主要儲(chǔ)集空間和滲流通道。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

Experimental results and analysis

通過(guò)聲波發(fā)射實(shí)驗(yàn)、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)CH4滲流前后的煤巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，分析煤巖力學(xué)參數(shù)前后的變化規(guī)律。氣體滲流實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 氣體滲流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Sketch of experimental device for gas seepage

2.1 聲波發(fā)射法測(cè)定煤巖強(qiáng)度的基本原理

Basic principle of coal rock strength measurement by using acoustic emission method

聲波發(fā)射中縱波以疏密發(fā)散的形式在煤巖內(nèi)傳播，橫波以剪應(yīng)變的橫向位移形式在煤巖內(nèi)傳播，兩者速度均為常數(shù)，其值大小只與彈性常數(shù)和密度有關(guān)，與波長(zhǎng)大小、形狀無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)中超聲波由發(fā)射器產(chǎn)生，接收器接收，測(cè)試在一定溫度和壓力下通過(guò)一定長(zhǎng)度的巖心所需要的時(shí)間，巖樣長(zhǎng)度除以透射時(shí)間便為彈性波速度，即

式中，Vp為煤巖縱波波速，m/s；Vs為煤巖橫波波速，m/s；L為煤巖長(zhǎng)度，m；tp為縱波穿透煤巖所需時(shí)間，s；ts為橫波穿透煤巖所需時(shí)間，s。

測(cè)試出橫縱波波速以及煤巖密度后，便可使用下式得出煤巖的彈性參數(shù)

式中，Ed為煤巖彈性模量，GPa；ρ為煤巖密度，g/ cm3。

2.2 氣體驅(qū)替時(shí)間對(duì)煤巖彈性模量的影響實(shí)驗(yàn)

Experiment on the effect of gas displacement time on elastic modulus of coal rock

將巖心置于圍壓16 MPa、驅(qū)替壓差5 MPa條件下，分別測(cè)試驅(qū)替24 h、48 h、72 h、168 h后的橫縱波波速，并計(jì)算其強(qiáng)度參數(shù)-彈性模量，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 驅(qū)替時(shí)間對(duì)煤巖彈性模量的影響Fig.4 Effect of displacement time on elastic modulus of coal rock

圖4表明，經(jīng)氣體驅(qū)替后，煤巖彈性模量均呈明顯下降趨勢(shì)（圖中1～6號(hào)巖心的初始彈性模量略有不同）。這是由于煤巖孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成都比較復(fù)雜，造成煤巖動(dòng)態(tài)彈性模量隨CH4滲流時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，隨著滲流時(shí)間的增長(zhǎng)，煤巖力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低；開(kāi)始降低較快，當(dāng)驅(qū)替時(shí)間為48 h 后，煤巖彈性模量降低速度減緩。

2.3 單軸/三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

Uniaxial/triaxial compression test

取1.1所述14 塊煤巖巖心，分別在6、 4、2和0 MPa圍壓下對(duì)1～4 號(hào)巖心、5～8 號(hào)巖心、9～12 號(hào)巖心進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)13～14 號(hào)巖心進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，單軸/三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6，奇數(shù)號(hào)巖心為未經(jīng)氣體驅(qū)替巖心（圖中藍(lán)色柱），偶數(shù)號(hào)巖心為經(jīng)48小時(shí)CH4驅(qū)替后的巖心（圖中黃色柱）。

圖5 CH4驅(qū)替前后巖心最大抗壓強(qiáng)度Fig.5 Maximum compression strength of cores before and after CH4displacement

圖6 CH4驅(qū)替前后巖心彈性模量Fig.6 Elastic modulus of cores before and after CH4displacement

圖5、圖6表明，無(wú)論是煤巖的彈性模量還是最大抗壓強(qiáng)度，均隨圍壓降低而減小，但并非線性。煤巖的彈性模量和最大抗壓強(qiáng)度隨圍壓的下降規(guī)律基本一致，即高圍壓條件下下降較慢，低圍壓條件下下降較快。這是由于煤巖含有較多的微觀孔隙，在圍壓壓實(shí)作用下閉合，使得自身剛度較大，當(dāng)圍壓小于一定值后，煤巖中的微裂縫、微孔隙開(kāi)始擴(kuò)張，造成強(qiáng)度迅速下降。

經(jīng)過(guò)CH4驅(qū)替作用后，煤巖的最大抗壓強(qiáng)度和彈性模量均明顯降低，說(shuō)明煤巖的力學(xué)強(qiáng)度有所減弱，這可能是因?yàn)闅怏w不斷流過(guò)煤巖孔隙、裂隙，降低了煤巖裂隙、孔隙中的填充物，并可能造成裂隙的擴(kuò)展，降低煤巖的內(nèi)部膠結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而降低煤巖力學(xué)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

Conclusions

（1）煤巖彈性模量隨CH4流經(jīng)煤巖巖心時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，即煤巖的力學(xué)強(qiáng)度下降。

（2）煤巖的彈性模量和最大抗壓強(qiáng)度隨圍壓的下降而減??；高圍壓條件下下降較慢，低圍壓條件下下降較快。

（3）煤層氣生產(chǎn)一段時(shí)間后，井下煤層可能產(chǎn)生坍塌、掉塊而影響生產(chǎn)作業(yè)。

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（修改稿收到日期 2017-02-28）

〔編輯 景 暖〕

Effect of methane gas seepage on coal rock strength

WANG Li
China United Coalbed Methane Company,CNOOC,Beijing100013,China

In the production stage of coalbed methane (CBM) wells,the pore pressure and effective stress of coal seams change gradually with the continuous methane desorption and seepage,and correspondingly the mechanical strength of coal rock decreases.Consequently,the porosity and permeability of reservoirs and even the wellbore stability are,in a way impacted.In this paper,the coupling relationship between the seepage process of coalbed methane in coal seam and the mechanical property of coal rock was tested indoors.And it provides the theoretical basis for formulating CBM well completion and development schemes.Then,acoustic emission test and uniaxial/triaxial compression test were carried out.It is shown that as the flowing period of CH4 through coal rock cores extends and the elastic modulus of coal rocks decreases gradually,indicating the decrease of its mechanical strength.The uniaxial/ triaxial compression test reveals that the elastic modulus and maximum compression strength of coal rocks decrease with the decreasing of confining pressure.And they decrease slowly (fast) when the confining pressure is high (low).It is demonstrated that downhole coal seams may collapse and drop after coalbed methane is produced for a while,and consequently the production and operation is impacted adversely.

coalbed methane;seepage;coal rock;mechanical property

王力.甲烷氣滲流作用對(duì)煤巖強(qiáng)度的影響［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：158-162.

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國(guó)家“十三五”油氣重大專項(xiàng)（2016ZX05044003）“易漏易塌地層鉆完井及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究”課題。

王力（1969-），2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油天然氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位。2016年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，獲博士學(xué)位。主要從事鉆井技術(shù)研究及一線生產(chǎn)管理工作，高級(jí)工程師。通訊地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)酒仙橋路乙21號(hào)國(guó)賓大廈。電話：010-84528505。E-mail：wangli72@cnooc.com.cn