基于X-ray μCT掃描的煤孔隙瓦斯微觀滲流各向異性特征研究

車禹恒

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

煤體微觀孔隙空間結(jié)構(gòu)如同煤體的DNA，控制著煤體的宏觀物理性質(zhì)，對(duì)煤層瓦斯的賦存狀態(tài)和滲流特性起決定性作用，是揭示瓦斯微觀滲流機(jī)制的基礎(chǔ)。瓦斯微觀滲流機(jī)制的研究對(duì)非常規(guī)油氣資源開發(fā)、CO2地質(zhì)封存和地下水文等工程研究具有深遠(yuǎn)意義[1]。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于瓦斯?jié)B流機(jī)制的研究多集中于宏觀尺度，鮮有基于微觀尺度對(duì)瓦斯?jié)B流機(jī)制進(jìn)行研究[2]。隨著X-ray μCT掃描技術(shù)的發(fā)展，煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)三維重建已成為該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。如何將三維重構(gòu)模型用于數(shù)值模擬是研究煤體內(nèi)部瓦斯?jié)B流規(guī)律的難點(diǎn)之一，也是巖石力學(xué)和煤層瓦斯動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[3]。

呂兆興[4]通過對(duì)包括孔隙和裂隙在內(nèi)的雙重多孔介質(zhì)的三維逾滲數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為裂隙的存在能大大提高多孔介質(zhì)逾滲概率；楊保華等[5-6]采用多場(chǎng)耦合有限元軟件COMSOL和三維處理軟件Avizo相結(jié)合的方法，對(duì)巖石堆浸散體孔隙內(nèi)的溶液流速及壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了研究分析，得到介質(zhì)的水傳導(dǎo)率；Bird等[8]對(duì)碳酸鹽孔隙空間的電流流動(dòng)進(jìn)行了模擬，并計(jì)算出樣品的滲透率及電氣形成因子；劉向君等[8]對(duì)砂巖的絕對(duì)滲透率和彈性參數(shù)進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性；王剛等[9-12]將編寫的Matlab程序與逆向工程技術(shù)相結(jié)合對(duì)孔隙模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，并導(dǎo)入ANSYS軟件對(duì)煤層氣的流動(dòng)進(jìn)行模擬，同時(shí)通過計(jì)算得到了煤層氣的非達(dá)西滲流系數(shù)。

由于瓦斯在煤層中的滲流往往是沿不同方向流動(dòng)，故研究煤孔隙內(nèi)部瓦斯微觀滲流的各向異性特征顯得尤為重要。因此，筆者以鄂爾多斯盆地低階煤為研究對(duì)象，進(jìn)行X-ray μCT掃描，重建煤孔隙微觀空間結(jié)構(gòu)模型，采用COMSOL軟件對(duì)煤微觀孔隙REV單元內(nèi)瓦斯單向和多向滲流進(jìn)行數(shù)值模擬，研究煤孔隙瓦斯微觀滲流的各向異性特征，以期優(yōu)化瓦斯抽采鉆孔、煤層氣井結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高煤層瓦斯抽采效率。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及過程

實(shí)驗(yàn)煤樣分別為鄂爾多斯盆地西緣羊場(chǎng)灣礦褐煤(YCW)和鄂爾多斯盆地東緣斜溝礦氣煤(XG)，其埋深分別為607.5、109.9 m。樣品為5 mm×5 mm×10 mm 的長方體原煤，煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用Nano Voxel-3000系列高分辨率X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀。實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試電壓為 120 kV，測(cè)試電流為50 μA，曝光時(shí)間為1 000 ms。采用局部掃描模式，分辨率為0.5 μm，掃描時(shí)間為 52 min。

2 煤孔隙瓦斯微觀滲流數(shù)值模擬

2.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

通過提取REV單元[13-14]內(nèi)最大連通孔隙團(tuán)空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行瓦斯微觀滲流數(shù)值模擬，采用Geomagic和ANSYS ICEM軟件對(duì)孔隙團(tuán)重構(gòu)模型進(jìn)行逆向優(yōu)化和網(wǎng)格劃分，重構(gòu)單元尺寸為5 μm×5 μm×5 μm[15-16]。重構(gòu)的煤微觀孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(PNM)及網(wǎng)格劃分結(jié)果(Mesh)如圖1所示。

(a)YCW褐煤

2.2 數(shù)值模擬方案及邊界條件

采用COMSOL軟件進(jìn)行瓦斯微觀滲流數(shù)值模擬，研究不同方向上的單向和多向滲流規(guī)律。單向滲流指的是瓦斯僅向一個(gè)方向滲流，而其他方向不流通。多向滲流指的是瓦斯從REV單元的1個(gè)表面流入，從其他5個(gè)表面流出。

設(shè)置參數(shù)如下：入口壓力分別為0.3、0.5、1.0、1.4 MPa，壓力梯度分別為4×1010、8×1010、18×1010、26×1010Pa/m，瓦斯密度為0.717 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.150 2×10-5Pa·s，溫度為293 K。所有出口邊界條件都設(shè)為壓力出口，壓力為0.1 MPa；入口邊界設(shè)為壓力入口。不流通的REV表面設(shè)置為自由滑移壁面，孔隙壁面設(shè)置為無滑移壁面。采用組合ILU預(yù)處理技術(shù)與廣義最小殘差算法GMRES穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行方程組求解[17]。

3 煤微觀孔隙瓦斯單向滲流各向異性特征

3.1 孔隙壓力

REV單元孔隙壓力分布云圖如圖2所示。從微觀角度可知，瓦斯沿各方向均存在滲流優(yōu)勢(shì)；從孔隙壓力沿滲流方向的變化可知，孔喉尺寸僅是壓力變化幅度的1個(gè)影響因素；影響更大的是孔隙在不同方向的連通程度，在某一方向連通性越強(qiáng)，連通孔隙越多，則孔隙壓力變化越大，這是瓦斯?jié)B流方向存在優(yōu)勢(shì)的根本原因。

(a)YCW褐煤

不同滲流方向上截面平均孔隙壓力隨滲透距離的變化曲線如圖3所示。

(a)YCW褐煤

分析圖3可知，在固定的壓力梯度下，孔隙壓力隨滲透距離增加總體降低，但在內(nèi)部，不同孔隙結(jié)構(gòu)的局部變化規(guī)律存在差異。YCW褐煤孔隙壓力變化的線性程度更高，孔隙壓力受結(jié)構(gòu)擾動(dòng)影響較小；XG氣煤各方向瓦斯微觀滲流更為復(fù)雜。其原因在于低階變質(zhì)程度煤中，孔隙壓力只在某一個(gè)方向或某一段滲流長度內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，但都存在滲流穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)方向。

3.2 滲流速率

不同滲流方向的流線圖如下頁圖4所示。由圖4可知，YCW褐煤瓦斯沿x方向的流線更加彎曲、稀疏，且局部流速較大;瓦斯沿z方向的流線更加順直、密集，瓦斯?jié)B流更為暢通。XG氣煤沿z方向流線明顯最為稀疏，彎曲程度更高，流線存在多處截?cái)啵焕谕咚節(jié)B流。

不同滲流方向截面平均滲流速率隨滲透距離的變化曲線如下頁圖5所示。分析圖5可知，同一樣品在不同方向的瓦斯?jié)B流速率變化規(guī)律差別很大。YCW褐煤中，z方向瓦斯?jié)B流速率最高，僅在16 m/s左右范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，因此該方向瓦斯?jié)B流最穩(wěn)定；在y方向上，當(dāng)滲透距離超過2 μm時(shí)，滲流速率由12.25 m/s增至17.73 m/s，增幅達(dá)44.73%，這主要是孔喉尺寸突然減小所致。

(a)YCW褐煤

(a)YCW褐煤

XG氣煤中，x方向滲流速率緩慢降低，y方向滲流速率在2.5 μm處突然升高，并在4 μm處達(dá)到峰值8.01 m/s。

3.3 滲透率

為了直觀對(duì)比瓦斯單向滲流的優(yōu)勢(shì)方向，將各方向的絕對(duì)滲透率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同方向瓦斯?jié)B透率對(duì)比

由圖6可知，YCW褐煤在z方向上的滲透率最高，為0.64×10-3μm2；XG氣煤在x、y方向的滲透率差別不大，分別為0.22×10-3、0.23×10-3μm2，遠(yuǎn)高于z方向的滲透率，因此這兩個(gè)方向都可視其為瓦斯?jié)B流的優(yōu)勢(shì)方向。

4 煤微觀孔隙瓦斯多向滲流特征

瓦斯在煤體中的實(shí)際滲流不僅僅沿某一方向進(jìn)行，而會(huì)在壓力梯度的作用下沿各個(gè)方向滲流。由于孔隙系統(tǒng)內(nèi)部具有較強(qiáng)的各向異性，單元內(nèi)各出口流量差異較大，瓦斯?jié)B流對(duì)方向表現(xiàn)出極大的選擇性。

在REV單元3個(gè)方向上以等距取11個(gè)截面，計(jì)算不同滲透距離下瓦斯?jié)B流速率平均值，得到瓦斯多向滲流速率隨滲透距離的變化關(guān)系曲線，如圖7所示。

(a)YCW褐煤

由圖7可知，在與滲流入口垂直的主滲流方向上，滲流速率逐漸降低，在出口處幾乎降至0。表明在瓦斯多向滲流過程中，入口流入的瓦斯優(yōu)先從主滲流方向四周的出口流出，因此越靠近主滲流方向出口，滲流速率越低。該現(xiàn)象充分體現(xiàn)出瓦斯在孔隙系統(tǒng)內(nèi)滲流的多向選擇性。

由圖7(a)可知，在YCW褐煤中，當(dāng)瓦斯從-x表面流入時(shí)，在z=0.5 μm處瓦斯?jié)B流速率最大，高達(dá)11.61 m/s;y=4 μm處也存在峰值6.69 m/s。當(dāng)-y為滲流入口時(shí)，x方向滲流速率起伏上升，表現(xiàn)出一定的傾向性，在x=3 μm處峰值最大，為11.22 m/s。當(dāng)-z為滲流入口時(shí)，x方向2個(gè)出口表面流速都較低，但在中部存在2個(gè)較高的峰值，分別為14.02、11.11 m/s；y方向各截面流速變化較小，基本穩(wěn)定在8 m/s左右。

由圖7(b)可知，在XG氣煤中，當(dāng)瓦斯從-x表面流入時(shí)，在z方向1.5 μm處，滲流速率優(yōu)先上升至峰值5.27 m/s。從-y表面流入時(shí)，x方向滲流速率逐漸降低；在z方向2 μm處滲流速率達(dá)到峰值6.00 m/s。從-z表面流入時(shí)，x方向滲流速率逐漸降低，在y方向2.5 μm處，滲流速率達(dá)到峰值 1.97 m/s。

將各個(gè)出口表面的體積流量占總流量的比值繪制成雷達(dá)圖，如圖8所示(圖中刻度標(biāo)值表示體積流量所占比例)。

(a)YCW褐煤

由圖8(a)可知，在YCW褐煤中，當(dāng)-x作為滲流入口時(shí)，+y方向?yàn)閮?yōu)勢(shì)滲流方向，流量所占比例為41.89%；當(dāng)-y作為滲流入口時(shí)，+x方向?yàn)閮?yōu)勢(shì)滲流方向，流量所占比例為44.22%；當(dāng)-z作為滲流入口時(shí)，-y方向?yàn)閮?yōu)勢(shì)滲流方向，流量所占比例為38.43%。

由圖8(b)可知，XG氣煤中，當(dāng)-y或-z作為滲流入口時(shí)，優(yōu)勢(shì)滲流方向均為+x，流量所占比例分別為66.66%、41.56%；當(dāng)-x作為滲流入口時(shí)，優(yōu)勢(shì)滲流方向則為-y，流量所占比例為51.67%。

通過比較分析，在研究尺度范圍內(nèi)，不同的微觀孔隙系統(tǒng)對(duì)瓦斯?jié)B流方向的影響都具有一定傾向性，這些傾向性使瓦斯在煤層滲流的宏觀表現(xiàn)均存在明確的方向性，對(duì)于瓦斯抽采鉆孔、煤層氣井布置參數(shù)的優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

1)從微觀角度分析，瓦斯單向和多向滲流均存在優(yōu)勢(shì)滲流方向?？缀磉B通程度是壓力變化幅度的重要影響因素，是瓦斯優(yōu)勢(shì)滲流方向存在的根本原因。低階變質(zhì)程度煤中，孔隙壓力只在某一個(gè)方向或某一段滲流長度內(nèi)發(fā)生波動(dòng)。

2)單向瓦斯?jié)B流過程中，羊場(chǎng)灣(YCW)褐煤在z方向上的滲透率最高，最高值為0.64×10-3μm2；斜溝(XG)氣煤中，y方向上的滲透率最高，最高值為0.23×10-3μm2。

3)多向瓦斯?jié)B流過程中，羊場(chǎng)灣褐煤中，+y、+x、-y方向均為優(yōu)勢(shì)滲流方向，流量所占比例分別為41.89%、44.22%、38.43%；斜溝氣煤中，-y、+x為優(yōu)勢(shì)滲流方向，流量所占比例分別為51.67%、66.66%、41.56%。