煤中氣體解吸收縮有效應(yīng)力變化特征

王鵬

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司， 山西 晉城市 048000)

0 引言

煤基質(zhì)中瓦斯的存儲和流動主要與孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙網(wǎng)絡(luò)（節(jié)理）有關(guān)。煤作為一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)，面割理和端割理是煤中氣體流動的主要和次要通道，二者通常相互正交或近似正交，基本上都垂直層理面[1?2]。煤中的氣體主要以吸附層的形式存在于煤的內(nèi)部表面，或以游離氣體的形式存在于大孔隙和裂縫中，吸附層占甲烷總量的90%～98%，剩余的少量氣體（2%～10%）位于開放孔隙空間內(nèi)，如大孔隙、裂縫[3]。煤中儲存的氣體主要是甲烷，其次是乙烷，還存在一些二氧化碳、一氧化碳和氮氣。煤因解吸氣體而收縮是一種眾所周知的現(xiàn)象[4]。煤基質(zhì)中的任何體積變化也會影響割理孔徑，從而影響煤的氣流特性。煤基體收縮，導(dǎo)致割理孔隙度增加，割理閉合，這是由于氣體孔隙壓力降低導(dǎo)致有效應(yīng)力增加。收縮率低于地應(yīng)力時，割理孔隙度和滲透率可能會隨著氣體抽采產(chǎn)量的增加而降低。解吸作用下的煤基質(zhì)收縮不僅可能使割理變寬，還可能降低有效水平應(yīng)力，導(dǎo)致垂直和近似垂直割理上的應(yīng)力降低，從而進一步打開這些割理，并顯著增加滲透率[5?7]。這一效應(yīng)解釋了為什么煤層的實際產(chǎn)氣量往往大于常規(guī)氣藏中模擬技術(shù)預(yù)測的產(chǎn)氣量。因此，不同氣體解吸時煤基質(zhì)體積變化規(guī)律是建立可靠的煤層氣產(chǎn)量預(yù)測模型的關(guān)鍵因素之一，進而實現(xiàn)其精確預(yù)測。

1 實驗系統(tǒng)

為研究解吸變形規(guī)律，根據(jù)煤炭工業(yè)部頒布的煤的甲烷吸附量測定方法（MT/T752-1997），對現(xiàn)有的試驗平臺進行改進，使之能滿足原煤的吸附-解吸變形試驗要求。改進后的模擬測試裝置如圖1所示。該裝置的工作原理是：通過真空泵對裝過煤且已經(jīng)檢查過氣密性的煤樣罐抽真空，當達到要求的真空度以后，通過充氣罐向煤樣罐充氣，在設(shè)定的溫度和壓力下平衡后通過解吸裝置計量吸附量和解吸量，通過分析解吸過程煤樣變形數(shù)據(jù)，得出不同條件下的解吸變形規(guī)律。

圖1 模擬測試裝置原理

1.1 煤樣

試驗所用樣品均為原生結(jié)構(gòu)煤，采自趙固二礦二1 煤層（無煙煤）。將大塊煤塊放入泡沫中，然后密封在密封袋中，防止氧化。在實驗室對樣品以相同方向取芯，直徑為52.5 mm，長度為45 mm，將試樣端部平行研磨。從類似煤樣的滲透性試驗中發(fā)現(xiàn)，高溫干燥極大地影響了樣品的結(jié)構(gòu)，改變了滲透性，可能也會影響吸附研究。因此，在試驗之前，將試樣在30℃的真空烘箱中干燥2 d。制備了用于收縮試驗的樣品和備用樣品。

1.2 收縮膨脹試驗

在試驗開始時，應(yīng)變片讀數(shù)設(shè)為0，并抽真空2 h。應(yīng)變變化通過連接到PC 的數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄。試樣在4 MPa 的壓力下用氮氣飽和，并記錄應(yīng)變1 周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大約8 h 后，氮氣濃度幾乎沒有變化。然后，每一級的壓力以500 kPa 的量降低，并在一段時間內(nèi)保持恒定。二氧化碳、甲烷和氮氣的解吸間隔時間為100 min，而氦氣的解吸間隔時間為50 min（氦氣不吸附氣體，因而解吸時間較短）。在最后一個增量上，壓力降低到大氣壓，樣品被允許解吸，直到相對于應(yīng)變達到平衡。每次測試后，將樣品抽真空，然后用二氧化碳、甲烷和氦氣重復(fù)同樣的過程。

將煤基質(zhì)體積隨氣體壓力變化的速率定義為解吸氣體的收縮系數(shù)。

式中，Vm為煤基體體積；dVm是煤基體體積的變化；dp是內(nèi)外表面施加壓力的變化；Cm為體積應(yīng)變與氣體壓力的關(guān)系的斜率。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 吸附引起的變化

在每次基體收縮試驗之前，樣品用氣體完全飽和，壓力為4 MPa。8 h 后，在4 MPa 氣壓下，4 種不同氣體氮氣、氦氣、甲烷和二氧化碳的體積應(yīng)變變化如圖2 所示。氦氣曲線僅顯示了顆粒壓縮性，因為沒有發(fā)生吸附。其他3 條曲線表明，由于氣體吸附，煤基質(zhì)膨脹。

圖2 不同氣體在4 MPa 下吸附時的體積應(yīng)變

二氧化碳吸附引起的膨脹大約是氮氣的12 倍，是甲烷的8 倍。使用應(yīng)變計的快速取樣系統(tǒng)，可以監(jiān)測試驗開始時體積應(yīng)變的變化。靜水壓力導(dǎo)致初始收縮，隨后氣體吸附導(dǎo)致膨脹。圖3 顯示了二氧化碳的這種現(xiàn)象（氦曲線用于比較）。在樣品達到穩(wěn)定狀態(tài)之前，氦曲線也顯示出非線性部分，這歸因于試樣內(nèi)的孔隙壓差。

圖3 二氧化碳和氦的初始體積應(yīng)變

2.2 基質(zhì)引起的體積應(yīng)變變化

通過在500 kPa 階段逐漸降低壓力并允許在一段時間內(nèi)發(fā)生解吸，確定氣體解吸引起的基質(zhì)收縮。圖4 為氦、氮、甲烷和二氧化碳的體積應(yīng)變隨時間的變化，不同氣體的應(yīng)變存在數(shù)量級差異。

圖4 不同氣體從4 MPa 降至0.5 MPa 的體積應(yīng)變

圖4 中，氦曲線顯示了每次減壓循環(huán)期間煤基質(zhì)的膨脹和孔隙壓力恢復(fù)。減壓后，由于施加的液壓應(yīng)力突然降低，煤基質(zhì)立即膨脹。隨后，試樣的內(nèi)部氣體孔隙壓力逐漸降低，這是由氣體從試樣流向周圍環(huán)境時的壓差引起的。這導(dǎo)致有效靜水壓應(yīng)力增加，一些煤基質(zhì)壓縮。由于未發(fā)生解吸，應(yīng)變在約50 min 內(nèi)迅速達到平衡。圖4 中的氮氣曲線顯示的壓力間隔約為100 min。在曲線范圍4～2.5 MPa 的高壓區(qū)域，壓力降低導(dǎo)致的晶粒膨脹高于氣體解吸導(dǎo)致的收縮，而收縮效應(yīng)超過了低壓下的膨脹。在甲烷的情況下，氣體解吸引起的收縮超過了與晶粒膨脹相關(guān)的應(yīng)變。最顯著的是二氧化碳解吸的應(yīng)變高出一個數(shù)量級，因此無法識別晶粒膨脹。

氣體解吸在每個階段達到平衡時，煤基質(zhì)體積應(yīng)變隨氦氣、甲烷和二氧化碳氣體壓力降低而變化的曲線如圖5 所示。該含氦煤樣的顆粒壓縮性為?1.3×10?4MPa?1。甲烷的總收縮整體收縮系數(shù)為1.2×10?3MPa?1，二氧化碳為5.2×10?3MPa?1。同時發(fā)現(xiàn)在2～4 MPa 的氣壓范圍內(nèi)，Cm的實際值低于總值，在0～2 MPa 的氣壓范圍內(nèi)，Cm的實際值較高。

圖5 煤基質(zhì)體積應(yīng)變隨氣體壓力的降低規(guī)律

2.3 有效應(yīng)力與彈性變形

對于彈性連續(xù)體，由于氣體解吸引起的基體收縮，有效圍壓的相應(yīng)降低可根據(jù)式（2）進行計算：

式中，pini為初始孔隙壓力；pnew為新的孔隙壓力。

根據(jù)變形測試結(jié)果，測量得到了1.85 GPa 的切線彈性模量和0.37 的泊松比，由此計算出的體積模量K為2.37 GPa，意味著1 MPa 的靜水壓應(yīng)力變化將導(dǎo)致0.42×10?3的體積應(yīng)變。因此，與解吸相關(guān)的應(yīng)變相當于甲烷氣體壓力變化的2.5 倍，這大約相當于二氧化碳應(yīng)力變化的10 倍，可以得出，與甲烷和二氧化碳的收縮應(yīng)變相比，有效應(yīng)力變化較小。

2.4 無脫附的有效應(yīng)力加載循環(huán)

在試驗中，煤樣經(jīng)受了幾個增加和減少氣壓的循環(huán)，以氦氣為例，以避免因吸附或解吸引起的應(yīng)變變化。圖6 為在不同的氣壓升高和降低循環(huán)中，體積應(yīng)變隨時間變化的曲線。對于正壓力增量，體積應(yīng)變的變化達到最大值，然后開始逐漸減小，直到穩(wěn)定在某個值。這種現(xiàn)象是由煤樣周圍的氣體壓力和氣體孔隙壓力之間的壓力差引起的。該梯度將迫使氣體流入煤樣，直到壓力達到平衡。

相反的過程發(fā)生在氣體壓力增量降低時。氣體流速和氣體壓力達到平衡所需的時間與樣品滲透率有關(guān)。圖6 還表明，由于記錄的體積應(yīng)變對于增量和增量的增加和減少是相同的，因此煤樣表現(xiàn)為完全彈性材料。只有當煤樣中存在未連接的孔隙時，才可能出現(xiàn)這種情況。體積應(yīng)變值由太沙基方程控制表示為：

圖6 氦氣的加載和卸載循環(huán)過程體積應(yīng)變

式中，σeff為有效應(yīng)力；σtotal為總有效總應(yīng)力；p為孔隙壓力；m與煤樣連通孔隙體積有關(guān)。

由于這種情況下的總應(yīng)力是施加的氣體壓力，p是孔隙氣體壓力，并且假設(shè)在應(yīng)變變化達到穩(wěn)定狀態(tài)時達到外部氣體壓力的值，那么公式（8）可以寫成：

有效應(yīng)力可使用體積法計算中的模量（式（3））。根據(jù)體積應(yīng)變的測量值計算有效靜水壓應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)m的平均值為0.71。因此，公式（9）可改寫為：

3 結(jié)論

基質(zhì)收縮效應(yīng)是煤中解吸氣體的主要反應(yīng)，由于甲烷是最有可能發(fā)生解吸的氣體，因此解吸收縮相當于應(yīng)力變化超過氣體壓力增量的2.5 倍。由于解吸基本上是氣體壓力降低的結(jié)果，并導(dǎo)致煤基質(zhì)內(nèi)的收縮，因此煤中會產(chǎn)生較大的應(yīng)變。這些應(yīng)變很可能在煤的強度特性中發(fā)揮重要作用。以氦氣測試的樣品為例，該樣品的有效應(yīng)力與施加壓力之間的常數(shù)m為0.71。該領(lǐng)域的進一步工作可有助于確定從煤層中遷移出來的總吸附氣體的百分比，并與從破碎樣品中確定的總吸附氣體百分比相比。同時，觀察到應(yīng)變恢復(fù)變化率的差異，這將為測量煤基質(zhì)內(nèi)的相對應(yīng)力滲透性能提供一些可能性。