雨汪井田超壓含煤地層孔隙特征及孔隙體積模量演變規(guī)律

車玉燕鄒冠貴殷裁云曾葫佘佳生

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083;3.華能煤炭技術(shù)研究有限公司,北京 100070

煤是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔物質(zhì),其孔隙特征與所含煤層氣的擴散、吸附和解吸等作用過程直接相關(guān)。因此,煤的孔隙特征是研究煤層儲集層的最佳表征[1]。超壓是指地層中孔隙流體的壓力明顯高于同一深度的靜水壓力。從超壓地層中采集到的煤樣就是超壓煤樣。異常壓力的研究對了解煤礦中的能量特征,評價煤礦形成的條件及安全開采、保護煤層氣等方面,具有極為重要的意義。超壓含煤地層的孔隙研究是含煤地層分析與研究中不可或缺的一部分,在煤田及煤層氣資源勘探與開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。

自20世紀(jì)中葉以來,異常地層壓力的研究一直是煤及煤層氣勘探開發(fā)的重點和難點。前人在超壓成因和預(yù)測等方面開展了一系列的研究[2-7]。

異常高壓會引起多種工程問題,包括井噴、井壁失穩(wěn)和鉆井液循環(huán)漏失等,進行超壓預(yù)測對鉆井工程的安全及其效益十分重要。目前,國內(nèi)外對地層壓力進行預(yù)測的方法種類繁多。王鴻升[8]概括了3 類具體方法,其本質(zhì)都是先構(gòu)建有效應(yīng)力與地震波速度之間的相互關(guān)系,然后利用有效應(yīng)力原理來估算實測地層壓力。劉宇坤等[9]根據(jù)預(yù)測壓力所需資料也將預(yù)測方法劃分為3 類:第一類是直接利用等效泥漿密度、鉆桿測試(DST)、電纜測試(RFT)以及反映巖石可鉆性的dc 指數(shù)等數(shù)據(jù)來檢測孔隙地層壓力,但這些方法很難獲得縱向和較大的平面面積的壓力數(shù)據(jù)[10];第二類主要基于測井獲得的地震波縱向速度和電阻率等數(shù)據(jù)以及與超壓直接相關(guān)的測井曲線來計算孔隙流體的壓力[11];第三類主要是使用地震數(shù)據(jù),基于測井對異常高壓的響應(yīng),利用地震速度譜和波阻抗等對超壓具有明確響應(yīng)的物性參數(shù)來預(yù)測異常的孔隙流體壓力[12]。近年來,研究煤的孔隙特征已成為煤層氣儲層評價開發(fā)的基礎(chǔ)性工作。孟召平等[13]根據(jù)煤的全應(yīng)力-應(yīng)變-滲透性-聲發(fā)射特征,將煤的變形破壞過程分為3 個階段,即孔隙壓縮與彈性變形階段、塑性變形階段和破壞失穩(wěn)階段。結(jié)果發(fā)現(xiàn),煤的軸向破壞荷載、有效彈性模量和殘余強度均隨圍壓的增高而增大,煤樣的初始滲透率、峰值滲透率和殘余滲透率均隨著圍壓的增加而降低。李賢慶等[14]綜合運用多種實驗方法研究了黔北地區(qū)下古生界儲層孔隙特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn),微孔(孔徑小于2 nm)和介孔(孔徑2～50 nm)為黔北地區(qū)下古生界頁巖氣儲集的主要載體,孔隙形狀為平行壁的狹縫狀孔、兩端開口的管狀孔和墨水瓶狀孔。宋金星[15]通過壓汞實驗分析了構(gòu)造變形對孔容、孔比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)的影響,認(rèn)為微孔孔容和比表面積的變化階段與煤化躍變具有相似的演化規(guī)律。王博[16]通過壓汞實驗發(fā)現(xiàn),雨汪區(qū)塊煤層孔隙以小孔和微孔為主,孔隙連通性好、吸附性強、儲氣能力好、滲透性差。劉樹根等[17]系統(tǒng)分析了儲層孔隙的非均質(zhì)性和連通性,發(fā)現(xiàn)典型超壓儲層孔隙具有多重分形特征。

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會的定義,將孔徑小于2 nm 的孔隙定義為微孔,將孔徑大于50 nm 的孔隙定義為大孔,介于2 nm 和50 nm之間的孔隙定義為介孔。

雨汪煤礦地處云南的山區(qū),地形高差大,地層傾角陡,煤層薄,地質(zhì)情況復(fù)雜。研究區(qū)含煤地層屬于微透水和弱富水層,在垂向上中淺部含煤地層具有較弱的封閉性以及相對活躍的水動力條件,深部則具有較強的封閉性以及相對較弱的水動力條件,形成超壓地層。本文使用CT 掃描技術(shù)與低溫液氮吸附實驗獲取雨汪超壓煤樣的部分孔隙特征參數(shù),分析超壓煤層孔隙特征;以干燥巖石的等效可壓縮性為理論基礎(chǔ),通過改變圍壓測縱橫波速度,研究煤樣孔隙體積模量的變化規(guī)律。

1 異常地層壓力

存在于靜水壓力與圍壓之間的偏差壓力即為異常高壓,如圖1所示[18]。

圖1 壓力與埋藏深度關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relationship between pressure and burial depth

本次研究的煤樣采集于地下500 m 深處,地層水密度取1.04 g/cm3,上覆沉積物平均密度取2.5 g/cm3。由靜水壓力定義可得ph=5.2 MPa,而實際的孔隙壓力在6～8 MPa 之間。據(jù)鞠瑋等[19]對滇東雨汪區(qū)塊現(xiàn)今地應(yīng)力進行研究獲得的剖面圖可知,有效應(yīng)力為6～7 MPa。由圍壓的定義可得pr=13 MPa。

1.1 地層壓力的分類

孔隙壓力的大小通常有兩種表達(dá)方式,即壓力梯度和壓力系數(shù)。國內(nèi)通常用壓力系數(shù)表示。壓力系數(shù)是指該點實測地層壓力與同一深度靜水壓力的比值。壓力系數(shù)消除了對壓力測試存在影響的因素——深度,因此它是用來劃分壓力場類型的最佳參數(shù)。

不同國家和地區(qū)對異常壓力的劃分標(biāo)準(zhǔn)并不相同。國外將地層壓力分為4 類:壓力系數(shù)小于0.96為低壓異常,壓力系數(shù)介于0.96～1.06 之間為常壓,壓力系數(shù)介于1.06～1.2 之間為高壓異常,而壓力系數(shù)大于1.2 時稱為超高壓異常。國內(nèi)學(xué)者杜栩等[20]也將其分為了4 類,其中低壓異常與常壓的劃分標(biāo)準(zhǔn)相同,而將壓力系數(shù)介于1.06～1.38 之間稱為高壓異常,將壓力系數(shù)大于1.38 時稱為異常高壓。根據(jù)中國中西部前陸盆地超壓的分布特點,大家普遍接受將地層壓力分為負(fù)壓、常壓、超壓和強超壓4 類(表1)。

表1 地層壓力分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Formation pressure classification standard

雨汪區(qū)塊整體地應(yīng)力較高,屬于高地應(yīng)力發(fā)育區(qū)。同時,該區(qū)塊發(fā)育多煤層疊置含氣系統(tǒng),地層內(nèi)部發(fā)育多層滲透性較低的泥巖作為分界,造成地層內(nèi)部壓力系數(shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)波動現(xiàn)象,超壓與欠壓地層均有發(fā)育[21]。研究區(qū)中含煤地層的儲層壓力系數(shù)平均值為1.305,地層壓力梯度較大,為8.8～15.5 kPa/m,總體為超壓儲層。深部儲層壓力高于淺部。在大約500 m 深處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,當(dāng)深度大于500 m 時,儲層壓力激增,超過8 MPa。這是由于地層深部發(fā)育泥巖地層作為分隔層形成封閉系統(tǒng),造成儲層壓力突然性增大。

1.2 超壓形成機理

通過分析雨汪煤礦現(xiàn)今煤儲層壓力分布特征,對煤層異常高壓影響因素進行綜合分析發(fā)現(xiàn),構(gòu)造作用是本區(qū)異常高壓形成的最主要因素,其次是烴類的生成作用和欠壓實作用。

1.2.1 構(gòu)造作用

雨汪井田位于揚子淮地臺西南邊緣,滇黔凹陷褶皺束,云南山字型構(gòu)造第二道弧(石屏建水弧)滇東臺褶帶與黃泥河反射弧交匯處內(nèi)側(cè)。區(qū)域構(gòu)造處于壓扭性弧島狀構(gòu)造帶上,富源—彌勒斷裂帶和阿崗—彌勒斷裂帶及南盤江斷裂之間;褶皺及斷裂發(fā)育,并具有西南收斂、北東旋扭散開的特點。如圖2所示,工作區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷層9 條,F426斷層由井田西南角向東北及東部呈弧形伸展,構(gòu)成了井田的西部和東南部的邊界,斷層斷距隨斷層延伸方向變小,并在井田的東部尖滅。井田內(nèi)斷層以北東走向為主,有北西向的橫斷層和由北東轉(zhuǎn)北西的弧形斷層,主要分布在井田邊緣。

圖2 研究區(qū)斷層分布Fig.2 Fault distribution in the study area

斷裂、褶皺等構(gòu)造運動產(chǎn)生的圍壓導(dǎo)致地層發(fā)生形變,使地層的孔隙體積減小。孔隙中流體數(shù)量不變,體積減小必然導(dǎo)致孔隙內(nèi)部壓力增加,從而形成異常高壓。

1.2.2 欠壓實作用

研究區(qū)煤層頂板主要是泥質(zhì)巖層,厚度大,一般超過40 m,且內(nèi)部斷裂較少,具有良好的圈閉條件,儲層流體富集。欠壓實作用使內(nèi)部流體額外承受上覆地層的壓力而出現(xiàn)孔隙流體壓力高于對應(yīng)靜水壓力的現(xiàn)象,也就是異常高壓現(xiàn)象[22]。

1.2.3 有機質(zhì)的生烴作用

井田位于老廠礦區(qū)四勘區(qū)南西部,煤類屬無煙煤,鏡質(zhì)組反射率在3% 左右。在沉積作用進行時,高變質(zhì)程度的煤使得煤層中有大量的甲烷生成,孔隙內(nèi)流體體積增加,但是整個礦區(qū)的滲透率普遍較低,生成的烴類氣體造成儲層內(nèi)部流體孔隙體積膨脹,形成了異常高壓地層。

2 超壓煤巖孔隙特征分析

為了探究煤微觀孔徑分布特征和孔隙結(jié)構(gòu),采用CT 掃描技術(shù)和低溫液氮吸附實驗對雨汪超壓煤樣進行研究。建立并證實孔隙結(jié)構(gòu)特征與巖石宏觀表征之間的聯(lián)系,在解決煤層氣開采、煤礦開發(fā)等地質(zhì)工程問題中具有不可替代的地位[23]。

2.1 樣品制備

雨汪井田隸屬于云南滇東雨汪能源有限公司,位于富源縣老廠煤礦區(qū)四勘區(qū)西南部,屬富源縣十八連山鄉(xiāng)及老廠鄉(xiāng)管轄。本實驗所用的煤巖樣品均取自云南雨汪煤礦C3煤,該煤層位于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l),為單一結(jié)構(gòu),厚度穩(wěn)定,以薄至中厚煤層為主,煤質(zhì)好,以亮煤為主,基本全區(qū)可采。

實驗樣品加工制備按照測試儀器的實驗要求進行,將采集的煤巖樣品制作成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體。

2.2 CT 掃描

以云南雨汪礦區(qū)超壓煤巖為研究對象,將CT掃描技術(shù)與Avizo 軟件相結(jié)合,重建三維數(shù)字巖芯模型,用來表征超壓煤層煤巖的孔隙特征。

2.2.1 CT 圖像預(yù)處理

使用Avizo 軟件打開數(shù)據(jù)體,對其進行裁剪以方便運算和針對性研究,對裁剪后數(shù)據(jù)體先進行中值濾波再進行閾值分割獲取孔隙體積范圍;最后對分割后的數(shù)據(jù)體進行孔隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,用以分析煤樣孔隙特征。

2.2.2 孔隙尺寸分布

超壓煤樣中的大部分孔隙是連通的,為了分析孔隙特征,應(yīng)當(dāng)將連通的孔隙進行分割。在Avizo軟件中通過Generate Pore Network Model 模塊將相連接的孔隙分割為單獨的對象,分割結(jié)果如圖3所示。再通過Label Analysis 模塊對分離后的每一個孔隙的半徑進行統(tǒng)計,樣品的孔徑累計分布頻率如圖4所示。通過觀察,發(fā)現(xiàn)煤樣微孔與介孔都較發(fā)育,其中介孔對孔隙率的貢獻最大。

圖3 孔隙空間分割結(jié)果Fig.3 Pore space segmentation results

圖4 孔容分布曲線Fig.4 Pore volume distribution curve

2.3 液氮吸附實驗

研究煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的方法有多種:光學(xué)顯微鏡可以直接觀測到一些較大的孔隙,借助圖像分析技術(shù)還可以測量孔徑,操作十分簡單,但是其放大倍數(shù)有限,獲得的有效信息較少;掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡更適合用來直接觀測介孔;低溫液氮吸附法最小可以測量孔徑為0.35 nm 的孔隙[24]。

2.3.1 方法原理

利用氮氣的等溫吸附特性,通過低溫液氮吸附實驗來測量煤孔隙的孔容-孔徑微分分布。讓氮氣呈液態(tài),緩慢進入煤樣,使其達(dá)到飽和吸附狀態(tài)。煤樣對氮分子吸附量僅取決于相對壓力p/p0,測定不同壓力條件下的吸附量或脫附量獲得等溫吸脫附曲線,就可以根據(jù)BET 和BJH 理論模型計算得出煤樣的孔容-孔徑微分分布曲線[25]。

國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)提出的物理吸附等溫線劃分類型如圖5所示[26]。其中,H1型通常形成于細(xì)小的、分布較為均勻的球形和圓柱形孔隙中;H2 型滯后環(huán)的形成是由于孔道連通效應(yīng),即孔道存在狹窄的孔口(墨水瓶形);H3 型滯后環(huán)則通常形成于狹縫型孔隙,在相對高壓力區(qū)不表現(xiàn)出任何限制吸附的現(xiàn)象;H4 型等溫吸附曲線中的吸附滯后環(huán)趨勢呈水平形態(tài),并且等溫吸附曲線中滯后環(huán)呈扁平形態(tài),存在于高壓區(qū)[27]。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)等溫線類型(IUPAC)Fig.5 Standard isotherm type (IUPAC)

本次實驗采用JW-122F 型靜態(tài)氮吸附儀獲取等溫吸脫附曲線及孔容-孔徑微分分布曲線。

2.3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

對超壓煤樣進行液氮吸附實驗測試,得到等溫吸脫附曲線如圖6所示。由圖6可見,2 個超壓煤樣的吸附曲線在飽和蒸氣壓附近均很陡。與IUPAC 物理吸附等溫線類型對比,測試所得的吸脫附曲線S3-1 回線特征與H1 型較為相近,而S1-3 回線特征與H3 型較為相近。有明顯的遲滯回線,說明有兩端連通的孔,很小的遲滯回線則說明孔隙類型為半開孔。

圖6 超壓煤樣等溫吸脫附曲線Fig.6 Isothermal adsorption and desorption curves of overpressured coal samples

煤巖的孔隙一般都呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀,孔隙的體積大小也是各不相同的。通常用不同孔徑范圍內(nèi)的孔體積分布參數(shù)對其進行表征[28]。根據(jù)等溫吸附實驗獲取的煤巖孔徑分布如圖7所示,可以看出,超壓煤巖孔隙體積中以介孔(2～50 nm)為主,兼有大孔。

圖7 孔容-孔徑微分分布曲線Fig.7 Differential distribution curve of pore volume-pore diameter

3 超壓煤巖孔隙體積模量

假設(shè)存在一個均勻線性彈性介質(zhì),其內(nèi)部包含任意形狀和數(shù)量的孔隙。這種多孔介質(zhì)的干燥等效可壓縮性(干燥體積模量的倒數(shù))可以寫成:

式中,Kdry為干巖石體積模量,GPa;K0為固體礦物介質(zhì)的體積模量,GPa;φ為孔隙率,%;VP為孔隙總體積,cm3;為孔隙體積對外加靜水應(yīng)力的導(dǎo)數(shù)。

在完全彈性的理想條件下,式(1)是嚴(yán)格成立的,對其稍作變形,可以寫成:

式中,Kφ為干燥孔隙空間的剛度或干燥孔隙體積模量。

同樣,飽和巖石的可壓縮性Ksat可以寫成:

式中,為飽和巖石孔隙體積模量;Kfl為孔隙流體體積模量[29]。

3.1 孔隙率測量

本實驗采用波義爾雙室定律法對煤樣孔隙率進行測試,測試的適用氣體為氦氣,測試的實驗設(shè)備為實驗室自制的孔隙度儀(圖8)。

圖8 孔隙度儀Fig.8 Porosimeter

煤的孔隙率定義為煤中孔隙所占的空間與煤總體積之比。利用波義爾雙室定律求取孔隙率的原理為:一定物質(zhì)的量的理想氣體,氣體的體積與其所處的溫度成正比,和其絕對壓力成正比,即

式中,p0為初始絕對壓力,Pa;p1為平衡后的絕對壓力,Pa;V0為初始?xì)怏w體積,cm3;V1為平衡后氣體體積,cm3;T0為初始溫度,K;T1為平衡后的溫度,K。

參數(shù)標(biāo)定實驗可獲得參考室體積V1、樣品室體積V2、鋁塊體積V鋁,根據(jù)測量數(shù)據(jù)得到煤樣的表觀體積Vb:

式中,D為煤樣直徑,mm;L為煤樣高度,mm。

由波義爾定律可得:

根據(jù)公式(6)可以得到煤樣的骨架體積Vg:

從而得到煤樣孔隙率φ:

根據(jù)以上基本原理和計算方法,測試所得煤樣孔隙率見表2。

表2 超壓煤巖孔隙率測試結(jié)果Table 2 Overpressure coal rock porosity test result data

3.2 固體礦物介質(zhì)體積模量

用理論方法準(zhǔn)確預(yù)測煤樣固體礦物介質(zhì)的等效彈性模量時,一般需要的信息有:各成分的體積分?jǐn)?shù)、彈性模量和相互組合的幾何細(xì)節(jié)[31]。如果只知道前兩者,只能預(yù)測等效體積模量上下限,而不能獲取準(zhǔn)確數(shù)值。估算模量時,Voigt-Reuss-Hill 平均最為有用。

3.2.1 礦物成分分析

X 射線衍射分析法就是把不同材料的衍射線記錄下來,獲取不同的X 射線衍射圖譜,通過對比分析樣品的衍射圖譜,解讀樣品的不同屬性特征。比如煤樣的元素組成、元素的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、晶粒大小、結(jié)晶程度等[32]。實驗獲取超壓煤巖的礦物成分見表3。

表3 組成超壓煤巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Composition of overpressure coal and rock mineral mass fraction %

組成煤樣的各礦物成分的密度和體積模量,本實驗直接引用巖石物理手冊中的數(shù)值(表4)。

表4 超壓煤巖中的礦物密度和體積模量Table 4 Density and bulk modulus of minerals in overpressure coal and rock

根據(jù)表3的各礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可計算出組成煤巖的各礦物的體積分?jǐn)?shù)(表5)。

表5 組成超壓煤巖礦物體積分?jǐn)?shù)Table 5 The volume fraction of minerals that make up the overpressure coal rock

根據(jù)Voigt-Reuss-Hill 理論,求得煤樣中灰分的體積模量為13.612 GPa。

3.2.2 工業(yè)成分分析

煤樣工業(yè)成分分析結(jié)果見表6。

表6 煤樣工業(yè)成分分析結(jié)果Table 6 Industrial composition analysis results of coal samples %

有機質(zhì)體積模量取5 GPa[33]。根據(jù)工業(yè)成分分析結(jié)果,可以進一步求取煤巖的平均體積模量為K0=6.13 GPa。

3.3 等效孔隙體積模量

上覆地層壓力和地層中流體所形成的壓力是地層中始終存在的,二者均對地層的速度產(chǎn)生影響。煤層演變時間漫長,總體來說隨著時間的推移,煤層所受壓力呈逐漸上升趨勢,故本實驗以煤層所受壓力為因變量,研究超壓煤巖的縱橫波速度及孔隙體積模量演變規(guī)律,實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同圍壓下煤樣的縱橫波速度曲線Fig.9 P-wave and S-wave velocity curves of coal samples under different confining pressures

由圖9可以看出,所有煤樣傳播的縱橫波速度均隨圍壓的增大而增大,壓力相對低的增加速率明顯高于壓力相對高的,不是呈線性關(guān)系。

介質(zhì)的彈性決定了地震波在介質(zhì)中的傳播速度。根據(jù)彈性力學(xué)理論,干巖石體積模量與縱橫波速度存在如下關(guān)系:

式中,Kdry為干巖石體積模量;vPdry為干巖石縱波速度;vSdry為干巖石橫波速度。

對4 塊實驗樣品分別進行測量,獲取平均密度ρ=1.438 g/cm3。將其與實驗所得的數(shù)值代入公式(8)中,可得煤樣在不同壓力下的干巖石體積模量Kdry值(表7)。

表7 不同圍壓條件下Kdry 值Table 7 Kdry value under different confining pressure conditions GPa

根據(jù)式(2)可以得到干巖石孔隙體積模量Kφ的表達(dá)式:

已知平均孔隙率φ=10.57%,固體礦物介質(zhì)平均體積模量K0=6.13 GPa。將不同圍壓條件下的Kdry值代入公式(9)中,可得不同圍壓條件下孔隙體積模量Kφ的變化情況,結(jié)果如表8、圖10所示。

圖10 干巖石孔隙體積模量隨圍壓變化曲線Fig.10 Variation curve of dry rock pore bulk modulus with confining pressure

表8 不同圍壓條件下的干巖石孔隙體積模量Kφ 值Table 8 Dry rock pore bulk modulus Kφ value under different confining pressure conditions GPa

可見,在圍壓值處于負(fù)壓及常壓階段(≤15 MPa),隨著圍壓的增大,孔隙體積模量增加較為明顯;在達(dá)到超壓及強超壓階段(＞15 MPa),由于孔隙閉合,煤樣孔隙體積模量隨圍壓的增大,變化速率減小。

對于飽和巖石有效孔隙體積模量,低頻Gassmann-Biot 理論提出了如下公式:

假定煤孔隙中充填理想的水和瓦斯,其中水的體積模量取2.38 GPa,瓦斯的體積模量取0.02 GPa[34],可以根據(jù)表9數(shù)據(jù)和式(10)得到飽和巖石有效體積模量Ksat(表9)。研究發(fā)現(xiàn),對任一圍壓條件下的煤樣,飽和體積模量均先隨著含水飽和度的增加而小幅度增加,而當(dāng)水飽和度大于90%時迅速增加。

表9 樣品Ksat 隨含水飽和度的變化Table 9 Change of Ksat of sample with water saturation GPa

將已知參數(shù)平均孔隙率φ=10.57%、固體礦物介質(zhì)平均體積模量K0=6.13 GPa 以及不同圍壓條件下不同煤樣的Kdry值,代入式(11)可得不同圍壓條件下飽和煤巖的孔隙體積模量隨含水飽和度產(chǎn)生的變化關(guān)系,如圖11所示。

由圖11可以看出,對于任一圍壓條件下的雙相流體飽和(水、瓦斯)煤巖,其孔隙體積模量在含水飽和度小于90% 時,基本上與含水飽和度無關(guān);但當(dāng)含水飽和度達(dá)到90% 之后,孔隙體積模量隨含水飽和度的增加而迅速增加。含水飽和度相同時,煤巖的飽和孔隙體積模量隨圍壓的增加而變大。

圖11 煤樣飽和孔隙體積模量Fig.11 Saturated pore bulk modulus of coal samples

4 結(jié) 論

本文選取云南雨汪礦區(qū)超壓煤樣,結(jié)合CT 掃描技術(shù)和液氮吸附實驗研究方法,分析了雨汪超壓煤樣的孔隙特征。基于Gassmann 模型的機理,推導(dǎo)了不同圍壓條件下的超壓煤樣孔隙體積模量。主要研究結(jié)果如下:

(1) 煤樣不同孔徑段孔隙占比不同,其中介孔占比最高,孔形主要以圓柱體孔為主。

(2) 地震波在煤樣中傳播的速度隨著圍壓的增大而加快,但其和圍壓的關(guān)系是呈非線性的。在壓力值低于10 MPa 時,由于孔隙閉合效應(yīng),速度對圍壓敏感,所以煤樣的波速隨壓力的增加較快,明顯呈非線性變化;而在壓力超過10 MPa 時,煤樣的孔隙基本閉合,煤樣波速隨圍壓的變化呈線性、平緩變化,趨于穩(wěn)定。同時,煤樣的孔隙體積模量也隨著圍壓的增大而呈非線性增加,在超壓段增加速度明顯慢于欠壓和常壓段。

(3) 含水飽和度相同時,煤巖的飽和孔隙體積模量隨圍壓的增加而變大。在圍壓相同條件下,雙相流體飽和煤巖的孔隙體積模量在含水飽和度小于90% 時,受其影響較小;而當(dāng)水飽和度大于90%時,其影響作用迅速增加。