基于壓汞實(shí)驗的煤層氣滲透性分析研究

李　智　王月紅

（1華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院河北唐山0630092河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室河北唐山063009）

基于壓汞實(shí)驗的煤層氣滲透性分析研究

李智1，2王月紅1，2

（1華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院河北唐山0630092河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室河北唐山063009）

煤層氣是優(yōu)質(zhì)的清潔能源，具有極大的開發(fā)和利用前景，而煤巖的滲透特性直接影響到煤層氣的抽采效果。現(xiàn)階段對煤層賦存CO的出現(xiàn)與運(yùn)移的相關(guān)研究諸多，發(fā)現(xiàn)煤層氣與煤儲層滲透性有直接或間接的關(guān)系。現(xiàn)從CO滲透性角度出發(fā)，從宏觀及微觀的角度，系統(tǒng)研究孔隙壓力、煤巖滲透性對CO運(yùn)移的影響規(guī)律，對提高煤層氣抽采率具有重要指導(dǎo)意義。

煤層氣；煤層自燃；空隙壓力；滲透性

1　研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者對煤巖滲透特性的影響因素進(jìn)行了大量研究。林柏泉和周世寧的研究表明，在圍壓恒定的條件下，煤巖滲透率與孔隙壓力之間服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系［1］；工程實(shí)際與實(shí)驗有差別，相同的情況比較少見。曹樹剛等研究了孔隙壓力對原煤滲透特性的影響，得出孔隙壓力與滲透率之間呈二次多項式關(guān)系；胡耀青等的試驗研究表明，含瓦斯煤的滲透系數(shù)隨體積應(yīng)力增加而遞減，隨孔隙壓力呈拋物線型變化［2］；趙陽升等研究了吸附解吸作用對煤巖滲透率的影響，并指出煤巖滲透系數(shù)隨孔隙壓力呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系［3］；彭守建等通過試驗研究得出滲透率隨有效應(yīng)力的增加而迅速減小，其變化符合負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系［4］。本文擬以原煤為研究對象，利用工業(yè)分析、壓汞實(shí)驗等手段研究煤層CO滲透規(guī)律。

2　實(shí)驗研究

本實(shí)驗研究內(nèi)容僅限于開灤集團(tuán)呂家坨煤礦，故只采集了呂家坨礦各煤層煤樣，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB474-2008規(guī)定選取具有代表性的煤樣，并經(jīng)過多級篩分制取了不同粒度的煤樣，以備實(shí)驗所需。

實(shí)驗使用AutoPoreⅣ9500型壓汞儀對煤樣進(jìn)行壓汞實(shí)驗，所得實(shí)驗數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1　煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)

由表1分析可知，孔隙類型中，1#、6#煤樣大孔、過渡孔占孔容比較大，中孔及微孔的孔容比較小，2#、3#、4#、5#煤樣大孔、過渡孔及微孔占孔容比較大，中孔的孔容比較小。可見，在孔隙結(jié)構(gòu)中，以大孔、過渡孔為主，其次是中孔，再次為微孔。孔比表面積的大小與孔容和孔徑的分布有密切關(guān)系，在孔容相同的條件下，具備較小孔徑的孔容比例越大，孔比表面積就越大。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，該煤樣主要為氣煤、1/3焦煤，煤體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生緩慢氧化作用。

將煤樣放入實(shí)驗儀器，先進(jìn)行低壓分析，再進(jìn)行高壓分析，會得到孔徑與累積進(jìn)汞量曲線圖，鑒于版面原因，只列舉進(jìn)汞量和退汞量明顯的3#和6#煤樣進(jìn)行研究分析，如下圖1所示。

圖1　壓力與累積進(jìn)汞量曲線圖

從圖中可以看出，煤樣的進(jìn)汞量和退汞量有明顯的差異，有著退汞滯后的現(xiàn)象，因此我們選取3#和6#煤樣來研究，下面是3#和6#煤樣的孔徑與進(jìn)汞量的曲線圖：

圖2　煤樣孔徑與進(jìn)汞量曲線圖

從上圖2中可以看出在高壓條件下（壓力大于26000psi a時），3#煤的進(jìn)汞量和退汞量幾乎一致，結(jié)合孔隙類型可以觀察出，因為3#煤中微孔數(shù)量和過渡孔數(shù)量所占比例超過50%，可以判定3#煤中的微孔和過渡孔基本為滯留孔，才會使得煤樣在壓力小于26000psi a時，進(jìn)汞量和退汞量出現(xiàn)明顯的差異，出現(xiàn)了退汞滯后，才會造成汞的殘留。而6#煤樣在高壓時，煤樣中的微孔有汞的殘留，所以6#煤樣在壓力小于18000psi a時開始出現(xiàn)退汞滯后。在0~4000psi a時，經(jīng)孔隙孔徑分析，可知此處為中孔和大孔，所占比例達(dá)到90%，可以判定6#煤中大孔、中孔、過渡孔多為開放孔，而過渡孔和微孔所占比例較小，微孔主要以吸附為主，所以在高壓時進(jìn)汞量和退汞量幾乎一致，可見微孔基本為半封閉孔。這充分說明了微孔、小孔對侵入汞的滯留作用。

對壓汞法測得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計。在坐標(biāo)圖里作出與的圖像，得到斜率K，Db=4+K，以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)，作出圖3如下：

圖3　各煤樣的關(guān)系

經(jīng)過對上述圖像進(jìn)行分析，可以看出在為2.1左右的時候，也就是孔徑大約在120nm的時候，兩者的關(guān)系曲線明顯變成兩段。孔徑大于120時，線性相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)大于0.9，此區(qū)間的孔隙分形特征可以用分形維數(shù)D1表示；而孔徑小于120nm的時候，線性相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)小于0.9，其用維數(shù)D2表示。而1#、6#煤樣相關(guān)性顯著，則用維數(shù)D1表示。

表2　孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)

根據(jù)上表數(shù)據(jù)顯示，孔隙按照作用可以分為兩類，一部分（孔徑大于120nm）作用于煤層氣的滲透，為煤層氣的運(yùn)移提供條件；另一部分（孔徑小于120nm）用于煤層氣的吸附與擴(kuò)散。由表可見，呂家坨煤樣的分形維數(shù)較小，說明煤種大孔、過渡孔含量較高，由分形特性表明，煤的表面結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。

3　結(jié)語

（1）隨著煤變質(zhì)程度的增加，固定碳和灰分含量增加，揮發(fā)分含量下降。分形維數(shù)D1隨煤級的增加，可以證明，煤與煤級中間增加孔隙度的降低煤的變質(zhì)程度對煤的孔隙結(jié)構(gòu)有較大影響。（2）一般細(xì)長的線性裂縫都算作裂隙，裂隙在煤層氣的發(fā)生、發(fā)展和運(yùn)移中做出了主要的貢獻(xiàn)，也直接影響著煤儲層的有效孔隙度和滲透率。（3）孔徑大小對進(jìn)汞量影響明顯，大孔和微孔進(jìn)汞量很大，而中孔和過渡孔則進(jìn)汞量較少。通過之前煤樣的孔隙形態(tài)分析得出，隨煤變質(zhì)程度的增加，煤孔隙發(fā)展趨勢為開放孔-封閉孔-半封閉孔，而孔隙開放與否以及開放程度對煤的氣體的吸附量有很大影響，開放孔能瞬間吸附大量氣體，當(dāng)時間充足時半封閉孔對氣體的吸附效果也接近開放孔，封閉孔對氣體的吸附作用短時間內(nèi)不會太明顯。故該煤樣大孔和微孔中，為開放孔或接近開放孔吸附效果的半封閉孔偏多，中孔及過渡孔則封閉孔偏多。開放孔和半封閉孔對氣體滲流有較明顯影響，而封閉孔對滲流過程基本沒有影響。

［1］許江，曹偈，李波波，周婷，李銘輝，劉東.煤巖滲透率對孔隙壓力變化響應(yīng)規(guī)律的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，02：225-230.

［2］袁梅.含瓦斯煤滲透特性影響因素與煤層瓦斯抽采模擬研究［D］.重慶大學(xué)，2014.

［3］劉星光.含瓦斯煤變形破壞特征及滲透行為研究［D］.中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

［4］周東平，沈大富，余模華，郭臣業(yè).地應(yīng)力對瓦斯?jié)B流特性影響的試驗研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，S1：6-8+12+188.

華北理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項目（2016S19）。

李智（1990—），男，河北省滄州人，研究生。