基于壓汞實驗的煤層氣滲透性分析研究

李　智　王月紅

（1華北理工大學礦業工程學院河北唐山0630092河北省礦山開發與安全技術重點實驗室河北唐山063009）

基于壓汞實驗的煤層氣滲透性分析研究

李智1，2王月紅1，2

（1華北理工大學礦業工程學院河北唐山0630092河北省礦山開發與安全技術重點實驗室河北唐山063009）

煤層氣是優質的清潔能源，具有極大的開發和利用前景，而煤巖的滲透特性直接影響到煤層氣的抽采效果。現階段對煤層賦存CO的出現與運移的相關研究諸多，發現煤層氣與煤儲層滲透性有直接或間接的關系。現從CO滲透性角度出發，從宏觀及微觀的角度，系統研究孔隙壓力、煤巖滲透性對CO運移的影響規律，對提高煤層氣抽采率具有重要指導意義。

煤層氣；煤層自燃；空隙壓力；滲透性

1　研究現狀

目前，國內外學者對煤巖滲透特性的影響因素進行了大量研究。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函數關系［1］；工程實際與實驗有差別，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系；胡耀青等的試驗研究表明，含瓦斯煤的滲透系數隨體積應力增加而遞減，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隨孔隙壓力呈負冪函數關系［3］；彭守建等通過試驗研究得出滲透率隨有效應力的增加而迅速減小，其變化符合負指數函數關系［4］。本文擬以原煤為研究對象，利用工業分析、壓汞實驗等手段研究煤層CO滲透規律。

2　實驗研究

本實驗研究內容僅限于開灤集團呂家坨煤礦，故只采集了呂家坨礦各煤層煤樣，依據國家標準GB474-2008規定選取具有代表性的煤樣，并經過多級篩分制取了不同粒度的煤樣，以備實驗所需。

實驗使用AutoPoreⅣ9500型壓汞儀對煤樣進行壓汞實驗，所得實驗數據如下表1所示。

表1　煤樣的孔隙結構

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，在孔隙結構中，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。經數據分析可知，該煤樣主要為氣煤、1/3焦煤，煤體結構不穩定，易發生緩慢氧化作用。

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

圖1　壓力與累積進汞量曲線圖

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

圖2　煤樣孔徑與進汞量曲線圖

從上圖2中可以看出在高壓條件下（壓力大于26000psi a時），3#煤的進汞量和退汞量幾乎一致，結合孔隙類型可以觀察出，因為3#煤中微孔數量和過渡孔數量所占比例超過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，進汞量和退汞量出現明顯的差異，出現了退汞滯后，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時開始出現退汞滯后。在0~4000psi a時，經孔隙孔徑分析，可知此處為中孔和大孔，所占比例達到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。

對壓汞法測得結果進行統計。在坐標圖里作出與的圖像，得到斜率K，Db=4+K，以為縱坐標，以為橫坐標，作出圖3如下：

圖3　各煤樣的關系

經過對上述圖像進行分析，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，兩者的關系曲線明顯變成兩段。孔徑大于120時，線性相關性顯著，相關系數大于0.9，此區間的孔隙分形特征可以用分形維數D1表示；而孔徑小于120nm的時候，線性相關性不明顯，相關系數小于0.9，其用維數D2表示。而1#、6#煤樣相關性顯著，則用維數D1表示。

表2　孔隙結構的分形維數

根據上表數據顯示，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，為煤層氣的運移提供條件；另一部分（孔徑小于120nm）用于煤層氣的吸附與擴散。由表可見，呂家坨煤樣的分形維數較小，說明煤種大孔、過渡孔含量較高，由分形特性表明，煤的表面結構相當復雜。

3　結語

（1）隨著煤變質程度的增加，固定碳和灰分含量增加，揮發分含量下降。分形維數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程度對煤的孔隙結構有較大影響。（2）一般細長的線性裂縫都算作裂隙，裂隙在煤層氣的發生、發展和運移中做出了主要的貢獻，也直接影響著煤儲層的有效孔隙度和滲透率。（3）孔徑大小對進汞量影響明顯，大孔和微孔進汞量很大，而中孔和過渡孔則進汞量較少。通過之前煤樣的孔隙形態分析得出，隨煤變質程度的增加，煤孔隙發展趨勢為開放孔-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規律的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，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，2014.

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

［4］周東平，沈大富，余模華，郭臣業.地應力對瓦斯滲流特性影響的試驗研究［J］.礦業安全與環保，2012，S1：6-8+12+188.

華北理工大學研究生創新項目（2016S19）。

李智（1990—），男，河北省滄州人，研究生。