甲烷氣滲流作用對煤巖強度的影響

王力

中聯煤層氣有限責任公司

甲烷氣滲流作用對煤巖強度的影響

王力

中聯煤層氣有限責任公司

煤層氣井在排采生產階段，由于甲烷的不斷脫附、滲流，煤層孔隙壓力和有效應力逐漸發生變化，煤巖力學強度減弱，進而對儲層孔隙度、滲透率，甚至井壁穩定性均有一定影響。對煤層氣在煤層間的滲流過程與煤巖的力學性質間的耦合關系進行了室內實驗，為煤層氣井完井、開發等方案制定提供了理論支持。聲波發射實驗和單軸/三軸抗壓實驗結果表明，隨著CH4流經煤巖巖心時間的延長，煤巖彈性模量逐漸降低，表明煤巖力學強度下降。單軸/三軸抗壓實驗表明，煤巖的彈性模量和最大抗壓強度隨圍壓的下降而減小，且在高圍壓條件下下降較慢，低圍壓條件下下降較快。該結果表明，在煤層氣生產一定時間后，井下煤層可能產生坍塌、掉塊而影響生產作業。

煤層氣；滲流；煤巖；力學性質

煤巖具有雙重裂隙系統：裂縫體系和孔隙體系，前者是煤層氣重要的滲透流通通道，后者是煤層氣主要的儲集場所［1］。煤巖的裂縫體系可分為割理與節理。節理將割理系統聯系起來，使得煤巖的裂縫體系形成了更大的網絡，提高了煤層滲透特性［2-3］。

煤巖吸附氣體后，吸附相化學勢增大，表面能減小，最終導致強度降低［4］。CH4的脫附和不斷流動也會對煤巖的力學性質產生影響，進而影響煤層的穩定性，造成煤層垮塌，對煤層氣生產造成不良影響。

一般說來，煤巖的滲透率與有效應力呈現負指數關系，而在低圍壓下，隨著有效應力的減小，滲透率有所下降［5］，這是由于氣體吸附導致煤巖發生膨脹引起的。煤階上升滲透率下降，濕度減小滲透率增大［6］，灰分含量上升煤巖滲透率下降［7-9］。氣體在煤巖中的滲透率依次為N2＞CH4＞CO2［10-14］。

1 煤樣準備與基本測試

Coal sample preparation and basic tests

1.1 巖心準備

Core preparation

鉆取直徑為25 mm、長度為50 mm 圓柱狀巖心，并將巖心兩端面磨光。其中6 塊用于測試橫、縱波波速，為后續巖心選擇合理的驅替時間；14塊用于對比驅替造成的強度變化和單軸/三軸壓縮實驗，為便于后續實驗對比，巖心鉆取位置兩兩相近。

1.2 煤巖組分測定

Maceral test

文中選取陜西某煤礦煤樣2塊，按GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》對煤樣進行工業分析與元素分析［15］。煤巖組分含量平均為：水分1.06%，灰分18.66%，揮發分15.09%，固定碳65.19%，見表1。

表1 煤樣元素分析結果Table 1 Analysis results on elements of coal samples

根據測試結果，1#煤樣屬于無煙煤，2#煤樣屬于中高等變質程度的煙煤，如焦煤。

1.3 煤巖結構分析

Analysis on the structure of coal rock

利用S4800 冷場發射掃描電子顯微鏡研究了煤巖孔隙結構、裂縫類型、大小、連通情況，以及礦物發育形態和在孔隙中的產狀和分布狀況等，實驗結果見圖1。

由圖1a和圖1b可以看出，煤巖的孔隙（粒間孔、層間縫等）發育，孔洞微小且不連通（這在后面的核磁共振實驗也可以看出），煤巖中夾雜一定量的黏土礦物，同時也發育有微小孤立的氣孔；由圖1c和圖1d可以看出，該煤巖還發育有尺寸更小的縫洞，裂紋較規則平整，黏土礦物呈集中分布。

圖1 煤巖的掃描電鏡圖片Fig.1 EMS picture of coal rocks

1.4 低場核磁共振實驗分析

Analysis on low-field NMR test

低場核磁共振技術利用地層流體中含有的氫原子核，通過檢測巖石孔隙內部的流體性質、流體量以及巖石與流體之間表面的相互作用來獲取巖石物性參數。目前它已經廣泛應用于砂巖和碳酸巖的物性研究，通過核磁共振譜峰的面積與相應質子數的正比關系，可以定量研究煤巖的孔隙類型、孔隙結構、滲透率、孔隙度等特征。實驗采用MesoMR23-060H-1型儀器，探頭直徑60 mm，磁場強度0.5±0.05 T，磁體溫度為 32±0.01℃。兩塊不同煤巖的核磁共振數據見表2、表3，實驗結果如圖2所示。

表2 1#煤巖核磁共振數據Table 2 NRM data of No.1 coal rock

表3 2#煤巖核磁共振數據Table 3 NRM data of No.2 coal rock

圖2 煤巖的核磁共振譜圖Fig.2 NMR diagram of coal rocks

由圖2（a）可知，該煤巖譜圖有3個典型的波峰，分別為0.1～1 ms，10～100 ms和＞100 ms，分別代表煤巖中存在小孔隙、中孔隙和大孔隙。不同波峰表示煤巖樣品中不同類型大小的孔隙，0.1～1 ms之間的波峰窄而高，表示孔隙類型單一，其他2個波峰較寬闊，表示存在多種孔隙類型。峰值大小代表了該種類型的孔隙所占所有孔隙的百分比，例如1#號煤層中小孔隙占66.49%，中孔隙占5.31%，大孔隙占28.2%；而2#煤層中小孔隙占73.3%。

不同峰值之間的曲線代表了煤巖不同大小孔隙的連通性。波峰與波峰相連，說明煤層中2種孔隙相連通；波峰與波峰不相連說明兩種孔隙不連通。如圖2b 10～100 ms波峰與＞100 ms波峰相連，說明中孔隙和大孔隙這2種孔隙相連通，而小孔隙與中、大2種孔隙不連通。

結果分析表明：該煤巖小孔、中孔和大孔隙在不同地層中連通情況不同，但存在的共同點是小孔隙與其他孔隙均不連通，且小孔隙對應波峰窄而高，說明小孔隙類型較單一，而大孔隙對應波峰較寬闊，說明孔隙類型較復雜，綜合煤層巖性分析，煤層大孔隙還包括微型裂縫和割理等類型，并且大、中孔隙在煤層中大都互相連通，是煤層氣的主要儲集空間和滲流通道。

2 實驗結果與分析

Experimental results and analysis

通過聲波發射實驗、單軸壓縮實驗和三軸壓縮實驗對CH4滲流前后的煤巖力學性質進行研究，分析煤巖力學參數前后的變化規律。氣體滲流實驗流程見圖3。

圖3 氣體滲流實驗裝置示意圖Fig.3 Sketch of experimental device for gas seepage

2.1 聲波發射法測定煤巖強度的基本原理

Basic principle of coal rock strength measurement by using acoustic emission method

聲波發射中縱波以疏密發散的形式在煤巖內傳播，橫波以剪應變的橫向位移形式在煤巖內傳播，兩者速度均為常數，其值大小只與彈性常數和密度有關，與波長大小、形狀無關。實驗中超聲波由發射器產生，接收器接收，測試在一定溫度和壓力下通過一定長度的巖心所需要的時間，巖樣長度除以透射時間便為彈性波速度，即

式中，Vp為煤巖縱波波速，m/s；Vs為煤巖橫波波速，m/s；L為煤巖長度，m；tp為縱波穿透煤巖所需時間，s；ts為橫波穿透煤巖所需時間，s。

測試出橫縱波波速以及煤巖密度后，便可使用下式得出煤巖的彈性參數

式中，Ed為煤巖彈性模量，GPa；ρ為煤巖密度，g/ cm3。

2.2 氣體驅替時間對煤巖彈性模量的影響實驗

Experiment on the effect of gas displacement time on elastic modulus of coal rock

將巖心置于圍壓16 MPa、驅替壓差5 MPa條件下，分別測試驅替24 h、48 h、72 h、168 h后的橫縱波波速，并計算其強度參數-彈性模量，結果見圖4。

圖4 驅替時間對煤巖彈性模量的影響Fig.4 Effect of displacement time on elastic modulus of coal rock

圖4表明，經氣體驅替后，煤巖彈性模量均呈明顯下降趨勢（圖中1～6號巖心的初始彈性模量略有不同）。這是由于煤巖孔隙結構、礦物組成都比較復雜，造成煤巖動態彈性模量隨CH4滲流時間的增長而降低，隨著滲流時間的增長，煤巖力學強度逐漸降低；開始降低較快，當驅替時間為48 h 后，煤巖彈性模量降低速度減緩。

2.3 單軸/三軸壓縮實驗

Uniaxial/triaxial compression test

取1.1所述14 塊煤巖巖心，分別在6、 4、2和0 MPa圍壓下對1～4 號巖心、5～8 號巖心、9～12 號巖心進行三軸壓縮試驗，對13～14 號巖心進行單軸壓縮試驗，單軸/三軸壓縮實驗結果見圖5和圖6，奇數號巖心為未經氣體驅替巖心（圖中藍色柱），偶數號巖心為經48小時CH4驅替后的巖心（圖中黃色柱）。

圖5 CH4驅替前后巖心最大抗壓強度Fig.5 Maximum compression strength of cores before and after CH4displacement

圖6 CH4驅替前后巖心彈性模量Fig.6 Elastic modulus of cores before and after CH4displacement

圖5、圖6表明，無論是煤巖的彈性模量還是最大抗壓強度，均隨圍壓降低而減小，但并非線性。煤巖的彈性模量和最大抗壓強度隨圍壓的下降規律基本一致，即高圍壓條件下下降較慢，低圍壓條件下下降較快。這是由于煤巖含有較多的微觀孔隙，在圍壓壓實作用下閉合，使得自身剛度較大，當圍壓小于一定值后，煤巖中的微裂縫、微孔隙開始擴張，造成強度迅速下降。

經過CH4驅替作用后，煤巖的最大抗壓強度和彈性模量均明顯降低，說明煤巖的力學強度有所減弱，這可能是因為氣體不斷流過煤巖孔隙、裂隙，降低了煤巖裂隙、孔隙中的填充物，并可能造成裂隙的擴展，降低煤巖的內部膠結強度，進而降低煤巖力學強度。

3 結論

Conclusions

（1）煤巖彈性模量隨CH4流經煤巖巖心時間的延長而逐漸降低，即煤巖的力學強度下降。

（2）煤巖的彈性模量和最大抗壓強度隨圍壓的下降而減小；高圍壓條件下下降較慢，低圍壓條件下下降較快。

（3）煤層氣生產一段時間后，井下煤層可能產生坍塌、掉塊而影響生產作業。

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（修改稿收到日期 2017-02-28）

〔編輯 景 暖〕

Effect of methane gas seepage on coal rock strength

WANG Li
China United Coalbed Methane Company,CNOOC,Beijing100013,China

In the production stage of coalbed methane (CBM) wells,the pore pressure and effective stress of coal seams change gradually with the continuous methane desorption and seepage,and correspondingly the mechanical strength of coal rock decreases.Consequently,the porosity and permeability of reservoirs and even the wellbore stability are,in a way impacted.In this paper,the coupling relationship between the seepage process of coalbed methane in coal seam and the mechanical property of coal rock was tested indoors.And it provides the theoretical basis for formulating CBM well completion and development schemes.Then,acoustic emission test and uniaxial/triaxial compression test were carried out.It is shown that as the flowing period of CH4 through coal rock cores extends and the elastic modulus of coal rocks decreases gradually,indicating the decrease of its mechanical strength.The uniaxial/ triaxial compression test reveals that the elastic modulus and maximum compression strength of coal rocks decrease with the decreasing of confining pressure.And they decrease slowly (fast) when the confining pressure is high (low).It is demonstrated that downhole coal seams may collapse and drop after coalbed methane is produced for a while,and consequently the production and operation is impacted adversely.

coalbed methane;seepage;coal rock;mechanical property

王力.甲烷氣滲流作用對煤巖強度的影響［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：158-162.

TE34

：A

1000-7393（2017）02-0158-05

10.13639/j.odpt.2017.02.006

: WANG Li.Effect of methane gas seepage on coal rock strength［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 158-162.

國家“十三五”油氣重大專項（2016ZX05044003）“易漏易塌地層鉆完井及儲層保護技術研究”課題。

王力（1969-），2006年畢業于中國石油大學（華東）石油天然氣工程專業，獲碩士學位。2016年畢業于東北石油大學石油與天然氣工程專業，獲博士學位。主要從事鉆井技術研究及一線生產管理工作，高級工程師。通訊地址：北京市朝陽區酒仙橋路乙21號國賓大廈。電話：010-84528505。E-mail：wangli72@cnooc.com.cn