應(yīng)力環(huán)境對(duì)煤巖吸附變形和滲透率的影響試驗(yàn)研究

周 鳳，姜永東，覃 超，劉正杰，李 棟，謝英亮，謝成龍

（重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，普遍具有“低滲透率、低含氣飽和度、低儲(chǔ)層壓力”[1]的特點(diǎn)，給煤層的高效開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，煤層氣主要的增產(chǎn)技術(shù)有：水力壓裂、水力割縫、氣體驅(qū)替和水平井技術(shù)等。其中CO2注入增強(qiáng)型煤層氣開采（CO2-ECBM）是一種重要的增產(chǎn)方法，不僅可以通過競爭吸附作用和降低CH4分壓來促進(jìn)CH4解吸，提高煤層氣采收率，還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2封存減緩溫室氣體排放。滲透率作為影響地質(zhì)流體運(yùn)移的重要參數(shù)，主要受有效應(yīng)力、基質(zhì)膨脹/收縮以及氣體滑脫效應(yīng)等因素影響，其中氣體滑脫主要在孔隙壓力較低時(shí)出現(xiàn)。由于CO2對(duì)煤的親和力比CH4和N2大，CO2吸附引起的基質(zhì)膨脹會(huì)導(dǎo)致CO2注入過程中儲(chǔ)層滲透率和注入能力顯著下降[2-3]，這也是CO2-ECBM 或CO2存儲(chǔ)工程中的重要技術(shù)障礙之一。武騰飛[4]從熱力學(xué)角度分析了CH4、CO2在煤基質(zhì)表面的吸附熱力學(xué)特性；呂乾龍[5]采用恒容和恒壓2 種方法研究了CH4、CO2在煤中的吸附解吸特征，表明CO2吸附量總是大于CH4。據(jù)San Jun 盆地CO2-ECBM 試井試驗(yàn)報(bào)道，注入井滲透率在CO2注入過程中降低了近2 個(gè)數(shù)量級(jí)[6]。許江[7]、林柏泉[8]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著CH4和CO2等吸附性氣體注入壓力的增大滲透率逐漸降低，并推測(cè)該現(xiàn)象主要由氣體吸附引起的基質(zhì)膨脹導(dǎo)致。另外，不同配比的混合吸附性氣體（CH4/CO2或CO2/N2）滲流試驗(yàn)還揭示了，在相同的注入壓力下煤樣滲透率隨著強(qiáng)吸附應(yīng)變氣體組分濃度的增加而減小的規(guī)律[9-10]。以上研究均表明注入CO2等吸附性氣體產(chǎn)生的基質(zhì)膨脹變形對(duì)滲透率的演化具有不利影響。目前，氣體吸附誘導(dǎo)的煤體應(yīng)變主要通過無外部應(yīng)力約束的（自由狀態(tài)）試驗(yàn)獲取，有悖于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力環(huán)境，而約束吸附誘導(dǎo)應(yīng)變可能更能代表現(xiàn)場(chǎng)條件。應(yīng)力約束下的吸附變形顯著低于無應(yīng)力約束狀態(tài)，這將導(dǎo)致原有的基質(zhì)膨脹對(duì)滲透率的影響被嚴(yán)重高估，這也可能是在一些CO2-ECBM 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[11]中觀察到的CO2注入能力增強(qiáng)，以及在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)[12]中顯示CO2滲透率反彈的重要原因之一。學(xué)者們[13-14]還研究了不同應(yīng)力條件下滲透率隨氣體壓力的變化規(guī)律，隨著瓦斯壓力的降低，滲透率表現(xiàn)為2 種變化趨勢(shì)：逐漸增大和先減小后增大（“V”字形變化）。因此，采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行大尺寸原煤CH4、CO2滲流試驗(yàn)，研究不同應(yīng)力環(huán)境下煤巖吸附應(yīng)變和氣體滑脫效應(yīng)對(duì)CH4、CO2滲流過程的影響；研究可為不同埋深煤儲(chǔ)層CO2-ECBM 和CO2地質(zhì)封存過程中的滲透率模型的構(gòu)建、煤層氣增產(chǎn)和CO2封存效果預(yù)測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備介紹

試驗(yàn)采用重慶大學(xué)自行研制的CO2致裂煤巖試驗(yàn)系統(tǒng)，該設(shè)備主要由4 個(gè)部分組成：氣體供給系統(tǒng)、軸壓圍壓加載系統(tǒng)、滲流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。高純度氣體由集中供氣管道提供；軸向載荷由伺服壓力試驗(yàn)機(jī)提供，最大軸壓為20 MPa，圍壓由電動(dòng)油泵加載，最高可加載至15 MPa；滲流系統(tǒng)包括三軸室和恒溫油浴箱，試驗(yàn)溫度為室溫至200 ℃；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括應(yīng)力采集和流量采集，應(yīng)力采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示軸壓、圍壓、軸向變形和徑向變形的變化，出氣端氣體流量由七星D07-11C 質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)采集。

1.2 試驗(yàn)方案和測(cè)試步驟

1）試驗(yàn)所用的煤樣取自陜西黃陵二號(hào)煤礦，煤層埋深200～600 m，將原煤取心加工為?100 mm×200 mm 外表沒有明顯裂紋且上下兩端不平行度小于0.05 mm 的試件作為試驗(yàn)樣品。

2）設(shè)計(jì)埋深為200～600 m，滲流試驗(yàn)中煤樣的試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 滲流試驗(yàn)中煤樣的試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of coal samples in seepage test

3）試驗(yàn)步驟如下：①檢查裝置氣密性后，將煤樣放入三軸室內(nèi)，用熱縮管裹好，并用熱風(fēng)槍加熱使其緊貼煤壁，安裝環(huán)向引伸計(jì)，用喉箍固定煤樣上下兩端，以保證其良好的密封性；②交替加載軸壓、圍壓至設(shè)計(jì)數(shù)值，連接真空泵，對(duì)煤樣抽真空4 h；③設(shè)定油浴箱溫度至30 ℃，將三軸室下降至油浴箱內(nèi)，打開進(jìn)氣端閥門，減壓閥調(diào)節(jié)至1.5 MPa，通入He氣，讓煤樣充分吸附24 h；④打開出氣端閥門，流量計(jì)采集氣體滲流過程中的流量變化，流速穩(wěn)定時(shí)停止采集，關(guān)閉出氣端閥門；⑤改變進(jìn)氣壓力（1.5 MPa→1.2 MPa→0.9 MPa→0.6 MPa→0.3 MPa），讓煤樣繼續(xù)吸附24 h，測(cè)量出氣端氣體流速，重復(fù)此步驟至進(jìn)氣壓力為0.3 MPa；⑥連接真空泵，對(duì)煤樣抽真空24 h，進(jìn)氣端氣體換成CH4和CO2，重復(fù)步驟③～步驟⑤；⑦更換煤樣，改變軸壓和圍壓的大小，重復(fù)上述步驟②～步驟⑥，進(jìn)行新的滲流試驗(yàn)。為了防止氣體溢出，試驗(yàn)過程中始終保持圍壓大于氣壓，樣 品S-1 進(jìn) 氣 壓 力 為1.0 MPa →0.8 MPa →0.6 MPa→0.4 MPa→0.2 MPa。

氣體在煤巖中的流動(dòng)符合達(dá)西定律，滲透率計(jì)算公式為：

式中：K 為滲透率，10-15m2；Q 為出口端氣體流速，cm3/s；p0為大氣壓，MPa；μ 為氣體黏度，Pa·s；L為樣品高度，cm；A 為樣品橫截面積，cm2；p1、p2分別為出氣端和進(jìn)氣端氣體壓力，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力環(huán)境對(duì)煤巖吸附應(yīng)變的影響

氣體注入煤體過程中，氣體分子會(huì)吸附在煤體表面，使得煤體表面張力下降，煤基質(zhì)發(fā)生膨脹；同時(shí)，煤體內(nèi)孔隙壓力增大，作用在煤體上的有效應(yīng)力減小，兩者共同作用導(dǎo)致煤體對(duì)外表現(xiàn)出膨脹變形[7]。CH4、CO2均為吸附性氣體，煤體吸附過程中產(chǎn)生的吸附應(yīng)變計(jì)算如下[15]：

式中：εSW為吸附引起的體積應(yīng)變；εL為Langmuir 體積應(yīng)變，可以表示煤體的最大吸附應(yīng)變；pL為Langmuir 壓力，MPa；p 為氣體壓力，MPa。

煤巖吸附應(yīng)變隨氣體壓力擬合參數(shù)見表2。不同應(yīng)力環(huán)境下煤巖吸附應(yīng)變隨氣體壓力變化如圖1。

表2 煤巖吸附應(yīng)變隨氣體壓力擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of coal and rock adsorption strain with gas pressure

圖1 不同應(yīng)力環(huán)境下煤巖吸附應(yīng)變隨氣體壓力變化Fig.1 Change of coal and rock adsorption strain with gas pressure under different stress environments

不同應(yīng)力環(huán)境下氣體壓力與吸附應(yīng)變均能用Langmuir 曲線擬合，且相關(guān)性系數(shù)大于0.98，說明擬合效果較好。相同應(yīng)力環(huán)境下，隨著氣體壓力增加，CH4、CO2吸附應(yīng)變均增大，CO2最大吸附應(yīng)變?yōu)镃H4的1.01～2.93 倍，表明CO2吸附可能會(huì)使煤基質(zhì)表面自由能變化更為顯著，從而表現(xiàn)出較大的吸附膨脹變形。當(dāng)外部應(yīng)力增加時(shí)，CH4、CO2最大吸附應(yīng)變逐漸減小且兩者的吸附應(yīng)變差值逐漸減小，表明煤體吸附變形對(duì)外部應(yīng)力環(huán)境的變化十分敏感，吸附應(yīng)變降低是由于外部應(yīng)力較高導(dǎo)致煤體吸附能力減弱。低應(yīng)力環(huán)境下（淺部煤儲(chǔ)層），基質(zhì)膨脹會(huì)減小割理系統(tǒng)滲透性，不利于CO2的持續(xù)注入和煤層氣的增產(chǎn)，但高應(yīng)力環(huán)境下（深部煤儲(chǔ)層），滲透率的演化行為可能受基質(zhì)變形影響較小。與無應(yīng)力約束條件下的吸附應(yīng)變相比（CH4∶0.0128，CO2∶0.0237）[16-17]，應(yīng)力約束環(huán)境下的CH4和CO2最大吸附應(yīng)變降低了1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得氣體吸附/解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)膨脹/收縮對(duì)滲透率的影響被削弱。對(duì)于不同的工程背景，減弱的煤基質(zhì)膨脹/收縮變形也存在著積極或者消極的影響。對(duì)于壓力衰減法煤層氣生產(chǎn)，CH4解吸引起的基質(zhì)收縮變形對(duì)滲透率增大的正效應(yīng)將會(huì)減弱，不利于煤層氣的產(chǎn)出。相反地，對(duì)于CO2-ECBM，CO2吸附引起的基質(zhì)膨脹變形對(duì)滲透率降低的負(fù)效應(yīng)將會(huì)減弱，有利于CO2的注入。因此對(duì)于深部儲(chǔ)層，無應(yīng)力約束CO2吸附應(yīng)變的滲透率模型會(huì)使得注氣增產(chǎn)效果被嚴(yán)重低估。

2.2 應(yīng)力環(huán)境對(duì)滲透率的影響

不同應(yīng)力環(huán)境下滲透率隨氣體壓力變化如圖2。

圖2 不同應(yīng)力環(huán)境下滲透率隨氣體壓力變化Fig.2 Permeability changes with gas pressure under different stress environments

由圖2 可知，隨著應(yīng)力環(huán)境的改變，滲透率呈現(xiàn)出2 種變化趨勢(shì)。在較低應(yīng)力環(huán)境下，隨著氣體壓力衰減，2 種氣體滲透率均先減小后增大呈“V”字形變化（圖2（a）和圖2（b））；當(dāng)外部應(yīng)力較大時(shí)，隨氣體壓力減小，滲透率一直增加（圖2（c）～圖2（e）），滲透率隨氣體壓力呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)變化。隨著外部應(yīng)力增大，割理孔隙被壓縮，2 種氣體滲透率均急劇降低，由于CO2吸附產(chǎn)生較大的基質(zhì)膨脹應(yīng)變，導(dǎo)致相同條件下CO2滲透率低于CH4。與較低應(yīng)力狀態(tài)下的CH4和CO2初始滲透率相比，高應(yīng)力狀態(tài)下的初始滲透率分別降低了87.41%和91.79%，CO2滲透率下降更為明顯，表明CO2滲透率對(duì)應(yīng)力環(huán)境的變化更為敏感。在較低應(yīng)力狀態(tài)下，隨著氣體壓力衰減，有效應(yīng)力增大導(dǎo)致滲透率降低；但隨著氣體壓力降至0.6 MPa，氣體滑脫效應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位，滲透率出現(xiàn)反彈。當(dāng)外部應(yīng)力增大，吸附引起的基質(zhì)膨脹和割理孔隙均減小。煤體滲透率的變化是吸附/解吸引起的基質(zhì)膨脹/收縮、氣體滑脫效應(yīng)以及有效應(yīng)力耦合競爭作用的結(jié)果。隨著氣體壓力減小，吸附膨脹對(duì)煤體滲透率降低的影響減小，而割理孔隙減小將導(dǎo)致氣體滑脫效應(yīng)增強(qiáng)使得氣體滑脫效應(yīng)更早的主導(dǎo)滲透率的演化，如在較高應(yīng)力狀態(tài)下，氣體壓力降至1.2 MPa 時(shí)氣體滑脫效應(yīng)便開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

3 結(jié) 語

1）煤巖吸附應(yīng)變隨埋深增加而減小，低應(yīng)力環(huán)境下（淺部煤儲(chǔ)層）吸附膨脹對(duì)于滲透率的影響大于高應(yīng)力環(huán)境（深部煤儲(chǔ)層），說明深部煤儲(chǔ)層有利于進(jìn)行CO2-ECBM。

2）相同應(yīng)力環(huán)境下的CO2最大吸附應(yīng)變?yōu)镃H4的1.01～2.39 倍，與無應(yīng)力約束相比，應(yīng)力約束下的最大吸附應(yīng)變降低了1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，表明應(yīng)力約束下吸附應(yīng)變的滲透率模型預(yù)測(cè)結(jié)果更接近現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果。

3）隨著煤層埋深增加，外部應(yīng)力增大，割理孔隙減小導(dǎo)致滑脫效應(yīng)增強(qiáng)使得滑脫效應(yīng)更早的占據(jù)主導(dǎo)地位，滲透率隨氣體壓力變化由“V”字形變?yōu)樨?fù)指數(shù)型。

4）當(dāng)其他條件相同時(shí)，外部應(yīng)力環(huán)境改變會(huì)導(dǎo)致煤體滲透率隨氣體壓力變化出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，說明煤體的滲透率對(duì)應(yīng)力環(huán)境十分敏感。考慮到應(yīng)力約束下的吸附應(yīng)變比無應(yīng)力約束低1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，在建立滲透率預(yù)測(cè)模型時(shí)，應(yīng)該將應(yīng)力環(huán)境和應(yīng)力約束下的吸附應(yīng)變考慮在內(nèi)。