煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)研究1)

唐巨鵬 田虎楠,2) 潘一山

* (遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

? (遼寧大學(xué)物理學(xué)院,沈陽(yáng) 110036)

引 言

煤系頁(yè)巖氣俗稱(chēng)瓦斯,是陸相頁(yè)巖氣的重要組成部分之一,主要以吸附態(tài)和游離態(tài)形式存在.頁(yè)巖氣單井產(chǎn)能并非恒定不變,而是隨著累計(jì)產(chǎn)量增加而不斷遞減[1],初期單井產(chǎn)量高遞減快,以游離氣為主;后期產(chǎn)量穩(wěn)定,遞減慢,以吸附氣為主[2],隨著煤系頁(yè)巖瓦斯開(kāi)采深度不斷增加,這一現(xiàn)象愈發(fā)明顯,而煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸過(guò)程差異即吸附?解吸遲滯效應(yīng)在這一現(xiàn)象中影響不可忽略,因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論從微細(xì)觀角度探究煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯規(guī)律就顯得格外重要.

煤系頁(yè)巖瓦斯吸附過(guò)程中隨著孔隙瓦斯壓力不斷增加,瓦斯(甲烷)分子在煤系頁(yè)巖基質(zhì)和孔喉表面不斷吸附直到平衡如圖1(a)所示;裂隙游離態(tài)瓦斯采出引起的裂隙和基質(zhì)壓力差使得基質(zhì)表面吸附態(tài)瓦斯解吸[3],直到解吸平衡此時(shí)仍有部分瓦斯由于孔喉、吸附質(zhì)以及納米孔隙變形等諸多因素影響而被阻塞或封閉在微孔隙和基質(zhì)中如圖1(b)所示,與吸附平衡狀態(tài)相比,這些被阻塞和封閉瓦斯導(dǎo)致明顯滯后現(xiàn)象[4].

圖1 吸附?解吸遲滯效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of adsorption-desorption hysteresis

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖瓦斯遲滯效應(yīng)進(jìn)行大量理論和實(shí)驗(yàn)研究.Ekundayo 等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)高溫高壓條件下頁(yè)巖甲烷吸附?解吸存在明顯滯后現(xiàn)象且遲滯程度與黏土和有機(jī)質(zhì)碳含量有關(guān);Zapata 和Sakhaee-Pour[7]認(rèn)為頁(yè)巖氣吸附?解吸遲滯效應(yīng)與孔隙毛細(xì)管冷凝以及吸附層厚度有關(guān);Hazraa 等[8]研究發(fā)現(xiàn)貧瘠黑頁(yè)巖甲烷吸附?解吸遲滯曲線形狀與高嶺石含量相關(guān);Elizabeth 等[9]認(rèn)為吸附?解吸過(guò)程納米孔隙阻塞效應(yīng)和孔隙彈性流體性質(zhì)是產(chǎn)生遲滯效應(yīng)原因;Mehmani 和Prodanovi?[10]則認(rèn)為頁(yè)巖氣吸附?解吸滯后效應(yīng)與樣品微孔隙結(jié)構(gòu)喉道空間分布有關(guān);Zhao 等[11]發(fā)現(xiàn)甲烷吸附?解吸遲滯效應(yīng)可能與頁(yè)巖樣品孔隙改變有關(guān);Chen 等[12]從分子動(dòng)力學(xué)角度研究發(fā)現(xiàn)常溫條件下,頁(yè)巖氣吸附?解吸遲滯效應(yīng)主要與孔喉尺寸變化有關(guān),毛細(xì)管冷凝影響較小;Xu 等[13]通過(guò)采用玻爾茲曼法對(duì)頁(yè)巖納米孔氣體吸附?解吸模擬發(fā)現(xiàn)解吸遲滯曲線形狀高度依賴(lài)于孔隙形狀和孔隙空間凸曲率;關(guān)富佳等[14]研究發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣解吸滯后程度與孔裂隙發(fā)育和頁(yè)巖物性參數(shù)有關(guān);唐巨鵬等[15]通過(guò)核磁共振技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸存在遲滯現(xiàn)象,且存在臨界滯后瓦斯壓力;周銀波等[16]和陸壯等[17]分別從熱效應(yīng)和變質(zhì)程度方面對(duì)煤粉吸附?解吸遲滯效應(yīng)進(jìn)行了定量研究.

通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量理論和實(shí)驗(yàn)研究,可以確定頁(yè)巖中甲烷吸附?解吸遲滯效應(yīng)的確存在,但是相關(guān)研究還存在以下問(wèn)題:對(duì)頁(yè)巖氣吸附?解吸遲滯效應(yīng)發(fā)生機(jī)理,不同學(xué)者研究結(jié)論相去甚遠(yuǎn),且缺乏適用于頁(yè)巖氣吸附?解吸遲滯效應(yīng)微細(xì)觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo);研究對(duì)象多為海相或海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣而對(duì)儲(chǔ)量豐富煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)研究甚少.

對(duì)于以上研究不足,以雙鴨山盆地東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)36# 煤層底板煤系頁(yè)巖為研究對(duì)象,提出了一種基于核磁共振譜理論煤系頁(yè)巖瓦斯遲滯效應(yīng)微細(xì)觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo);結(jié)合煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了吸附態(tài)、游離態(tài)以及微細(xì)觀方法測(cè)定的宏觀瓦斯遲滯規(guī)律,以期為雙鴨山盆地深部煤系頁(yè)巖開(kāi)采提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)參考.

1 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)微細(xì)觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 低場(chǎng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)原理

低場(chǎng)核磁共振作為一種針對(duì)含H1流體(油/氣/水)等新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在能源勘探領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛.由低場(chǎng)核磁共振弛豫原理[18-19]可知橫向弛豫時(shí)間T2為

式中,FS為幾何形狀因子,無(wú)量綱;r平均孔隙半徑,μm;A為表面積,μm2;V為多孔介質(zhì)體積,μm3;ρ2為表面弛豫強(qiáng)度,μm/ms;T2為瓦斯橫向弛豫時(shí)間,ms.

低場(chǎng)核磁共振譜技術(shù)探測(cè)的是煤系頁(yè)巖孔裂隙甲烷中氫原子核(H1),其核磁共振譜信號(hào)幅度與探測(cè)范圍內(nèi)的甲烷質(zhì)量成正比[20],單一孔裂隙煤系頁(yè)巖瓦斯質(zhì)量與T2譜縱坐標(biāo)幅值相對(duì)應(yīng),可以采用T2譜曲線縱坐標(biāo)幅值積分表征煤系頁(yè)巖孔裂隙瓦斯量.煤系頁(yè)巖多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在使其孔裂隙甲烷核磁共振橫向弛豫時(shí)間比自由態(tài)甲烷小得多,多孔介質(zhì)中不同孔徑對(duì)應(yīng)不同橫向弛豫時(shí)間,結(jié)合自由態(tài)瓦斯核磁共振譜特性試驗(yàn),可以在核磁共振T2譜定量劃分微孔隙、中?大孔?裂隙以及不受限自由空間范圍,進(jìn)而對(duì)T2譜縱坐標(biāo)積分求得吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯[15].

1.2 遲滯效應(yīng)微細(xì)觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

煤系頁(yè)巖瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)形式存在,有煤系頁(yè)巖(80～100 目頁(yè)巖粉)瓦斯吸附?解吸核磁共振譜實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯解吸過(guò)程均有遲滯效應(yīng)[15].國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高分子聚合物、煤巖和土壤等領(lǐng)域研究從宏觀角度給出了吸附?解吸遲滯效應(yīng)定量評(píng)價(jià)指標(biāo),如表1 所示,HI(hysteresis index)為宏觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo),但它們對(duì)于煤系頁(yè)巖遲滯效應(yīng)微細(xì)觀評(píng)價(jià)并不完全適用.在文獻(xiàn)[25]基礎(chǔ)上,本文提出一種適用于煤系頁(yè)巖瓦斯遲滯效應(yīng)微細(xì)觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)價(jià)模型如圖2 所示.S為煤系頁(yè)巖瓦斯核磁共振T2譜幅值積分(煤系頁(yè)巖瓦斯量).

圖2 遲滯評(píng)價(jià)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of hysteresis model

表1 遲滯效應(yīng)宏觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Macro quantitative evaluation index of hysteresis

選取常用吸附?解吸模型分別擬合煤系頁(yè)巖瓦斯核磁共振譜數(shù)據(jù),采用相關(guān)系數(shù)R2作為最優(yōu)等溫吸附?解吸表征模型選取參數(shù).在尋找到最優(yōu)表征模型后,根據(jù)微細(xì)觀遲滯評(píng)價(jià)指標(biāo)MHI (microscopic hysteresis index) 定量計(jì)算煤系頁(yè)巖瓦斯遲滯效應(yīng),如式(2)～式(4)所示

式中 σmin為積分起始邊界壓力,MPa;σmin為積分終止邊界壓力,MPa;Ahf為完全不可逆遲滯區(qū)域面積;Ahy為實(shí)驗(yàn)遲滯區(qū)域面積;fad(σ)為最優(yōu)等溫吸附模型;fde(σ) 為最優(yōu)等溫解吸模型;f(σmax)為壓力為σmax最優(yōu)等溫吸附/解吸模型對(duì)應(yīng)煤系頁(yè)巖瓦斯核磁共振T2譜幅值積分;M(σmax,f(σmax))為最優(yōu)等溫吸附和解吸模型曲線交點(diǎn).MHI準(zhǔn)確反映了煤系頁(yè)巖瓦斯微細(xì)觀遲滯程度,當(dāng)吸附?解吸過(guò)程完全可逆時(shí),吸附和解吸曲線重合,實(shí)驗(yàn)遲滯區(qū)域面積趨于零,由式(4)可得MHI= 0;當(dāng)吸附?解吸過(guò)程完全不可逆時(shí)等溫解吸曲線不存在,此時(shí)Ahf=Ahy.由式(4)可 得MHI= 1.

2 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)

2.1 試樣采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1.1 試樣采集

雙鴨山礦區(qū)煤系頁(yè)巖瓦斯儲(chǔ)量大且具有較高開(kāi)采價(jià)值.試樣取自雙鴨山盆地東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)36#煤層底板煤系頁(yè)巖,埋深578 m,物理參數(shù)如表2所示.

表2 頁(yè)巖特征參數(shù)Table 2 Shale characteristic parameters

取未風(fēng)化煤系頁(yè)巖,實(shí)驗(yàn)室粉碎研磨制取不同粒徑頁(yè)巖粉,并將足量巖粉在烘干箱中105 °C 烘干24 h.冷卻后將18.70 g (40～60 目)粗巖粉、37.45 g(80～110 目)細(xì)巖粉和3.15 g (30～40 目)松香,三者充分混合后在200 t 壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)上壓制成型,試樣直徑為24.87 mm,高度為50.12 mm,型巖試樣迅速用保鮮膜包裹,膠帶纏繞后,進(jìn)行蠟封.

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖3 所示,實(shí)驗(yàn)裝置連接如圖4 所示:主要有動(dòng)力加載系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、MacroMR12-150H-1 低場(chǎng)核磁共振測(cè)試分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),煤系頁(yè)巖吸附氣采用高純度甲烷,實(shí)驗(yàn)溫度25 ± 0.5 °C.

圖3 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)Fig.3 Field experiment on hysteresis effect of gas adsorption-desorption in coal shale

圖4 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖Fig.4 Connection diagram of gas adsorption-desorption hysteresis effect experiment device for coal shale

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

為進(jìn)一步研究煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng),對(duì)同一試樣首次進(jìn)行三維應(yīng)力狀態(tài)吸附?解吸遲滯效應(yīng)全過(guò)程低場(chǎng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn),力求能從微細(xì)觀尺度對(duì)原位應(yīng)力狀態(tài)下煤系頁(yè)巖瓦斯遲滯規(guī)律進(jìn)行更為精細(xì)的實(shí)驗(yàn)表征.

試樣和核磁共振夾持器上下壓頭之間存在微小空間,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中此空間內(nèi)會(huì)充滿來(lái)自甲烷氣瓶的自由態(tài)瓦斯.為了能夠采用核磁共振T2譜方法計(jì)算吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯,有必要先對(duì)夾持器空隙自由態(tài)瓦斯進(jìn)行核磁共振譜特性實(shí)驗(yàn),再進(jìn)行煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn).

2.2.1 自由態(tài)瓦斯核磁共振譜特性實(shí)驗(yàn)

將外徑25.10 mm、內(nèi)徑4.2 mm、高49.60 mm的聚四氟乙烯試樣放入核磁共振夾持器中,如圖4所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行自由態(tài)瓦斯核磁共振譜特性實(shí)驗(yàn).

首先用氦氣驅(qū)除管線及核磁共振夾持器內(nèi)其它干擾性吸附氣體,檢查管線氣密性,用真空泵負(fù)壓10 kPa 連續(xù)抽真空30 min,啟動(dòng)低場(chǎng)核磁共振分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

氮?dú)馔ㄟ^(guò)減壓閥、壓力表和恒溫水浴箱進(jìn)入軸壓活塞腔內(nèi)給試樣施加軸壓;啟動(dòng)高壓氟油循環(huán)溫控系統(tǒng)(循環(huán)氟油溫度25 ± 0.5 °C),將高壓氟油由核磁共振夾持器圍壓入口注入,圍壓出口循環(huán)流出給試樣施加圍壓,同時(shí)給試樣提供穩(wěn)定溫度場(chǎng);接通高壓瓦斯瓶,通過(guò)減壓閥、水浴箱和壓力表將瓦斯注入瓦斯參考缸中預(yù)熱至25 °C,預(yù)熱后瓦斯經(jīng)六通閥流入核磁共振夾持器實(shí)驗(yàn)腔體中,給試樣施加孔隙壓力.自由態(tài)瓦斯核磁共振T2譜標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方案如表3所示,按順序依次完成實(shí)驗(yàn)并采集和記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

表3 自由態(tài)瓦斯核磁共振譜特性實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Experiment of free gas by NMR spectrums

2.2.2 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)

頁(yè)巖埋深578 m,綜合考慮實(shí)驗(yàn)安全和非磁性核磁共振夾持器極限承載能力,在這里采用地應(yīng)力折減、瓦斯壓力不折減的方法對(duì)模型施加地應(yīng)力和瓦斯壓力[25],選取煤系頁(yè)巖瓦斯壓力比例尺Cρ= 1,垂直地應(yīng)力比例尺Cσ= 4,側(cè)壓系數(shù)為1.2,地層平均容重為25 kN/m3[26],可得實(shí)驗(yàn)工況軸壓為3.61 MPa,圍壓為2.97 MPa,實(shí)驗(yàn)甲烷壓力為2.24 MPa.同時(shí)對(duì)相鄰和深部煤系頁(yè)巖瓦斯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室相似工況模擬,模擬埋深分別為350 m,550 m,750 m,850 m,1050 m,1200 m 和1500 m.自由態(tài)瓦斯標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將直徑24.87 mm、長(zhǎng)度50.12 mm 型頁(yè)巖試樣放入核磁共振夾持器中,按圖4 所示重新連接實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn).

(1)吸附實(shí)驗(yàn)

首先用氦氣對(duì)管線和夾持器腔體進(jìn)行沖掃,負(fù)壓10 kPa 連續(xù)抽真空120 min.啟動(dòng)低場(chǎng)核磁共振分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,壓力加載順序?yàn)檩S壓?圍壓?孔隙壓力,壓力加載方式和自由態(tài)瓦斯標(biāo)定實(shí)驗(yàn)相同,具體實(shí)驗(yàn)方案如表4 所示,按順序依次完成實(shí)驗(yàn)并采集和記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

表4 吸附過(guò)程核磁共振譜實(shí)驗(yàn)方案Table 4 Experimental adsorption of gas by NMR spectrums

(2) 解吸實(shí)驗(yàn)

在煤系頁(yè)巖瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,立即進(jìn)行煤系頁(yè)巖瓦斯解吸實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)方案如表5 所示,按順序依次完成實(shí)驗(yàn)并采集和記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表5 解吸過(guò)程核磁共振譜實(shí)驗(yàn)方案Table 5 Experimental desorption of gas by NMR spectrums

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,核磁共振夾持器內(nèi)測(cè)試樣品同時(shí)受到軸壓?圍壓?孔隙壓力共同作用,采用平均有效應(yīng)力σe[27]表示三者對(duì)試樣應(yīng)力場(chǎng)綜合作用效果,相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下.

3.1 自由態(tài)瓦斯核磁共振譜特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

自由態(tài)瓦斯核磁共振譜特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示,隨著平均有效應(yīng)力增加,自由態(tài)瓦斯橫向弛豫時(shí)間T2逐漸增大,當(dāng)平均有效應(yīng)力在1.76～8.98 MPa,對(duì)應(yīng)自由態(tài)瓦斯T2譜范圍為93.00～2710.63 ms,且T2譜曲線只有一個(gè)特征峰,這與前人研究結(jié)論一致[28].

圖5 自由態(tài)瓦斯T2 譜Fig.5 T2 spectrum of free gas

3.2 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

煤系頁(yè)巖瓦斯遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 和圖7 所示.

圖6 吸附過(guò)程T2 譜Fig.6 T2 spectrum of shale gas adsorption

圖7 解吸過(guò)程T2 譜Fig.7 T2 spectrum of shale gas desorption

由圖5 可以確定圖6 中橫向弛豫時(shí)間T2大于103.69 ms 部分為自由態(tài)瓦斯譜峰(>T2C2= 103.69 ms).由式(1)可知孔隙越小T2時(shí)間越短,因此微孔隙橫向弛豫時(shí)間要比中?大孔隙?裂隙橫向弛豫時(shí)間短,所以圖6 中橫向弛豫時(shí)間T2小于2.86 ms 部分為吸附態(tài)瓦斯譜峰(T2C4= 115.61 ms)、吸附態(tài)瓦斯T2譜峰(

4 煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)分析

由圖6 和圖7 可得吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯遲滯效應(yīng)評(píng)價(jià)模型如圖8 和圖9 所示.

圖8 吸附態(tài)瓦斯遲滯效應(yīng)評(píng)價(jià)模型Fig.8 Evaluation model for hysteresis effect of adsorbed gas

圖9 游離態(tài)瓦斯遲滯效應(yīng)評(píng)價(jià)模型Fig.9 Evaluation model for hysteresis effect of porous mediumconfined gas

4.1 吸附態(tài)瓦斯遲滯效應(yīng)分析

4.1.1 吸附態(tài)瓦斯遲滯現(xiàn)象

由圖8 可知吸附態(tài)瓦斯量(吸附態(tài)瓦斯T2譜幅值積分S)與平均有效應(yīng)力 σe之間具有明顯非線性特征,使用D-A,D-R 和BET 等溫模型對(duì)吸附態(tài)瓦斯吸附過(guò)程模擬時(shí)均需飽和蒸汽壓力P0,而實(shí)驗(yàn)溫度25 ± 0.5 °C(甲烷臨界溫度?82.6 °C),因此采用虛擬飽和蒸汽壓力替代飽和蒸汽壓力,采用Dubinin 算法[29]可得實(shí)驗(yàn)條件虛擬飽和蒸汽壓力為11.24 MPa.

選取具有代表性的吸附和解吸模型,分別模擬吸附態(tài)瓦斯吸附?解吸核磁共振譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),模型公式及其相關(guān)系數(shù)R2如表6 和表7 所示.由表6 可得采用D-R 模型擬合吸附態(tài)瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)R2值為0.99475 擬合程度最高;由表7 可得采用Weibull 函數(shù)模型擬合吸附態(tài)瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)R2值為0.996 6 擬合程度最高;因此選用D-R 模型和Weibull 函數(shù)模型分別作為吸附態(tài)瓦斯吸附和解吸過(guò)程最佳表征模型.

表6 常用吸附模型Table 6 Common adsorption models

表7 常用解吸模型Table 7 Common desorption models

由圖8 可得吸附過(guò)程擬合曲線

解吸過(guò)程擬合曲線

吸附過(guò)程S1(T2)與解吸過(guò)程S2(T2)在高應(yīng)力階段相交于M3點(diǎn),且存在臨界滯后壓力7.70 MPa.當(dāng)平均有效應(yīng)力大于7.70 MPa,吸附曲線S1(T2)比解吸曲線S2(T2)高,無(wú)明顯遲滯現(xiàn)象;當(dāng)平均有效應(yīng)力在1.88～7.70 MPa,解吸曲線S2(T2) 在吸附曲線S1(T2)之上,解吸過(guò)程具有明顯滯后環(huán).

4.1.2 吸附態(tài)瓦斯遲滯區(qū)域面積

由圖8 可知,吸附過(guò)程發(fā)生在平均有效應(yīng)力1.88～8.94 MPa 范圍內(nèi),而解吸過(guò)程平均有效應(yīng)力為1.10～8.94 MPa,因此以 σe1= 1.88 MPa 作為吸附態(tài)瓦斯遲滯起始邊界,并將其代入解吸曲線S2(T2) =求得S2(T2) =175.10,即解吸實(shí)驗(yàn)曲線模擬終點(diǎn)M1(1.88,175.10);吸附?解吸曲線交點(diǎn)橫坐標(biāo)為7.70 MPa,對(duì)應(yīng)吸附態(tài)瓦斯幅值積分為2133.91 即M3(7.70,2133.91);吸附?解吸遲滯區(qū)域起始邊界和上邊界交點(diǎn)為M2(1.88,2133.91).在此邊界條件結(jié)合式(2)～式(3)可得吸附態(tài)瓦斯完全不可逆遲滯區(qū)域面積Ahf?ad和實(shí)驗(yàn)遲滯區(qū)域面積Ahy?ad如式(5)～式(6)所示, σe?min—積分起始邊界壓力,MPa

4.2 游離態(tài)瓦斯遲滯效應(yīng)分析

4.2.1 游離態(tài)瓦斯吸附?解吸遲滯現(xiàn)象

由圖9 可得游離態(tài)瓦斯量(游離態(tài)瓦斯T2譜幅值積分S)與平均有效應(yīng)力 σe之間具有明顯線性特征.設(shè)游離態(tài)瓦斯吸附和解吸最佳表征模型均為S=Kσe+C,K為斜率,C為截距.

吸附過(guò)程擬合曲線

解吸過(guò)程擬合曲線

當(dāng)平均有效應(yīng)力大于8.47 MPa,游離態(tài)瓦斯解吸曲線S4(T2)低于吸附曲線S3(T2),無(wú)明顯遲滯現(xiàn)象;當(dāng)平均有效應(yīng)力在1.88～8.47 MPa 范圍內(nèi),游離態(tài)瓦斯解吸曲線S4(T2)高于吸附曲線S3(T2),游離態(tài)瓦斯解吸過(guò)程具有明顯遲滯效應(yīng),且存在臨界遲滯壓力8.47 MPa.

4.2.2 游離態(tài)瓦斯遲滯區(qū)域面積

由圖9 可知游離態(tài)瓦斯吸附過(guò)程發(fā)生在平均有效應(yīng)力1.88～8.94 MPa 范圍內(nèi),而解吸過(guò)程平均有效應(yīng)力為1.10～8.94 MPa,因此以 σe2= 1.88 MPa 作為游離態(tài)瓦斯遲滯起始邊界,并將其代入解吸曲線S4(T2) = 39.472σe+ 240.124,求得S4(T2) = 314.33,即得游離態(tài)瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)曲線模擬終點(diǎn)M1(1.88,314.33);游離態(tài)瓦斯吸附?解吸曲線交點(diǎn)橫坐標(biāo)為8.47 MPa,對(duì)應(yīng)幅值積分為574.48 即M3(8.47,574.48);在此邊界條件結(jié)合式(2)～式(3)可得游離態(tài)瓦斯完全不可逆遲滯區(qū)域面積Ahf?pm和實(shí)驗(yàn)遲滯區(qū)域面積Ahy?pm如式(7)～式(8)所示, σe?min—積分起始邊界壓力,MPa

4.3 煤系頁(yè)巖瓦斯微細(xì)觀遲滯規(guī)律

煤系頁(yè)巖瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)形式存在(忽略極少量基質(zhì)固溶態(tài)瓦斯),因此可以用吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯幅值積分之和,近似表征吸附?解吸過(guò)程中煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀吸附量和解吸量,從微細(xì)觀角度探究煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀吸附?解吸遲滯規(guī)律.結(jié)合式(2)～式(8)可得煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀遲滯系數(shù)MHImac,以及吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)MHIad?mac和MHIpm?mac如式(9)～式(11)所示,并由此可得瓦斯遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力關(guān)系,如圖10所示

由圖10 可得煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力具有明顯冪函數(shù)關(guān)系.宏觀遲滯效應(yīng)中由吸附態(tài)或游離態(tài)瓦斯引起的遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力均可采用二次多項(xiàng)式擬合,且兩曲線交于點(diǎn)M(6.30,15.13).

圖10 瓦斯遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力關(guān)系Fig.10 Relationship between hysteresis index of gas and average effective stress

當(dāng)平均有效應(yīng)力 σe在高應(yīng)力狀態(tài)(6.30～7.14 MPa)游離態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)曲線(b)在吸附態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)曲線(c)之上且兩曲線變化趨勢(shì)相反,游離態(tài)瓦斯對(duì)宏觀瓦斯遲滯效應(yīng)貢獻(xiàn)大于吸附態(tài)瓦斯;當(dāng)平均有效應(yīng)力 σe在(1.88～6.30 MPa)游離態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)曲線(b)在吸附態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)曲線(c)之下,此階段宏觀瓦斯遲滯效應(yīng)受控于吸附態(tài)瓦斯遲滯效應(yīng).

4.3.1 煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀遲滯規(guī)律

由核磁共振譜方法測(cè)定的煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀遲滯系數(shù)MHImac= 0.23σe2.021+ 20.407,R2= 0.97708,隨著平均有效應(yīng)力減小,瓦斯宏觀遲滯系數(shù)呈冪函數(shù)減小趨勢(shì)如圖10 中(a)曲線所示,當(dāng)平均有效應(yīng)力從7.14 MPa 降低到1.88 MPa,對(duì)應(yīng)瓦斯宏觀遲滯系數(shù)由34.02%降低到20.54%,瓦斯宏觀遲滯效應(yīng)逐漸減小.隨著宏觀遲滯系數(shù)減小,煤系頁(yè)巖瓦斯解吸量逐漸增大.

4.3.2 吸附態(tài)瓦斯遲滯規(guī)律

宏觀遲滯效應(yīng)中由吸附態(tài)瓦斯引起的遲滯系數(shù)MHIad?mac= ?0.664σ2e+ 6.038σe+ 3.481,R2=0.82395.

隨著平均有效應(yīng)力降低,吸附態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)如圖10 中(b)曲線所示.當(dāng)平均有效應(yīng)力從7.14 MPa 降低到4.55 MPa,對(duì)應(yīng)遲滯系數(shù)反而從11.35%增加到17.21%,然而當(dāng)平均有效應(yīng)力從4.55 MPa 降低到1.88 MPa,對(duì)應(yīng)遲滯系數(shù)則由17.21%逐漸降低到13.12%.

這一變化規(guī)律與煤系頁(yè)巖原生微孔隙重新吸附和新生孔隙吸附有關(guān).煤系頁(yè)巖微孔隙吸附態(tài)瓦斯處于吸附?解吸可逆動(dòng)平衡狀態(tài),卸壓初始階段(4.55～7.14 MPa)雖然平均有效應(yīng)力有所降低,但此時(shí)煤系頁(yè)巖仍處于高應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)平均有效應(yīng)力大于部分微孔隙端部應(yīng)力強(qiáng)度因子,微孔隙裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展,形成新微孔隙[30],同時(shí)新生微孔隙也會(huì)使吸附態(tài)瓦斯擴(kuò)散通道迂曲度變大,吸附態(tài)瓦斯向外擴(kuò)散受限.此時(shí)解吸出的吸附態(tài)瓦斯一部分在高瓦斯?jié)舛葪l件下重新在原生微孔隙表面吸附,一部分則會(huì)在新生微孔隙吸附,高平均有效應(yīng)力階段,雖然平均有效應(yīng)力降低36.27%,但由吸附態(tài)瓦斯引起宏觀遲滯系數(shù)反而增加51.63%.

隨著繼續(xù)卸壓(1.88～4.55 MPa),平均有效應(yīng)力由4.55 MPa 逐步減小,新微孔隙產(chǎn)生速度減慢,孔隙變形損傷減小.同時(shí)隨著游離態(tài)瓦斯不斷采出,孔裂隙瓦斯?jié)舛忍荻戎饾u變大,在瓦斯?jié)舛忍荻茸饔孟挛綉B(tài)瓦斯加速向中?大孔隙?裂隙結(jié)構(gòu)擴(kuò)散,吸附態(tài)瓦斯引起的宏觀遲滯效應(yīng)逐漸變小,吸附態(tài)瓦斯開(kāi)始迅速大量解吸.

4.3.3 游離態(tài)瓦斯遲滯系數(shù)

宏觀遲滯效應(yīng)中由游離態(tài)瓦斯引起的遲滯系數(shù)MHIpm?mac= 0.895σ2e? 5.856σe+ 16.499,R2=0.91806.

隨著平均有效應(yīng)力降低,遲滯系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)如圖10 中(c)曲線所示.當(dāng)平均有效應(yīng)力從7.14 MPa 降低到3.27 MPa,對(duì)應(yīng)遲滯系數(shù)由22.67%減小到6.92%,但是當(dāng)平均有效應(yīng)力從3.27 MPa 繼續(xù)降低到1.88 MPa,對(duì)應(yīng)遲滯系數(shù)反而從6.92%增加到8.65%.

煤系頁(yè)巖初始卸壓階段(3.27～7.14 MPa),隨著平均有效應(yīng)力逐步減小中?大孔隙?裂隙損傷逐漸變大,游離態(tài)瓦斯散失通道迂曲度增加.但此時(shí)游離態(tài)瓦斯流動(dòng)近似為達(dá)西流動(dòng)且大部分處于超臨界狀態(tài),其滲透性遠(yuǎn)超出常溫常壓狀態(tài)[31],即使孔隙裂隙迂曲度增加游離態(tài)瓦斯仍然快速向井壁滲透,游離態(tài)瓦斯引起的遲滯系數(shù)急速下降.

繼續(xù)卸壓進(jìn)入低應(yīng)力階段(1.88～3.27 MPa),中?大孔隙?微裂隙部分繼續(xù)閉合,游離態(tài)瓦斯向井壁散失通道進(jìn)一步受限,且此時(shí)游離態(tài)瓦斯壓力在其臨界壓力4.59 MPa 以下,滲透性明顯減弱,游離態(tài)瓦斯?jié)B透能力降低,遲滯系數(shù)隨著平均有效應(yīng)力減小反而增加25.04%.

5 遲滯效應(yīng)對(duì)煤系頁(yè)巖瓦斯開(kāi)采影響

隨著煤系頁(yè)巖瓦斯開(kāi)采深度不斷增加,受高滲透壓、高地應(yīng)力和高地溫綜合影響,煤巖體中瓦斯高度聚集,瓦斯壓力急劇增大[32],煤系頁(yè)巖瓦斯深部原位賦存環(huán)境變得更為復(fù)雜.由本文研究結(jié)論可知:隨著埋深增加平均有效應(yīng)力逐漸變大,煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯系數(shù)呈冪函數(shù)增加趨勢(shì).但深部煤系頁(yè)巖在高地應(yīng)力和高孔裂隙瓦斯壓力作用下,內(nèi)部孔裂隙損傷會(huì)進(jìn)一步加大,進(jìn)而加劇微孔隙吸附態(tài)瓦斯擴(kuò)散受限和中?大孔隙?裂隙游離態(tài)瓦斯?jié)B透阻力變大,滲流路徑迂曲度增加[33],而這些會(huì)進(jìn)一步加劇深部煤系頁(yè)巖瓦斯遲滯效應(yīng),使深部煤系頁(yè)巖瓦斯解吸?擴(kuò)散?滲流機(jī)理變得更為復(fù)雜.因此建議使用三維應(yīng)力狀態(tài)煤系頁(yè)巖瓦斯等溫解吸模型去評(píng)估深部煤系頁(yè)巖瓦斯可采儲(chǔ)量,替代常用一維(僅考慮瓦斯壓力)等溫吸附模型.

深部煤系頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率都很低,同時(shí)受煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)影響,煤系頁(yè)巖瓦斯自然采收率普遍偏低,因此煤系頁(yè)巖瓦斯商業(yè)化開(kāi)采必須依賴(lài)于有效的水力壓裂改造措施.由上述研究可知煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀遲滯效應(yīng)中,由吸附態(tài)或游離態(tài)瓦斯引起的遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力均具有明顯二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系,因此在煤系頁(yè)巖瓦斯水力壓裂開(kāi)采過(guò)程中,應(yīng)該科學(xué)把控支撐劑充填時(shí)間節(jié)點(diǎn)和不同粒度充填劑合理配比,同時(shí)嘗試在高應(yīng)力卸壓階段向微孔隙結(jié)構(gòu)中輸送和鋪置粒徑更小,強(qiáng)度更高支撐劑,以增加對(duì)煤系頁(yè)巖微孔隙結(jié)構(gòu)改造,進(jìn)一步減小吸附?解吸過(guò)程中由吸附態(tài)瓦斯引起的遲滯效應(yīng),加速吸附態(tài)瓦斯解吸擴(kuò)散,提高煤系頁(yè)巖瓦斯產(chǎn)量.

6 結(jié)論

由煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)核磁共振譜實(shí)驗(yàn)研究主要得出以下結(jié)論:

(1)吸附過(guò)程中吸附態(tài)瓦斯量與平均有效應(yīng)力符合D-R 模型而解吸過(guò)程Weibull 函數(shù)模型擬合程度更高;游離態(tài)瓦斯量和平均有效應(yīng)力呈線性關(guān)系,且解吸過(guò)程均有滯后性;

(2)宏觀遲滯效應(yīng)中由吸附態(tài)或游離態(tài)瓦斯引起的遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力均可采用二次多項(xiàng)式擬合;而煤系頁(yè)巖瓦斯宏觀遲滯系數(shù)與平均有效應(yīng)力則具有明顯冪函數(shù)關(guān)系;

(3)煤系頁(yè)巖瓦斯吸附?解吸遲滯效應(yīng)變化規(guī)律與孔裂隙應(yīng)力損傷以及微孔隙瓦斯擴(kuò)散受限有關(guān).