煤中氣體解吸收縮有效應力變化特征

王鵬

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司， 山西 晉城市 048000)

0 引言

煤基質中瓦斯的存儲和流動主要與孔隙結構和裂隙網絡（節理）有關。煤作為一種雙重孔隙結構，面割理和端割理是煤中氣體流動的主要和次要通道，二者通常相互正交或近似正交，基本上都垂直層理面[1?2]。煤中的氣體主要以吸附層的形式存在于煤的內部表面，或以游離氣體的形式存在于大孔隙和裂縫中，吸附層占甲烷總量的90%～98%，剩余的少量氣體（2%～10%）位于開放孔隙空間內，如大孔隙、裂縫[3]。煤中儲存的氣體主要是甲烷，其次是乙烷，還存在一些二氧化碳、一氧化碳和氮氣。煤因解吸氣體而收縮是一種眾所周知的現象[4]。煤基質中的任何體積變化也會影響割理孔徑，從而影響煤的氣流特性。煤基體收縮，導致割理孔隙度增加，割理閉合，這是由于氣體孔隙壓力降低導致有效應力增加。收縮率低于地應力時，割理孔隙度和滲透率可能會隨著氣體抽采產量的增加而降低。解吸作用下的煤基質收縮不僅可能使割理變寬，還可能降低有效水平應力，導致垂直和近似垂直割理上的應力降低，從而進一步打開這些割理，并顯著增加滲透率[5?7]。這一效應解釋了為什么煤層的實際產氣量往往大于常規氣藏中模擬技術預測的產氣量。因此，不同氣體解吸時煤基質體積變化規律是建立可靠的煤層氣產量預測模型的關鍵因素之一，進而實現其精確預測。

1 實驗系統

為研究解吸變形規律，根據煤炭工業部頒布的煤的甲烷吸附量測定方法（MT/T752-1997），對現有的試驗平臺進行改進，使之能滿足原煤的吸附-解吸變形試驗要求。改進后的模擬測試裝置如圖1所示。該裝置的工作原理是：通過真空泵對裝過煤且已經檢查過氣密性的煤樣罐抽真空，當達到要求的真空度以后，通過充氣罐向煤樣罐充氣，在設定的溫度和壓力下平衡后通過解吸裝置計量吸附量和解吸量，通過分析解吸過程煤樣變形數據，得出不同條件下的解吸變形規律。

圖1 模擬測試裝置原理

1.1 煤樣

試驗所用樣品均為原生結構煤，采自趙固二礦二1 煤層（無煙煤）。將大塊煤塊放入泡沫中，然后密封在密封袋中，防止氧化。在實驗室對樣品以相同方向取芯，直徑為52.5 mm，長度為45 mm，將試樣端部平行研磨。從類似煤樣的滲透性試驗中發現，高溫干燥極大地影響了樣品的結構，改變了滲透性，可能也會影響吸附研究。因此，在試驗之前，將試樣在30℃的真空烘箱中干燥2 d。制備了用于收縮試驗的樣品和備用樣品。

1.2 收縮膨脹試驗

在試驗開始時，應變片讀數設為0，并抽真空2 h。應變變化通過連接到PC 的數據記錄儀連續記錄。試樣在4 MPa 的壓力下用氮氣飽和，并記錄應變1 周。結果發現，在大約8 h 后，氮氣濃度幾乎沒有變化。然后，每一級的壓力以500 kPa 的量降低，并在一段時間內保持恒定。二氧化碳、甲烷和氮氣的解吸間隔時間為100 min，而氦氣的解吸間隔時間為50 min（氦氣不吸附氣體，因而解吸時間較短）。在最后一個增量上，壓力降低到大氣壓，樣品被允許解吸，直到相對于應變達到平衡。每次測試后，將樣品抽真空，然后用二氧化碳、甲烷和氦氣重復同樣的過程。

將煤基質體積隨氣體壓力變化的速率定義為解吸氣體的收縮系數。

式中，Vm為煤基體體積；dVm是煤基體體積的變化；dp是內外表面施加壓力的變化；Cm為體積應變與氣體壓力的關系的斜率。

2 測試結果及分析

2.1 吸附引起的變化

在每次基體收縮試驗之前，樣品用氣體完全飽和，壓力為4 MPa。8 h 后，在4 MPa 氣壓下，4 種不同氣體氮氣、氦氣、甲烷和二氧化碳的體積應變變化如圖2 所示。氦氣曲線僅顯示了顆粒壓縮性，因為沒有發生吸附。其他3 條曲線表明，由于氣體吸附，煤基質膨脹。

圖2 不同氣體在4 MPa 下吸附時的體積應變

二氧化碳吸附引起的膨脹大約是氮氣的12 倍，是甲烷的8 倍。使用應變計的快速取樣系統，可以監測試驗開始時體積應變的變化。靜水壓力導致初始收縮，隨后氣體吸附導致膨脹。圖3 顯示了二氧化碳的這種現象（氦曲線用于比較）。在樣品達到穩定狀態之前，氦曲線也顯示出非線性部分，這歸因于試樣內的孔隙壓差。

圖3 二氧化碳和氦的初始體積應變

2.2 基質引起的體積應變變化

通過在500 kPa 階段逐漸降低壓力并允許在一段時間內發生解吸，確定氣體解吸引起的基質收縮。圖4 為氦、氮、甲烷和二氧化碳的體積應變隨時間的變化，不同氣體的應變存在數量級差異。

圖4 不同氣體從4 MPa 降至0.5 MPa 的體積應變

圖4 中，氦曲線顯示了每次減壓循環期間煤基質的膨脹和孔隙壓力恢復。減壓后，由于施加的液壓應力突然降低，煤基質立即膨脹。隨后，試樣的內部氣體孔隙壓力逐漸降低，這是由氣體從試樣流向周圍環境時的壓差引起的。這導致有效靜水壓應力增加，一些煤基質壓縮。由于未發生解吸，應變在約50 min 內迅速達到平衡。圖4 中的氮氣曲線顯示的壓力間隔約為100 min。在曲線范圍4～2.5 MPa 的高壓區域，壓力降低導致的晶粒膨脹高于氣體解吸導致的收縮，而收縮效應超過了低壓下的膨脹。在甲烷的情況下，氣體解吸引起的收縮超過了與晶粒膨脹相關的應變。最顯著的是二氧化碳解吸的應變高出一個數量級，因此無法識別晶粒膨脹。

氣體解吸在每個階段達到平衡時，煤基質體積應變隨氦氣、甲烷和二氧化碳氣體壓力降低而變化的曲線如圖5 所示。該含氦煤樣的顆粒壓縮性為?1.3×10?4MPa?1。甲烷的總收縮整體收縮系數為1.2×10?3MPa?1，二氧化碳為5.2×10?3MPa?1。同時發現在2～4 MPa 的氣壓范圍內，Cm的實際值低于總值，在0～2 MPa 的氣壓范圍內，Cm的實際值較高。

圖5 煤基質體積應變隨氣體壓力的降低規律

2.3 有效應力與彈性變形

對于彈性連續體，由于氣體解吸引起的基體收縮，有效圍壓的相應降低可根據式（2）進行計算：

式中，pini為初始孔隙壓力；pnew為新的孔隙壓力。

根據變形測試結果，測量得到了1.85 GPa 的切線彈性模量和0.37 的泊松比，由此計算出的體積模量K為2.37 GPa，意味著1 MPa 的靜水壓應力變化將導致0.42×10?3的體積應變。因此，與解吸相關的應變相當于甲烷氣體壓力變化的2.5 倍，這大約相當于二氧化碳應力變化的10 倍，可以得出，與甲烷和二氧化碳的收縮應變相比，有效應力變化較小。

2.4 無脫附的有效應力加載循環

在試驗中，煤樣經受了幾個增加和減少氣壓的循環，以氦氣為例，以避免因吸附或解吸引起的應變變化。圖6 為在不同的氣壓升高和降低循環中，體積應變隨時間變化的曲線。對于正壓力增量，體積應變的變化達到最大值，然后開始逐漸減小，直到穩定在某個值。這種現象是由煤樣周圍的氣體壓力和氣體孔隙壓力之間的壓力差引起的。該梯度將迫使氣體流入煤樣，直到壓力達到平衡。

相反的過程發生在氣體壓力增量降低時。氣體流速和氣體壓力達到平衡所需的時間與樣品滲透率有關。圖6 還表明，由于記錄的體積應變對于增量和增量的增加和減少是相同的，因此煤樣表現為完全彈性材料。只有當煤樣中存在未連接的孔隙時，才可能出現這種情況。體積應變值由太沙基方程控制表示為：

圖6 氦氣的加載和卸載循環過程體積應變

式中，σeff為有效應力；σtotal為總有效總應力；p為孔隙壓力；m與煤樣連通孔隙體積有關。

由于這種情況下的總應力是施加的氣體壓力，p是孔隙氣體壓力，并且假設在應變變化達到穩定狀態時達到外部氣體壓力的值，那么公式（8）可以寫成：

有效應力可使用體積法計算中的模量（式（3））。根據體積應變的測量值計算有效靜水壓應力，發現m的平均值為0.71。因此，公式（9）可改寫為：

3 結論

基質收縮效應是煤中解吸氣體的主要反應，由于甲烷是最有可能發生解吸的氣體，因此解吸收縮相當于應力變化超過氣體壓力增量的2.5 倍。由于解吸基本上是氣體壓力降低的結果，并導致煤基質內的收縮，因此煤中會產生較大的應變。這些應變很可能在煤的強度特性中發揮重要作用。以氦氣測試的樣品為例，該樣品的有效應力與施加壓力之間的常數m為0.71。該領域的進一步工作可有助于確定從煤層中遷移出來的總吸附氣體的百分比，并與從破碎樣品中確定的總吸附氣體百分比相比。同時，觀察到應變恢復變化率的差異，這將為測量煤基質內的相對應力滲透性能提供一些可能性。