上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35 MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20 MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现"W"型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。     

两种含瓦斯煤样的渗透性对比试验研究

为了解井下煤层受采动作用的影响时原岩应力升降过程中引起的煤体瓦斯渗透性变化规律,利用MYS-Ⅰ型煤岩样渗透率测试系统,通过改变围压和瓦斯压力的方法,对比研究了成型煤样和原煤样渗透率之间的异同。试验结果表明：成型煤样和原煤样之间的渗透率差别很大,数值上相差在一个数量级左右;在瓦斯压力固定的条件下,原煤样渗透率随围压增大而下降的速度比成型煤样要缓慢;成型煤样和原煤样渗透率随围压和瓦斯压力改变的变化趋势基本相同,在实验室用成型煤样代替原煤样用于渗透性试验是可行的,但只能研究大致的变化规律。     

负压条件下构造煤原煤样瓦斯渗透性实验

利用三轴应力渗流实验装置对坚固性系数为0.3的构造煤原煤煤样进行了加压破坏以及负压条件下含瓦斯构造煤原煤煤样的瓦斯渗透性实验研究。结果表明,坚固性系数为0.3的构造煤原煤样的压裂过程经历了非线性压密阶段、线弹性阶段、应变强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段等5个阶段。在围压、瓦斯压力一定,同一轴压条件下,加载负压时的煤体瓦斯渗透率要大于不加载负压时的煤体瓦斯渗透率,随着负压增大瓦斯渗透率随之增大。在围压、瓦斯压力一定,同一负压条件下,随着轴压的增大,瓦斯渗透率先逐渐增大到一定峰值后逐渐减小。在围压、负压一定,同一轴压条件下,瓦斯压力越大,煤体的瓦斯渗透率越小。在围压、负压、瓦斯压力一定的条件下,轴压加载到σo值后,开始卸载轴压,随着轴压的卸载煤体瓦斯渗透率逐渐增大,在轴压卸载的初始阶段,渗透率增幅较大;随后在轴压卸载完全的过程中,渗透率的增幅越来越不明显,并且轴压卸载为0时的渗透率要小于煤样试件在加载轴压前的初始渗透率。     

高煤阶煤样水力压裂前后应力-渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%～253.25%、171.88%～383...     

煤层气水平井注氮增产改造技术

针对七元煤矿低孔、低压、低含水饱和度、高变质程度的煤储层特点和筛管完井煤层气解吸困难情况,为了实现瓦斯治理与煤层气共同开发的需要,探索出一套煤层气水平井筛管完井下的注氮增产改造技术。利用顶替排液、氮气驱替、憋井放喷3种氮气改造模式的不同特点,实施多次"注氮-憋压-放喷"作业,通过注氮改造可以清除近井污染,沟通煤层割理裂隙,改善井筒远处煤层渗透率,建立单相气体渗流通道,实现煤层气高效开发的目的。结果表明:七元煤矿5组水平井实施注氮增产改造技术后,单井日产气量提高3~20倍,实现了单井产量的突破。     

井下直接法测定煤层瓦斯压力数值模拟

为了研究煤层原始瓦斯压力、煤层渗透率和钻孔暴露时间对测压的影响,以经典渗流力学为基础建立了测压过程中瓦斯在煤层中流动的数学模型;然后通过COMSOL Multiphysics软件对测压过程进行模拟。结果表明:在一定条件下,煤层原始瓦斯压力或者渗透率越大,压降漏斗范围越大,但瓦斯压力平衡时间并不会因此而增加;在一定条件下,钻孔暴露时间越长,压降漏斗范围越大,瓦斯压力平衡时间也越长。     

煤体渗透率随酸化时间和压力及温度的变化规律

通过对3种不同煤样酸化前后的渗透率测试,分析每种煤样渗透率的变化趋势,在不同压力、温度条件下测试不同酸化时间下的渗透率,分析得出煤体酸化后渗透率随酸化时间、压力和温度变化的规律。结果表明:13#烟煤、2#贫瘦煤的渗透率优于3#无烟煤,即中低阶煤的酸化效果比高阶煤好;围压对于渗透率的影响较为明显,随着围压的增加,渗透率呈现出减小的趋势;不同煤样在温度增加的前期阶段,随着温度的升高,渗透率呈现出加速增大的态势;在酸化的中间阶段,渗透率逐渐下降;在温度增加的后期阶段,渗透率随温度的升高虽还有所降低,但变化趋势不再特别明显,逐渐进入平稳阶段。     

吸附作用对原煤渗透特性的影响

为了解吸附作用对原煤渗透特性的影响,利用自制的煤岩三轴渗透仪,在不同轴压和围压组合条件下,对以打通一矿低渗透突出煤层的原煤试样,采用稳态渗流法进行CO2和N2渗流试验。从渗流力学的观点,分析不同吸附性气体对原煤渗透率的影响。试验结果表明:气体吸附作用越强,气体吸附量越多,则煤样渗透率越低;气体吸附性越强,煤样受围压影响越小,煤样对气体吸附量增加幅度越大;气体压力与原煤渗透率呈乘幂函数关系。同时,给出了吸附膨胀应力与渗透率的关系表达式。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

低渗透煤层瓦斯解吸渗流规律的试验研究

如何提高煤层气采收率是目前煤层气开发的重点课题。通过实验揭示了温度是影响煤层气渗透率及解吸渗流量的关键因素之一,得到了非等温条件下煤层气解吸-渗流规律。实验通过自制的温控三轴煤层气解吸渗透仪进行规律探究。经数据拟合,分析得出:不同温度条件下,渗透率随孔隙压力的增加以指数形式递增;在相同围压、轴压和孔隙压力条件下,等温解吸时,煤样瓦斯渗流量随温度的增加而呈现指数递减规律;升温解吸时,解吸量比低温下的渗流量增加,孔隙压力越大,渗流量增加越明显。根据试验结果,认为在注热开采煤层气时,通过间歇式注热(蒸汽吞吐)使煤层温度梯度不断变化,煤层发生升温解吸,有利于煤层气的产出。对低渗透煤层瓦斯开采提出新的思路。     

含瓦斯原煤样的渗透特性试验研究

 为了解井下煤层受采动作用的影响,原岩应力升高与降低的过程中引起的煤体瓦斯渗透特性变化规律,利用MYS-Ⅰ型煤岩样渗透率测试系统,对原煤煤样通过改变围压和瓦斯压力的方法,研究了渗透率与围压和瓦斯压力之间的关系。试验结果表明：围压对煤体渗透率的影响很大;瓦斯压力保持不变时,随着围压的增加,渗透率开始下降很快,降到一定程度之后变化缓慢;在围压保持不变时,瓦斯压力与煤样渗透率之间的关系呈先减小后增大的趋势变化。     

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率D_k均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数c_f整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的,而且在某些特定场合还具有一定的优越性,但同时也应该注意两种煤样渗透率对应力响应特征的细节差异,以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。     

CO2置换CH4试验中煤体应变及渗透率的变化

为研究煤层注CO2置换CH4过程中煤体应变及渗透率的变化特征,采用沁水煤田屯留矿3号煤层圆柱体原煤试样,在不同围压(8～20 MPa)及注入压力(1～6 MPa)条件下,进行注CO2置换煤层CH4试验。研究表明：置换试验中,煤样的轴向、径向及体积应变随有效应力的增加呈指数关系降低,随围压的增加而降低;同时随围压的增加,相同压降范围内的轴向、径向、体积应变降幅呈增大趋势;且相同围压条件下,径向应变大于轴向应变。试验同时发现,同一围压下,受有效应力效应、基质收缩效应及滑脱效应等作用影响,煤体渗透率随着有效应力的增加呈现先降低后增加的变化关系;相同有效应力条件下,渗透率随着围压的增大而减小;且在试验压力范围内,有效应力增加后期渗透率相对初期提高了8.53%~22.45%。     

煤层注水时有效围压对煤体渗透性的影响

针对煤层注水渗流过程中,煤体所受的有效围压对煤体渗透性影响很大的问题,通过自行研制的煤岩样渗透率测试系统,对有效围压与煤样渗透率之间作用规律进行了试验测试分析,得到了试验煤样渗透率与有效围压之间相互影响的拟合方程,以及煤样渗透率对有效围压的敏感性系数。结果表明,随着有效围压的增加,不同煤样的渗透率均规律下降,且满足一元二次多项式的变化规律,不同煤样渗透率对有效围压变化的敏感性相似。     

含瓦斯煤的力学特性及渗流规律试验研究

采动裂隙场瓦斯流动是实现深部煤与瓦斯共采的基础。采用WYS-800微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置,对平朔井工一矿14106工作面煤层进行了含瓦斯煤的力学特性和瓦斯渗流试验。结果表明:常规三轴不同瓦斯压力条件下,全应力-应变曲线分为4个阶段:初始压密阶段、线性弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。煤样的渗透率随轴向应变先减小后增大,最后趋于稳定;煤样的偏应力-应变和渗透率-应变曲线呈现相反的趋势,而且常规三轴压缩煤样破坏后渗透率增加量比较少。常规三轴不同围压条件下应力-应变曲线也主要表现为4个阶段。随围压值增大,三轴抗压强度呈线性增加趋势;在相同轴向载荷作用下,煤样所受围压越大,渗透率就越小。从不同围压条件下轴向应力-轴向应变和渗透率-轴向应变曲线可以看出,渗透率随着轴向应变的增大先降低后升高,煤样的峰值强度随着围压升高而增大。     

瓦斯压力对两种煤样渗流特性影响的试验研究

针对不同瓦斯压力作用下煤岩渗透率的差异性,利用自行研制改造的含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流实验装置,对构造煤及硬煤两种煤样进行了不同轴压围压条件下瓦斯压力对渗流特性的试验研究。结果表明,煤样渗透率随瓦斯压力变化出现明显的Klinkenberg效应,软煤样与硬煤样的渗透率变化均符合二次多项式函数。不同围压下,两种煤样渗透率随瓦斯压力变化差异性较大,且Klinkenberg效应拐点也不一致,其主要受煤样吸附常数影响。煤样渗透率出现先减小后增大趋势的主要原因为:Klinkenberg效应与围压及轴压作用下瓦斯吸附致使煤基质膨胀从而使煤样渗透率减小,后来孔隙压力增大导致渗透率增加。研究结果为提高煤层气抽采率提供理论参考依据。     

煤样尺度的二氧化碳驱替煤层气数值模拟

为了实现ECBM实验研究和数值模拟结合分析,基于实验室应力条件的渗透率模型,建立了煤孔隙裂隙介质系统的CO2驱替煤层CH4的数值模型。开展了不同CO2注入压力下煤样尺度的二氧化碳驱替煤层气的数值模拟。结果表明:CO2的注入压力越大,注入后CO2从煤样末端流出所需时间越小;CO2的注入会引起煤的渗透率减小,注入压力较小时渗透率变化分为三个阶段,包括有效应力影响的阶段、CH4压力不变的阶段和CO2吸附影响阶段,但是当注入压力较大时则不存在CH4压力不变的阶段;注入压力增大,CH4产出量在注入CO2后的一定时间内有很大提高,然后在注气后期,CH4产出量反而较小。上述结果对指导室内开展ECBM实验和分析ECBM室内实验的结果具有指导意义。     

卸压边界区径向瓦斯渗流特性试验研究

以淮北青东煤矿8号突出煤层煤样为研究对象,利用自行研制的径向瓦斯渗流实验系统,结合保护层卸压边界区地应力及瓦斯压力分布特征,进行变轴压、变瓦斯压力、变钻孔孔径条件下突出煤样径向瓦斯渗流试验。试验结果表明：相同轴压下,径向瓦斯渗流量随瓦斯压力增加而增加,成二次多项式关系,渗透率随瓦斯压力增加,在0~0.6 MPa内迅速降低,随后缓慢下降,并趋于稳定;相同瓦斯压力下,渗透率随覆压增加呈线性递减趋势;受钻孔卸压影响,在低轴压阶段,大孔径松软低强度试样渗透率显著高于小孔径试样的渗透率,随轴压增加,两者渗透率逐渐趋于一致。     

高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究

煤储层渗透率对温度和应力的敏感性响应,是深部煤储层物性评价的基础参数之一。以山西晋城无烟煤样为研究对象,利用高温覆压孔渗测定仪测定了煤样的孔隙率和渗透率,分析了其对温度和压力的敏感性。结果表明:高阶煤的孔隙率、渗透率与压力呈幂函数式负相关关系,在低压阶段随着压力升高迅速降低,在高压阶段趋于稳定。高阶煤渗透率对温度不敏感,当压力低于2MPa时随着温度的升高而降低,压力高于2 MPa则与温度之间关系不显著。压力是影响高阶煤孔隙率和渗透率的主要因素,而温度对孔隙率和渗透率影响较小。基于曲率分析方法对成庄高阶煤渗透率应力敏感性进行了分析,并与郑庄高阶煤和韩城高阶煤对比显示,成庄矿高阶煤的应力敏感性在低应力位置较强。因此,成庄矿进行煤层气开发时,需制定合理的排采制度,避免渗透率应力敏感性导致的负产能效应。     

不同围压和气压下煤体渗透特性的试验研究

为探究不同地应力及气体压力下瓦斯气体在煤层中的渗流规律,进而为瓦斯抽采及瓦斯事故防治技术提供技术支持,以科学试验为手段,对不同围压及气体压力条件下煤样渗透率的演化规律进行了深入研究。得出如下结论:煤样渗透率在全应力-应变过程中可被划分为3个阶段,即逐渐减小阶段、基本稳定阶段、显著增加阶段;当煤样所处气压与轴压恒定不变时,其渗透率随围压的逐渐增加表现为"负指数"式下降的演化规律;当煤样所处围压与轴压恒定不变时,其渗透率随气压的增加表现为"二次函数"式先下降后上升的演化规律;围压和气压共同作用下的煤样渗透率演化规律符合"z=z0+aσ3+bp+cσ23+d p2+eσ3p"的特点,且煤样渗透率对围压的敏感性相较气压敏感性要强。     

含瓦斯煤渗透率演化模型和实验分析

与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1. 0 MPa)。瓦斯压力降低至0. 3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2. 0 MPa)渗透率的1. 9～2. 9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8. 9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pminprpmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈"V"形变化,即先减小后增大。