煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

地球物理场中的煤层瓦斯渗流方程

根据煤层瓦斯在地应力场、地温场和地电场中的渗流特性，确定了在地球物理场中的煤层瓦斯渗透率κ（σ，T，E)；该渗透率与有效应力σ成负指数关系、与温度T成幂函数关系、与电场强度E成正比关系。在此 基础上，通过建立煤层瓦斯运动方程、连续性方程、气体状态方程和含量方程，推导得到了地球物理场中煤层瓦斯渗流方程。该煤层瓦斯渗流方程反映了地应力场、地温场和地电场对煤层瓦斯渗流的共同影响；作为一种新理论，在一定条件下，该渗流方程将是地球物理场作用下煤层瓦斯运移规律分析的理论基础。     

不同温度应力下煤体蠕变中的渗流规律研究

煤层渗透性是决定煤层气开采效果的关键因素。在煤层气开采周期中,长期温度场及应力场作用使得煤体内渗流通道也不断发生演化。对不同温度应力下煤体蠕变过程中的渗流演化规律展开研究,结果表明,不同温度下分级蠕变过程中,各试样的渗流演化基本经历3个蠕变变形阶段:蠕变起始应力阈值前的压密硬化阶段、体积压缩的蠕变变形阶段和体积膨胀的蠕变变形阶段;试样渗透率表现为先逐渐降低再增加的趋势,且试样渗透率演化与体积时效变形存在较好一致性。温度升高,有助于煤体蠕变变形的发生,煤体蠕变的起始应力阈值减小,极限破坏强度降低,煤体渗透率由降低到升高的转折点应力值减小。温度较高时,煤体蠕变对渗透率降低的影响较大,煤体渗透率损失最大可达40.35%。研究结果可为煤层气的有效开采提供理论支持。     

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

 从孔隙率的基本定义出发,充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响,首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系,再以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明,所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性,能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性,渗透率随孔隙发育程度的增高而增大;当温度和瓦斯压力一定时,渗透率随有效应力的增大而减小,并且瓦斯压力越低减小趋势越明显;有效应力和瓦斯压力一定时,渗透率随温度升高而减小,但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响;温度和有效应力一定时,渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究,为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础,也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。     

煤层瓦斯渗流非线性运动规律实验研究

以焦作矿区赵固二矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热–流–固–力耦合实验装置,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,对煤样渗透率与有效应力之间的变化关系以及煤样中瓦斯运动规律进行实验研究,建立受载煤体渗透率与有效应力关系方程及描述煤层瓦斯非线性渗流规律的运动方程。研究结果表明:(1)渗透率随有效应力增大而呈非线性递减关系,具有负指数变化规律;(2)在围压和轴压固定情况下,研究不同孔隙压力梯度下瓦斯渗流规律,得到瓦斯渗流速度在煤体变形作用下呈现非线性特征,同时将所建方程与实验数据进行拟合,由相关度可知,实验结果与拟合结果相一致,表明所建立的运动方程与研究方法是合理的。     

赵庄3#煤中甲烷吸附特性的分子模拟

基于巨正则蒙特卡洛(grand canonical Monte Carlo, GCMC)方法研究了温度、压力及煤层含水率对甲烷在赵庄3#煤孔隙内吸附性能的影响规律。结果表明,甲烷吸附量随着温度及含水率的升高呈下降趋势,不同温度及含水率条件下甲烷吸附均符合Ⅰ型吸附等温线类型,可采用Langmuir吸附方程描述。采用Langmuir吸附方程拟合得到了适用于预测甲烷在不同温度、含水率条件下的吸附等温线方程,对赵庄3#煤中煤层气的开采具有一定的指导意义。     

考虑温度影响下煤层气解吸渗流规律试验研究

通过不同温度条件下煤层气渗透率、渗流量测定的试验,研究了温度条件下煤层气渗透率、渗流量的影响因素,得到考虑温度情况下的煤层气解吸渗流规律。利用三维应力条件下煤样吸附解吸试验系统,在三轴渗透仪中加入温度控制系统,测定煤样在温度、围压、轴压和孔隙压力的不同组合情况下的渗透率和渗流量。结果表明,在相同围压、轴压和孔隙压力情况下,煤样渗透率随温度的增加而减少;不同温度条件下,渗透率随孔隙压力的增加均以指数形式递增。在相同围压、轴压和孔隙压力情况下,等温解吸时,煤样渗流量随温度的增加而减少;升温解吸时,煤样20℃吸附、升温至40℃解吸时渗流量比20℃吸附、20℃解吸时明显增加;等温或升温情况下,渗流量随孔隙压力增加均呈现非线性递增关系。这一规律对煤层气热采方式的选择具有重要指导意义。     

煤层瓦斯运移机制的关键参数表征

 煤层的瓦斯扩散系数、浓度流动系数、初始运移强度系数和衰减系数,是煤体孔隙结构和煤质特性的力学表征。为研究煤层瓦斯运移机制,量化煤层瓦斯运移能力,依据Fick扩散理论和质量守恒方程,建立了描述煤体瓦斯浓度与扩散速率的计算模型,采用变量分离法进行数学求解,并通过数据迭代方法获取煤体内瓦斯的扩散系数和表面浓度流动系数;通过室内4种煤样瓦斯运移实验数据比较发现,煤体瓦斯质量增量与运移时间成负指数关系,且随煤阶升高而增大;瓦斯运移速度和衰减系数取决于煤的吸附能力和煤质组分,且煤种之间差异明显;渗透率与扩散系数成线性关系,与流动系数成二次函数关系,且随煤阶升高整体呈增加趋势。     

气体压力加卸载过程中无烟煤变形及渗透特性的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以无烟煤型煤试件为研究对象,进行不同轴压、围压条件下气体压力加卸载过程中渗流试验研究,模拟不同煤层深度,以探讨煤变形及瓦斯运移演化规律.研究结果表明:(1)在加载过程中,煤应变量减小,吸附瓦斯产生较大的膨胀变形,呈现线性关系,在卸载过程中,煤应变呈增大趋势,煤逐渐被压缩.随轴压、围压增大,下降单位气体压力引起的煤应变升高量降低,应变响应程度减小.(2)在加载过程中,随气体压力升高,渗透率先减小后增大趋势,煤渗透率呈类似“V”型变化趋势,气体压力在1.2 MPa左右存在明显的拐点,体现煤孔隙扩张的程度和吸附瓦斯层增厚程度影响,依赖于吸附作用或有效应力占主导地位.在卸载过程中,随着气体压力降低,煤渗透率呈先减小后增大趋势,渗透率增大且变化速度加快,主要依赖有效应力作用或基质收缩的主导地位差异.(3)随有效应力的增大,煤渗透率呈先减小后增大的趋势.煤渗透率随有效应力增大呈对数函数或指数函数关系.(4)气体压力具有典型二阶段特征,同时渗透率与体积应变具有密切关系,体现出有效应力、吸附膨胀与煤基质收缩同时对裂隙等内部结构的影响.     

地电场作用下煤中甲烷气体渗流性质的实验研究

针对地球物理场中地电场对煤层瓦斯渗流性质的影响，在实验室采用三轴渗流实验装置和电场实施装置，研究了电场作用下煤中甲烷气体的渗流性质。实验结果表明：(1)加电场后，甲烷气体渗流速度比无电场时要大，并且渗流速度随甲烷气体压力梯度增大成线性增加；(2)加电场后，煤中甲烷气体渗流量随电压(电场强度)升高近似成线性增大：(3)煤化程度越高的煤导电性越好，且甲烷气体在煤中的电动效应越明显；(4)同时，加电场后，煤的等效渗透系数可表达成ke=k(1 βE)。此项实验研究探索为电场作用下的煤层中瓦斯渗流及运移规律的进一步研究奠定基础。     

三轴应力条件下煤层气储层渗流滞后效应试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤岩热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试件为研究对象,进行不同温度和不同围压条件下煤层气储层渗透率演化规律的试验研究。研究煤层气在煤层气储层中的运移规律并采取相应的煤层气抽放措施,可以预防煤与瓦斯突出或者对煤层气储层中赋存的煤层气进行合理利用,对于矿井建设和实现煤与煤层气共采均具有重要的实际意义。试验结果表明：(1) 在不同试验条件下,煤岩三轴压缩试验过程中普遍存在着煤层气渗流速度变化滞后于应变和应力的现象,煤岩的体积最小点滞后量较大;(2) 煤岩的体积最小点滞后量和应力峰值点滞后量在温度越高的试验条件下呈减小趋势;(3) 煤岩所受围压通过压缩煤样侧壁,导致其内部结构变化而对煤岩的煤层气渗流速度起到阻碍作用,围压越大,体积最小点滞后量越大。     

吸附不同气体对煤岩渗透特性的影响

注CO2或者CO2/N2混合气强化煤层气开采以及进行CO2封存时,气体的吸附/解吸会影响煤岩的渗透特性。采用自行研制的煤岩三轴渗流装置进行恒定有效应力、不同气体压力条件下,煤岩吸附纯CO2,CH4,N2以及不同配比的CO2/N2混合气体对渗透特性影响的试验研究,以探讨煤岩在气体压力以及吸附作用下渗透特性的变化规律。结果表明:(1)气体组分固定的条件下,煤样渗透率随气体压力的增加呈负指数减小。(2)相同气体压力条件下,煤样吸附气体后渗透率都有不同程度的下降,且下降幅度跟吸附气体的组分有关,吸附纯CO2下降的幅度最大,吸附CH4次之,吸附N2最小;吸附CO2/N2混合气时,其中CO2组分浓度越高,煤样渗透率越低,但当N2量达到一定比例时,煤样渗透率会得到改善。(3)气体压力加卸载过程得到的煤岩渗透率–气体压力关系曲线存在滞后现象,这与气体在煤岩中的吸附/解吸曲线滞后有关,因此煤岩渗透率跟压力路径有关。试验结果对于煤矿瓦斯抽采以及CO2或烟道气注入煤层后的储层渗透率的预测与控制具有重要指导意义。     

煤的变质程度、孔隙特征与渗透率关系的试验研究

以贵州六盘水矿区中高变质程度的原煤为对象,利用TESCAN VEGA II型自带能谱扫描电镜、ASAP2020型比表面微孔分析仪,对煤样的内外部孔隙特征进行研究;借助自主研制的三轴渗流装置,进行不同瓦斯压力条件下含瓦斯型煤的三轴渗流试验。结果表明：(1) 煤的变质程度与内外部孔隙特征呈正相关关系,变质程度越高,原煤的分形维数越高,原煤的吸附量和孔容也越大;(2) 原煤的内外部孔隙特征与渗透率呈正相关关系,内外部孔隙越发育,渗透率越大;(3) 在恒定平均有效应力和温度条件下,随瓦斯压力的增大,渗透率先急剧降低,而后降低趋势渐缓,且渗透率与瓦斯压力服从指数分布关系。研究结果对贵州六盘水矿区瓦斯灾害的防治和煤层气的开发利用具有一定的理论指导意义。     

CO2驱替煤层CH4试验研究

 通过对大煤样试件(100 mm×100 mm×200 mm)进行注CO2驱替煤层CH4试验,较真实地模拟在煤层中储存CO2以及驱替开采煤层气的过程。研究发现：CH4在煤体中渗透率与体积应力呈负指数相关规律;煤体对CO2的渗透率高于对CH4气体的渗透率2个数量级以上;随体积应力及驱替压力的不同,单位体积煤体可储存17.47～28.00体积CO2,CO2/CH4置换体积比可达7.03～13.91;在恒定体积应力及驱替压力条件下,CO2注入、CH4置换、产出均能够平稳进行;2种不同煤层CH4含量条件与驱替置换方式下,产出气体中初期CH4含量高达20%～50%,随时间延续产出气体中CH4含量有所下降,但仍能持续保持在10%～16%;驱替压力、驱替速度、注入倍数、煤层CH4含量、储层结构及其渗透性等因素共同决定着CO2/CH4驱替置换效果;在CO2注入煤体进行置换吸附期间,受气体吸附解吸、煤基质自身变形等因素影响,煤体会发生膨胀现象。该研究成果对CO2煤层处置及驱替置换开采煤层气实践具有重要理论意义与指导价值。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

水分对煤体瓦斯吸附及径向渗流影响试验研究

 为了解水力化钻孔周围煤体瓦斯径向渗流特性,利用自行研制的径向瓦斯渗流试验系统,对青东煤矿突出煤层试样,进行干燥煤样、液态水润湿煤样、吸附瓦斯后高压注水煤样的等温解吸及径向稳态渗流试验。结果表明：(1) 相同平衡压力下,高压注水煤样等温吸附量高于干燥煤样,均显著高于液态水润湿煤样的吸附量。(2) 随含水率增加液态水润湿煤样等温吸附量逐渐降低,呈对数函数关系,得出各系数随吸附压力变化的拟合函数。(3) 相同覆压下,高压注水煤样瓦斯渗透率显著高于干燥煤样渗透率,液态水润湿煤样渗透率略低于干燥煤样渗透率;且液态水润湿煤渗透率随含水率增加而降低,在低瓦斯压力阶段尤为显著。根据试验结果分析水分对径向瓦斯渗流特性的影响机制,并指出水力化钻孔径向瓦斯流动经过原始解吸渗流区、压力水抑制解吸渗流区、液态水自然润湿解吸渗流区3个区域。     

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

 介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100 MPa、最大围压为10 MPa、最高加热稳定温度为100 ℃,试件尺寸为f 50 mm×100 mm。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2) 实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3) 实现“面充气”,更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4) 设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5) 数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6) 设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7) 具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。     

三轴应力条件下温度对原煤渗流特性影响的实验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,测定煤样在不同有效应力、不同瓦斯压力、不同温度条件下的渗透率,探讨不同有效应力和不同瓦斯压力条件下,煤样渗透率与温度的关系。在实验研究的基础上为消除试件个体差异的影响,客观地反映温度对渗透率影响程度的大小,定义温度敏感性系数,进而研究温度对渗透率的影响程度与温度的关系。研究结果表明：(1) 当有效应力和瓦斯压力保持恒定时,随着温度的升高,煤样渗透率会逐渐降低,温度敏感性系数逐渐降低,即温度越高,温度对渗透率的影响程度越小;(2) 在相同温度条件下,有效应力、瓦斯压力越大,温度敏感性系数越低,温度对渗透率的影响程度越小。