黔西土城向斜煤储层覆压孔渗试验研究

为研究土城向斜中阶煤煤储层孔隙度、渗透率、应力敏感性特征及对煤层气开采的影响，采集土城向斜1号、3号、5号、15号、17号、291号、292号煤层煤心煤样，以覆压孔渗试验为手段，对比各煤储层孔隙度和渗透率随有效应力的变化规律，利用孔隙度应力损害率、渗透率应力损害率及渗透率曲率等参数，分析了各煤储层有效应力敏感性。结果表明：煤储层随有效应力的增大，孔隙度及气体渗透率均呈负指数降低；试验煤储层应力敏感性系数为0.035～0.073 MPa-1,3号煤层应力敏感性回归系数最大;孔隙度应力损害率随有效应力的增加而增加，埋深较浅的3号煤层的应力损害率相对较大；渗透率应力损害率随有效应力的增加而呈指数增加，3号煤层的渗透率损害率明显大于其余煤样；煤储层渗透率曲率随着有效应力的增加，应力敏感性呈指数减弱；在相同有效应力下，3号煤层应力敏感性大于5号、15号、29号煤层，1号、17号煤层应力敏感性最弱。     

煤储层应力敏感性及影响因素的试验分析

采用鄂尔多斯盆地东南缘高煤级煤储层样品,通过煤样的应力敏感性试验,分析了煤储层应力敏感性及有效围压、煤中裂隙和含水情况等对煤储层应力敏感性的影响。研究结果表明：煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,当有效应力从2.5 MPa增加到10 MPa时,煤样无因次渗透率为0.10～0.28,平均低于0.15,渗透率损害率为71.92%～90.14%,平均为84.59%。在有效应力小于5 MPa时,煤储层渗透率随有效应力增加快速下降,应力敏感性最强;有效应力在5~10 MPa时,渗透率随有效应力增加而较快下降,应力敏感性较强;而当有效应力大于10 MPa后,渗透率随有效应力的增加下降速度减缓,应力敏感性减弱。含裂隙煤样初始渗透率较高,且应力敏感性相对较小;但在升压过程中产生不可恢复的塑性变形大,导致降压后不可逆损害率相对较高。同样,含水煤样的渗透率随有效应力的增加而快速下降,含水条件下的应力敏感性也更明显。     

有效应力对煤层气储层各向异性的影响

为研究煤层气开发过程中有效应力增加对煤储层孔渗各向异性的影响,采用不同方向的煤岩样品对沁水盆地南部煤层气储层各向异性进行了评价。结果表明,煤层气储层孔隙度和孔隙结构具有明显各向异性特征:面割理方向核磁共振曲线为双峰型,以大孔、割理为主;端割理方向为宽底单峰型,以中孔为主;垂直煤层理方向为单峰型,中、小孔发育。有效应力加载至10 MPa后,3个方向核磁共振信号强度均降低,表明煤样部分孔隙被压缩、割理闭合。煤层气储层渗透率具有明显各向异性特征:面割理方向渗透率达到垂直层理方向的9倍以上;随有效应力增加,储层各向异性程度降低,但面割理方向与垂直层理方向渗透率异质程度最强。煤层气储层应力敏感性具有明显各向异性特征:面割理方向应力敏感性最强,应力敏感性系数和渗透率损害率均最大;垂直煤层理方向应力敏感性最弱,应力敏感性系数和渗透率损害率均最低。有效应力卸载后,不同方向煤岩渗透率恢复率不同,面割理方向最高,达到55.3%,垂直煤层面方向恢复率最低,为40.2%。     

孔隙结构控制下的煤体渗透实验研究

煤层为典型的双重孔隙介质体,其渗透能力受孔隙和裂隙结构参数控制。通过建立描述煤体孔隙和裂隙渗透率统一数学模型,将煤体内气体渗流分为孔隙控制型、裂隙控制型和孔隙-裂隙联合控制型3类;借助6组煤样气体渗流实验数据和孔隙裂隙的测试统计,讨论了不同孔隙特征的渗透率差异原因。研究发现,孔隙和裂隙的结构参数决定了煤体的压缩系数和孔渗指数,进而决定了其渗流类型,影响煤体渗透率敏感性的关键因素是裂隙的密度和尺度,微孔中的气体分子受范德华力影响导致渗透率的应力敏感性几乎无法体现。     

煤岩不同含水状态下瓦斯渗流特性试验研究

水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,为更客观地了解煤层不同含水状态下的瓦斯渗透特性,利用三轴渗流试验机,在恒定有效轴向应力和有效围压条件下,对四川省白皎煤矿试样,进行干燥煤样、自然含水煤样、液态水润湿煤样、压力水注水煤样等不同湿润方式煤样的渗流试验。试验结果表明:1)压力水注水煤样(含裂隙)的无因次渗透率随瓦斯压力的增大而逐渐减小,干燥煤样、自然含水煤样、液态水湿润煤样及压力水注水煤样的无因次渗透率均随瓦斯压力的增大呈现先减小后增大趋势,且在瓦斯压力为1.00 MPa左右时存在相对较为明显的变化拐点。2)在干燥煤样、自然含水煤样及液态水湿润煤样的含水率范围内,煤样渗透率与含水率呈线性减小关系。3)在试验范围内,随着含水率的增加,水分对瓦斯压力敏感性的影响越显著,而对压力水注水煤样,水压主要通过产生裂隙来影响煤样瓦斯压力敏感性。     

载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤样全应力应变过程的瓦斯渗流实验。实验结果显示,煤样渗透率与变形之间存在内在关联,渗透率变化呈现阶段性特点。基于考虑气体吸附性的含瓦斯煤有效应力,建立了加载煤样变形与渗透率的相关性模型,研究受荷煤样变形与瓦斯渗流的相互关系。理论分析表明：当应力控制边界条件时,渗透率与煤样变形密切相关;煤样渗透率的变化受到有效应力、煤样变形模量、孔隙率和气体吸附性的共同作用;有效应力系数是联系煤样变形和渗透率的关键参量。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,因此模型反映了不同瓦斯压力下加载煤样变形与渗透率变化的基本特征。     

重复荷载下不同饱水压力中阶煤应力敏感性研究

为了查明煤层气开发中有效应力变化对含水中阶煤储层渗透性的影响,对黔西松河区块1+3号煤层的同一煤柱重复开展了应力敏感性试验,分析了重复荷载作用与饱水压力对煤储层渗透率及应力敏感性的影响机理,并探讨了煤层气井储层改造与排采优化措施。研究表明:重复荷载作用与煤样饱水压力共同影响着中阶煤储层气测渗透率及应力敏感性。随着重复荷载次数增加,煤体发生塑性-弹性变形演化,应力敏感性逐渐减弱,渗透率不可逆损害率降低。与10 MPa饱水压力相比,20MPa饱水煤样初始气测渗透率显著降低,应力敏感性减弱并逐渐趋于稳定。中阶煤储层微观孔裂隙发育,渗透率应力敏感性强,煤层气开发工程中应重视煤储层保护。     

超临界CO_2致裂后页岩渗透率变化规律及影响因素

根据近几年兴起的无水压裂学术思想,采用超临界CO_2压裂后的裂隙页岩体试件(Φ100 mm×200 mm圆柱体试件),开展了不同体积应力和不同温度条件下CO_2渗流实验来模拟压裂后页岩气储层的渗透特性变化,揭示不同因素对裂隙页岩体渗透率的影响机理。实验结果表明:页岩吸附CO_2后渗透率降低;裂隙页岩体渗透率随有效应力的增加呈负指数关系减少;在CO_2超临界温度32~48℃的内页岩渗透率随温度升高而降低,而且渗透率对温度的敏感性也随着温度的升高越来越小;在低压阶段(1~3 MPa),Klinkenberg效应作用明显,在该阶段渗透率随着气体压力的增加而减少,当气体压力在3~5 MPa时,渗透率随气体压力的增加而增加;页岩储层对CO_2的渗透率受地温、地压以及其自身孔隙结构共同影响。     

覆压下煤的孔渗性实验及其应力敏感性研究

采用沁水盆地南部煤样,通过覆压下煤的孔隙度和渗透率实验分析,建立了高煤级煤样孔隙度、渗透性与有效应力之间的相关关系和模型;采用渗透率损害率和应力敏感系数分析了高煤级煤储层的应力敏感性。研究结果表明:煤样孔隙度和渗透率随着有效应力的增加按负指数函数规律降低。在有效应力小于5或6 MPa,煤储层应力敏感系数变化较大,且煤储层应力敏感系数随有效应力增加而快速下降;渗透率损害率随有效应力的增加而快速增大,应力敏感性强;而在有效应力大于5或6 MPa时,煤储层应力敏感系数随有效应力的增加下降速度整体减缓,且存在一定波动变化,应力敏感性减弱,同时渗透率损害率随有效应力的增大而增加较为缓慢。     

温度及应力对成型煤样渗透性的影响

利用吉林华兴矿煤制成成型煤样,在ZYS-1型三轴渗透仪上对型煤试样进行渗流试验。通过试验研究了围压、轴压及温度对成型煤样的渗透率影响,结果表明：① 随着围压增加,煤样渗透率降低。② 偏应力对煤渗透率有很大影响。在围压条件下,随着偏应力(轴压)增加,煤样先发生弹性压缩,渗透率降低,当偏应力增加到一定程度,煤样破坏,伴随着剪切扩容及孔隙和裂隙空间增加,渗透率随之增加。因此,低围压下煤样的渗透率呈“V”型变化,高围压下,煤样的渗透率单调减小。③ 温度对煤中气体的流动有显著影响。温度升高,一方面瓦斯气体的动力黏度增加,另一方面煤内固体颗粒体积膨胀,减小了孔隙和裂隙空间,阻碍气体的流动。     

低煤阶厚煤层水平井方位及选层——以吉尔嘎朗图地区为例

为解决低煤阶厚煤层水平井钻井方位及层位优选难题,基于低阶煤应力敏感性机理和多斜交裂缝水平井产气模型,定量研究了水平应力差、裂缝对水平井方位的影响。通过弱面理论、断裂力学建立起煤层气井井壁稳定计算模型,提出针对厚煤层的测(录)井-脆性指数综合选层方法。研究表明:① 沁南煤岩压缩系数为0.038~0.077,鄂东煤岩压缩系数为0.025~0.074;低阶煤比高阶煤的压缩系数大,含水湿样比干样的压缩系数大;升压时的煤岩压缩系数比降压时大,裂缝样压缩系数降幅大于自然样;② 水平应力差会导致渗透率各向异性,压缩系数和水平应力差是影响水平井方位的两个最重要因素,低煤阶水平应力差大于8 MPa或高煤阶水平应力差大于14 MPa后,最优方位近似平行于最小水平主应力方向。裂缝与井眼夹角大于60°后产气最优,缝宽大于3 mm后产气量对缝宽的敏感度明显降低;③ 面割理倾角小于25°时,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口最大,沿面割理走向的安全钻井液密度窗口最小;倾角大于25°后,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口仍最大,走向与倾向之间的安全钻井液密度窗口最小;④ 吉尔嘎朗图地区水平井优选方位为NE90°~114°,JM-X井生产实践表明该选层方法能有效指导厚煤层选层。     

弱透气性煤层受岩石下保护层开采影响卸压增透效果研究

针对平煤股份十矿大埋深弱透气性煤层下保护层开采工程,采用岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,研究了被保护层变形规律、应力演化过程、卸压保护范围及瓦斯抽采效果。结果表明,随着保护层工作面的推进,其上覆煤岩体同时发生拉伸应力和剪应力破坏,被保护层大量的裂隙扩展发育,孔隙率大幅提高;随着保护层的开采,被保护层呈现出压缩和膨胀的变化规律,位于保护层采空区中部上方的被保护层变形最大,变形膨胀率最大,因此有利于煤层的卸压增透和瓦斯的抽放;岩石保护层开采后对被保护煤层沿倾斜方向预计保护范围卸压角为78°。工业试验显示:在己_15-16-24130岩石下保护层开采后,上覆己_15-16煤层变形膨胀率在0.62%~1.54%,己₁₇煤层变形膨胀率在1.71%~3.67%;在预计保护范围线位置测定的煤层最大综合残余瓦斯压力为0.42 MPa,最大残余瓦斯含量为4.210 7 m³/t。证明预计保护范围是可靠的,为平煤十矿下保护层开采区域瓦斯治理技术的推广应用提供了可靠的依据。     

不同层理方向对原煤变形及渗流特性的影响

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以平行和垂直层理2种不同的原煤试样为研究对象,进行相同有效应力、瓦斯压力条件下,不同轴压、围压组合;相同瓦斯压力、静水压力条件下,不同有效应力的渗流试验,探究其变形及渗透率的差异。研究结果表明：平行层理试样沿z方向的裂隙度φz大于垂直层理试样,垂直层理试样的总裂隙度φ大于平行层理试样;煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向;在静水压力下,平行层理试样渗透率大于垂直层理试样,煤体平行层理方向渗透性高于垂直层理方向;基于平板流体理论,得出了渗透率与径向应变呈二次函数关系,在煤体中平行层理方向的初始裂隙度系数β是垂直层理方向的1.5~2.0倍;当考虑渗流通道为贯通裂隙时,平行层理方向的初始裂隙度φ0与初始裂隙开度平方d20的乘积是垂直层理方向的1.5~2.0倍。     

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。     

地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。     

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。     

水力压裂增透技术在南桐煤矿的应用研究

为探索低渗煤层的瓦斯抽采增产关键技术,提高瓦斯抽采效率,缩短抽采达标时间,针对南桐煤矿瓦斯治理中的难题,开展了煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯技术研究。研究结果表明:水力压裂可在煤层中形成一组沿最大主应力方向延伸、最小主应力方向张开的径向张性裂缝,明显提高煤层的透气性;南桐煤矿K2煤层最大破裂压力为32.0MPa,选择压力为38.0MPa的设备工况进行压裂,单孔平均压入水量400m3左右;-325m7511工作面压裂后钻孔平均每米抽采贡献量是传统工艺的49倍,减少了预抽钻孔工程量,降低了成本,提高了瓦斯抽采效果。     

煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值研究进展

煤与瓦斯突出预测是突出煤层2个"四位一体"综合防突措施的关键环节,对确定突出预测敏感指标及其临界值具有重要意义。以往突出预测敏感指标及临界值的确定,包括地应力指标和瓦斯指标,是通过现场反复测试、试验确定的;而现今的突出防治管理模式不支持这种方法,故只能采取实验室试验研究,主要是针对瓦斯相关指标的研究,结合部分现场验证来确定。选取大隆矿12煤、芦岭矿8煤、祁南矿3煤、朱仙庄矿10煤、童亭矿7煤和新景3煤等6个煤样,煤种涉及中等变质程度的气肥煤到高等变质程度的无烟煤,试验研究了各煤样瓦斯压力P与瓦斯含量W,瓦斯压力P与钻屑瓦斯解吸指标K_1和Δh_2,以及钻屑瓦斯解吸指标K_1与Δh_2之间的关系规律。结果表明:突出预测的瓦斯指标之间具有单值对应关系,但各煤样的这种对应关系是变化的,国家相关标准给出的突出预测指标建议临界值之间并不对应,也不能完全反映煤层的实际突出危险性与突出严重程度,不同变质程度煤层很难存在统一的临界值;应用煤层瓦斯相关指标之间的对应关系,结合突出煤层的实际,如始突深度、突出动力现象、钻孔动力现象等,可间接确定突出预测敏感指标的临界值。同时,未来精细化的突出防治对突出预测敏感指标有更高的要求,进一步研究的方向应包含反映地应力状况、小构造影响下煤层赋存、预测煤层潜在突出强度的指标,以及适应突出灾害差异性的新突出预测方法及措施效果检验方法。