围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

三种应力作用下含瓦斯原煤渗透性分析

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,对杉木树煤矿原煤试样进行了不同轴压、围压、瓦斯压力3种应力因素条件下的室内渗流实验,结果表明:当恒定瓦斯压力与围压不变时,煤样渗透率随轴压的增加而呈非线性降低,且围压越高煤样渗透率越小;当恒定瓦斯压力与轴压不变时,煤样渗透率随围压的增加而呈非线性降低,且轴压越大煤样渗透率越小;当恒定轴压与围压不变时,煤样渗透率随瓦斯压力的增加而呈非线性增加。3种应力因素对煤样渗透率的敏感度由大至小依次为:瓦斯压力、围压、轴压。3种应力因素与煤样渗透率的单因素拟合结果显示,3种应力因素与煤样渗透率均呈指数函数关系。     

淮南矿区典型煤岩体全应力—应变渗透性表征试验

煤岩体是一种多孔介质,地下开挖使岩体的应力状态发生改变,导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变,围岩应力状态和渗流场特性是获取储层瓦斯气、评价或计算矿井涌水量、防突水危害等具体工程问题的理论基础和科学依据。通过对淮南矿区煤岩进行三轴压缩全过程渗透性试验,分析了煤岩变形破坏全过程以及不同围压和瓦斯压力下的瓦斯渗透特性。得出煤岩全应力—应变曲线与煤岩瓦斯渗透率—全应力应变曲线之间的对应关系。结果表明:在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值后呈持续增大之势;固定瓦斯压力作用下,煤样应力峰值随着围压的增加而逐渐增大,煤样渗透性与围压关系呈指数函数变化规律,且表现出应变滞后的特点;固定围压作用下,渗透率与瓦斯压力关系呈“V”字型走势,即在扩容阶段煤岩样渗透性达到最佳。     

含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究

利用自主研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统,测定煤样在含水率、围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到含水率与含瓦斯煤渗透特性之间的关系表达式,揭示了受水分影响的含瓦斯煤渗透特性的一些新的认识：① 不同含水率煤样,固定瓦斯压力条件下,含瓦斯煤渗透率随围压的增大而减小,且呈指数函数关系;② 不同含水率条件下的含瓦斯煤,随着瓦斯压力的增大,含瓦斯煤渗透率的先减小后增大,呈现出“V”字型变化趋势,具有明显的Klinkenberg效应;③ 瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性的影响大于围压的影响;④ 恒定温度环境条件下,含水率对含瓦斯煤的渗透性有很明显的影响,随着煤样中含水率的增加,含瓦斯煤的渗透率逐渐减小,整体呈负指数关系。     

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。     

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。     

煤岩体全应力应变渗透性试验及主控因素分析

对影响渗透性的若干关键因素开展试验研究。系统分析了不同围压下、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态下煤岩样的渗透特性,建立了煤样的渗透性与围压、瓦斯压力和应力应变等主要控制因素之间的定量关系,探讨了不同载荷条件下煤样的控制机制和变形规律。研究结果表明:固定瓦斯压力下,煤样渗透性随围压的增大而减小,服从指数函数变化规律;固定围压作用下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力关系呈"V"字型走势;在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程。     

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。     

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。     

煤岩渗流特征及应力敏感性实验研究北大核心

以山西潞安矿区大平煤矿3号煤层为研究对象,利用HB-2型煤岩样孔渗吸附测量装置,系统探讨了煤渗透率对孔隙压力以及围压的响应规律,定量分析了受载煤样渗透率与孔隙压力及围压之间的关系。结果表明:在低气压条件下煤样渗透率随孔隙压力的增加符合幂函数降低趋势,孔隙压力在临界值1.5 MPa以下时,煤样渗透率更敏感;孔隙压力恒定条件下,煤样渗透率随围压的升高呈幂函数降低趋势,渗透率降幅明显,多高于85%;煤储层应力的变化会对煤渗透率产生50%以上的不可逆损伤,煤体加卸载过程中的渗透率衰减率随着围压升高整体趋势是向下的衰减规律,其局部变化为不仅1个极值的波动特征。     

多因素对煤体渗透率影响的试验研究

为了探讨煤体渗透率的影响因素,利用损伤煤岩体渗流试验系统,进行了不同轴压、围压和瓦斯压力下煤体渗透率的渗流试验。试验结果表明:煤样在相同围压条件下时,渗透率与轴压的关系符合二次多项式函数;煤样在相同轴压条件下时,渗透率与围压的关系符合幂函数;在相同应力情况下,煤样的渗透率随瓦斯压力的升高先降低后升高,呈现"V"字形变化趋势,煤样的临界瓦斯压力值随煤样应力值的增大而增大;煤样轴向渗流的渗透率对围压的敏感性远大于轴压,渗透率对围压的敏感性大约是对轴压的敏感性的8.5倍。     

微米CT扫描尺度下构造煤微裂隙结构特征及其对渗透性的控制

煤中裂隙是煤层气运移的主要通道，是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。我国构造煤普遍发育，不同类型构造煤中裂隙特征差异显著，对煤储层渗透性的影响也不一样。因此，对构造煤中裂隙与渗透性的研究十分必要。选取河南平煤十三矿和山西晋城胡底矿中、高煤阶的2种变形程度构造煤，首先利用环氧树脂制作了柱状构造变形煤样品，解决了构造变形煤制样难的问题；其次通过扫描电镜、微米CT扫描结合数字图像处理技术展现了2种构造煤中开度大于15μm裂隙的发育特征、分布规律、形态与结构的差异性；最后基于泊肃叶定律、三轴渗透实验结合CT扫描裂隙结构参数建立了渗透率预测模型，并探讨了裂隙结构对渗透性的控制机理。研究结果表明，在开度>15μm尺度下弱构造变形煤(偏向原生结构煤)多发育形态简单的大裂隙，裂隙连通性与连接强度均较差，而强构造变形煤中微裂隙形态复杂，裂隙的连通性与连接强度均较好，强构造变形煤的裂隙率大于弱构造变形煤。2种构造煤渗透率随有效应力增大均呈负指数下降趋势。煤储层渗透率受多因素综合控制，包括裂隙开度、数量、体积、连通性与连接强度，其中裂隙开度的影响最为显著。在此基础上，综合考虑到这些控制渗透率的因素以及...     

超临界CO_2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

超临界CO_2压裂作为新兴渗透率强化技术以其对煤岩储层独特的物理化学力学特性改造,以及对储层近乎零损伤的特点受到了研究者的广泛关注。本文通过分析对比不同压裂介质作用下煤岩体的起裂压力与时间、裂缝扩展规律及渗透率变化,结果发现,水力压裂的裂缝扩展形式单一;液态CO_2压裂的衍生裂隙发育程度不高;超临界CO_2压裂形成的层理裂隙与衍生裂隙复杂程度高。特别地,超临界CO_2压裂煤体起裂压力比水力压裂低约39.48%,起裂时间是水力压裂的1.2倍以上,渗透率变化量是水力压裂的3倍左右。总体而言,超临界CO_2对煤储层的物理化学及力学特性的改造,为煤储层致裂增渗、增产煤层气理论与技术取得突破性进展提供了新思路与方法。     

径向钻井技术开发沁水盆地煤层气工艺研究

针对沁水盆地碎裂煤煤体结构,提出采用水力喷射径向钻井与水力压裂等增产联作工艺。先在煤层实施水力喷射径向钻井作业,以形成呈辐射状的径向水平孔,沟通煤储层发育的天然孔隙和裂隙,然后根据储层条件再进行水力压裂改造措施,确保沿着径向孔方向诱导水力压裂裂缝,以增加水力压裂在煤层中形成的裂缝数目,并通过变排量技术控制裂缝在煤层中的延伸高度,最终延长煤层中的有效压裂裂缝长度,使支撑剂填充在有效的煤层裂缝中。同时在水力压裂之后,可根据煤储层地质特征,增加酸化作业,以酸溶煤储层割理中的可溶性矿物质,达到进一步提高煤储层渗透率的目的。     

围压对原煤和型煤渗透特性影响实验研究

为研究型煤与原煤的渗透特性与围岩应力之间的关系,使用MZY-Ⅰ型煤层渗透率测定仪分别对原煤与型煤进行渗透率测定,分析了不同围压、不同瓦斯压力下原煤与型煤渗透率的变化规律。研究结果表明:(1)在围压不变的条件下,受Klinkenberg效应的影响,原煤与型煤的渗透率随瓦斯压力的增大而减小,且煤样渗透率随瓦斯压力的增加呈负指数函数变化;(2)在瓦斯压力不变的条件下,原煤及型煤煤样的渗透率与围压呈负相关关系;(3)在相同条件下,型煤的渗透率大于原煤;随瓦斯压力增大原煤渗透率下降幅度小于型煤。     

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。     

不同应力路径下含瓦斯煤渗透特性的实验研究

通过对含瓦斯煤渗透特性的实验研究,系统分析了不同应力路径下含瓦斯煤的渗透率变化规律,建立了含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压及瓦斯压力等之间的定性与定量关系,探讨了不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明应力路径对含瓦斯煤的渗透率有着重要影响:1)含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增加。2)含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力呈指数关系变化。3)三轴压缩下全应力-应变实验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈"V"字型走势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,而且渗透率的增加速率小于其减小速率。     

水力压裂煤裂隙网络表征与造缝性能评估试验研究

煤裂隙网络的准确表征可以有效评估深部煤层经水力压裂后的压裂效果，为了定量评估煤层经水力压裂后的复杂程度，利用自制的真三轴试验系统进行了煤的水力压裂试验，结合CT扫描，重建了具有拓扑结构的孔裂隙网络，用分形理论和拓扑学定量表征了断裂网络的复杂程度。探究了在真三轴应力条件下，中间主应力对裂缝网络复杂程度的影响。结果表明：压裂后煤样的二维分形维数变化率K为1.03%～7.10%，三维分形维数的变化率为3.50%～9.18%，经过水力压裂后煤样的二维和三维分形维数均显著增大。基于分形理论和拓扑学的方法能有效表征水力压裂的裂缝结构和造缝能力。压裂后煤样的二维拓扑参数为1.18～1.52，与压裂前后煤样的二维分形维数变化率呈正相关关系，二维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大逐渐减小。重构的内部结构和裂缝分布表明，压裂后的三维分形维数比二维分形维数更具优势，压裂后煤样的三维拓扑参数为1.82～1.93，随着三维分形维数变化率的增加而增大，三维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大而增大。中间主应力对煤层的造缝能力存在积极影响。水力压裂前后的分形维数和拓扑参数都随着中间主应力的增大而增大，...     

煤储层破裂压力对压裂改造的影响与工程应用

我国煤储层渗透率普遍较低,低渗储层直接进行地面煤层气开发的效益较低,而水力压裂是增加煤储层渗透率和导流能力的有效手段。通过对沁水盆地PN-1井、PN-2井的测井参数进行分析,掌握煤储层的岩石力学特征,为煤储层水力压裂参数优化提供指导。结果表明：2口井的测井数据反演的煤层具有低泊松比、低杨氏模量、低强度、低破裂压力的特点;通过在前置液阶段控制施工排量及施工压力、提高阶段液量,可以有效避免压裂裂缝沿煤层顶底板之间的层间界面延伸及扩展至煤层顶底板;测井数据反演的PN-1井煤层破裂压力与实际压裂施工的破裂压力较接近,误差仅为3.01%,对压裂施工参数优化的指导意义较高;PN-2井煤层破裂压力略低于顶底板岩层的破裂压力,压裂初期的施工排量偏高,导致施工压力达到顶底板的破裂压力,压裂裂缝在顶底板之间延伸形成单一裂缝,改造效果及产气效果均较差。     

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。