有效应力对煤层渗透性影响的实验和模型研究

与常规储层相比,煤层气储层具有一些典型的特点:压缩性强,孔隙/裂隙结构复杂,孔隙度/渗透性低等,煤岩应力敏感机制和影响因素更加复杂。针对滇东黔西地区煤岩,采用非稳定压降法测定不同有效应力条件下不同方向的煤岩渗透率。并结合压汞,扫描电子显微镜(SEM)和微计算机断层扫描(micro-CT)手段来分析煤样孔隙/裂隙结构,评价其渗透率应力敏感性及损害规律,并揭示其应力敏感机理。结合实验结果,建立了改进的Walsh应力-渗透率模型。实验结果表明,垂直和平行于层理面的煤岩渗透率随有效应力均呈指数变化,初始阶段煤岩渗透率下降显著,最终趋于平缓。垂直和平行于层理面的煤渗透率有效应力敏感性均较强,初始渗透率越低,应力敏感性越强。利用改进的渗透率模型预测误差在15%以内,可以满足渗透率的工程要求。研究结果对煤层气产能预测和生产制度的优化具有一定意义。     

孔隙压力升降条件下煤岩双孔隙渗透率模型研究

孔隙压力是控制煤岩渗透率的关键因素,为探究煤岩渗透率在孔隙压力升降过程的响应机制,利用含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别开展不同平均应力条件下孔隙压力升高和降低的渗流试验。基于煤岩具备的双孔隙结构介质的特性,综合升压过程中煤岩力学效应、滑脱效应、吸附膨胀及吸附层厚度变化等因素,构建包含基质与裂隙的双孔隙渗透率模型。通过引入修正函数L(p),进一步量化降压过程中煤岩渗透率变化情况,并利用试验数据验证新建渗透率模型的合理性。研究结果表明：(1)当平均应力一定时,基质渗透率随孔隙压力增大呈先急剧减小后缓慢减小的变化趋势,裂隙渗透率的变化规律与煤岩总渗透率的变化规律较为接近;(2)当平均应力一定时,孔隙压力升降过程中的煤岩总渗透率均呈“V”型变化,但对于同一孔隙压力,降压过程总渗透率要低于升压过程总渗透率;(3)利用渗流试验数据对模型进行验证,发现新建双孔隙渗透率模型能够与试验结果保持一致;(4)修正函数L(p)中的敏感性系数c影响渗透率随孔隙压力变化的曲线斜率,敏感性系数d影响渗透率曲线整体高度。     

煤岩基质-裂隙相互作用下渗透特性研究

为研究煤层气开采过程中温度、气体压力对煤岩吸附和渗流特性的影响,利用等温吸附试验装置与含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别进行等温吸附试验及不同温度条件下变气体压力的三轴渗流试验。考虑应力作用下毛细管分形特征,建立了裂隙体积应力敏感性模型,并在此基础上建立考虑煤基质内部膨胀变形、温度及气体压力变化的煤岩渗透率模型。结果表明：(1)在相同温度下,随着气体压力升高,煤岩瓦斯吸附量逐渐增大,但吸附速率呈相反趋势。在相同气体压力下,随着温度升高,瓦斯吸附量呈下降趋势。当有效应力恒定时,煤岩吸附变形量随着气体压力增大而增大,并且随着温度增大而减少。(2)在外部应力作用下,煤岩内部毛细管侧面发生收缩并产生径向延展。新建裂隙体积应力敏感性模型计算得到的裂隙压缩系数与实验室所得值在同一数量级,并随有效应力升高呈下降趋势。(3)新建渗透率模型能较好反映不同温度、气体压力下渗透率演化规律。在相同温度下,随着气体压力升高,煤岩渗透率先急剧下降后趋于平缓,孔裂隙周围基质膨胀变形对于渗透率的影响逐渐降低。     

瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。     

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。     

多级加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流轴向效应及应用

为了获取工作面采动影响下煤体平行层理及垂直层理裂隙方向的瓦斯渗流规律,采用真三轴瓦斯渗透实验装置对层理裂隙煤样进行多级加卸载路径下轴向瓦斯渗流实验。实验表明:煤样在多级加载过程中经历压实、弹性变形和塑性变形3个阶段,2个轴向的瓦斯渗透率均随应力的增加而降低;卸载过程中,2个轴向的瓦斯渗透率均有部分恢复;加卸载下平行层理x轴向的瓦斯渗透率始终大于垂直层理y轴向。实践中在回采工作面前方布置了垂直层理和平行层理方向的2种钻孔考察瓦斯抽采量。实践表明:加卸载条件下层理裂隙煤样2个轴向的瓦斯渗透特性能真实反映受采动影响的煤体内瓦斯渗透规律;但煤样的加卸载过程不完全等同于回采工作面煤层应力"三区"变化过程,回采工作面充分卸压后的煤体各向渗透率均有较大提高。     

机械振动作用下含瓦斯煤岩渗透率演化规律研究

为研究机械振动对含瓦斯煤岩渗透率演化规律的影响,从应力平衡角度出发,考虑煤岩体受机械振动应力衰减的特殊性,建立振动作用下含瓦斯煤岩渗透率变化方程,求出不同振动时间、孔隙压力和振动频率下含瓦斯煤岩的渗透率。试验发现:机械振动产生的应力波能够加快煤岩体内部裂隙的发育;煤岩渗透率随孔隙压力的变化规律符合Klinkenberg效应。应用渗透率变化方程计算得出的理论值能够较好地反映试验所获得的渗透率演化规律。     

不同加卸载下层理裂隙煤体的渗透特性研究

为获取不同载荷条件层理裂隙煤体渗透演化规律,采用煤岩渗透-力学试验系统,在加载、卸载过程中对含层理原煤试件进行渗透实验研究。实验结果表明:加载阶段,随着有效应力的增大,层理面间隙宽变小,渗透率降低,加载初期的渗透率急剧降低,当有效应力从1 MPa升高到7MPa时,渗透率下降近81%,随后渗透率的变化趋于平缓;卸载阶段,随着围压的不断卸除,受压的层理裂隙得以逐渐恢复,渗透率逐渐增大,但最终渗透率只恢复到初始值的14%,即加载过程煤体层理裂隙变形、闭合对裂隙面造成永久性的损伤,使得在卸载过程中难以恢复而造成渗透率损失;并结合实验条件建立了层理裂隙煤体渗透率与有效应力之间的理论模型,与实验结果对比分析,具有较好的吻合度。     

深部含瓦斯煤体渗透率演化及卸荷增透理论模型

利用渗透率理论模型对深部煤层渗透率的变化进行了探讨,认为深部煤层地应力主导有效应力的变化,直接或间接的控制着渗透率。要有效增加煤层的渗透率,只能降低地应力。据此开展了煤体卸荷渗透率试验研究,获得煤体卸荷过程中既存在原始裂隙的扩展,也有新生裂隙的产生,两者的综合作用是导致卸荷煤体渗透率骤增的原因。在实验和理论分析的基础上提出了煤体卸荷渗透率演化概念模型,建立了考虑有效应力和瓦斯吸附/解吸变形等因素的、以应变为变量的煤体卸荷损伤增透理论模型。该模型搭建了煤体卸荷与增透的桥梁,可采用岩石力学软件获得的采场围岩应力场和应变场计算得到卸荷后煤岩的渗透率演化规律。最后在窑街煤田海石湾煤矿进行了应用,理论模型的应用使瓦斯抽采设计更科学和有效。     

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。     

煤层钻孔瓦斯抽采效果影响因素分析

为研究瓦斯抽采效率的影响因素，考虑吸附瓦斯与游离瓦斯建立了煤层瓦斯流动的流固耦合模型，本文采用COMSOl数值模拟软件，分析了不同初始地应力、初始渗透率以及钻孔直径条件下的瓦斯抽采效果以及抽采有效半径变化情况。研究结果表明：初始地应力、初始渗透率和钻孔直径均会影响瓦斯抽采效果，但其对瓦斯抽采效果的影响程度不同；抽采有效半径对初始渗透率的变化最敏感，钻孔直径次之，对初始地应力的敏感程度最低；在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的增加变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。     

保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律试验研究

为分析保德矿区煤体渗透率对层理夹角的响应规律,制备了与层理呈不同角度的煤体试样,利用QTS-2煤岩渗透率测试仪,对不同围压、不同进气压力下的煤体渗透率进行了测试,分析了不同角度下气体渗流的容易区与困难区特征。结果表明:保德矿区煤体渗透率对层理角度的响应规律明显,随着气流方向与层理角度的增大,煤体渗透率呈线性减小的规律,0°角与90°角煤样的渗透率差1～2个数量级;随着围压的增大,煤体渗透率呈幂指数减小规律。煤样渗透率反映的是瓦斯气体沿流动方向的难易程度,在实际的瓦斯抽采工程中,当钻孔平行于层理布置时,煤体瓦斯流动的方向反而使垂直于层理,渗透率最小;当钻孔垂直于层理布置时,煤体瓦斯流动的方向反而平行于层理,渗透率最大。     

考虑动态滑脱的页岩微裂隙表观渗透率演化机制

为研究页岩气开采过程中有效应力、气体吸附及滑脱效应作用下微裂隙表观渗透率的演化机制，利用分形理论表征微裂隙气体总流量，并基于Hagen-Poiseuille二阶滑脱方程建立微裂隙变形和滑脱效应综合作用的表观渗透率模型。同时，结合滑脱系数与固有渗透率间的函数关系，量化有效应力和气体吸附等因素对滑脱系数的影响，探讨页岩气渗流过程中滑脱系数动态演变过程，并验证模型可靠性。此外，结合敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数对滑脱系数的影响。结果表明：(1)恒定外应力和恒定有效应力条件下，随孔隙压力逐渐增大，受气体吸附与滑脱效应的耦合影响，表观渗透率呈减小趋势；(2)当外应力恒定时，气体分子平均自由程随孔隙压力增大而减小，滑脱效应减弱，一阶、二阶滑脱系数C1、C2减小，整体滑脱系数B增大；当有效应力恒定时，页岩气渗流通道受制于气体吸附的影响而逐渐减小，C1、C2和B逐渐增大；(3)基于模型敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数与滑脱系数之间的互馈机制，其中微裂隙压缩性系数、分形维数导致固有渗透率增大，而C1、C2、B减小；内膨胀系数的增大导致固有渗透率减小，C1、C...     

逆断层区域采动煤体渗透率模型构建及应用北大核心

逆断层区域构造应力与地应力叠加,挤压应力形成的力学特点导致瓦斯积聚,煤体渗透率发生改变,采掘期间容易引起瓦斯涌出异常,甚至发生煤与瓦斯突出事故。为了掌握逆断层区域采动煤体渗透率演化规律,首先开展了逆断层区域采动煤体渗透率测试试验,通过应力加卸载方式模拟逆断层影响下采动煤体应力变化,得出:在峰前阶段,煤体压缩、裂隙闭合,煤体渗透率降低;峰后阶段,煤体应力达到峰值,原有裂隙扩展连通,同时产生新裂隙并出现损伤,煤体渗透率增加并达到最大值;第1组加载方案模拟工作面前方煤体应力集中系数逐渐增大条件下,M1、M2和M3煤样的渗透率分别提高了22.1%、28.0%和36.7%,第2组加载方案模拟模拟工作面前方煤体应力集中系数先增大后减小条件下,M4、M5和M6煤样的渗透率分别提高了23.6%、37.2%和20.8%。然后结合煤体渗透率试验结果,建立了逆断层影响下采动煤体渗透率表征模型,推导出煤体峰前和峰后阶段渗透率计算表达式,用瓦斯吸附/解吸造成煤体体积应变的函数来表示吸附/解吸对煤体裂隙体积的影响,从而更加准确的表征逆断层影响下采动煤体渗透率。最后将渗透率模型导入COSMOL软件,结合新春煤矿1503工作面F4逆断层现场情况进行模拟计算,得出随着与逆断层距离减小,煤体应力集中系数增大的情况下,煤体瓦斯压力和渗透率峰值均逐渐增大,容易造成瓦斯涌出异常,需要加强瓦斯浓度监测。     

基于煤体正交各向异性特征的气固耦合模型及应用

为了描述各向异性煤层与瓦斯耦合过程中的渗透演化规律,在煤体结构为正交各向异性假设的基础上,利用吸附作用下煤体变形叠加关系,建立正交各向异性渗透率方程,进一步推导出考虑煤体正交各向异性特征的气固耦合模型,利用该模型分析了九里山矿二1煤不同吸附压力下渗透率变化规律和亭南矿4#煤层钻孔倾角对抽采效果的影响。结果表明：在相同的围压下,面割理、端割理、垂直层理方向渗透率模拟结果随着瓦斯压力的增大而减小,规律与实验结果一致;渗透率模拟结果和实验结果在面割理、端割理、垂直层理方向的平均相对误差分别是2.55%、14.19%、4.26%,误差分析表明气固耦合模型合理;瓦斯抽采量随着钻孔倾角的增大而增加,在钻孔抽采设计时,增大钻孔与煤层层理面之间角度可以提高瓦斯抽采量。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。     

非均匀煤岩双重介质渗流-应力耦合模型

为了模拟裂隙和非均质煤岩损伤劣化对煤层瓦斯抽放过程的影响,将煤岩视作拟连续介质和裂隙组成的双重介质.拟连续介质(煤岩)视作弹性损伤材料,煤岩的弹性模量、强度的非均匀性用Weibull分布模拟,裂隙利用薄层Desai单元模拟.基于弹性损伤理论考虑煤岩应力状态及损伤与透气系数的耦合,建立了煤岩瓦斯渗流-应力耦合模型,并在数值计算程序Coupling Analysis中开发了相应的计算模块.利用建立的模型模拟了某瓦斯抽放试井瓦斯抽放,结果表明在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发部分煤岩单元发生损伤,损伤区透气系数最大增加了约2.7倍,受围压影响,非损伤区的透气系数减小,减小的最大幅度达到95%.研究表明,建立的模型能较好地模拟煤岩应力和损伤及煤岩力学参数的非均匀性对透气系数的影响,从而为瓦斯抽放过程模拟提供了一种有效方法.     

鄂尔多斯盆地不同割理方向煤岩应力敏感性研究

煤层气开发过程中煤岩应力敏感性对渗透率产生影响,而渗透率的变化直接决定着煤层气资源商业开采的成败。试验测定了鄂尔多斯盆地老坑口矿井煤岩在平行面割理、垂直面割理及垂直层理面3个不同方向的渗透率随有效应力变化情况,对比分析了增压过程和降压过程中不同割理方向煤岩应力敏感性差异。结果表明:不同割理方向煤岩应力敏感强烈阶段有所不同,平行面割理方向应力敏感强烈阶段集中在有效应力小于8 MPa,垂直面割理及垂直层理面则分别在6和4 MPa附近;鉴于煤层气井排采中储层应力敏感效应的影响,提出动液面在接近煤层中深200 m后,谨慎降液排采,同时建议实施减小渗透率降低幅度和时间的排采;基于平行面割理方向煤岩渗透率更有优势,因此,井网长轴平行面割理方向是井网部署合理方向。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

轿子山煤矿下保护层开采时煤层渗透特征研究

为研究下保护层开采上覆煤层应力演化及渗透率演化规律,以轿子山煤矿８煤和９煤为研究对象,运用 COMSOL建立煤层开挖模型,研究下保护层顶板应力演化及８煤和９煤渗透率变化规律,并进行现场试验验证.结果表明:随着保护层的持续推进,工作面前端应力集中达到了８ MPa左右,与原始应力对比增加了８倍;保护层开采至８０ m 时,８煤渗透率从２．８×１０－１７ m２ 增加到４．０×１０－１７ m２,９煤渗透率从２．６×１０－１７ m２ 增 加 至 １６×１０－１７ m２,分 别 增 加 了７１．６７％和５８６．７０％;８煤瓦斯抽采数据显示,保护层开采使瓦斯抽采量提升了１４倍左右,瓦斯抽采峰值流量达到３５m３/min.保护层推进８０m 以后,受煤岩自重影响,煤层裂隙出现闭合,瓦斯抽采量下降至２５m３/min左右.钻孔窥视表明,保护层开采影响４０m 左右煤岩,该结果与数值模拟结果类似.