高階煤滲透率溫度應(yīng)力敏感性試驗(yàn)研究

陳術(shù)源,秦 勇,申 建,汪 崗,侯曉偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

高階煤滲透率溫度應(yīng)力敏感性試驗(yàn)研究

陳術(shù)源1,2,秦 勇1,2,申 建1,2,汪 崗1,2,侯曉偉1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

煤儲層滲透率對溫度和應(yīng)力的敏感性響應(yīng),是深部煤儲層物性評價的基礎(chǔ)參數(shù)之一。以山西晉城無煙煤樣為研究對象,利用高溫覆壓孔滲測定儀測定了煤樣的孔隙率和滲透率,分析了其對溫度和壓力的敏感性。結(jié)果表明:高階煤的孔隙率、滲透率與壓力呈冪函數(shù)式負(fù)相關(guān)關(guān)系,在低壓階段隨著壓力升高迅速降低,在高壓階段趨于穩(wěn)定。高階煤滲透率對溫度不敏感,當(dāng)壓力低于2 MPa時隨著溫度的升高而降低,壓力高于2 MPa則與溫度之間關(guān)系不顯著。壓力是影響高階煤孔隙率和滲透率的主要因素,而溫度對孔隙率和滲透率影響較小?；谇史治龇椒▽Τ汕f高階煤滲透率應(yīng)力敏感性進(jìn)行了分析,并與鄭莊高階煤和韓城高階煤對比顯示,成莊礦高階煤的應(yīng)力敏感性在低應(yīng)力位置較強(qiáng)。因此,成莊礦進(jìn)行煤層氣開發(fā)時,需制定合理的排采制度,避免滲透率應(yīng)力敏感性導(dǎo)致的負(fù)產(chǎn)能效應(yīng)。

高階煤;孔隙率;滲透率;溫度;應(yīng)力敏感性

煤層滲透率是影響煤層氣開發(fā)關(guān)鍵因素。煤層中的大孔裂隙及割理變化對滲透性的影響較大,地應(yīng)力對孔裂隙的壓縮性和煤層滲透率影響較大[1-2],并且還受地溫、含水狀況等影響,尤其是深部特有的較高溫較高壓條件對煤層滲透性影響更大,認(rèn)為滲透率與有效應(yīng)力、彈性模量、泊松比均呈負(fù)指數(shù)關(guān)系[3-5];溫度對滲透性的影響主要體現(xiàn)在控制煤的力學(xué)性質(zhì),溫度的變化會影響煤層的彈性模量和剪切模量及泊松比等[6-7]。

前人發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,煤層的彈性模量會平緩降低[8],在室溫到300℃時,滲透率會隨溫度改變[9],溫度對煤巖滲流能力的影響受控于煤階而且極為復(fù)雜,但前人實(shí)驗(yàn)選取的溫度及溫度變化較大,未能詳細(xì)體現(xiàn)100℃以下的力學(xué)參數(shù)變化對煤層滲透性的影響。高壓條件下,煤層會受到擠壓,孔裂隙縮小,導(dǎo)致滲透性降低,并且單軸壓力對煤層滲透性的影響小于圍壓變化對煤層滲透性的影響,滲透率與地層應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系[10-12]。有學(xué)者認(rèn)為有效應(yīng)力和熱應(yīng)力存在相對的關(guān)系,兩者的差值影響滲透率變化,有效應(yīng)力為主時,滲透率降低,反之則增加[13]。但是,前人實(shí)驗(yàn)中,有些未使用原煤,對滲透性應(yīng)力敏感性試驗(yàn)會產(chǎn)生影響,并且實(shí)驗(yàn)時加載的壓力過低,不能反映高應(yīng)力條件下的煤層滲透性的變化。在實(shí)驗(yàn)室初始加壓條件下,煤層的滲透性變化較大,當(dāng)壓力保持恒定時,隨著溫度的升高,滲透性降低,溫度敏感性系數(shù)逐漸降低,即對滲透性影響程度降低;相同溫度條件下,壓力越高,溫度敏感性系數(shù)越低,溫度對滲透性的影響程度降低[14]。低應(yīng)力階段,滲透率隨著應(yīng)力的增加下降較快,并且應(yīng)力增加時,下降速度會降低,當(dāng)壓力增加到一定值時,滲透率受應(yīng)力影響較弱[15-16]。但是,實(shí)驗(yàn)的溫度和應(yīng)力過低,不能較好地反映煤層在較高溫度和較高應(yīng)力條件下的滲透性的變化。

前人針對溫度和壓力對煤層的滲透性的影響做了很多的研究,指出壓力是影響煤層滲透性的主要因素,溫度主要是通過影響煤層的巖石力學(xué)性質(zhì)和膨脹收縮進(jìn)而影響煤層的滲透性,但是,前人未針對高階煤滲透率做較詳細(xì)的溫度和壓力敏感性研究,因此,筆者針對山西成莊無煙煤,選取對實(shí)驗(yàn)研究較詳細(xì)的溫度點(diǎn)和壓力點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對比同一地區(qū)鄭莊和鄂爾多斯東部的韓城滲透率應(yīng)力敏感性,可以更加清晰地了解成莊深部高階煤應(yīng)力敏感性,為成莊深部高階煤的煤層氣開發(fā)提供依據(jù)。

1 煤樣及實(shí)驗(yàn)方法

山西省沁水盆地是我國目前最大的煤層氣地面開發(fā)基地,以高階煤儲層為主。本文大塊煤樣采自盆地南緣晉城礦區(qū)成莊煤礦井下的下二疊統(tǒng)山西組3號煤層,鏡質(zhì)組油浸最大反射率為2.87%,干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率為6.34%,屬于典型的無煙煤(表1)。

表1 煤樣煤質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Coal quality analysis results %

根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn),成莊煤樣孔隙率為5.35%,以過渡孔和微孔為主,兩者孔比表面積比占到總孔比表面積的96%、孔容占總孔容的94%。煤樣退汞效率達(dá)86.281 6%,反映孔喉數(shù)量較少,孔隙連通性較好(表2)。

表2 煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experiments results of mercury injection

尺度小的煤樣在圍壓加載條件下,滲透率變化比尺度大的煤樣更為敏感[17],因此在同一大塊煤樣上鉆取4份圓柱狀煤芯,柱狀樣直徑為 25 mm,高50 mm。利用中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫覆壓孔滲透測定儀,在加溫覆壓條件進(jìn)行煤芯孔隙率和滲透率測試。該實(shí)驗(yàn)裝置主要用于模擬覆壓、加溫及流體壓力下煤巖孔隙率和滲透率變化特征,可施加溫度為室溫至150℃,圍壓為0～70 MPa,壓力控制精度為±0.002 5 MPa。

模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計為:30,50,70和90℃四個溫度點(diǎn),每個溫度點(diǎn)上測試2,3.5,5.5,8,11,15,19, 23,27,31,35,40 MPa共12個壓力點(diǎn)。

接通高溫覆壓孔滲透測定儀電源,將氣瓶壓力調(diào)至1.2 MPa,空壓機(jī)壓力調(diào)至0.6 MPa,然后按如下步驟進(jìn)行。

(1)對儀器進(jìn)行零點(diǎn)校正并檢測各電磁閥,選取標(biāo)準(zhǔn)塊1和3進(jìn)行校正;

(2)對煤樣進(jìn)行長度和直徑的測量,然后放入直徑為25 mm的樣品夾持器中,關(guān)閉夾持器門和隔溫門;

(3)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)溫度,然后在程序界面輸入煤樣的長度、直徑、溫度和壓力,待溫度穩(wěn)定后,開始實(shí)驗(yàn);

(4)固定壓力為2 MPa,分別在30,50,70和90℃同時測試孔隙率和滲透率;

(5)當(dāng)?shù)?個壓力點(diǎn)在4個溫度條件下完成測試之后,分別改變壓力點(diǎn)至3.5,5.5,8,11,15,19, 23,27,31,35,40 MPa,重復(fù)步驟(3)～(5),直至一個柱狀樣實(shí)驗(yàn)完全結(jié)束。

(6)整理儀器自動記錄的數(shù)據(jù),得到煤樣在加溫覆壓下的動態(tài)孔隙率和滲透率(表3)。

表3 高溫覆壓滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Permeability experiment results under high temperature and high pressure

2 結(jié)果及討論

2.1 覆壓加溫條件下孔隙率變化

在不同溫度條件下,孔隙率隨壓力的變化趨勢基本一致,均符合冪函數(shù)曲線(圖1)。當(dāng)加載壓力低于20 MPa時,溫度影響較明顯,壓力增大,孔隙率由5.35%降到2.10%,孔隙率衰減率為0.17%/MPa;同等壓力條件下,孔隙率隨溫度的升高而略有降低,最大差值小于1.8%。當(dāng)壓力高于20 MPa時,溫度基本上對孔隙率沒有影響;孔隙率隨加載壓力的增大而緩慢降低,至壓力40 MPa時由2.1%降到2.0%,衰減率為0.005%/MPa,降低趨勢基本無變化。

進(jìn)一步引入孔隙率變化率(相鄰兩個壓力點(diǎn)孔隙率之差與前一個壓力點(diǎn)孔隙率之百分比)來表征孔隙率變化的速度。壓力增大,各溫度下孔隙率變化率逐漸減小;當(dāng)壓力低于5 MPa時,孔隙率變化率降低較快;當(dāng)壓力高于10 MPa時,孔隙率變化率降低趨勢變平緩,逐漸趨于穩(wěn)定(圖2(a))。

圖1 煤樣孔隙率與壓力和溫度的關(guān)系Fig.1 The relationship between porosity and pressure,temperature

圖2 煤樣孔隙率變化率與壓力和溫度的關(guān)系Fig.2 The relationship between porosity rate of change and pressure,temperature

溫度對孔隙率的影響較小。在30～90℃,壓力低于2 MPa時,孔隙率隨溫度的升高而降低,孔隙率變化率為0.17%/10℃;壓力高于3.5 MPa時,孔隙率幾乎不隨溫度的變化而變化,說明孔隙率對溫度不敏感(圖1(b))。

進(jìn)一步分析,隨著壓力的升高,壓力對孔隙率影響變小,而溫度的影響趨于減弱至恒定。當(dāng)壓力低于2 MPa時,孔隙率變化率隨溫度的升高變化相對較快,以70℃為界限,平緩變化后快速減小;當(dāng)壓力高于2 MPa時,溫度升高,孔隙率變化率變化較小,說明孔隙率變化率受溫度影響較小(圖2(b))。

2.2 覆壓加溫條件下滲透率變化

隨著加載壓力增大,煤樣滲透率逐漸降低,呈冪函數(shù)形式衰減,趨勢基本一致(圖3)。當(dāng)壓力低于10 MPa時,壓力增加,滲透率衰減較快,滲透率變化率為1×10-17m2/MPa;當(dāng)壓力高于10 MPa時,滲透率隨壓力的增高而緩慢降低,衰減量小。在上述第1階段,溫度對滲透率的影響較明顯,同等壓力條件下,滲透率隨溫度的升高而明顯降低,溫度影響隨壓力增大而逐漸減弱。在第2階段,溫度對滲透率幾乎沒有無影響。

引入滲透率變化率(相鄰兩個壓力點(diǎn)滲透率之差與前一個壓力點(diǎn)滲透率的百分比)的概念來表征滲透率變化的速率。加載壓力增大,煤樣滲透率變化率逐漸降低,直至趨近于0(圖4(a))。壓力低于5.5 MPa時,滲透率對壓力變化較敏感,變化較大,衰減率由-50%降低為-10%;在5.5～8.0 MPa壓力區(qū)間,滲透率變化較緩,衰減率由-10%降為-5%;當(dāng)壓力高于8 MPa時,滲透率趨于穩(wěn)定。同時,相同壓力條件下,溫度對于滲透率變化率的影響很小。

當(dāng)加載壓力低于2 MPa時,滲透率對溫度較敏感,隨溫度的升高逐漸降低,以70℃為界限,滲透率變化率先升高后降低;壓力高于2 MPa時,滲透率變化率基本為零,顯示滲透率與溫度相關(guān)關(guān)系不明顯(圖4(b))。

2.3 溫壓條件下煤樣滲透率適用的模型

選取汪志明等[18-19]的滲透率模型,因?yàn)楦唠A煤滲透率對溫度不敏感,因此可以忽略溫度項,可得到

其中,K0為初始滲透率,μm2;μ為泊松比;Cf為裂隙壓縮系數(shù),MPa-1;P為上覆壓力,MPa。

圖4 煤樣滲透率變化率與壓力和溫度的關(guān)系Fig.4 The relationship between permeability rate of change and pressure,temperature

將30,50,70,90℃條件下煤樣滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1),得到成莊高階煤滲透率與前人模型模擬一致(圖5)。

圖5 不同溫度條件下煤樣滲透率對比Fig.5 The permeability comparison under different temperature

2.4 煤樣應(yīng)力敏感性對比分析

為了進(jìn)一步分析成莊高階煤的應(yīng)力敏感性,對比晉城成莊礦與同地區(qū)的鄭莊礦[11]以及鄂爾多斯東部的韓城高階煤[20],可以看出,滲透率均隨應(yīng)力的增加呈冪函數(shù)形式降低,但其變化的速率和幅度存在差異,因此,根據(jù)滲透率無因次量與壓力的關(guān)系,引入曲率,以進(jìn)一步分析滲透率的變化率對壓力的敏感程度。滲透率-壓力曲線的曲率KL為

其中,KL表示滲透率無因次量曲率;k′和k″表示滲透率無因次量的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。針對曲線上某個點(diǎn)的切線方向角對弧長的轉(zhuǎn)動率,表明曲線偏離直線的程度。數(shù)學(xué)上表明曲線在某一點(diǎn)的彎曲程度的數(shù)值。曲率越大,表示曲線的彎曲程度越大。當(dāng)曲率值趨于恒定時,表示壓力對滲透率無影響。建立滲透率曲率,可以更清晰地表征滲透率隨壓力增加而降低的速率,即敏感性的強(qiáng)弱,曲率越大,敏感性越強(qiáng)。

由圖6和圖7可知:

(1)3個地區(qū)中,高階煤均隨應(yīng)力的增加而呈冪函數(shù)降低,但降低的速率不一致。成莊高階煤下降的最慢,鄭莊下降的最快;但是在應(yīng)力低于一定的值時, 3個地區(qū)的下降速率接近一致。

圖6 不同地區(qū)滲透率-壓力曲線對比Fig.6 The comparison of permeability and pressure in different districts

圖7 不同地區(qū)滲透率曲率對比Fig.7 The gradient curves of permeability comparison in different districts

(2)3個地區(qū)的高階煤滲透率曲率曲線均為4個階段:快速上升、快速下降、緩慢降低和平穩(wěn)恒定。在低應(yīng)力階段,當(dāng)施加壓力時,煤中大孔、中孔和裂隙易被壓縮,滲透率快速降低,即為曲率快速上升段;而后隨著壓力的增加,煤孔裂隙壓縮速率迅速降低,曲率呈快速下降,即應(yīng)力敏感性效應(yīng)降低;當(dāng)壓力繼續(xù)增加時,大部分的孔裂隙已經(jīng)被壓縮完畢,滲透率降低趨勢變緩,即曲率曲線緩慢降低階段;當(dāng)壓力大于某一值時,絕大部分孔裂隙已經(jīng)壓縮至極小,滲透率變化較小,滲透率曲率曲線平緩,即為平穩(wěn)恒定階段。

(3)應(yīng)力敏感范圍相同。圖6中3個地區(qū)的高階煤在壓力由0～8 MPa時受應(yīng)力影響較明顯,當(dāng)應(yīng)力大于8 MPa時,受應(yīng)力影響不顯著。這說明高階煤的應(yīng)力敏感范圍相近。

(4)應(yīng)力敏感程度不同。由圖7可知,成莊高階煤與鄭莊高階煤相比:成莊高階煤滲透率曲率最大值大于鄭莊高階煤,并且達(dá)到曲率最大值時的應(yīng)力小于鄭莊高階煤,當(dāng)應(yīng)力小于2 MPa時,相同壓力條件下,成莊高階煤曲率大于鄭莊,此階段成莊高階煤應(yīng)力敏感性較強(qiáng),當(dāng)應(yīng)力大于2 MPa時,相同壓力條件下,鄭莊高階煤曲率值大于成莊,此階段鄭莊高階煤應(yīng)力敏感性較強(qiáng),當(dāng)應(yīng)力為8 MPa時,應(yīng)力敏感性趨于一致。成莊高階煤和韓城高階煤對比:成莊高階煤的滲透率曲率最大值高于韓城高階煤,說明成莊高階煤滲透率受應(yīng)力影響程度較大,當(dāng)應(yīng)力小于1.8 MPa左右時,相同應(yīng)力條件下,成莊高階煤曲率值大于韓城高階煤,成莊高階煤應(yīng)力敏感性較強(qiáng),當(dāng)應(yīng)力大于1.8 MPa時,相同應(yīng)力條件下,韓城高階煤曲率值大于成莊高階煤,此階段韓城高階煤應(yīng)力敏感性強(qiáng)于成莊高階煤,當(dāng)應(yīng)力大于8 MPa時,趨于一致。

總之,在低應(yīng)力階段成莊高階煤應(yīng)力敏感性最強(qiáng),當(dāng)大于一定應(yīng)力值時,成莊高階煤應(yīng)力敏感性較弱,并隨著應(yīng)力的增大,高階煤應(yīng)力敏感性差異減小直至趨于一致,曲率值降低接近于零。因此,借鑒韓城和鄭莊高階煤煤層氣開發(fā)。在成莊區(qū)塊進(jìn)行高階煤煤層氣排采時,要嚴(yán)格的控制壓力的變化,避免煤層因應(yīng)力敏感性造成煤層滲透率損傷,影響煤層氣的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量。

3 結(jié) 論

(1)高階煤的孔隙率、滲透率與壓力呈冪函數(shù)式負(fù)相關(guān)關(guān)系,它們在低壓階段隨著壓力升高迅速降低,在高壓段趨于穩(wěn)定。高階煤滲透率對溫度不敏感,當(dāng)壓力低于2 MPa隨著溫度的升高而降低,當(dāng)壓力高于2 MPa時與溫度相關(guān)關(guān)系不顯著。因此,壓力是影響高階煤孔隙率和滲透率的主要因素,溫度對孔隙率和滲透率影響較小。

(2)高階煤滲透率曲率曲線均為4個階段:快速上升、快速下降、緩慢降低和平穩(wěn)恒定。當(dāng)施加壓力時,煤中大孔、中孔和裂隙易被壓縮,滲透率快速降低;而后隨著壓力的增加,煤孔裂隙壓縮速率迅速降低,曲率呈快速下降,即應(yīng)力敏感效應(yīng)降低;當(dāng)壓力繼續(xù)增加時,大部分的孔裂隙已經(jīng)被壓縮完畢,滲透率降低趨勢變緩;當(dāng)壓力大于某一值時,絕大部分孔裂隙已經(jīng)壓縮至極小,滲透率變化較小,滲透率曲率曲線平緩。

(3)成莊高階煤滲透率應(yīng)力敏感性顯著,低應(yīng)力階段更為敏感。在成莊區(qū)塊進(jìn)行高階煤煤層氣排采時,要嚴(yán)格的控制壓力的變化,避免煤層因應(yīng)力敏感性造成煤層滲透率損傷,影響煤層氣的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量。

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Temperature-stress sensitivity of high-rank coal permeability

CHEN Shu-yuan1,2,QIN Yong1,2,SHEN Jian1,2,WANG Gang1,2,HOU Xiao-wei1

(1.School of Resources and Earth Science,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Education Ministry’s Key Laboratory of CBM Resources&Reservoring Process,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Sensitivity of the coal reservoir permeability to temperature and stress is one of the basic parameters for evaluating the physical properties of deep coal reservoir.Using the heating and overburden pressure permeability-porosity tester,the permeability and porosity of the anthracite samples from the Chengzhuang,Jincheng,Shanxi,were measured.Combining with the pore structure and other data,the sensitivity of high rank coal to temperature and pressure was discussed.It is show that the porosity and permeability of high-rank coal is negatively correlated to the pressure in a power function,reduce rapidly as the pressure rises when pressure is lower,and tend to be stable in higher pressure phase.High-rank coal permeability is not sensitive to temperature,decreases with the increase of temperature when the pressure is less than 2 MPa,and has not significant correlation with temperature once the pressure is higher than 2 MPa.Therefore,the pressure is a major effect factor to the porosity and permeability of high-rank coal,and the temperature has less influence on the porosity and permeability.Based on curvature analysis method,stress sentivity of permeability of high rank coal of Chengzhuang Mine pressure sensitivity was analyzed.Compared with Zhengzhuang and Hancheng high rank coal,Chengzhuang coal has stronger stress sensitivity in low pressure stage.Therefore,resonable pumpingsysten of coalbed methane development in Chengzhuang Mine should be made to avoid negative effect due to stress sensitivity of permeability.

high rank coal;porosity;permeability;temperature;pressure sensitivity

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1845-07

2013-10-14 責(zé)任編輯:許書閣

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05033-03,2011ZX05034);中央高校自主科研業(yè)務(wù)費(fèi)創(chuàng)新人才科研基金資助項目(2011RC16)

陳術(shù)源(1991—),男,山東東平人,博士研究生。E-mail:15262014212@163.com。通訊作者:秦 勇(1957—),男,教授,博士。E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

陳術(shù)源,秦 勇,申 建,等.高階煤滲透率溫度應(yīng)力敏感性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(9):1845-1851.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1454

Chen Shuyuan,Qin Yong,Shen Jian,et al.Temperature-stress sensitivity of high-rank coal permeability[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(9):1845-1851.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1454