充填煤岩裂隙渗透特性理论与实验研究

摘要

作为一种非常规清洁气体资源，煤层气（CBM）具备替代传统能源的巨大潜力。目前世界各国学者对煤层气的开采技术已经进行了比较深入的探究，但仍存在着诸多挑战。裂隙和裂隙充填物构成了煤层气运输的主要通道。充填煤岩的渗透率，通常基于煤的裂隙-充填物特征和应力-应变场来确定。在一定的有效应力条件下，煤渗透率是孔隙压力、充填物类型和注入气体类型的函数。为了准确描述多孔材料中气体流动的机理，众多学者已经提出了许多渗透率模型。然而，到目前为止大多数模型中对滑脱效应的影响考虑不足，而滑脱效应对煤岩裂隙的气体渗流行为有着显著的作用，特别是在低渗透性煤岩中。 对充填煤岩裂隙渗透特性进行研究，通过分析有效应力对孔隙率的影响，以及利用努森数作为判断依据，来判定滑脱效应的影响，建立了充填煤岩裂隙渗透特性数学模型。然后，以充填煤岩为研究对象，进行了充填煤岩裂隙渗透特性验证试验。研究了充填煤岩裂隙渗透率（不同充填物、不同围压、不同气压）的变化规律。通过对实验数据的拟合，得到了不同有效应力、不同充填介质的滑脱因子，得出数学模型的计算结果。对比实验结果与计算结果，验证了所建数学模型的正确性。并对充填煤岩裂隙渗透率（不同围压、不同气压）的变化规律进行了分析。主要得到以下结论： 1. 通过对充填煤岩裂隙渗透特性进行理论分析，探讨了有效应力以及滑脱效应的影响。结果表明：有效应力会引起充填煤岩的体积应变，改变充填煤岩的孔隙率，进而影响充填煤岩裂隙渗透率；在低渗气体渗流系统中，滑脱效应也是不可忽略的影响因素，可以依据气体与不同充填介质组合的努森数大小，判定滑脱效应的影响。并建立了充填煤岩裂隙渗透特性数学模型。 2. 实验研究了充填煤岩裂隙渗透率（不同充填物、不同围压、不同气压）的变化规律。结果表明：（1）在气压不变条件下，充填煤岩裂隙渗透率随着围压的增大而减小；（2）在围压不变的条件下，随着气体压力的增大，以方解石、高岭土、方高混合物和膨润土为充填介质的充填煤岩裂隙，渗透率逐渐减小并趋于平缓。以煤粉为充填介质的充填煤岩裂隙，渗透率反而随着气压的增大而增大；（3）在围压不变的条件下，滑脱效应的影响随气体压力的增大而减小，滑脱效应只在低气压情况下表现较明显。 3. 对实验数据进行拟合，得到了不同有效应力、不同充填介质的充填煤岩kg-1/p关系拟合方程和滑脱因子，拟合方程的相关系数R2都在0.79以上。根据滑脱因子与充填煤岩的参数，得出数学模型的计算结果。计算结果与实验结果一致性较高，验证了数学模型的正确性。

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