煤裂隙-基质相互作用对煤渗透率影响实验研究

摘要

我国煤层气资源赋存条件复杂，高应力、构造煤、低渗透性煤层气资源占比高。虽然采用各种压裂技术可以短期内提高煤层透气性，但后期浓度变化大造成产气量衰减，制约煤层气大规模工业开采。煤层气开采过程涉及孔隙流体多尺度运移。在微尺度下在煤基质微孔隙内气体发生吸附/解吸-扩散，而在宏细观尺度下煤裂隙气体以达西流动为主。对于煤层气产量预测方法多数是先根据煤渗透率计算流量，再确定累计产气量。因此，研究气体运移过程中煤渗透率变化规律对于预测煤层气产量与煤矿瓦斯治理至关重要。
　　煤的渗透率表征煤体传导流体能力。由于煤具有双重孔隙结构，通常将煤渗透率归为煤裂隙渗透率。虽然已有研究不仅考虑外部应力与整体应变对渗透率影响，还考虑吸附膨胀/解吸引起煤基质变形，但忽视有效应力影响下煤裂隙变形与基质变形相互协调对渗透率的影响。相比存在于裂隙中的渗流过程，基质中气体扩散过程需要较长时间才能达到平衡状态，这将导致基质孔隙压力滞后于裂隙孔隙压力变化。这种在基质与裂隙之间出现有效应力不同步变化将使基质变形影响裂隙开度，进而改变煤的渗透率。为此，本论文围绕煤基质气体扩散对渗透率影响，利用自主研制煤层气渗流测试系统开展煤渗透率实验研究，探讨孔隙压力变化对煤裂隙-基质系统响应规律。主要的研究工作以及取得的成果如下：
　　（1）开展孔隙压力对煤体变形实验，研究气体渗流-扩散过程对煤体变形影响规律。通过对煤样注入氦气，观测到煤体变形过程与气体运移过程紧密相关。无论煤体处于固定位移边界约束，还是恒定应力边界约束，在注气过程中，气体渗流都可导致煤裂隙开度增大，气体扩散导致煤基质膨胀。在固定位移约束下，煤体变形表现为先膨胀后收缩。在恒定应力约束下，煤体变形表现为两阶段膨胀。随着注气压力升高，从渗流膨胀到扩散膨胀的转换时间缩短，基质扩散时间相应延长。
　　（2）开展煤渗透率随时间演化实验，研究有效应力与滑脱效应对煤渗透率的影响规律。首先建立了煤裂隙-基质相互模型，获得煤基质与煤裂隙力学参数。其次，基于瞬态法测试方法，在保持外部应力不变条件下观测到随着注气压力逐级升高，煤渗透率升高；而在注气压力不变条件下，煤渗透率随时间呈现出先增加后降低趋势。该结果证实煤体内双重有效应力对煤渗透率影响。此外，利用稳态法测试方法，观测到随着孔隙压力降低煤渗透率受有效应力与滑脱效应控制。
　　（3）开展恒定体积条件下注气过程中煤变形和渗透率实验，研究在固定边界条件下煤基质-裂隙相互作用对渗透率演化响应规律。观测到当注入氦气后煤体的局部应变出现快速膨胀后逐渐收缩，收缩应变与膨胀应变比值在0.5。根据煤裂隙-基质系统的几何模型（火柴棍模型），推导在恒定体积约束条件下受局部应变控制的渗透率模型。通过对比煤渗透率的实验数据与模型预测值可以发现，Ma-Harpalani模型由于忽视裂隙压力与基质压力差值，会过高估计渗透率。而局部应变模型可以较好预测渗透率。此外，证实在气体非稳态流动过程中，Biot系数取值小于1能够较为准确描述煤裂隙-基质系统压力对渗透率的影响。

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摘 要

Abstract

Contents

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 煤渗透率实验研究

1.3.2 煤的渗透率模型研究

1.3.3 基于数值模拟的煤渗透率机理研究

1.4 研究内容和技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

1.5 研究创新点

2 基于煤-气系统的多场耦合基本理论

2.1 煤裂隙-微孔隙结构特征

2.1.1 煤的孔裂隙分类

2.1.2 煤的双重孔隙结构特征

2.2 有效应力原理

2.3 气体吸附效应

2.3.1 煤的瓦斯吸附特征

2.3.2 煤的瓦斯吸附模型

2.4 多物理场耦合机制

2.4.1 固体变形

2.4.2 质量方程

2.4.3 煤渗透率方程

2.4.4 流固耦合模型

3 有效应力对煤裂隙-基质系统变形及其渗透率影响实验

3.1 实验方法

3.1.1 试样制备

3.1.2 实验装置

3.1.3 测试方法

3.2 煤裂隙与基质渗透率

3.2.1 煤裂隙-基质系统变形

3.2.2 煤裂隙-基质力学参数

3.2.3 煤裂隙渗透率

3.2.4 煤基质渗透率

3.3 煤基质气体的有效扩散率

3.4 孔隙压力升高对煤裂隙-基质系统影响

3.4.1 煤变形过程

3.4.2 煤基质内氦气扩散特征

3.4.3 煤裂隙-基质系统渗透率变化

3.5 孔隙压力降低对煤裂隙-基质系统影响

3.5.1 煤变形过程

3.5.2 煤裂隙-基质系统渗透率变化

3.6 本章小结

4 限定变形条件下煤裂隙-基质系统变形及渗透率实验

4.1 煤样准备

4.2 测试方法

4.3 煤裂隙-基质相互作用机理

4.4 孔隙压力升高过程中煤的局部应变

4.5 孔隙压力升高过程中煤的渗透率

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结 论

5.2 展 望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间主要成果