注气对煤体变形及渗透率演化影响研究

摘要

煤的渗透率表征煤裂隙传导孔隙流体能力，是预测煤层气产量与评估煤-瓦斯突出的重要技术指标。由于煤体本身具有复杂的双重孔隙结构，煤层孔隙压力变化可以同时改变气体流态与煤体孔隙结构变形。在煤层气抽采过程中孔隙压力降低一方面会导致煤储层有效应力升高，压缩煤体骨架使孔隙闭合；另一方面煤微孔隙中吸附气解吸后导致煤基质收缩，使闭合裂隙张开，由此可见，煤层中气体流动与煤孔隙变形相互作用过程属于典型流-固耦合问题。一般认为：在低孔隙压力范围内，煤基质吸附膨胀/解吸收缩变形是影响渗透率的主控因素；在高孔隙压力范围内有效应力的变化是导致煤层渗透率改变的主要因素，但大量的试验与数值模拟结果表明气体运移中基质扩散导致有效应力变化对煤层裂隙开度产生重要影响。因此，本文以室内试验和数值模拟为研究手段，探讨气体渗流与扩散过程对煤骨架变形及其对渗透率的影响。
　　本文主要的研究工作以及取得的成果如下：
　　1．本文采用Micro-CT技术对煤岩孔裂隙结构进行精细表征，研究煤岩孔裂隙分布。根据CT图像中不同组分灰度值之间差异，对CT图像进行阈值分割与二值化处理，计算测试煤样孔隙度；利用高斯函数拟合裂隙周边CT数分布，构建开度参数PH与面积参数MA表征煤裂隙的开度大小与分布；并基于三维可视化技术对测试煤样的裂隙发育、空间展布进行精细描述。
　　2．开展静孔隙压力状态下的注气变形试验。气体在煤中的运移包括基质系统的扩散和裂隙系统的渗流。为研究基质孔隙压力变化和吸附作用对煤体变形的影响，分别注入不同压力的氦气、氮气和二氧化碳，根据煤应变-时间曲线分析注入吸附性气体和非吸附性气体下的煤变形机制。在注非吸附性气体时，煤体变形主要受基质-裂隙间孔隙压力差值影响；在注入吸附性气体时，煤体变形受基质吸附与扩散耦合作用的影响。
　　3．开展三轴应力状态下原煤注气变形试验。基于有效应力原理，在孔隙压力不变，外部应力增加或减小会使有效应力变化引起裂隙张开或闭合。但由于煤层气具有较强的吸附性导致煤基质膨胀，使煤基质与裂隙间相互作用变的更加复杂。为探究不同边界条件下裂隙渗透-基质扩散耦合作用对煤体变形的影响，开展三轴状态下注氦气试验，分别注入不同压力的氦气，观测原煤变形演化全过程。在应力边界上，煤基质和裂隙均发生自由膨胀变形；在位移边界下，因气体扩散导致煤基质变形只能压缩相邻裂隙。
　　4．运用有限元软件模拟煤体变形对渗透率的影响。由试验结果表明，煤基质扩散、裂隙-基质间有效应力传递及边界条件也对煤变形产生影响，基于上述认识，在 PL模型的基础上，构建考虑吸附变形、基质扩散和有效应力传递的渗透率模型，应用 COMSOL Multiphysics有限元数值分析软件求解上述模型，并分析扩散系数、吸附作用及边界条件对煤渗透率的影响。

目录

声明

1绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容和技术路线

2基于微CT技术的煤岩孔裂隙表征

2.1微CT扫描

2.2煤岩孔隙度表征

2.3煤岩裂隙开度表征

2.4本章小结

3静孔隙压力下煤岩注气试验研究

3.1.试验装置

3.2 试验煤样及方法

3.3 试验结果

3.4 静孔隙压力下煤体变形机制

3.5 本章小结

4三轴应力状态下煤岩注气试验研究

4.1 试验煤样及装置

4.2 测试方法

4.3 三轴应力状态试验结果

4.4 三轴应力状态氦气注入引起煤变形演化特征

4.5边界条件对煤体变形的影响

4.6 本章小结

5煤体变形对渗透率的影响

5.1概念模型

5.2双孔介质模型的控制方程

5.3双孔基质的渗透率模型

5.4气体运移过程中渗透率演化规律的数值计算结果

5.5本章小结

6.1 结论

6.2研究创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成果