甲烷气渗流作用对煤岩强度的影响

王力

中联煤层气有限责任公司

甲烷气渗流作用对煤岩强度的影响

王力

中联煤层气有限责任公司

煤层气井在排采生产阶段，由于甲烷的不断脱附、渗流，煤层孔隙压力和有效应力逐渐发生变化，煤岩力学强度减弱，进而对储层孔隙度、渗透率，甚至井壁稳定性均有一定影响。对煤层气在煤层间的渗流过程与煤岩的力学性质间的耦合关系进行了室内实验，为煤层气井完井、开发等方案制定提供了理论支持。声波发射实验和单轴/三轴抗压实验结果表明，随着CH4流经煤岩岩心时间的延长，煤岩弹性模量逐渐降低，表明煤岩力学强度下降。单轴/三轴抗压实验表明，煤岩的弹性模量和最大抗压强度随围压的下降而减小，且在高围压条件下下降较慢，低围压条件下下降较快。该结果表明，在煤层气生产一定时间后，井下煤层可能产生坍塌、掉块而影响生产作业。

煤层气；渗流；煤岩；力学性质

煤岩具有双重裂隙系统：裂缝体系和孔隙体系，前者是煤层气重要的渗透流通通道，后者是煤层气主要的储集场所［1］。煤岩的裂缝体系可分为割理与节理。节理将割理系统联系起来，使得煤岩的裂缝体系形成了更大的网络，提高了煤层渗透特性［2-3］。

煤岩吸附气体后，吸附相化学势增大，表面能减小，最终导致强度降低［4］。CH4的脱附和不断流动也会对煤岩的力学性质产生影响，进而影响煤层的稳定性，造成煤层垮塌，对煤层气生产造成不良影响。

一般说来，煤岩的渗透率与有效应力呈现负指数关系，而在低围压下，随着有效应力的减小，渗透率有所下降［5］，这是由于气体吸附导致煤岩发生膨胀引起的。煤阶上升渗透率下降，湿度减小渗透率增大［6］，灰分含量上升煤岩渗透率下降［7-9］。气体在煤岩中的渗透率依次为N2＞CH4＞CO2［10-14］。

1 煤样准备与基本测试

Coal sample preparation and basic tests

1.1 岩心准备

Core preparation

钻取直径为25 mm、长度为50 mm 圆柱状岩心，并将岩心两端面磨光。其中6 块用于测试横、纵波波速，为后续岩心选择合理的驱替时间；14块用于对比驱替造成的强度变化和单轴/三轴压缩实验，为便于后续实验对比，岩心钻取位置两两相近。

1.2 煤岩组分测定

Maceral test

文中选取陕西某煤矿煤样2块，按GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》对煤样进行工业分析与元素分析［15］。煤岩组分含量平均为：水分1.06%，灰分18.66%，挥发分15.09%，固定碳65.19%，见表1。

表1 煤样元素分析结果Table 1 Analysis results on elements of coal samples

根据测试结果，1#煤样属于无烟煤，2#煤样属于中高等变质程度的烟煤，如焦煤。

1.3 煤岩结构分析

Analysis on the structure of coal rock

利用S4800 冷场发射扫描电子显微镜研究了煤岩孔隙结构、裂缝类型、大小、连通情况，以及矿物发育形态和在孔隙中的产状和分布状况等，实验结果见图1。

由图1a和图1b可以看出，煤岩的孔隙（粒间孔、层间缝等）发育，孔洞微小且不连通（这在后面的核磁共振实验也可以看出），煤岩中夹杂一定量的黏土矿物，同时也发育有微小孤立的气孔；由图1c和图1d可以看出，该煤岩还发育有尺寸更小的缝洞，裂纹较规则平整，黏土矿物呈集中分布。

图1 煤岩的扫描电镜图片Fig.1 EMS picture of coal rocks

1.4 低场核磁共振实验分析

Analysis on low-field NMR test

低场核磁共振技术利用地层流体中含有的氢原子核，通过检测岩石孔隙内部的流体性质、流体量以及岩石与流体之间表面的相互作用来获取岩石物性参数。目前它已经广泛应用于砂岩和碳酸岩的物性研究，通过核磁共振谱峰的面积与相应质子数的正比关系，可以定量研究煤岩的孔隙类型、孔隙结构、渗透率、孔隙度等特征。实验采用MesoMR23-060H-1型仪器，探头直径60 mm，磁场强度0.5±0.05 T，磁体温度为 32±0.01℃。两块不同煤岩的核磁共振数据见表2、表3，实验结果如图2所示。

表2 1#煤岩核磁共振数据Table 2 NRM data of No.1 coal rock

表3 2#煤岩核磁共振数据Table 3 NRM data of No.2 coal rock

图2 煤岩的核磁共振谱图Fig.2 NMR diagram of coal rocks

由图2（a）可知，该煤岩谱图有3个典型的波峰，分别为0.1～1 ms，10～100 ms和＞100 ms，分别代表煤岩中存在小孔隙、中孔隙和大孔隙。不同波峰表示煤岩样品中不同类型大小的孔隙，0.1～1 ms之间的波峰窄而高，表示孔隙类型单一，其他2个波峰较宽阔，表示存在多种孔隙类型。峰值大小代表了该种类型的孔隙所占所有孔隙的百分比，例如1#号煤层中小孔隙占66.49%，中孔隙占5.31%，大孔隙占28.2%；而2#煤层中小孔隙占73.3%。

不同峰值之间的曲线代表了煤岩不同大小孔隙的连通性。波峰与波峰相连，说明煤层中2种孔隙相连通；波峰与波峰不相连说明两种孔隙不连通。如图2b 10～100 ms波峰与＞100 ms波峰相连，说明中孔隙和大孔隙这2种孔隙相连通，而小孔隙与中、大2种孔隙不连通。

结果分析表明：该煤岩小孔、中孔和大孔隙在不同地层中连通情况不同，但存在的共同点是小孔隙与其他孔隙均不连通，且小孔隙对应波峰窄而高，说明小孔隙类型较单一，而大孔隙对应波峰较宽阔，说明孔隙类型较复杂，综合煤层岩性分析，煤层大孔隙还包括微型裂缝和割理等类型，并且大、中孔隙在煤层中大都互相连通，是煤层气的主要储集空间和渗流通道。

2 实验结果与分析

Experimental results and analysis

通过声波发射实验、单轴压缩实验和三轴压缩实验对CH4渗流前后的煤岩力学性质进行研究，分析煤岩力学参数前后的变化规律。气体渗流实验流程见图3。

图3 气体渗流实验装置示意图Fig.3 Sketch of experimental device for gas seepage

2.1 声波发射法测定煤岩强度的基本原理

Basic principle of coal rock strength measurement by using acoustic emission method

声波发射中纵波以疏密发散的形式在煤岩内传播，横波以剪应变的横向位移形式在煤岩内传播，两者速度均为常数，其值大小只与弹性常数和密度有关，与波长大小、形状无关。实验中超声波由发射器产生，接收器接收，测试在一定温度和压力下通过一定长度的岩心所需要的时间，岩样长度除以透射时间便为弹性波速度，即

式中，Vp为煤岩纵波波速，m/s；Vs为煤岩横波波速，m/s；L为煤岩长度，m；tp为纵波穿透煤岩所需时间，s；ts为横波穿透煤岩所需时间，s。

测试出横纵波波速以及煤岩密度后，便可使用下式得出煤岩的弹性参数

式中，Ed为煤岩弹性模量，GPa；ρ为煤岩密度，g/ cm3。

2.2 气体驱替时间对煤岩弹性模量的影响实验

Experiment on the effect of gas displacement time on elastic modulus of coal rock

将岩心置于围压16 MPa、驱替压差5 MPa条件下，分别测试驱替24 h、48 h、72 h、168 h后的横纵波波速，并计算其强度参数-弹性模量，结果见图4。

图4 驱替时间对煤岩弹性模量的影响Fig.4 Effect of displacement time on elastic modulus of coal rock

图4表明，经气体驱替后，煤岩弹性模量均呈明显下降趋势（图中1～6号岩心的初始弹性模量略有不同）。这是由于煤岩孔隙结构、矿物组成都比较复杂，造成煤岩动态弹性模量随CH4渗流时间的增长而降低，随着渗流时间的增长，煤岩力学强度逐渐降低；开始降低较快，当驱替时间为48 h 后，煤岩弹性模量降低速度减缓。

2.3 单轴/三轴压缩实验

Uniaxial/triaxial compression test

取1.1所述14 块煤岩岩心，分别在6、 4、2和0 MPa围压下对1～4 号岩心、5～8 号岩心、9～12 号岩心进行三轴压缩试验，对13～14 号岩心进行单轴压缩试验，单轴/三轴压缩实验结果见图5和图6，奇数号岩心为未经气体驱替岩心（图中蓝色柱），偶数号岩心为经48小时CH4驱替后的岩心（图中黄色柱）。

图5 CH4驱替前后岩心最大抗压强度Fig.5 Maximum compression strength of cores before and after CH4displacement

图6 CH4驱替前后岩心弹性模量Fig.6 Elastic modulus of cores before and after CH4displacement

图5、图6表明，无论是煤岩的弹性模量还是最大抗压强度，均随围压降低而减小，但并非线性。煤岩的弹性模量和最大抗压强度随围压的下降规律基本一致，即高围压条件下下降较慢，低围压条件下下降较快。这是由于煤岩含有较多的微观孔隙，在围压压实作用下闭合，使得自身刚度较大，当围压小于一定值后，煤岩中的微裂缝、微孔隙开始扩张，造成强度迅速下降。

经过CH4驱替作用后，煤岩的最大抗压强度和弹性模量均明显降低，说明煤岩的力学强度有所减弱，这可能是因为气体不断流过煤岩孔隙、裂隙，降低了煤岩裂隙、孔隙中的填充物，并可能造成裂隙的扩展，降低煤岩的内部胶结强度，进而降低煤岩力学强度。

3 结论

Conclusions

（1）煤岩弹性模量随CH4流经煤岩岩心时间的延长而逐渐降低，即煤岩的力学强度下降。

（2）煤岩的弹性模量和最大抗压强度随围压的下降而减小；高围压条件下下降较慢，低围压条件下下降较快。

（3）煤层气生产一段时间后，井下煤层可能产生坍塌、掉块而影响生产作业。

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（修改稿收到日期 2017-02-28）

〔编辑 景 暖〕

Effect of methane gas seepage on coal rock strength

WANG Li
China United Coalbed Methane Company,CNOOC,Beijing100013,China

In the production stage of coalbed methane (CBM) wells,the pore pressure and effective stress of coal seams change gradually with the continuous methane desorption and seepage,and correspondingly the mechanical strength of coal rock decreases.Consequently,the porosity and permeability of reservoirs and even the wellbore stability are,in a way impacted.In this paper,the coupling relationship between the seepage process of coalbed methane in coal seam and the mechanical property of coal rock was tested indoors.And it provides the theoretical basis for formulating CBM well completion and development schemes.Then,acoustic emission test and uniaxial/triaxial compression test were carried out.It is shown that as the flowing period of CH4 through coal rock cores extends and the elastic modulus of coal rocks decreases gradually,indicating the decrease of its mechanical strength.The uniaxial/ triaxial compression test reveals that the elastic modulus and maximum compression strength of coal rocks decrease with the decreasing of confining pressure.And they decrease slowly (fast) when the confining pressure is high (low).It is demonstrated that downhole coal seams may collapse and drop after coalbed methane is produced for a while,and consequently the production and operation is impacted adversely.

coalbed methane;seepage;coal rock;mechanical property

王力.甲烷气渗流作用对煤岩强度的影响［J］.石油钻采工艺，2017，39（2）：158-162.

TE34

：A

1000-7393（2017）02-0158-05

10.13639/j.odpt.2017.02.006

: WANG Li.Effect of methane gas seepage on coal rock strength［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 158-162.

国家“十三五”油气重大专项（2016ZX05044003）“易漏易塌地层钻完井及储层保护技术研究”课题。

王力（1969-），2006年毕业于中国石油大学（华东）石油天然气工程专业，获硕士学位。2016年毕业于东北石油大学石油与天然气工程专业，获博士学位。主要从事钻井技术研究及一线生产管理工作，高级工程师。通讯地址：北京市朝阳区酒仙桥路乙21号国宾大厦。电话：010-84528505。E-mail：wangli72@cnooc.com.cn