煤渗透特性及其气体压力敏感性试验研究

李波波，邵国君，杨 康，袁 梅(.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 喀斯特山区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；.国家电力投资集团公司贵州遵义产业发展有限公司，贵州 遵义 563000)

矿业纵横

煤渗透特性及其气体压力敏感性试验研究

李波波1，2，3，邵国君4，杨 康1，袁 梅1，2，3
(1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 喀斯特山区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；4.国家电力投资集团公司贵州遵义产业发展有限公司，贵州 遵义 563000)

为探索煤中孔隙流体压力的变化导致渗透率的改变，引发煤渗透率压力敏感性现象，利用自主研发的出口端压力可调的三轴渗流装置，对贵州3个矿区的煤开展不同吸附性气体与不同气体压力下煤的敏感性试验研究。研究结果表明：在较低气压范围内(0～0.6 MPa)，随气体压力的增加，煤渗透率下降明显，当气体压力继续上升煤的吸附作用逐渐趋于平衡，煤体骨架的吸附膨胀变形也越来越小，渗透率的下降速率逐渐减少并趋于平缓。在气体压力小于1.0 MPa时，煤渗透率损害率Dp变化较大，且随气体压力增加快速增大，表现出较强的压力敏感性。不同吸附性气体条件下，气体压力指数关系敏感系数Cp均随气体压力的增加而逐渐减小，煤渗透率对气体压力的敏感性降低。对于同一煤，在相同的条件下，CH4的气体压力乘幂关系敏感系数Sp的值最小，煤对气压的敏感性越差。乘幂关系的气体压力敏感系数Sp与渗透率损害率Dp有很好的线性相关性。

煤；有效应力；气体压力；渗透率；敏感系数

煤层气开发及煤层瓦斯抽采等多种矿物气体的开采对人类生存和安全越来越重要，而气体在煤体孔隙和裂隙中的渗透系数则是工程设计与运行的重要参数。气体可压缩性和矿物气体较强的吸附作用，对气体渗透特性产生很大的影响。因此，对孔隙裂隙介质的煤渗透特性及气体压力敏感性的研究具有重要的工程指导意义。

煤渗透特性受到孔隙特征、应力和孔隙压力等方面的影响。Nie等[1]通过计算机断层扫描试验系统分析了原煤裂隙发育，得到煤的密度随应力的增加而增大。Li等[2]得出了低阶煤样孔隙结构具有多孔性且微孔和中孔比例最大。Liu等[3]采用SEM和低压氮气吸附，分析了CH4对煤样吸附能力的影响。Ouyang等[4]利用核磁共振方法和分形的方法得出了煤化对孔裂隙特性的影响。Durucan.S等[5]给出了煤渗透率与应力之间的经验关系式。赵阳升等[6]得出吸附作用表现为渗透系数随孔隙压呈负幂函数规律变化。曹树刚等[7]得出孔隙压力与渗透率之间呈二次多项式关系。王登科等[8]得出含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。

在渗透率对应力敏感性方面，Jones.F.O等[9]在提出了一种应力敏感评价指标。兰林等[10]通过对大量岩心试验数据拟合，运用该指标评价其储层应力敏感性。张琰等[11]对低渗气藏的应力敏感性评价方法进行研究，用渗透率损害率来评价应力敏感影响。黄远智等[12]通过定义有效应力敏感系数，并推导出渗透率与有效应力之间的函数关系。罗瑞兰等[13]得出应力敏感系数与初始渗透率的关系式。孟召平等[14]通过煤的应力敏感性试验，分析了煤储层应力敏感性及有效围压、煤中裂隙和含水情况等对煤储层应力敏感性的影响。

气体压力对煤渗透特性的影响，目前已取得一定成果和认识，但煤的气体压力敏感性试验以往储层评价方法都难以满足当前高精度煤储层评价的要求。因此，从煤储层特征出发，结合煤矿工程实际，开展气体压力敏感性试验，同时改进以往的气体压力敏感系数评价方法，揭示煤渗透性的动态变化规律及合理的敏感性评价，为提高矿井瓦斯抽采和矿山安全等基础研究提供一定的参考依据。

1 试验方法

1.1 试样的制备与物性

试验用煤分别取自贵州六枝矿区四角田煤矿7#煤层、水城矿区木冲沟煤矿8#煤层及盘江矿区松河煤矿3#煤层。将取回的煤样先在粉碎机上粉碎并筛选出60～80目的粉煤，再将粉煤与一定量的纯净水混合后在2 000 kN材料试验机上以100 MPa的压力压制成Φ50 mm×100 mm的型煤试件，并将制作好的试件烘干后置于干燥皿内备用。

图1为原煤煤样放大2 000倍的SEM图像。对孔裂隙特征进行分析，四角田7#煤层存在数条裂隙，其宽度大于1 μm且长度不均，木冲沟8#煤层存在一条裂隙，其宽度约为1.10 μm；松河3#煤层无孔隙，存在一条裂隙，平均宽度约为1.017 3 μm。可知孔裂隙发育程度为四角田7#煤层最发育，木冲沟8#煤层次之，松河3#煤层最不发育。

图1 原煤煤样SEM图(2000×)

1.2 试验装置

试验所用装置为自主研发的、出口端正压的三轴渗流装置[15]。该装置主要由试件夹具、高压油泵、压力表、流量计、恒温水浴、出口压力调节器等部分组成。

1.3 试验方案

为探讨气体压力对煤渗透率的影响，同时排除应力的干扰，进行恒定有效应力下改变气体压力的渗流试验。本文所指的有效应力为平均有效应力[15]，其表达式见式(1)。

(1)

式中：σe为有效应力；σ1为轴压；σ3为围压；P1为试件进口气体压力；P2试件出口气体压力。

设定有效应力为2.0 MPa，在试验过程中在每个气体压力点达到吸附平衡后测量其流量值。气体压力均保持在较低范围，进口端气体压力分别控制为0.2 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa和1.8 MPa。同时考虑不同吸附性气体CH4、CO2和He对其规律的影响，并采用3个典型矿区煤进行试验(表1)。

2 试验结果及分析

图2为不同吸附性气体的煤渗透率与气体压力的关系曲线，从图中可以得到以下信息。

1) 对于同一气体，在较低气压范围内(0～0.6 MPa)，随进口端气体压力的增加，煤渗透率先下降明显，煤的吸附作用逐渐趋于平衡，煤体骨架的吸附膨胀变形也越来越小，因此渗透率的下降速率逐渐减少，并趋于平缓。当气体压力小于0.6 MPa时，煤渗透率随气体压力增加的变化相对较大，而当气体压力大于0.6 MPa时，煤渗透率的变化将趋于平缓。He无吸附性，其渗透率降低主要受压力的增大所致。CO2和CH4渗透率降低，由于低压条件下当试验开始体积应力增大使煤体被压缩，颗粒直接越来越紧密，孔隙变小，渗透率剧降。随气体压力的增加，煤吸附气体量将增大，孔隙、裂隙表面的厚度增加，使渗透通道减小，气体分子之间的传递阻力增加[16]。在气压较低和有效应力恒定时，煤吸附瓦斯向内部产生膨胀变形，挤压煤中的孔隙裂隙，进而使渗流通道减少，渗透率降低。同时瓦斯的吸附促进煤表面能和吸附热转化为膨胀能，加剧了膨胀变形，孔裂隙变窄，煤孔隙率减小，导致渗透率降低。此时吸附性占支配地位，故渗透率呈现随气体压力减小的规律。

表1 不同气体压力条件下的试验方案

图2 不同吸附性气体煤渗透率随气体压力的变化关系

2) 对于同一矿区的煤，在相同的条件下，吸附性越强的气体，其渗透率越低。这是由于煤的渗透性与煤的孔隙、裂隙有关，一般情况下煤中微孔和超微孔隙构成了煤的吸附容积。吸附性越强的气体，则越容易侵入煤体结构内部，减小了煤的表面张力，使得骨架越大，渗流通道越小，渗透性越差。当煤体在有效应力恒定，微孔隙或微裂隙在吸附气体后所产生的变形向内发展，从而影响中孔和大孔及裂隙的容积，使渗透容积减小。试验所用的三种气体中CO2吸附性最强，CH4次之，He没有吸附性。因此煤吸附CO2产生膨胀变形比CH4大，进而使煤渗流通道减小程度最大，渗透率最低，由于煤对He没有吸附作用，所以其渗透率最大。

3) 在相同试验条件下，不同矿区的煤对CH4、CO2和He的渗透率存在差异，其中四角田7#煤层的渗透率最大，木冲沟8#煤层次之，松河3#煤层最小。煤体渗透性取决于煤孔隙裂隙发育程度，即固体骨架的性态，其次取决于流体的性质。依据许江等[15]对该矿区前期研究，四角田7#煤层变质程度最高且内部孔隙最发育，木冲沟8#煤层次之，松河3#煤层变质程度最小且内部孔隙最不发育，可知松河3#煤层吸附性越小，渗透率最低。

3 气体压力敏感性

3.1 渗透率损害率

渗透率损害率反映在气体压力作用下煤的渗透率损害的百分数，按式(2)计算压力敏感性引起的渗透性损害Dp。

(2)

式中：Dp为气体压力为iMPa时的渗透率损害率，10-3μm2；k0为初始压力点对应的煤渗透率，10-3μm2；ki为各气体压力测点的煤渗透率，10-3μm2。

图3为渗透率损害率与气体压力之间变化规律。随着气体压力的增加，3种气体试验煤渗透率损害率均随气体压力的增大而增加。在气体压力小于1.0 MPa时，煤渗透率损害率变化较大，且随气体压力增加快速增大。渗透率损害率增幅在气体压力为0.6 MPa时达到最大。四角田7#煤层煤在0.6 MPa下，CO2、CH4、He渗透率损害率分别为67.22%、58.76%、64.24%。在气体压力大于1.0 MPa时，其变化减小，随气体压力增加，渗透率损害率增长速度减缓，压力敏感性减弱。这可能是由于有效围压增大使煤收缩变形量增大，孔隙裂隙被挤压闭合的结果。

图3 煤渗透率损害率与气体压力的关系

3.2 指数关系的气体压力敏感性

为定量探讨随着煤渗透率对气体压力的响应程度，考虑将其影响因素进行归一化处理[12]，通过定义渗透率对气体压力的指数关系敏感系数Cp，即指在恒定有效应力下，每升高1.0 MPa的气体压力所引起的煤渗透率的相对变化量，计算见式(3)。

(3)

式中：Cp为气体压力指数关系敏感系数，MPa-1；∂k为煤的渗透率变化量，10-3μm2；∂p为气体压力变化量，MPa。Cp能够反映煤渗透率随气体压力的变化趋势。Cp值越大，表明煤渗透率随着气体压力的变化就越敏感，在气体压力相同变化幅度下，煤渗透率变化值越大。

为确定煤的气体压力敏感系数，首先需要对渗透率-气体压力曲线进行指数函数拟合，然后，将拟合结果代入式(2)，即可得到Cp与气体压力p之间的函数关系(式(4))。图3显示出不同吸附性气体的气体压力敏感系数随气体压力的变化服从幂函数关系。

Cp=mp-n

(4)

式中，m和n均为拟合系数。

表2为不同气体条件下的拟合参数m和n，图4为根据式(3)拟合结果绘制的不同吸附性气体的气体压力指数关系敏感性系数随气体压力的变化曲线。由图4可知：不同吸附性气体试验条件下，气体压力指数关系敏感系数均随气体压力的增加而逐渐降低，即气压越高，煤渗透率对气体压力的敏感性越差。究其原因，气体压力增加，煤吸附气体量增加，由于保持有效应力恒定，由煤基质吸附膨胀变形明显到吸附产生的膨胀变形越趋于稳定，煤中孔隙裂隙闭合速度由快到慢，煤吸附气体累计量将增加，其孔隙、裂隙表面的厚度增加量减少，占据的孔道面积亦越大，从而使构成渗透的孔截面减小，而在气体压力较小时，气体压力增加导致孔隙的扩张要小于吸附气体增加而导致的渗透孔隙的减小，因而在这一过程中渗透率变化量较大，气体压力的敏感性较强，随着气体压力进一步升高，煤基质膨胀变形越趋于稳定，在相同气压变化幅度下，渗透率的变化量减小，即渗透率对气体压力的敏感性减小。

表2 Cp-p函数的拟合系数m、n取值

在相同试验条件下，四角田7#煤层煤对3种气体的气体压力敏感系数值最小。渗透率存在差异，规律性较明显。其中四角田7#煤层的渗透率最大，木冲沟8#煤层次之，松河3#煤层最小。

图4 气体压力敏感系数随气体压力的变化关系

根据式(2)，可推导出气体压力从p0变化至p时的煤渗透率，见式(5)。

(5)

再将式(3)代入式(4)，得式(6)。

(6)

可见，若已知气体压力及其相应的拟合参数m和n，则可通过式(5)求得相应气体压力条件下的煤渗透率。

3.3 乘幂关系的气体压力敏感性

渗透率随气体压力的增加，在较小气压下降低较快，并随着气体压力的增加渗透率降低逐渐减缓，应用乘幂关系可较好的拟合渗透率与气体压力关系，得到式(7)。

(7)

式中：p为气体压力，MPa；p0为初始气体压力，MPa；k0为当气体压力为初始气体压力时的渗透率，10-3μm2；a、b为系数。当p=p0时，有k=k0，由此可以得出式(6)中a的值为1，则式(6)变为式(8)。

(8)

对式(8)两边取常用对数，得到式(9)。

(9)

把试验系数Sp定义为气体压力乘幂关系敏感系数，即式(10)。

(10)

每一个试验曲线对应一个b值，因此可以通过得到Sp值的大小来判断试件的气体压力敏感程度。

图5为绘制出的无因次渗透率与气体压力的关系，得到数学回归式及相关系数见表3。对图5、表3进一步分析，可以得到以下结果。

1) 对于同一煤，在相同的条件下，CH4的气压乘幂关系敏感系数的值最小，煤对气压的敏感性越差，CO2的气压敏感系数的值最大。主要是由于加载过程中有效应力恒定，气体压力增加会使煤孔隙结构扩张、瓦斯吸附量增加、孔隙吸附瓦斯层增厚，导致瓦斯渗流孔道缩小。在此过程中有效应力恒定和孔隙压力增加共同作用导致煤孔隙扩张的程度小于因气体压力增大使得煤层增厚而阻碍气体渗流的程度，渗透率减少。即煤体在较小的有效应力范围内、气体压力不断增加的加载过程中，吸附作用是影响渗透率的主控因素[17]。由于CH4比CO2吸附性低，CO2渗透率降低变化量大于CH4渗透率降低变化量，而He渗透率降低量介意两者之间。因此，在3种煤层中CH4的气体敏感系数的值均为最小。

2) 气体压力乘幂关系敏感系数是由试验得到的全部数据进行拟合得到，每一煤对应一个敏感系数，该系数的大小就反映煤气压敏感性的强弱。可以从数据看出不同煤样试验的同种气体敏感性。

将式(9)代入式(7)可以推导出任意初始渗透率与气体压力的关系式，见式(11)。

(11)

表3 渗透率与气体压力敏感系数表

图5 无因次渗透率与气体压力的关系

3.4 气体压力敏感系数与渗透率损害率的关系

气体压力敏感系数和渗透率损害率都可用于评价煤储层气体压力敏感程度，建立两者之间的关联有助于进一步阐述压力敏感性的评价问题。

1)气体压力乘幂关系敏感系数Sp与渗透率损害率Dp有很好的线性相关性。渗透率损害率越大，敏感系数Sp越大。利用Sp和不同吸附性气体的平均渗透率损害率，进行线性回归得到图6，由图6可以看出气体压力乘幂关系敏感系数Sp与渗透率损害率Dp有很好的线性相关性。

表4为拟合公式和相关系数，表明敏感系数Sp与各气体压力测点的渗透率损害率均有较强的相关性，反映出气体压力敏感系数表征了煤的整体气体压力敏感性强弱。选用的试验煤取自不同区块和煤层，将它们的试验数据进行汇总拟合，在各气体压力测点都表现出渗透率损害率与敏感性系数强的线性相关性。因此，Sp就可作为不同区块及煤层的气体压力敏感性强弱的对比依据。

图6 气体压力敏感系数和渗透率损害率的线性关系

表4 敏感系数和渗透率损害率的相关关系

2) 不同形式拟合的Cp与Sp存在很好的对应关系，不同气体压力试验下，运用乘幂函数拟合相关系数高。改进后的敏感系数Sp定义方式的优点使它具有唯一性，每个试件对应一个敏感系数，敏感系数的大小不受试验中所测数据点多少的影响。而Cp能体现气体压力增大过程中的敏感性，不同的气体压力测点就会得到不同的值，不具有统一性。

4 结 论

1) 在较低气压范围内，随气体压力的增加，煤的CO2和CH4渗透率先下降明显，煤的吸附作用逐渐趋于平衡，煤体骨架的吸附膨胀变形也越来越小，渗透率的下降速率逐渐减少，并趋于平缓。

2) 在气体压力小于1.0 MPa时，煤渗透率损害率变化较大，且随气体压力增加快速增大，表现出较强的压力敏感性。不同吸附性气体试验条件下，气体压力指数关系敏感系数Cp均随气体压力增加而逐渐降低，即气压越高，煤渗透率对气体压力敏感性越差。四角田7#煤层煤对3种气体的气体压力敏感系数值最小。渗透率存在差异，规律性较明显。

3) 对于同一煤，在相同的条件下，CH4的气体乘幂关系敏感系数Sp值最小，煤对气压的敏感性越差。推导出任意初始渗透率与气体压力的关系式。

4)气体压力乘幂关系敏感系数Sp与渗透率损害率Dp有很好的线性相关性。渗透率损害率越大，敏感系数Sp越大。但不同气体压力试验下，运用乘幂函数拟合相关系数高。敏感系数Sp定义方式的优点是它具有唯一性，每个试件对应一个敏感系数，敏感系数大小不受试验中所测数据点多少的影响。

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Experimental research on the gas pressure sensitivity to the permeability of coal

LI Bobo1，2，3，SHAO Guojun4，YANG Kang1，YUAN Mei1，2，3

(1.College of Mining，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.The National Joint Engineering Laboratory for the Utilization of Dominant Mineral Resources in Karst Mountain Area，Guizhou University，Guiyang 550025，China；3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources，Guiyang 550025，China；4.State Power Investment Corporation Guizhou Zunyi Industry Development Co.，Ltd.，Zunyi 563000，China)

In order to explore the gas pressure changes caused changes of permeability of coal，leading to the phenomenon of pressure sensitivity.Using the self-developed triaxial seepage equipment with an adjustable outlet pressure，the experimental study of permeability sensitivity of coal sample from 3 mines in Guizhou province under different gases and gas pressure was performed.The results are show that at the lower pressure range (0～0.6 MPa)，the permeability decreases significantly when gas pressure increases，the adsorption of coal tends to balance and the rate of descent reduced and leveled off with the rising of gas pressure.When the gas pressure is less than 1.0 MPa，the damage rate of permeabilityDphas a great change，and it increases rapidly showed a significant sensitivity.Under the different gases condition，the sensitiveness coefficient of gas pressureCpdecreases when the gas pressure increases.The sensitiveness coefficient of gas pressureSpis minimum when filling CH4under the same condition.The sensitiveness coefficient of gas pressure has the power relationshipSpand damage rate of permeabilityDphas a better linear correlation.

coal；effective stress；gas pressure；permeability；sensitiveness coefficient

2017-01-20 责任编辑：刘艳敏

国家自然科学基金项目资助(编号：51574093)；贵州省科学技术基金项目资助(编号：黔科合J字〔2015〕2049号)；贵州省科技厅、贵州大学联合资金计划项目资助(编号：黔科合LH字〔2014〕7654)；贵州大学引进人才科研项目资助(编号：贵大人基合字〔2014〕57号)

李波波(1985-)，男，贵州修文人，博士，讲师，主要从事矿井灾害防治、煤层气渗流方面的教研工作，E-mail：sbobo.0822@163.com。

TD713

A

1004-4051(2017)06-0142-07