基于压力恢复曲线测定煤层参数研究

傅永帅

（煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁沈阳110016）

基于压力恢复曲线测定煤层参数研究

傅永帅

（煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁沈阳110016）

结合煤层的赋存特点，首次将油、气田开发过程中压力恢复曲线的成熟理论和基本公式应用到露天煤矿煤层瓦斯赋存参数测定中，构建用于煤层瓦斯赋存参数测定的压力恢复曲线理论和方法，并在和顺吕鑫煤矿进行了验证试验，试验表明压力恢复曲线可以真实准确反映出煤层瓦斯参数的情况。

压力恢复曲线；露天煤矿；瓦斯参数

0 引言

煤层气赋存参数主要包括煤层瓦斯压力、瓦斯含量和煤层透气性系数等，准确测定煤层瓦斯赋存参数是确定煤层瓦斯突出危险性和煤层瓦斯预警的重要依据，也是煤矿治理和利用瓦斯根本所在。目前，由于直接测定煤层瓦斯含量的方法需要建立补偿煤层气损失量的方法，容易由于损失量的推算带来误差；间接测定煤层瓦斯含量方法需测定煤层气压力及进行等温吸附实验，测定周期长，测定结果不够准确，很难适应现代高产、高效采矿技术的需要。

通过对油田地下水动力学理论的进一步推导和演算，可以得到压力恢复曲线的应用技术和公式，这是在油田的开发当中经常使用的。煤层的性质决定了瓦斯在煤层中的流动符合达西定律规律，对油气井分析采用的压力恢复曲线方法，适用于煤层气的研究与应用，能够采用压力恢复曲线方法计算露天煤矿煤层瓦斯参数，并且可以大大缩短煤层瓦斯赋存参数的测定周期。

1 煤层气流动的渗流应力耦合模型

在煤层中赋存的瓦斯气体无规则的流动过程难以准确描述，煤层的孔隙结构以及瓦斯气体的赋存状态是其主要的影响因素。经过大量实验：煤层当中的瓦斯气体主要存在方式为吸附态瓦斯和游离态瓦斯，后者以气体状态大部分集聚在煤层孔隙当中，而且大部分都是中孔、大孔以及裂隙之中；前者以固溶体状态积存于孔隙表面以及煤体内部，与游离态瓦斯不同，吸附瓦斯大都在微孔当中。随着孔隙瓦斯的运移，吸附相瓦斯和游离相瓦斯的动态平衡被破坏，这就导致部分吸附瓦斯解吸顺着裂隙通道进入孔隙空间之中，通过朗格缪尔方程可将此过程很好的解释。除此之外，因为考虑到实际工程过程中瓦斯气体的排放速度比较慢，造成孔隙通道内的压力降低的斜率非常小，将瓦斯运移过程近似为等温过程和准热力平衡过程是比较准确和可行的，同时可以忽略瓦斯解吸过程对与气体渗流流场扰动的影响。

1.1 煤层应力控制方程

根据煤体中的孔隙分布和煤层中的裂隙系统以及研究成果表明，瓦斯气体赋存与煤层当中，必然造成对煤体的力学性质（力学响应）以及变形特性（体积响应）产生很大的影响。基于等效连续介质模型，将煤层介质简化为横观各向同性弹性体，不同坐标系下的横观各向同性体如图1，孔隙流体压力p作用下，煤岩体的弹性本构关系为[1]

图1 不同坐标系下的横观各向同性体

式中：σ′ij为有效应力张量；α为孔隙流体压力系数，且0＜α＜1；δij为Kronecker函数；应变张量εkl=（Uk，l+Ul，k）/2，U为煤岩体位移；Dijkl为弹性张量，可表示为6×6的刚度矩阵[D]。

1.2 瓦斯流动控制方程

假设瓦斯为理想气体，流动过程为等温过程，考虑气体的可压缩性情况下，煤层中瓦斯含量为吸附瓦斯量和游离瓦斯量之和，假设煤层中游离瓦斯在压力梯度作用下的运动规律符合线性渗透定律，可得到考虑瓦斯吸附解吸过程的渗流连续性方程

1.3 气固耦合关系方程

煤层的孔隙结构复杂多变，为研究煤层瓦斯运移形式和渗透特征，将煤层简化为由裂隙和孔隙共同组成的双重介质，瓦斯的吸附解吸过程主要在煤层孔隙结构中进行，通过孔隙率的变化反应出来，而裂隙渗透率远高于孔隙的渗透性，瓦斯在可变形煤层中的流动主要在裂隙介质中完成。煤层的孔隙率与应力状态满足如下关系[2]。

式中：φ0、φr分别为不受外力作用时和高压缩应力状态下的煤层孔隙率；αφ为渗透率的应力敏感系数，一般取5.0×10－8Pa－1。

提出的耦合模型中，简化后的渗流－应力耦合方程为

式中：β为耦合系数(应力敏感因子)，由试验确定；σii为有效应力。

2 压力恢复曲线法测定煤层钻孔的煤层层流参数

通过压力恢复曲线来测定煤层的渗流参数的理论部分已经清晰，为了能够在实践中得到进一步的验证，选取和顺吕鑫煤矿作为试点，具体情况如下。

2.1 矿区概况

山西煤炭运销集团和顺吕鑫煤业露天煤矿位于和顺县城东北约14 km处,批准矿田面积11.438 5 km2，矿区南北长约5.85 km，东西长约3.34 km，批准开采煤层8#～15#，开采标高1 270～1 170 m，煤矿生产能力200万t/a。全矿田可采煤层为15#煤层，位于K2石灰岩之下22.5 m，下距K1砂岩19.8 m，顶板为砂质泥岩、粉砂岩，底板为砂质泥岩。灰Ad为12.30%；水分Mad为0.64%；探发分Vdaf为14.24%；全硫St.d为1.76%，发热量Qgr.d为28.7 MJ/kg。经煤尘爆炸性分析，煤尘具有爆炸性。

2.2 瓦斯压力及自然流量测定方法

1）压力测定方法。本次测压采用了采区钻孔测压的方法，由于煤层钻孔释放瓦斯时间并不会达到足够长的时间，所以通过压力恢复曲线测定煤层渗流参数最为合适。在本次压力测定之前，需要先测定出钻孔自然瓦斯流量的相关数据，最后将钻孔封闭，定期观测瓦斯压力大小与时间的函数关系。

2）瓦斯自然流量的测定。通过水泥浆封孔以后，定期对钻孔瓦斯流量数据跟踪记录测量并计算数值。经观测认定，此次施工的钻孔为干钻孔，没有受到水因素的影响。在将钻孔封闭之前，测得的瓦斯自

式中：qG为使用状态下的钻孔瓦斯流量，m3/h；q0为钻孔瓦斯自然流量，m3/h；ρS为被测气体的密度，甲烷为0.668kg/m3；ρN为标定介质的密度，空气为1.205 kg/m3；PN为标定时气体的绝对压力，1.033 6 kg/cm2；PS为被测气体流经流量计的绝对压力，1.029 5 kg/cm2；TS为被测气体的绝对温度，291℃；TN为标定时气体的绝对温度，293℃；故qG=97.72 m3/d。

由曲线公式—封闭钻孔以后，通过装在末端的压力表记录下一段时间的压力数据，可以得到时间t和压力Pt二者的函数关系，由此可以得到曲线如图2所示。结果为Pt的实际数值会随着△t的增大而持续变大，但当压力恢复曲线的斜率达到极大值，即t/（t/T+t）=1的时候，那么此时的Pt可以取到最大极限值P0。由此我们可以得到实验煤矿原始煤层最终瓦斯压力P0的大小，如图2中测得Pt=3.93 kg/cm2，P绝=4.03 kg/cm2。在图2中，0.2～0.8为一个周期，计算得i=19.5 kg/cm2。

吕鑫煤矿曾对15#煤层采用直接法测压，压力表稳定值为3.83 kg/cm2，即煤层绝对压力为3.93 kg/cm2，通过比较上面压力恢复曲线的计算值可得到基本吻合的结果。同时，在图2中观察可知，压力恢复曲线用很短的时间就达到了斜率段，当时间为9 d时曲线达到边界反应段。由此可知，可以在9 d左右的时间里完成压力指标的测定。但考虑到试验数据目前还不够充足，日后还必须采取大量的现场试验用来检验压力恢复曲线方法的实际效果。然涌出量为3.036 m3/h，测得当时的大气压力是757 mmHg，钻孔内部的温度达到18°C。因此，在处理数据之前需要用下式对其进行校正。

图2 钻孔Pt－lgt/（T+t）压力恢复曲线

2.3 煤层瓦斯含量

通过前面得到的瓦斯压力指标，由公式（6）求煤层瓦斯含量[3]：

在此期间，通过对吕鑫煤矿15#煤层进行了瓦斯含量指标的测定工作，其含量为9.94 m3/t。与上述理论计算数值相比较可以看出，两数值十分接近。

2.4 煤层透气性系数K

1）首先求煤层内煤层气气体积系数，求BG：

Z=1.06；Tt=291℃；Pt=40.3 kg/cm2；Pw=1 kg/cm2。则：

2）求煤层透气性系数K。由前面可知煤层的厚度h=5.71 m，封闭钻孔以前共计释放瓦斯2 d，转换为分钟即为T＝2 880 min；

计算可得封闭钻孔以前其煤层瓦斯气体自然排放量为qG=97.72 m3/d；μ=0.02 cp，BG=0.052，i=19.5 kg/cm2。

吕鑫煤矿实测的15#煤层透气性系数为0.41 m2/MPa2·d，根据资料显示，邻近矿井正邦良顺煤矿与吕鑫煤矿井田相邻的15号煤层的透气性系数为0.024～4.450 m2/MPa2·d，由此可知，对吕鑫煤矿实际测定的数据与应用压力恢复曲线法计算得到透气性系数相比较而言略小，考虑到与良顺煤矿同一煤层的透气性系数，本次测定的数据处于其测定的范围内。因为这两座煤矿同属同一煤田范围，大部分的煤层属性是相同的，比如地质构造、煤层赋存等。通过采用压力恢复曲线的方法计算得出的吕鑫煤矿15#煤层透气性系数真实准确的反映出煤层的情况。

3 结论

1）以压力恢复曲线为基础，结合实践和数学理论方法，对吕鑫煤矿15#煤层瓦斯赋存情况进行了深入研究，在此基础上建立了瓦斯压力恢复曲线法推算煤层瓦斯压力等煤层渗透参数的数学模型。

2）通过对吕鑫煤矿15#煤层采用压力恢复曲线方法计算出的参数与实测的数据进行对比分析比较，数据之间差异很小，基本可以真实准确反映出煤层瓦斯参数的情况，这样便可以快速测定出瓦斯参数。

3）此次实验在吕鑫煤矿取得了比较理想的的效果，但是考虑到影响压力恢复曲线的因素还有很多，无法准确的采用控制变量法进行精确的控制，这就导致采用压力恢复曲线的方法确定出的相关参数同样具有复杂性。为此，在条件允许的情况下应进一步加强试验研究，通过大量的现场试验数据来检验此测定方法的可靠性，逐步完善该测定方法理论和实践。

［1］兰泽全，曲荣飞，陈学习，等．直接法测定煤层瓦斯压力现状及分析［J］．煤矿安全，2009（4）：74－78．

［2］童宪章．压力恢复曲线在油.气田开发中的应用［M］．北京：石油工业出版社，1977：315．

［3］马水龙，尹洪军，吴世旗．用压力恢复曲线计算油藏平均压力的新方法［J］．油气井测试，2002，11（2）：7－9．

［4］于不凡、王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］．北京：煤炭工业出版社，2000．

［5］王佑安，吴继周，屠锡根，等．矿井瓦斯防治［M］．北京：煤炭工业出版社，1994．

【责任编辑：陈毓】

Coal seam gas parameter study based on the pressure recovery curve

FU Yongshuai
(State Key Laboratory of Coal Safety,China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Shenyang 110016,China)

Combining with the occurrence characteristics of coal seam,the article applies the mature theory of pressure recovery curve and the basic formula to the determination of coal seam gas occurrence parameters for the first time in the process of oil and gas field development.The mine builds the theory and method of pressure recovery curve for the determination of parameters,which is verified by Lvxin coal mine.The test shows that pressure recovery curve can accurately reflect the real gas parameters of coal seam.

pressure recovery curve;open-pit mine;gas parameter

TD712

B

1671－9816（2017）08－0036－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.010

傅永帅.基于压力恢复曲线测定煤层参数研究［J］.露天采矿技术，2017，32（8）：36-38.

2017-05-13

“十二五”国家科技重大专项项目（2011ZX05040-003）

傅永帅（1982—），辽宁朝阳人，博士研究生，毕业于吉林大学，从事煤矿瓦斯治理工作。