含瓦斯煤的吸附量与孔隙率及变形的映射规律研究

程 波，颜文学，孙炳兴，刘 辉

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

瓦斯气体与煤的固体表面存在着强烈的气固反应[1-2]，且大部分斯气体是以吸附的形态赋存于煤的孔隙系统内。大量研究成果表明：煤吸附瓦斯将使得煤的物性参数发生改变，并伴随产生不同程度的变形[3]。该种变形将改变煤的孔隙结构，从而使得煤的孔隙率随之而发生变化。目前，我国相关学者已针对煤吸附瓦斯过程中孔隙率演化特征进行了大量的研究[4-9]，并在煤吸附瓦斯过程与变形、孔隙演化规律方面取得了丰富的成果，为进一步揭示煤与瓦斯气体间的吸附作用对煤孔隙结构的影响奠定了坚实的基础。然而，目前的研究受到试验设备、方法的限制，部分研究成果仅停留在理论分析的阶段，针对含瓦斯煤的吸附量与孔隙率、变形的映射规律的研究鲜见报道。但随着应用数字图像技术的不断发展，诸多学者已将其成功应用于岩石细观力学特性的研究中[10]。鉴于此，以含瓦斯煤为研究对象，针对煤样在不同瓦斯压力的作用下，吸附量对煤孔隙率、变形的影响进行了分析；利用工业CT 技术与高压容量法相结合的方法，研究含瓦斯煤的吸附量与孔隙率、变形的映射规律，旨在为科学评价储层煤层气资源提供理论依据。

1 理论分析

为研究含瓦斯煤的吸附量与孔隙率、变形的映射规律，针对高压容量法测定煤吸附瓦斯量的的实验条件[11]，对瓦斯压力与煤孔隙率、变形之间关联进行分析，并做如下基本假设：

1）假设煤的初始总体积为V0，并且其固体骨架部分是由若干固体颗粒组成的，为弹性介质；固体骨架的初始总体积为Vs0，初始孔隙率为φ0。

2）煤体内的水含量为0，即剔除煤体内的水分对其吸附瓦斯性能的影响。

3）将煤样放置于样品罐后，随即充入瓦斯气体，而后煤样在瓦斯气体氛围下与其充分反应，待吸附平衡后，其吸附平衡瓦斯压力为p。

4）煤体在吸附平衡的过程中，受瓦斯气体压力的影响，将发生变形，且变形包括2 个部分：整体的体积应变，以及煤的骨架在瓦斯压力的作用下引起的变形[12]。

定义煤吸附瓦斯时的体积应变为εv，则根据体积应变的定义可知：

式中：Vc为煤体内气体压力为p 时的整体体积。

若εv＞0，则煤体在瓦斯压力的作用下发生膨胀变形；若εv＜0，则煤体在瓦斯压力的作用下发生收缩变形；若εv＝0，此时煤体未发生变形。

进一步由式（1）可得：

根据孔隙率的定义可知：

则吸附平衡瓦斯压力为p 时，煤的孔隙率φc为：

式中：Vcs为瓦斯压力为p 时煤体的骨架体积。

将式（2）、式（3）代入式（4）中可得：

将式（6）代入到式（5）中可得：

研究的含瓦斯煤的变形特征是以高压容量法测试煤吸附瓦斯等温曲线的过程为条件，处于样品罐内的煤样试件在吸附不同压力的瓦斯气体后，煤样将产生不同程度的变形。与此同时，气体压力的作用，亦将作用于煤体而产生一定程度的收缩变形[8]。实际在煤吸附瓦斯的过程中，煤基质之间亦将相互作用，该种特性也是构成含瓦斯煤变形的重要因素之一[12]。应用高压容量法进行吸附量的测定时，实际并未考虑煤样在瓦斯气体压力作用下产生的变形对孔隙率的影响，因而将注入气体量与游离瓦斯量相减所得到的吸附量则势必与实际存在着一定偏差。

2 煤吸附瓦斯量与变形及煤孔隙率的同步测定试验

2.1 试验系统

针对煤吸附瓦斯量、变形与煤孔隙率的同步测定问题，采用CT 技术与高压容量法相结合的方法，进行不同瓦斯压力条件下煤样吸附瓦斯量、变形与孔隙率的同步测定，试验系统图如图1。其中，吸附瓦斯过程中的煤样孔隙率测定采用ACTIS（300-320KV/225KV）CT 试验系统，选择不同能量的X 射线进行测试。

图1 试验系统图Fig.1 Test system diagram

2.2 试验步骤

1）煤样的制备。将煤样切割成直径25 mm，高度50 mm 的圆柱体形。而后进行脱气、除水处理。

2）粘贴电阻应变片。待煤样表面擦拭后，将应变片粘贴于煤样表面。煤样的体积应变εv为：

式中：εz为煤样的轴向应变；εr为煤样的环向应变。

3）脱气。开启真空脱气泵对吸附罐内的煤样试件进行脱气处理，时间保持在4 h 以上；脱气完毕后，测定吸附罐内煤样试件的εz、εr。并应用CT 实验系统进行不同层位孔隙率的测定，确定煤样的初始孔隙率φ0。

4）充入瓦斯气体。将瓦斯气体充入至标准罐内，并记录标准罐内的瓦斯气体压力p1；所述标准罐与连接管路在试验前需进行标定，记录其体积为Vb；而后，使瓦斯气体进入至吸附罐内。

5）测定吸附瓦斯平衡状态下的吸附量、孔隙率与变形：吸附罐上的气体压力示数连续2 h 无变化后，则可判定煤样吸附瓦斯已至平衡状态，此时开启CT 试验系统获取吸附平衡压力p1p对应的含瓦斯煤平均孔隙率φ1；并同步测定应变εz1、εr1，进而得到吸附平衡压力p1p对应的体积应变εv1=εz1+2εr1；进一步计算此时煤样的体积Vm1=（1+εv1）Vm，则吸附平衡压力p1p对应的吸附瓦斯摩尔量为：

式中：Z1、Z1p分别为压力为p1、p1p时，瓦斯气体的压缩因子；n1为吸附平衡压力p1p对应的吸附瓦斯摩尔量。

吸附平衡压力p1p对应的煤样吸附瓦斯量Vxp1=22.4×n1×1 000。

6）持续充入瓦斯气体。持续向标准罐内充入瓦斯气体，并记录充入瓦斯气体后标准罐内的气体压力p2。

重复步骤5）、步骤6），即可获取相应吸附平衡瓦斯压力条件下的吸附量、孔隙率与变形的数据。

3 试验结果

采集山西晋城矿区3#层与忻州保德煤矿8#层的煤样作为试验研究对象，煤样的工业分析及高压容量法测定的瓦斯吸附常数结果见表1。

试验前，应用CT 试验系统分别测得晋城3#层与保德8#层煤的初始孔隙率为4.64%、12.16%。应用试验方法测定的不同吸附瓦斯平衡压力下的吸附瓦斯量与孔隙率、煤体积应变，不同吸附平衡压力下的吸附瓦斯量与孔隙率变化曲线如图2，不同吸附瓦斯量下的孔隙率与体积应变变化曲线如图3。

表1 工业分析及高压容量法测定的瓦斯吸附常数结果Table 1 Results of gas adsorption constant measured byindustrial analysis and high pressure capacity method

图2 不同吸附平衡压力下的吸附瓦斯量与孔隙率变化曲线Fig.2 Variation curves of adsorbed gas volume and porosity under different adsorption equilibrium pressure

图3 不同吸附瓦斯量下的孔隙率与体积应变变化曲线Fig.3 Variation curves of porosity and volumetric strain under different adsorbed gas amount

由图2 可以看出：煤样在吸附瓦斯平衡状态时，其孔隙率与未吸附瓦斯时截然不同，且随着吸附平衡瓦斯压力的增大，煤样的孔隙率逐渐降低，其中晋城3#层煤样的孔隙率在瓦斯压力至某一阈值后，趋于稳定；而保德8#层煤样的孔隙率则呈现近似于线性降低的趋势。采用高压容量法计算煤吸附瓦斯量时，未考虑煤孔隙演化的计算值实际小于考虑煤孔隙演化时的计算值。采用的晋城3#层煤样属典型的高变质无烟煤，保德8#层煤样为变质程度较低的低阶煤。煤吸附瓦斯的过程中，由于其自身孔隙结构对基质膨胀效应控制的作用不同，故表现为晋城3#层煤样采用高压容量法计算的煤吸附瓦斯量与考虑煤孔隙演化时计算值的相对偏差较保德8#层煤样小[7]。因此，煤吸附瓦斯过程中的孔隙率变化对自身吸附性能极强的晋城3#层煤样吸附瓦斯量计算值的影响较小。

由图3 可知：试验煤样的体积应变与吸附量之间较好的符合线性函数的关系；且煤样的孔隙率随着吸附量的增大，而逐渐降低。所不同之处在于，晋城3#层煤样的孔隙率下降幅值较保德8#层煤样小，这是由于晋城3#层煤样属高变质的无烟煤，其孔隙体积较保德8#层小，煤吸附瓦斯引发的体积膨胀对其孔隙结构改变的作用强度较低。因而，晋城3#层煤样孔隙率随吸附量变化下降的趋势较缓。在实际的煤层气藏资源的评价中，实际均以煤层瓦斯含量为依据。故将不同吸附平衡瓦斯压力下煤孔隙中的游离量与对应的吸附量相加，得到了相应的煤层瓦斯含量；进一步与未考虑孔隙率演化时的煤层瓦斯含量进行对比，不同方法计算煤层瓦斯含量的差异如图4。

图4 不同方法计算煤层瓦斯含量的差异Fig.4 Difference of gas content in coal seam calculated by different methods

由图4 可知：随着吸附平衡瓦斯压力的增加，试验煤样全含量计算值的差异亦随之而增加，其中保德8#层煤样的增加幅值大于晋城3#层煤样。在考虑现场工程实际应用的前提下，可忽略晋城3#层煤样瓦斯含量的差异。但在瓦斯压力超过一定4.3 MPa时，保德8#层煤样2 种计算方法的煤层瓦斯含量相对偏差则大于10%，该种差异对于中、低阶煤层气的开发至关重要[13]。大量研究表明：中、低阶储层的气藏压力大、资源的丰度高、孔隙容积大，最大孔隙率接近30%[13]。故在开展中、低阶储层煤层气资源量的评价时，应关注不同压力下煤孔隙率的演化对煤吸附性能参数以及气体含量计算的影响。

4 结 语

1）应用工业CT 技术获取吸附瓦斯平衡状态下煤样不同层位的孔隙率，以此为基础，结合高压容量法的技术原理，对煤样吸附瓦斯量进行计算，并同时测定煤样的体积应变，实现了含瓦斯煤的吸附量-孔隙率-变形的同步测定。

2）采用高压容量法计算煤吸附瓦斯量时，未考虑煤孔隙演化的计算值实际小于考虑煤孔隙演化时的计算值；吸附性能强的高阶煤瓦斯含量计算可忽略该现象的影响，但孔隙容积大的中、低阶煤则需考虑不同压力下煤孔隙率的演化对煤吸附性能参数以及气体含量计算的影响。

3）随着吸附瓦斯量的增加，煤的孔隙率逐渐降低，并趋于稳定值；且煤的变质程度越高，其孔隙率演化的趋势越缓；煤的体积应变呈现近似于线性增长的特征。