煤岩力热耦合渗流特性实验装置开发与应用

万军凤，王 飞，王艳丽，王学武

（1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院，山东 东营257000；2.中国石油大学（华东）石油工业训练中心，山东 青岛 266580）

煤岩渗透率作为反映瓦斯气体渗流难易程度的重要指标[1]，是煤层气开发的关键[2-3]；同时，煤岩渗透率还是开展煤与瓦斯突出防治研究等一系列矿山安全问题的切入点，这就决定煤岩渗流特性实验成为了煤岩实验测试的核心内容[4]。为研究煤岩的渗流特性，国内外学者进行了大量研究，取得了较多研究成果[5-13]，但研究的渗透率影响因素较单一，仅仅考虑加载应力、温度、含水率、注气压力某一方面或几个方面，未考虑各因素综合作用时对瓦斯渗流规律的影响；对不同含水状态的煤岩进行瓦斯渗流实验时，缺少煤样中流失水分的计量；不同的渗流实验中夹持器下游出口压力直接与大气相通，这与煤矿现场实际情况不太相符。为此，在吸收目前同类渗流实验装置优点的基础上，克服上述不足，设计开发了新的实验装置，该实验装置可较好地模拟煤储层瓦斯渗流所处的环境，进行温度、含水率、地应力及注气压力多因素耦合作用下的煤岩瓦斯渗流特性实验，以模拟再现瓦斯运移过程，为更深层次地探索瓦斯渗流机制提供技术支持。

1 实验装置设计及核心技术

煤岩力热耦合渗流特性实验装置结构图如图1。装置主要由储层环境模拟系统、气体注入及调压系统、回压控制系统、气水分离系统、气体计量系统、数据监测采集系统等核心技术组成。

图1 实验装置结构图Fig.1 Experimental device structure diagram

核心技术如下：

1）储层环境模拟系统。为模拟地质环境中不同埋深下的煤储层压力和温度，专门设计了圆柱煤岩三轴夹持器，煤岩三轴夹持器如图2。通过和手摇泵的配套使用，可对煤样在轴向和侧面围向分别施加载荷，以模拟地下煤岩的受力状态。轴向应力、围向应力也可单独调整控制，以实现不同应力下的非均衡受载实验；可实现的轴向应力及围向应力最高为40 MPa。储层环境温度的模拟主要由温度控制单元来实现，温度控制单元由RKC-CD901型的温控器、电加热带、温度传感器等组成。电加热带包裹于夹持器腔体中间层部分，温度传感器探针则安装在夹持器腔体上，保证了温度检测数据的可靠性。可对试件加热的温度范围为室温至150℃，夹持器的温度控制精度为±0.5℃。圆柱煤岩三轴夹持器适用试件尺寸为φ50 mm×（50～100 mm）。

图2 煤岩三轴夹持器Fig.2 Coal and rock triaxial gripper

2）气体注入及调压系统。气体注入及调压系统主要包括高纯甲烷气瓶、输气管路、减压设备及互联管阀等。实验时，利用减压设备调节供给煤岩三轴夹持器的上游气体压力，输气管路采用4 mm优质不锈钢管线，耐压性能良好，夹持器的下游出口压力则由回压控制系统调节控制，输气管线、压力传感器及进、出气口的连接均采用双卡套连接，密封可靠，保证了系统的气密性。

3）回压控制系统。为保证室内煤岩渗流特性实验更接近煤矿现场实际，设计了回压控制系统，回压控制系统主要包括：氮气气瓶及氮气气瓶减压器、回压器、回压器气体压力入口阀门、输气管路等。通过调节氮气气瓶供给回压器的气体压力大小，可实现对夹持器下游出口压力较精确控制。

4）气水分离系统。渗流实验时，考虑到煤样中少量水分会被瓦斯气体携带流出，在夹持器下游出口端设计了气水分离系统，以获取携带出的水分质量。气水分离系统主要由集水瓶、精密分析天平及输气管路连接而成，该系统中的集水瓶内置硅胶，能够充分吸收煤样出口端随瓦斯气体带出的水分，精密分析天平（精度≤0.01 g）的使用保证了水分测量的精确性。

5）气体计量系统。气体计量系统由高精度玻璃计量管、硅胶管，转换接头及管线连接而成。高精度玻璃计量管上刻绘有精度刻线，实验过程中应根据不同渗透率的煤样适时调整玻璃计量管的量程规格，以保证测量的精确性。

6）数据监测采集系统。系统可实现对实验系统压力、温度等参数的实时采集与数据处理。

2 实验概况

为验证煤岩力热耦合渗流特性实验装置的实验功能及测试精度，对原煤煤样在模拟煤储层温度的条件下，进行了加载应力、含水率和注气压力耦合作用下的瓦斯渗流特性实验。

实验煤样采用沁水盆地郑庄煤矿原煤煤样，煤样规格：φ50 mm×100 mm；由于煤岩主要气体成分为甲烷，所以实验气体采用纯浓度99.99%甲烷。设定实验煤样温度为煤储层温度25℃，对干燥煤样以及含水率分别为1.35%、2.58%、2.90%、3.51%的5种煤样进行不同受载方式及注气压力下的瓦斯渗流特性实验。渗流实验方案见表1。

表1 渗流实验方案Table 1 Seepage experiment schemes

实验时，首先确保实验设备气密性良好，然后将实验煤样称重，待将煤样放入三轴夹持器后，给煤样施加实验方案中应力、温度预定值，进而设置夹持器下游出口端的回压值；再注气，等煤样吸附稳定6 h后，打开夹持器下游阀门，开始记录实验数据，实验结束后，读取电子天平显示值的变化，得到实验煤样稳定渗流时的含水率，同时根据达西定律求出不同实验条件下的煤样渗透率。

3 实验结果

实验温度恒定在25℃，注气压力1.0、1.5 MPa条件下，交替升高轴向应力、围向应力，得到不同受载方式下煤样渗透率与含水率变化曲线，煤样渗透率与含水率关系曲线如图3。煤样渗透率与含水率关系拟合方程见表2。

图3 煤样渗透率与含水率关系曲线Fig.3 Relationship curves between permeability and water content

表2 煤样渗透率与含水率关系拟合方程Table 2 Fitting equation of relation between permeability and water content

由图3可知：煤样渗透率对加载应力变化反应十分敏感，煤样渗透率随加载应力的增大而显著减小，但加载应力增幅相同时，低加载应力条件下煤样渗透率的下降幅度明显大于高加载应力条件时。由图3（a）可知，取含水率为1.35%的煤样作为分析对象，当所施加的轴向应力、围向应力从（2 MPa，2 MPa）变化到（4 MPa，4 MPa）时，煤样渗透率由0.041×10-3μm2下降到0.019×10-3μm2，减少了0.022×10-3μm2；继续进行煤样加载实验，即轴向应力、围向应力再由（4 MPa，4 MPa）增加到（6 MPa，6 MPa）时，煤样渗透率则减少了0.010 4×10-3μm2。这是由于煤体受载发生形变过程中，其变形及闭合难度越来越大所导致的结果。

由图3和表2可知，恒定注气压力及受载方式下，煤样渗透率随含水率的增加逐渐减小，但减小趋势变缓，两者呈负相关关系。由图3（b）可知，注气压力1.5 MPa条件下，轴向应力和围向应力均为4 MPa时，煤样含水率从0%依次增大至2.58%及3.51%，煤样渗透率减少幅度则分别为50.89%、32.53%。显然，水分的存在使得煤岩渗透率大幅下降，因煤具有较好的亲水性，随着煤样含水率的增加，水会占据更多的煤岩孔隙空间；同时，水进入煤岩多孔介质时，水会优先占据大孔隙，微孔隙较难进入[14]，瓦斯渗流通道则越来越窄甚至完全闭合[15]，从而导致煤样渗透率变小但减小趋势变缓。

由表2推导出煤样渗透率K与含水率w之间的一般关系式：

式中：A、B、C为拟合参数，A、C＞0，B＜0。

上述瓦斯渗流特性实验在多因素耦合作用下开展，可较好地模拟煤层现场瓦斯渗流受多因素共同影响的实际情况。根据上述实验结果：含水率的增大会导致煤样渗透率降低，这从理论上论证了工程现场广泛采用的煤层注水是降低煤与瓦斯突出危险性的有效措施之一。

在煤矿开采过程中，可通过现场的监测数据（煤层瓦斯压力、含水率等），利用式（1），预测煤层的渗透率，进而推算瓦斯涌出量，从而及时调整矿井开采工作方案或者合理安排瓦斯抽放，这对于预防瓦斯突出事故具有重要的实际意义。

4结语

1）煤岩力热耦合渗流特性实验装置能将实验煤样所受温度场、应力场恢复到煤储层原位温度、应力状态，利用该装置进行的实验能综合反映加载应力、注气压力、温度及含水率对渗透率的耦合作用，可较好地再现煤岩渗流动态过程。

2）随加载应力的增大，煤岩基质受到压缩，瓦斯渗流通道变窄，煤样渗透率大幅下降，但加载应力增幅相同时，渗透率下降幅度明显变小。在煤层气井开发过程中，需要考虑应力变化对气井产能的影响。

3）含水率是影响煤样渗透率的重要因素，煤样渗透率随含水率的增加逐渐减小，但减小趋势伴随含水率的增大逐渐变缓，与含水率呈负相关关系。这从理论上论证了煤层注水是降低煤与瓦斯突出危险性的有效措施之一。

4）通过开展多因素综合作用下的瓦斯渗流特性实验研究，验证了该装置在功能上的多样性及运行稳定性、可靠性。