煤体吸附变形对3 种气体渗透率演化的影响

周银波，李晓丽，李晗晟，王佳乐，毛淑星，王世杰

（1.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191；2.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作 454150；3.郑州工业技师学院，河南郑州 451150；4.河南工程学院环境与生物工程学院，河南郑州 451191）

渗透率是用于衡量瓦斯抽采的重要参数，研究不同因素对渗透率的影响特征，有助于认识煤层中气体流动的机理[1-4]。煤体渗透率的影响因素众多，如气体种类、煤岩性质等，大量研究认为煤体渗透率与孔隙结构密切相关[5-7]。煤体是一种特殊的有机岩体，在应力和气体吸附影响下，煤基质发生变形，导致煤体内气体流动的孔隙结构改变[8-9]。Levine等[10]通过试验发现煤体吸附甲烷后体积膨胀量与气体压力呈类似Langmuir 的关系。在考虑吸附变形和应力变形的基础上，大量与渗透率有关的试验得到开展。吴双等[11]基于力学形变理论，计算并分析了渗透率与轴向应力的响应关系，讨论了孔隙压缩系数对渗透率的影响；刘帅帅等[12]分析了有效应力对煤储层渗透率各向异性的影响特征，认为煤基质裂隙压缩是控制渗透率变化的主控因素；李祥春等[13]研究了不同压力下煤体渗透率的变化规律，认为低压条件下煤岩膨胀变形为主导因素，高压条件下有效应力为主导因素；刘超等[14]采用循环加载试验深入分析了复杂应力路径对煤体渗透率的影响特征。在试验基础上，部分学者综合考虑了吸附形变和有效应力形变，建立了更加科学的渗透率理论模型，并讨论了气体吸附和渗透率之间的关系。LU 等[15]认为煤体吸附形变量并未全部参与影响渗透率，引入修正系数f 来修正基质体形变对渗透率的影响；李波波等[16]建立了煤基质膨胀变形、温度和气体压力影响下的渗透率耦合模型，并对试验结果进行了验证，同时也探讨了基质体变形对渗透率的影响。综上所述，采用三轴渗流试验装置，开展了不同吸附能力的气体（氦气、氮气和二氧化碳）在煤体中的渗流试验，研究了同一煤样中不同气体和气压条件下渗透率的变化规律，进一步分析了3 种气体在不同有效应力下渗透率与气体压力之间的关系，最终讨论了气体吸附对煤体压缩系数和渗透率损害率的影响。以期能够深入认识气体吸附对煤体渗透率演化的控制机制。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

煤样取自山西省沁城煤矿井下无烟煤，煤样水分1.39%，灰分11.38%，挥发分7.59%，固定碳为81.97%，真密度1.47 cm3/g。自井下采用保鲜膜包裹送至试验室钻取柱状标准煤样（50 mm×100 mm），打磨光滑。三轴渗流试验装置如图1。煤样轴压采用伺服压力机控制，围压采用平流泵注水施加（最大10 MPa），通过轴压和围压的精准控制满足试验应力所需的要求。煤样夹持器采用304 不锈钢加工而成，配合耐压耐腐蚀的氟橡胶套筒保证煤样的密闭性。

图1 三轴渗流试验装置Fig.1 Triaxial seepage experimental device

1.2 试验方法

为研究气体吸附作用对煤体渗透率的影响特征，开展了不同气体在同一煤样中渗透率随气体压力的变化试验，以及不同气压下渗透率随有效应力的演化试验。采用氦气作为对照气体，测试氮气和二氧化碳在标准煤样中的渗流规律。

1）将煤样置于真空干燥箱内恒温60 ℃干燥48 h，去除水分的影响，通过煤样夹持器将煤样与氟橡胶套筒紧密结合。

2）试验开始前，采用真空泵对试验装置抽真空12 h，排除装置内空气；而后通入测试气体开始渗流试验，为保证吸附稳定，每个测试压力点的气体吸附时间设置为6 h。

在同一煤样的试验中为减弱气体吸附中不可逆的形变对后续气体渗流试验的影响，根据气体的吸附能力将气体的试验顺序设置为氦气、氮气和二氧化碳。每种气体渗流试验结束后，抽真空后开始下一气体的渗流试验。

2 试验结果

2.1 不同气体在同一煤样中的渗流试验

为对比不同吸附能力气体在同一煤样中的渗透率差异，将煤体轴压和围压设置为6 MPa（静水压），测试不同气体压力下氦气、氮气和二氧化碳气体的渗透率，3 种气体在煤体中的吸附能力依次为：氦气>氮气>二氧化碳。试验中氦气、氮气和二氧化碳测试最大压力分别为4.98、5.00、3.84 MPa，3 种气体在同一煤样中的渗透率如图2。试验结果显示：气体压力相近时，3 种气体渗透率大小依次为氦气、氮气和二氧化碳；氦气和氮气的渗透率随着气体压力的升高呈现先下降后上升的趋势，而在测试范围内二氧化碳气体渗透率则逐渐下降。

图2 3 种气体在同一煤样中的渗透率Fig.2 Permeability of three gases in the same coal sample

气体吸附和应力的变化，造成煤体孔隙的孔径改变。在应力恒定条件下，气体压力升高，煤体吸附量增大导致煤基质膨胀孔隙收缩，同时也降低了煤体的有效应力，煤基质应力变形减弱孔隙扩张，气体吸附和有效应力存在竞争关系。吸附性气体渗流试验初期，煤基质膨胀能力较强，气体吸附造成的孔隙收缩量强于有效应力造成的孔隙扩张能力。随着气体压力继续升高，煤体膨胀逐渐稳定，而有效应力持续降低，此时，气体吸附导致的孔隙收缩则弱于有效应力导致的孔隙扩张。因而，氮气渗透率呈现出先下降后上升的趋势。煤体吸附二氧化碳的能力是氦气和氮气的数倍，同时煤基质也将出现较大幅度的吸附变形，试验中气体压力受限，在试验周期内气体吸附导致的孔隙收缩一直强于有效应力降低导致的孔隙扩张，二氧化碳的渗透率持续下降。现煤体属于低透气性储层，气体分子的无规则运动导致所测渗透率高于其本质渗透率，这一特征称为Klinkenberg 效应，该特征在低气压条件下尤为显著。一般认为氦气属于不吸附性气体，但在试验初期渗透率仍出现下降趋势，这是由Klinkenberg 效应所致。随着氦气压力的不断升高，气体分子自由程不断下降，Klinkenberg 效应也将逐渐弱化，因而在试验后期氦气渗透率在有效应力影响下不断升高。虽然氮气和二氧化碳在低压阶段也将存在Klinkenberg 效应，但被气体吸附导致的孔隙收缩所掩盖。

煤层气开采过程中，为了提高煤层气体采收率，向煤层中注入惰性气体提高煤层气产量成为常用技术。注气过程中由于气体吸附能力具有一定差异性，特别是注二氧化碳技术，将改变煤体孔隙结构，原始煤体的渗透率将发生变化。此时，气体吸附对渗透率的影响将显得尤为重要。

2.2 不同气压下渗透率随有效应力的变化试验

为了深入对比吸附变形对煤体渗透率的影响，选取3 组煤样，分别测试氦气、氮气和二氧化碳在恒定气压（1、2 MPa）条件下渗透率随有效应力的变化。恒定气体压力条件下煤体渗透率测试结果如图3。

图3 恒定气体压力条件下煤体渗透率测试结果Fig.3 Coal permeability under constant gas pressure

图3 显示，随着有效应力的升高，气体的渗透率均呈现下降趋势；有效应力相同时氮气和二氧化碳高气压（2 MPa）所测渗透率均小于低气压（1 MPa），而氦气在1 MPa 和2 MPa 时所测渗透率相差极小。

大量研究认为煤体吸附氦气所产生的变形量可忽略，煤体孔隙仅受有效应力的控制，因此，相同有效应力下不同气压氦气所测渗透率相差较小。对于吸附性气体，气体压力恒定时，煤基质体膨胀变形量保持不变，有效应力增大导致煤体孔隙收缩，因此，随着有效应力的增大渗透率不断降低；当吸附性气体压力增大且有效应力不变时，煤基质体所受应力控制的变形量保持不变，但基质体膨胀量将增大导致孔隙收缩，因此，相同有效应力下气体压力越高渗透率越低。气体渗透率与有效应力之间的关系可表示为[12]：

式中：k、k0分别为有效应力为σ、σ0时的渗透率，10-15m2；Cf为煤体压缩系数，MPa-1；σ 为有效应力，MPa；σ0为初始有效应力，MPa。

通过式（1）对数据进行计算，压缩系数计算结果见表1。压缩系数是反映煤体对应力敏感性的1 个重要参数，受到气体吸附作用的影响，煤体孔隙结构发生改变，也将导致压缩系数的变化。计算结果显示：2 MPa 氦气平均压缩系数大于1 MPa，吸附性气体（氮气和二氧化碳）在2 MPa 所得平均压缩系数均小于1 MPa。有效应力相同时，吸附性气体吸附压力越高，煤体内裂隙的闭合程度将越显著，导致其平均压缩系数降低。

表1 压缩系数计算结果Table 1 Results of compressibility coefficient calculation

为量化有效应力对煤体渗透率的影响，采用渗透率损害率η 如式（2）：

η 数值的正负分别代表渗透率升高和降低。采用式（2）对3 种气体不同气压条件下，有效应力的渗透率损害率进行了计算，不同有效应力下的渗透率损害率如图4。

图4 不同有效应力下的渗透率损害率Fig.4 Permeability damage rate under different effective stresses

试验结果显示：气压恒定条件下，有效应力越大则渗透率损害率越大。氦气气压为2 MPa 时，不同有效应力下的渗透率损害率均大于1 MPa；而氮气和二氧化碳气体在2 MPa 所得渗透率损害率则小于1 MPa。吸附性气体吸附压力越大，煤体变形则愈显著，将导致煤体部分性质发生改变，例如压缩系数、力学性质等。

煤体渗透率与孔隙结构密切相关，受到有效应力和气体吸附作用的影响，煤体渗透率是一个动态变化的过程。煤体采动或煤层气开采等活动对原始煤体渗透率造成影响。受到采动影响煤体应力下降或气体压力下降，煤体孔隙将发生扩张，则渗透率将升高；而煤层注气驱替技术中，大量高压吸附性气体的注入，造成煤基质体膨胀孔隙收缩，则渗透率将下降。因而，在煤层瓦斯抽采和煤层气采收过程中，科学的考虑气体的吸附作用将有助于提高渗透率及抽采量的预测精度。

3 结 论

1）煤层瓦斯抽采过程中，煤体渗透率是一个动态变化的数值，气体的吸附作用导致煤体孔隙结构发生改变，进而影响到煤体渗透率的大小。气体的吸附能力越强，煤基质体膨胀作用越显著，导致渗透率下降愈加明显。

2）煤体渗透率与有效应力和气体吸附之间有着紧密的关系，气体压力升高导致煤体膨胀效应显著且有效应力下降。2 种因素存在竞争作用，外界应力恒定时，随着气体压力的升高，煤体渗透率呈先下降后上升的趋势。

3）恒定气压条件下，煤体渗透率随有效应力升高而降低；受到气体吸附的影响，相同有效应力条件下高压气体渗透率小于低压气体渗透率。同时，随着吸附性气体压力的升高煤体平均压缩系数降低，这也导致高气压条件下煤体渗透率随有效应力的损害率普遍大于低气压条件下的损害率η。