煤裂隙-基质相互作用对煤渗透率影响实验研究

发布时间：2020-10-26 18:14

　　 我国煤层气资源赋存条件复杂,高应力、构造煤、低渗透性煤层气资源占比高。虽然采用各种压裂技术可以短期内提高煤层透气性,但后期浓度变化大造成产气量衰减,制约煤层气大规模工业开采。煤层气开采过程涉及孔隙流体多尺度运移。在微尺度下在煤基质微孔隙内气体发生吸附/解吸-扩散,而在宏细观尺度下煤裂隙气体以达西流动为主。对于煤层气产量预测方法多数是先根据煤渗透率计算流量,再确定累计产气量。因此,研究气体运移过程中煤渗透率变化规律对于预测煤层气产量与煤矿瓦斯治理至关重要。煤的渗透率表征煤体传导流体能力。由于煤具有双重孔隙结构,通常将煤渗透率归为煤裂隙渗透率。虽然已有研究不仅考虑外部应力与整体应变对渗透率影响,还考虑吸附膨胀/解吸引起煤基质变形,但忽视有效应力影响下煤裂隙变形与基质变形相互协调对渗透率的影响。相比存在于裂隙中的渗流过程,基质中气体扩散过程需要较长时间才能达到平衡状态,这将导致基质孔隙压力滞后于裂隙孔隙压力变化。这种在基质与裂隙之间出现有效应力不同步变化将使基质变形影响裂隙开度,进而改变煤的渗透率。为此,本论文围绕煤基质气体扩散对渗透率影响,利用自主研制煤层气渗流测试系统开展煤渗透率实验研究,探讨孔隙压力变化对煤裂隙-基质系统响应规律。主要的研究工作以及取得的成果如下:(1)开展孔隙压力对煤体变形实验,研究气体渗流-扩散过程对煤体变形影响规律。通过对煤样注入氦气,观测到煤体变形过程与气体运移过程紧密相关。无论煤体处于固定位移边界约束,还是恒定应力边界约束,在注气过程中,气体渗流都可导致煤裂隙开度增大,气体扩散导致煤基质膨胀。在固定位移约束下,煤体变形表现为先膨胀后收缩。在恒定应力约束下,煤体变形表现为两阶段膨胀。随着注气压力升高,从渗流膨胀到扩散膨胀的转换时间缩短,基质扩散时间相应延长。(2)开展煤渗透率随时间演化实验,研究有效应力与滑脱效应对煤渗透率的影响规律。首先建立了煤裂隙-基质相互模型,获得煤基质与煤裂隙力学参数。其次,基于瞬态法测试方法,在保持外部应力不变条件下观测到随着注气压力逐级升高,煤渗透率升高;而在注气压力不变条件下,煤渗透率随时间呈现出先增加后降低趋势。该结果证实煤体内双重有效应力对煤渗透率影响。此外,利用稳态法测试方法,观测到随着孔隙压力降低煤渗透率受有效应力与滑脱效应控制。(3)开展恒定体积条件下注气过程中煤变形和渗透率实验,研究在固定边界条件下煤基质-裂隙相互作用对渗透率演化响应规律。观测到当注入氦气后煤体的局部应变出现快速膨胀后逐渐收缩,收缩应变与膨胀应变比值在0.5。根据煤裂隙-基质系统的几何模型(火柴棍模型),推导在恒定体积约束条件下受局部应变控制的渗透率模型。通过对比煤渗透率的实验数据与模型预测值可以发现,Ma-Harpalani模型由于忽视裂隙压力与基质压力差值,会过高估计渗透率。而局部应变模型可以较好预测渗透率。此外,证实在气体非稳态流动过程中,Biot系数取值小于1能够较为准确描述煤裂隙-基质系统压力对渗透率的影响。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE311
【部分图文】：

１．３．１．１基于瞬态法渗透率测试??瞬态法是室内测定煤渗透率常用的测定方法，该方法由Ｂｒａｃｅ等［｜３］于１９６８??年首次提出。其原理示意图如图１．２所示。煤样夹持器的上下两端分别添加了两??个罐体，分别称为上游容器（Ｕｐｓｔｒｅａｍ）和下游容器（Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）。??实验时为上游容器充气，然后打开上游容器与煤样夹持器，以及煤样夹持??器与下游容器之间的阀门，然后实时记录上游容器与下游容器的气压变化，待??上游容器与下游容器的气压差下降至设定值时即可停止实验。??煤样??压力传感器?＼?压力传感器??上游罐?下游罐??出气端１Ｐ??＼夹持器??图１．２瞬态法渗透率实验原理示意图??Ｆｉｇ．?１．２．?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｒａｎｓｉｅｎｔ?ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ??目前，对瞬态法测定煤层透气性的相关实验，主要是由外国学者进行的，??并未见国内学者用该方法测定煤层渗透率，以及相关文章的发表。由于瞬态法??渗透率试验需要测量上游容器和下游容器压力，瞬态方法因此受限。目前，瞬??态实验只能用于单组分气体，对于混合气和水气两相流的瞬态实验结果还未见??有发表。??Ｐｉｎｉ等［１４］应用瞬态法研宄了恒定围压边界条件下煤的吸附膨胀对渗透率的??影响规律。实验中先用氦气测定了渗透系数与有效应力的关系

山东科技大学硕士学位论文?绪论??透率演化的影响。??（２）限定整体变形条件下煤局部变形及渗透率演化过程??开展煤在恒定体积条件下注入氦气实验，釆集注气过程中煤应变－时间、压??力－时间曲线，通过瞬态法计算得到煤渗透率随时间变化曲线，并利用火柴棍模??型和恒定体积的渗透率模型拟合煤渗透率曲线，研宄基质－裂隙相互作用对煤局??部变形的影响规律以及Ｂｉｏｔ系数对煤渗透率演化的影响。??１．４．２技术路线??煤孔隙结构变化??

Ｓ?１５０；?Ｉ?，??泛１。。－雙＿＿??５ｌ＿ｌ．＿Ｌ．．Ｔ，?，?，Ｔ．??１?２?３?４?５?６?７?８?９?１０?１１?１２??径向孔（ｐｍ）??图３．２微元体孔隙尺寸分布??Ｆｉｇ．３．２．?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｒｅ?ｓｉｚｅ?ｉｎ?ｔｈｅ?ＲＥＶ??３．１．２实验装置??通过使用液驱装置进行氦气注入实验，示意图如图３．３所示。该设备的功??２７??
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本文编号：2857337