煤-气-水耦合作用下低阶烟煤力学损伤及渗透率演化机制研究

作者

陈明义

学校

中国矿业大学

摘要

目前针对中高阶煤的理论研究和勘探开发已较为成熟,尽管我国的低煤阶煤层气储量也相当可观,但是目前仍处于科研攻关阶段。低阶煤具有不同于中高阶煤的物化性质和孔裂隙构成等特征,并显现出高含水率的特点,从而导致低阶煤在煤岩力学性质及固气相互作用等方面与中高阶煤存在较大差异。以园子沟井田低煤阶储层2#煤层(Ro, max=0.65%)为研究背景,针对2#煤层的高内在水分含量和“高压力、低含量”的瓦斯赋存特征,综合运用岩石力学、损伤力学、渗流力学和吸附科学等理论方法,开展了煤、气、水共存条件下,水分对煤的吸附与解吸特性、力学损伤特征和渗透率演化规律的影响研究,进而分析内在水分对抽采过程中瓦斯运移的影响。主要获得以下结论:  

1)低阶煤具有含量较多的羟基等含氧官能团以及较为发达的微孔孔隙,使得园子沟低阶煤的持水能力明显高于中高阶煤的,最高内在水分含量为9.91%;水分对低阶煤吸附能力的弱化影响显著,Langmuir体积从干燥状态的39.97cm3/g以68.7%幅度降低至含水率6.90%时的12.51cm3/g,这与低阶煤的强持水特性有关;相比传统的线性式,负指数式能更好地描述湿煤吸附量与含水率的关系。低阶煤的扩散系数与含水率表现出增减交替的变化趋势,这与气态水在煤孔隙内集聚后对瓦斯扩散的阻碍,以及瓦斯吸附量降低的综合作用有关。  

2)黏聚力降低是导致型煤和原煤遇水后强度弱化的主因;在常规三轴压缩试验中,不含瓦斯时,型煤和原煤的强度分别表现为指数式以及近似线性的降低趋势;原煤的黏聚力为3.49~7.93MPa,是型煤的大约6倍,并且水分对两种煤的内摩擦角影响不明显,而黏聚力均表现出显著降低的趋势。气-水共存时,煤吸附气体和水分造成了煤表面能的降低,导致煤的强度弱化;当瓦斯压力不变时,水分增加导致瓦斯吸附作用对煤强度的弱化影响逐渐减弱,因此随含水率增加,煤强度仍在降低,而瓦斯对煤强度的软化系数表现出增大趋势。  

3)构建了基于Drucker-Prager强度准则并服从Weibull函数分布的含瓦斯煤岩细观统计损伤模型。该模型可较好的反演含水瓦斯煤的应力应变关系,并反映出水分和瓦斯气体诱发并促进煤体损伤发展的特征。水分比瓦斯气体对声发射活动的抑制作用更显著,相比干燥煤样,不含瓦斯时饱水煤样的AE计数和能量累计值分别降低了14.32倍和23.42倍;并且随着含水率增加,煤岩的破坏呈现出由突然破裂型向稳定破裂型转变,脆性减弱而塑性破坏特征增强的趋势。  

4)煤基质吸附瓦斯气体和内在水分的膨胀变形效应,和有效应力共同影响着渗透率的动态演化。静水压条件等围压时,当内在水分含量较高时,煤的渗透率表现出随瓦斯压力增加而逐渐增大趋势,这是由于煤吸附瓦斯的膨胀变形效应因水分的吸附作用而变弱,此时有效应力起控制作用。全应力应变过程中,煤岩声发射活动和损伤变量与渗透率演化整体上表现出一致性,压密和弹性阶段,声发射平静,损伤变量基本为0,渗透率降低了数倍;峰后阶段,声发射密集,干、湿煤的渗透率骤增约2~3个数量级;损伤变量迅速增加,并趋近于1。  

5)构建了基于单轴应变假设,表征弹性阶段内煤岩渗透率演化并考虑水分影响的SD渗透率改进模型。利用该模型计算得到低阶煤吸附瓦斯的极限膨胀变形量与含水率符合负指数关系;结合煤的吸附参数、变形参数及渗透参数与含水率的关系,SD改进模型可较好的反演静水压下渗透率数据变化规律,并且能反映出不同内在水分含量条件下煤岩渗透率动态演化特征。全应力应变过程中,结合细观统计损伤模型和SD改进模型,并引入损伤变量和渗透率骤增系数,构建了应力扰动作用下考虑水分影响的渗透率模型。  

6)基于煤的“双孔-单渗”弹性介质特性,结合扩散方程、渗流方程和 SD渗透率改进模型以及煤体变形方程,构建了煤、气、水耦合作用下的煤层瓦斯运移模型。COMSOL软件解算结果表明,初始瓦斯含量相同时,煤的吸附能力和初始渗透率对抽采过程中瓦斯运移以及煤层相对瓦斯含量的影响最大。因此,对于原位低煤阶储层,初始渗透率一定时,内在水分含量较高导致煤吸附能力较低、游离气含量比例增大而瓦斯压力也较大,对于煤层瓦斯抽采具有一定的积极作用。

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