应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制_段淑蕾.pdf
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1、应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制段淑蕾1,李波波1,2,3,成巧耘1,宋浩晟1(1.贵州大学矿业学院,贵州贵阳550025;2.贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵州贵阳550025)摘要:为探究应力吸附水与滑脱效应多因素综合作用下煤岩渗透率演化机制,考虑应力吸附诱导煤岩变形的影响,修正水膜厚度表达式,并分析煤岩孔隙的动态变化。基于此,进一步量化含水煤岩气体滑脱效应的强度,建立考虑应力吸附水与滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型。此外,结合煤岩渗透率试验研究,通过试验数据验证渗透率模型的可
2、靠性,以揭示应力吸附水多因素综合作用下煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子的演化机制。研究结果表明:同一含水饱和度条件下,煤岩渗透率随有效应力增大先急剧减小后趋于平缓;同一有效应力条件下,煤岩渗透率随含水饱和度增大逐渐减小。水膜厚度在应力吸附水作用下动态变化,水膜厚度与应力、吸附呈负相关趋势,而与含水饱和度呈正相关趋势;随含水饱和度增大,滑脱因子逐渐增大,但在低应力条件下,增大趋势平缓,高应力条件下增大趋势急剧。此外,基于气液固表面分离压,推导应力吸附作用下正方形、正三角形内动态水膜表达式,并分析不同几何形态孔隙的煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子演化机制的差异。其中,因角孔存在,不同几何形态孔隙内水膜
3、厚度从大至小排序为圆形、正方形、正三角形,煤岩渗透率排序与其相反;圆形孔隙内滑脱因子较含角孔隙更大,而正方形与正三角形孔隙内滑脱因子差异较小。关键词:煤岩;动态水膜;渗透率模型;滑脱效应;孔隙几何形态中图分类号:TD713;TE37文献标志码:A文章编号:02532336(2023)06009110Dynamic evolution mechanism of water-bearing coal permeabilityand water film under stressDUANShulei1,LIBobo1,2,3,CHENGQiaoyun1,SONGHaosheng1(1.College
4、 of Mining,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.National&Local Joint Laboratory of Engineering for Effective Utilization of Region-al Mineral Resources from Karst Area,Guizhou University,Guiyang 550025,China;3.Guizhou Key Laboratory of ComprehensiveUtilization of Non-metallic Mineral Resources,
5、Guiyang 550025,China)Abstract:Toexplorecoalpermeabilityevolutionmechanismunderthecomprehensiveactionofmultiplefactorsincludingstress-adsorp-tion-waterandslippageeffect,consideringthecoaldeformationinducedbystress-adsorption,theexpressionofwaterfilmthicknesswascorrectedtoquantitativelycharacterizethe
6、effectiveporesize,andbasedonthis,theintensityofgasslippageeffectofwater-bearingcoalwasfurtherquantifiedandthepermeabilitymodelwasestablishedunderthecomprehensiveactionofmultiplefactors.Combinedwithex-perimentalresearchtoverifythereliabilityofpermeabilitymodel,andthentheevolutionmechanismofcoalpermea
7、bility,waterfilmandslippagefactorsunderthecomprehensiveactionofmultiplefactorswasfurtherrevealed.Theresultsshowthatunderdifferentwatersatur-ationconditions,thepermeabilitydecreasessharplyfirstandthentendstoflatwiththeincreaseofeffectivestress;underthesameeffect-ivestresscondition,thepermeabilitydecr
8、easeswiththeincreaseofwatersaturation.Thewaterfilmthicknesschangesdynamicallyunder收稿日期:20220608责任编辑:宫在芹DOI:10.13199/ki.cst.2022-0493基金项目:国家自然科学基金资助项目(52064007);贵州省科技厅贵州大学科技合作计划资助项目(黔科合基础-ZK2021重点 052)作者简介:段淑蕾(1997),女,河南濮阳人,硕士研究生。E-mail:通讯作者:李波波(1985),男,贵州修文人,教授,博士。E-mail:第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年
9、6月CoalScienceandTechnologyJun.2023段淑蕾,李波波,成巧耘,等.应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制J.煤炭科学技术,2023,51(6):91100.DUANShulei,LIBobo,CHENGQiaoyun,et al.Dynamicevolutionmechanismofwater-bearingcoalpermeabilityandwaterfilmunderstressJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(6):91100.91theactionofstress-adsorptionwater,thewaterf
10、ilmthicknesshasanegativecorrelationwithstressandadsorption,butapositivecorrel-ationwithwatersaturation;theslippagefactorincreasesgraduallywiththeincreaseofwatersaturation,buttheincreasetrendisgentleun-derlowstresscondition,andmoresharplyunderhighstresscondition.Inaddition,basedonthedisjoiningpressur
11、eofgas-liquid-solidsur-face,theexpressionsofdynamicwaterfilminsquareandequilateraltriangleundertheeffectofstress-adsorptionwerededuced,andtheevolutionmechanismsofgaspermeability,waterfilmandslipcoefficientofporeswithdifferentgeometricshapesarecomparedandana-lyzed.Duetothepresenceofcornerholes,theord
12、erofwaterfilmthicknessinporesofdifferentgeometricformsiscirclesquareequi-lateraltrianglefromlargetosmall,theorderofpermeabilityisopposite;theslippagefactorincircularislargerthanthatinangularpore,whiletheslippagefactorinsquareandequilateraltriangleporehaslittledifference.Key words:coal;dynamicwaterfi
13、lm;permeabilitymodel;slippageeffect;poregeometry0引言基于“3060”双碳目标,我国清洁能源(煤层气)的供需关系发生转变1。由于煤岩的低渗特性,可通过水力压裂技术提高气体抽采率,而返排过程中部分水滞留在孔喉处,气体解吸困难,造成“断气”现象。此外,抽采过程中的应力扰动使煤岩孔隙被压密,抑制气体渗流。为保证气体连续抽采,需探究应力吸附水多因素综合作用下气体运移规律,以期为提高煤层气抽采率提供理论价值。原位煤层赋存环境复杂多变,为探究煤岩渗透率演化规律/机制,国内外学者针对不同因素展开多方位研究。煤岩长期受应力作用,导致孔裂隙压缩变形,对煤岩渗透率造
14、成不可逆的伤害。赵岩龙等2通过不同应力下煤岩渗流试验,发现煤岩渗透率随有效应力增大呈负指数降低。而 ADHIKARY 等3发现应力变化的同时诱发煤气间相互作用,气体出现吸附/解吸现象,煤基质产生膨胀/收缩变形。因此,外部应力与吸附作业均通过诱导煤岩变形降低煤岩渗透率。此外,在煤化过程中,煤岩内部赋存大量水分。而煤岩内水分在毛细管力作用下形成水膜,在低渗致密煤岩内水膜与孔隙有效渗流通道处于同一量级4,显著影响煤岩渗流特性。LI 等4认为水膜对煤岩渗透率的抑制作用分为 2 方面:水分多以束缚水膜形式赋存于孔隙壁面,降低煤岩内气体有效渗流通道;水膜以毛管水形式堵塞微小孔,降低煤岩内孔隙率。由此可知,
15、应力、吸附变形改变孔隙有效孔径,同时影响水分在煤岩孔隙内的赋存形式。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭,深部开采将成为我国煤炭资源开发的常态5。深部煤岩孔隙结构复杂多样且微纳米孔占比较大。而微纳米孔内滑脱效应显著,并用滑脱因子量化其作用效果。GHAN-IZADEH 等6通过试验对比发现,含水煤岩的滑脱因子较干燥煤岩更高。经典 Klinkenberg 模型的建立基于多孔介质为圆形横截面的毛细血管束的假设7,而对于以微/纳米孔隙为主的煤岩,其内部孔隙形状多样8,使用经典 Klinkenberg 模型无法准确描述不同孔隙几何形态对滑脱因子的作用。同时,WANG 等9发现煤岩内含有圆柱孔、狭缝孔、墨瓶形孔等各
16、种几何形态的孔隙。而气体分子碰撞频率与孔隙横截面几何形态相关,需进一步拓展不同几何形态孔隙内滑脱因子及煤岩渗透率的研究。综上所述,水膜在应力/吸附影响下的动态演化机制尚不清楚,含水煤岩渗透率演化机制有待进一步完善。鉴于此,将修正的水膜理论与毛细管模型相结合,建立考虑应力吸附水与滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型,揭示应力吸附作用下水膜动态演化机制,并进一步阐明煤岩渗透率及滑脱因子演化机制。笔者前期探究狭缝型煤岩渗透特性10,但未分析不同几何形态孔隙内水分对滑脱因子及渗透特性的影响,现基于气液固表面分离压,建立应力吸附作用下正方形及正三角形孔隙内动态水膜表达式,拟开展不同几何形态孔隙的煤岩渗
17、透率、滑脱因子演化机制差异性的研究,以期为深部煤层气抽采提供理论指导。1考虑应力吸附水及滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型由于煤岩结构复杂,建立理论模型基于如下假设:煤岩为均匀且各向同性的弹性体;煤岩孔隙均匀分布且孔径大小相等、长度一致;孔隙内水膜连续并忽略水的重力影响。煤岩孔隙半径变化受多种因素共同影响,进一步改变煤岩渗透特性,图 1为应力吸附水综合作用下煤岩孔隙有效孔径的动态变化过程。煤岩受应力作用时,孔隙被压缩变形。同时,煤岩孔隙内赋存大量吸附气体使其产生膨胀变形,进一步减小煤岩孔隙的有效孔径。应力和气体吸附膨胀效应共同作用诱导煤岩变形,进一步改变孔隙体积,煤岩孔隙体积应变(设定压缩
18、变形为正)可表2023年第6期煤炭科学技术第51卷92述12为VPeV0=V0VV0=1VV0=1v=11Kp(p)a(1)式中:VPe为应力、气体吸附膨胀效应共同作用下孔隙体积,nm3;V 为应力、气体吸附膨胀效应共同作用下孔隙体积变化量,nm3;V0为初始孔隙体积,nm3;Kp为孔隙体积模量,MPa;为平均应力变化量,MPa;为应力敏感系数,在 01 范围取值;p 为平均孔隙压力变化量,MPa;v为应力、气体吸附膨胀效应共同作用下煤岩体积应变变化量;a为吸附膨胀效应诱导的体积应变变化量。基于煤岩为均匀且各向同性的弹性体的假设,各个方向上的有效应力变化诱导煤岩产生应变。同时,基于 1/Kp=
19、Cp13,考虑应力作用下煤岩压缩性将逐渐发生变化,故在此取平均压缩性系数 Cp,则应力诱导煤岩体积应变量变化量为e=Cpe(2)式中:e为应力诱导煤岩体积应变变化量;e为有效应力变化量,MPa;Cp为孔隙平均可压缩性系数,可表述14为Cp=C0(1eee)(3)式中:C0为孔隙初始压缩性系数,MPa1;为无量纲系数。煤层原位赋存环境富含地下水、倾入地表水及水力压裂后的滞留水,而水分将抑制煤岩吸附气体的能力,故引入随含水率变化的煤岩吸附能力折减系数 对吸附变形量15进行修正:a=3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)(4)式中:c为煤岩体密度,g/cm3;R 为理想气体常数,J/(mo
20、lK),取 8.314 J/(molK);T 为 温 度,K;VL为Langmuir 体积,cm3/g;Va为理想气体摩尔体积,取22.4L/mol;EA为吸附模量,MPa;b 为吸附常数,MPa1;为水分对煤岩吸附能力的折减系数;m 为含水率,%。联立式(2)式(4)可得受应力和气体吸附膨胀效应共同作用下的煤岩体积应变量:v=e+a=C0(1ee)+3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)(5)由于孔径变化对多孔介质长度影响较小,可忽略不计。基于煤岩孔隙的孔径大小相等、长度一致的假设,煤岩孔隙体积的变化与多孔介质中孔隙横截面面积变化呈同比例关系:VPeV0=r2cer2ci(6)式中
21、:rce为受应力和气体吸附膨胀效应共同作用下的煤岩孔隙孔径,nm;rci为孔隙初始孔径,nm。联立式(1)、(5)、(6)可得受应力和气体吸附膨胀效应共同作用下的煤岩孔隙孔径为rce=rci1v=rci1C0(1ee)3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)(7)基于煤岩孔隙率定义,联立式(5)式(7)可得应力和气体吸附膨胀效应共同作用下的煤岩孔隙率:ce=ci(rcerci)2=ci(1v)=ci1C0(1ee)3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)(8)式中:ce为应力和气体吸附膨胀效应共同作用下的煤岩孔隙率,%;ci为煤岩初始孔隙率,%。原位煤储层条件下,煤岩内部固有水
22、分显著影响气体渗透特性。在多流体系统中,水分较气体优先占据孔隙壁面有限的吸附位并形成水膜,进一步减小孔隙孔径。基于孔隙均匀分布且孔隙内水膜连续的假设,单个孔隙内的含水饱和度即为煤岩含水饱和度,不同含水饱和度 Sw与水膜厚度 hwc存在以下关系4:煤岩多孔介质单个孔隙应力rcirc水膜吸附气单个孔隙孔径气相水相气体吸附层水膜图1圆形孔隙有效孔径变化示意(根据文献 11 修改)Fig.1Schematicdiagramofeffectiveaperturechangeofcircu-larpores(ModifiedaccordingtoReference11)段淑蕾等:应力作用下含水煤岩渗透率及
23、水膜动态演化机制2023年第6期93Sw=1(1hwcrce)2(9)式中:hwc为含水饱和度 Sw下受应力和气体吸附膨胀效应共同作用下孔隙内水膜厚度,nm。结合式(7)、(9)可将水膜厚度进一步表述为hwc=rce(11Sw)=rci(11Sw)1C0(1ee)3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)(10)因此,应力、吸附和动态水膜共同作用下孔隙有效孔径可表述为rc=rcehwc=rci1Sw1C0(1ee)3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)(11)式中:rc为应力、吸附和动态水膜共同作用下孔隙有效孔径,nm。类比式(8),由式(11)孔隙半径的关系可进一步推导煤岩有
24、效孔隙率:c=ci(1v)(1Sw)=ci(1Sw)|1C0(1ee)3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)|(12)式中:c为应力、吸附和动态水膜共同作用下煤岩有效孔隙率,%。Kozeny-Carman(K-C)方程普遍用于阐述圆形孔隙有效孔径、孔隙率与煤岩绝对渗透率的关系16,基于此,将考虑应力吸附水综合作用下的煤岩绝对渗透率表述为kcir=cr2c8(13)式中:为迂曲度,基于孔隙为均匀的直管的假设,取值 1。在低渗煤层中,气体滑移现象的存在有利于提高气体渗透率,使大规模开发低渗透煤层成为可能,从而研究气体滑移对低渗煤层渗透率的影响。考虑滑脱效应对煤岩绝对渗透率进行修正7,即煤
25、岩渗透率可表述为kappcir=cr2c8(1+Bcirp)(14)式中:滑脱因子 Bcir为量化滑脱效应程度的重要指标,考虑应力吸附水综合作用下的煤岩动态滑脱因子Bcir可表述17为Bcir=4rcRT2M=4rciRT2M(1Sw)(1v)(15)式中:为无量纲比例系数,通常称为 Adzumi 系数,取 0.918,为气体动力黏度系数,105Pas;M 为气体分子量,g/mol。联立式(11)式(12)、式(14)式(15)可得煤岩渗透率为kappcir=cr2c8|1+4prcRT2M|=cir2ci81C0(1ee)3cRTVLVaEAln(1+bp)exp(m)2(1Sw)2|1+4
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