煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义.pdf
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1、煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验模型机理及意义李志强1,2,3,4,陈金生1,2,4,李林1,2,彭建松1,2(1.河南理工大学煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心,河南焦作454000;2.河南理工大学煤矿安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作454000;3.河南理工大学中原经济区煤层/页岩气河南省协同创新中心,河南焦作454000;4.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454000)摘要:多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流
2、力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下 CH4/He 的非稳态扩散渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出 2 类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管
3、串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流滑移流过渡流自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延
4、长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。关键词:多尺度;动态;渗透率;扩散;微纳米孔中图分类号:TD713.2;P618.11文献标志码:A文章编号:02539993(2023)04155116收稿日期:20220129修回日期:20221001责任编辑:王晓珍DOI:10.13225/ki.jccs.2022.0150
5、基金项目:国家自然科学基金资助项目(52174173);河南理工大学博士基金资助项目(B2018b258,B2021b27)作者简介:李志强(1975),男,山西阳泉人,副教授,博士。E-mail:通讯作者:陈金生(1982),男,河南漯河人,讲师,博士。E-mail:引用格式:李志强,陈金生,李林,等.煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验模型机理及意义J.煤炭学报,2023,48(4):15511566.LIZhiqiang,CHENJinsheng,LILin,etal.Experiment,modelling,mechanismandsignificanceofmultiscale
6、anddynamicdiffusion-permeabilityofgasthroughmicro-nanoseriesporesincoalJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(4):15511566.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023Experiment,modelling,mechanism and significance of multiscale and dynamic dif-fusion-permeability of gas through micro-n
7、ano series pores in coalLIZhiqiang1,2,3,4,CHENJinsheng1,2,4,LILin1,2,PENGJiansong1,2(1.MOE Engineering Center of Mine Disaster Prevention and Rescue,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;2.Collaborative InnovationCenter of Coal Work Safety and Clean High Efficiency Utilization,Henan Polyt
8、echnic University,Jiaozuo454000,China;3.Collaborative Innovation Cen-ter of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region(Henan Province),Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;4.Henan Provincial Key Lab of Gas Geology and Control-Cultivation Base of Provincial and Minis
9、try Joint State Key,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China)Abstract:Asoneofthehotissuesatthefrontiersofscienceintheworld,themulti-scalescientificquestionhasoccurredinthefieldsofnaturalscienceandengineering.Theseepageincoal-rock,abranchofthemulti-scalescience,showsitsmulti-scalescientificqu
10、estion.Coalisaporousmediumthatcontainsmulti-scaleporeswiththeaperturefrommillimetertonanometer.Theporesizedifferentialcanreachonemillionordersofmagnitude,whichcausesthemulti-scalecharacter-isticsinspaceandtimeforcoalpermeability.Therefore,theresearchonthemulti-scalepermeabilityofcoalisacriticalscien
11、tificissueofthecoalgasflowaswellasanengineeringextensionofmethanedrainage.Theunsteadydiffusion-seep-ageexperimentisconductedforCH4/Hewithandwithoutstressusingacylindricalcoalsample,accompaniedbysteadystateseepageexperiment.Theexperimentalresultsshowthattheapparentdiffusioncoefficientofacylindricalco
12、alsampleattenuateswithtime.Thisapparentdiffusioncoefficientshowstwodifferentmulti-scalecharacteristicsintime,thesmoothanddynamicattenuationandthedynamicattenuationinatwo-stagestep.Adynamicmodelfortheapparentdiffusioncoefficientisproposed,anditcanaccuratelydescribethecompleteunsteadyflowprocessofgasi
13、nacylindricalcoalsample.Thephysicalandmathematicalmodelsofthemulti-scaleporesinseriesareputforward.Then,themulti-scalestructureofporeinseriesisvalidatedbythemercuryinjectionexperiment.Afterthat,themulti-scalepermeabilitymodelismathematicallyproved.BasedontheKnudsennumber(Kn),thecontinuousflow,slipfl
14、ow,transitionflowandfreemo-lecularflowareidentifiedandintroducedwiththemulti-scaleporesizetobuildamulti-scalepermeabilitymodelthatre-flectstheeffectoftheeffectivestressandgasflowregime.Themechanismofthemulti-scaleseepageisrevealedinthisstudy.Thesizeandthenumberofporesinseriesconnectionarethecritical
15、factorstoinfluencethemulti-scalepermeabil-ity.Themulti-scaleeffectcanreachtensofthousandsordersofmagnitudewithinmeasurablerange.Thegasoutflowfirstlystartsfromtheoutsidefractures,andthentheinsidesmallporesandfinallythenanopores.Withtimegoeson,thegradualincreaseinthenumberofporesinseriesconnectionlead
16、stothegradualdecreaseintheequivalentporesize,whichcausestheequivalentporeaperturetogetclosetotheminimumporeaperture.Therefore,theequivalentpermeabil-ityquicklydecreaseswithtime,whichisareflectionofthemulti-scalespaceincoal.Duringthelaterstageofgasflow,theeffectofslipandtransitionflowregimeislargerth
17、anthatofeffectivestresswithKnincreasinganddominatestheper-meability.Thenewexperimentalobservationandmodellingofthemulti-scalepermeabilityprovidesanexperimentalsolu-tionfortheresearchofthemulti-scaleseepageandovercomestheshortcomingofsingletubetheory.Thediffusionandseepageareapparentlyunified,andthem
18、icro-leveldistinguishmentandmacro-levelunionofthemulti-scalepermeabilityarerealized.Key words:multiscale;dynamic;permeability;diffusion;micro-nanopore多尺度现象在自然界普遍存在,涉及的空间与时间尺度可达 10431063量级1-2。因多尺度科学问题的广泛性与前沿性,引起了国际科学界的高度重视,目前已拓展到数学、物理、化学、天文、地质、生物、力学等基础学科及其衍生的众多学科分支领域3,并逐渐汇合为一门跨领域的科学多尺度科学。第23 届世界力学家大会
19、4报道了能源、安全、环境等领域的多尺度流体动力学问题和固体多尺度本构问题。多尺度科学问题遍布众多学科分支,从更高的维度抽象来看,柴立和3将多尺度科学研究内容总结为 3 个主要方面:多尺度现象的描述、多尺度机理的解释和多尺度关联的表达,简言之,尺度的区分、关联与综合是多尺度科学研究的基本哲学命题。对称性和层次性是多尺度科学的 2 个基本属性,诺贝尔物理学奖得主、凝聚态物理学家 ANDERSONPW5将各尺度下结构呈现的新物理规律称为对称性破缺。赵阳升院1552煤炭学报2023年第48卷士6将规律的外推性作为尺度对称性的判据。作为多尺度科学的一个分支领域,煤岩渗流力学亦有自身的多尺度科学问题。煤是
20、一种富含多重孔裂隙的多孔介质,其中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍。受孔裂隙的多尺度特征影响,煤体渗透率在空间与时间上也展现出巨大的多尺度性,这对低渗煤层的瓦斯抽采将产生极大影响,并已在工程中表现出抽采后期瓦斯流量和浓度迅速衰竭的现象。因而,研究煤体渗透性的多尺度特征对于探明瓦斯抽采衰竭机理,进而寻求有效的瓦斯增透注采措施具有重要意义。作为多尺度孔裂隙的雏形,早期的研究将煤体视为双重孔裂隙介质7。煤层大孔裂隙中的瓦斯流动被认为是压力驱动下的渗流,服从达西定律,实验常采用标准柱状煤心在三轴应力下测定其稳态渗透率,并称之为孔裂隙渗透率。基质微孔隙中的瓦斯流动被认为是浓度驱动下的
21、扩散8,服从菲克定律,实验常采用解吸法测定无应力下的松散颗粒煤的扩散系数。由于假定颗粒煤为基质,故也有研究者将扩散系数换算为渗透率,并称之为基质渗透率,或称颗粒渗透率。基于孔隙裂隙假设,研究者们建立了裂隙+基质渗透率模型来描述煤中渗透性。此类模型以 SEIDLEJP的火柴棍模型最为著名9,LIUJishan 等10在火柴棍模型中引入岩桥概念,以分析吸附膨胀对渗透率的影响。进一步细分,研究者们将基质孔隙分为宏观孔隙与微孔隙,建立了著名的双孔隙扩散模型,此类模型以 RUCKENSTEIN E11、CLAKSON C R12、SHI JQ13和 PANZhejun8等的工作最具代表性。以上 2类模型
22、并称为双孔双渗模型,被广泛用于煤层气渗透能力及产能分析。随着多尺度科学的兴起,人们逐渐认识到煤是一种多尺度孔隙介质,双孔介质理论在描述煤体多尺度孔渗特性时面临诸多难点。首要难点是裂隙和基质的渗透率在实验上难以区分测定,这一难点的根源在于基质的尺度无法界定。煤基质是一个相对概念,由于无法确定多大尺寸的煤体可称为基质,使得难以用稳态法分别测定裂隙渗透率和基质渗透率。同样的,由于无法区分基质中的宏观与微孔隙尺度界限,导致无法测得大孔与微孔扩散系数。进一步地,由于基质尺寸不确定,所谓基质中的扩散也难以与裂隙中的渗流进行区分。第 2 个难点是,瓦斯渗流与扩散在理论上难以联合表达。瓦斯在煤中的流动是一个解
23、吸扩散渗流的连续流动过程,渗流与扩散 2 类流态是一个此中有彼且不断转化的过程。然而,目前的渗透率与扩散系数测定的理论原理、实验方法、量纲完全不同,由于 2 类实验参数的分离,理论模型中采用 2 类独立实验参数进行联合表达渗流扩散时,其中的渗透率值或有重叠或有缺失,无法统一于一个连续流动过程。煤层瓦斯多尺度的研究始于煤体孔裂隙的图像认识,影像学方法是探索煤体多尺度孔隙的最初方法。显微 CT 可观察到煤中 1m 以上的孔裂隙形貌14,扫描电镜(SEM 和 FE-SEM)可观察到几百纳米至数十微米的孔隙形态15-16,原子力显微镜(AFM)可观察到 30350nm 的孔隙形貌17。低温液氮和压汞法
24、可测得 2nm350m 的孔径分布,加上肉眼可见的毫米级微裂隙,孔径范围可达百万量级。影像学方法作为一种分析渗透性的辅助手段,能直观观察到孔裂隙形貌,定性分析煤的渗透性,但由于孔隙分布的随机性,难以用数学方法定量描述煤体多尺度渗透率。煤中瓦斯多尺度流动现象首先在颗粒煤的扩散流动中被观察到18-20,李志强等21将其推广到柱状煤心瓦斯的动态扩散渗流中,但关于多尺度渗流流态的划分、关联及综合模型尚待提出。微纳米多尺度流动理论发端于微机电领域。1946 年,BROWN22在哈根泊肃叶方程中引入 Max-well 气体反射因子,建立了微管中气体滑移流动方程,这一工作与 1941 年 KLINKENBE
25、RG23的工作类似,二者的理论中均是考虑了孔壁上气体的反射扩散,即著名的 Klinkenberg 滑移效应。19992003 年,BE-SKOK24、ROYSubrata25等将微纳米管中的气体流态分为连续流、滑移流、过渡流和自由分子流,建立了微管中气体流动的统一模型。2007 年,FLOREN-CE26证明统一模型简化后可退化为经典的 Klinken-berg 渗透率方程。借鉴微机电领域的理论成果,页岩气领域形成了2 类多尺度渗透率理论模型。一类是以 JAVAD-POUR27-28为代表的流态叠加模型,此类模型将考虑滑移效应的达西流与努森扩散流相加,建立了体现多流态的表观渗透率方程。基于叠加
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