含水率对煤层气渗流的影响_刘永茜

收稿日期：2014 － 04 － 21 责任编辑：常 琛 基金项目：山西省煤层气联合研究基金资助项目（2013012007） ；国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”资助项目（2011ZX05040 － 1，
2011ZX05063 － 9） 作者简介：刘永茜（1984—） ，男，河南南阳人，博士。E － mail：yqliu518@ 126. com
移，以压缩为正；C 为裂隙的粗糙度；函数 f（ w） 在围
压稳定条件下可以认为定值 α。在不同含水率条件
下的渗透率关系可表示为极限残余渗透率（ K0 ） 与变 压开度变化的函数，即
K
=
K0
+
1 12
（ e
e0
－ un）6 C3α
（4）
2 应力条件下煤层气渗流实验
1842
煤炭学报
2014 年第 39 卷
的应力敏感区位置和最小渗流速度；随着煤的含水率增加，煤层气渗流速度变化的应力敏感点逐步
降低（ 分别为 5． 48，5． 17 和 4． 78 MPa） 。
关键词：含水率；渗流速度；有效应力；煤层气
中图分类号：P618. 11
文献标志码：A
文章编号：0253 － 9993（2014）09 － 1840 － 05
含水率对煤层气渗流的影响
刘永茜1，2 ，张 浪1，2 ，李浩荡3 ，邓志刚1，2
（1． 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2． 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （ 煤炭科学研究总院） ，北京 100013；3． 神华集团有限责任公司 煤炭生产部，北京 100011）
小，且低含水率试样残余强度包线非线性最强，这肯
定了含水率对煤体细观结构和力学参数的影响。为 此，有学者［21］根据 Mohr － Coulomb 强度理论提出应
力条件下用含水率表示的煤岩强度公式，即
τf = （A － wtan B） + σtan（C － wtan D） （1） 其中，τf 为抗剪强度；w 为含水率；A，B，C，D 均为试 验参数。在弹性变形阶段，相同围压条件下，含水率
第 39 卷第 9 期 2014 年 9 月
煤炭学报 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 39 No． 9 Sep． 2014
刘永茜，张 浪，李浩荡，等． 含水率对煤层气渗流的影响［J］． 煤炭学报，2014，39 （9） ：1840 － 1844． doi：10． 13225 / j． cnki． jccs． 2014． 8013 Liu Yongqian，Zhang Lang，Li Haodang，et al． Effect of moisture content on CBM seepage［J］． Journal of China Coal Society，2014，39（9） ： 1840 － 1844． doi：10． 13225 / j． cnki． jccs． 2014． 8013
摘 要：煤的含水率影响煤层气的赋存状态和运移能力。结合基质吸附变形理论，分析了煤层中水
分存在对基质力学性质的影响规律，探讨了含水率对煤层裂隙变形及煤层气运移的控制作用；采用
含水率分别为 0． 112% ，0． 498% 和 0． 785% 的原煤进行煤层气渗流实验，研究发现，增压过程中随
有效应力增加煤层气渗流速度呈非线性递减，二者满足二次函数关系；煤层含水率大小决定该函数
1 基质渗透率与煤含水率的关系
1. 1 煤的孔隙特征与Hale Waihona Puke Baidu水能力 煤中水的存在形态可以分为游离水和化合水。
游离水是煤内部裂隙和孔隙毛细管吸附或表面附着 的水，化合水是煤基质中与有机官能团化合作用存在 的结合水［13］。通常将煤的含水率与含水饱和度关联 分析，考虑基质的双重渗流特性，确定煤中气体渗流 变化关键取决于裂隙的开闭程度。
早在 20 世纪 20 年代，前苏联学者卡佳霍夫已经 开始关注 含 水 率 差 异 对 岩 石 渗 透 率 影 响［1］，而 煤 层 渗透率与含水率关系的实验研究起步较晚，且大多基 于常规油气渗流实验研究。油气工程开发过程中，学
者们关于流体渗流能力的研究大都基于压力梯度假 设［2］，分析特 定 储 层 压 力 和 渗 透 率 条 件 下 流 体 的 渗 流规律，而含水煤体的气体渗流研究涉及到更复杂的 耦合作用。Shi 等［3］通过大量实验，发现在一定的含
2. 1 含水煤样的制备 实验煤样选取河南煤化工集团某矿二1 煤层原生
结构煤，在 实 验 室 进 行 人 工 切 割。 利 用 抛 光 机 进 行 上、下端面抛光，加工成直径 = 50. 0 mm、高度 h = 100. 0 mm 的圆柱体标准试件。实验采用的原煤样含 水率 Mad = 2. 89% ，孔隙度 F = 6. 46% ，弹性模量 E = 3. 1 GPa，泊松比 υ = 0. 36。
Abstract：The moisture content determines CBM occurrence state and its transport capacity in coal seam． Based on the substrate adsorption deformation theory，the authors analyzed the effects of water content on the mechanical properties of matrix，and moisture content control on fracture deformation and coal-bed gas migration in coal seam，and completed a group of CBM seepage experiments using coal samples with different moisture contents，0. 112% ，0. 498% and 0. 785% respectively． The study demonstrates that the seepage velocity nonlinearly decreases with the increase of effective stress in the stress loading process； the flow velocity and effective stress relationship is a quadratic function of distribution； and the moisture content determines the stress sensitive area and the minimum flow velocity． Therefore， the maximum flow rate can be calculated． With the increase of water content，the stress sensitive point of CBM seepage velocity decreases gradually，i． e． ，5. 48，5. 17 and 4. 78 MPa． Key words： water content；flow velocity；effective stress；coal-bed methane
实验室通过改变容器中的温度和湿度，调节煤样 含水率，也就是改变煤中游离水的浓度。煤的结构链 中不饱和官能团数量庞大，具备了束缚大量流体分子 的条件，而水分子较甲烷分子有更高的极性条件［14］， 由此导致流体分子“竞争吸附”。多层水分子吸附形 成附着水，弱化了煤的表面能，降低了煤体的可压缩 性，改变了其部分力学参数。比表面积越大，其压缩 变形影响越大。根据“竞争吸附”理论及相关的气体 吸附实验［15 － 18］，过高的含水率会导致气体渗流的启
（ ＜ 1. 0% ） 煤层中影响并不明显，只有在近饱和或超
饱和含水煤层的气体渗流过程中，压力梯度效应相对
显著。
1. 3 含水煤体裂隙变形理论
与常规气体吸附（解吸）引起煤体膨胀（ 收缩） 不
同，含水率变化体现的不仅是煤体基质的变形作用，
而更重要的是对煤体力学性质的改变。大量实验研 究发现［20］，煤岩黏 聚 力 和 内 摩 擦 角 随 含 水 率 线 性 减
第9 期
刘永茜等：含水率对煤层气渗流的影响
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水率范围内，随含水率的升高煤体渗透率也呈线性变 化，当煤样含水率超过某个临界值时，含水率对气体 吸附的影响变为 0，而煤体渗透能力加速衰减；Louis 研究发现［4］，多 孔 介 质 的 孔 隙 特 征 尺 度 决 定 其 束 缚 水分子的能力，并决定气体运移通道的“有效半径”， 结合孔隙率与渗透率的关系，给出二者关系模型，并 通过实验得到验证；A. G. Kin 建立了包含水分、灰分 以及压力等多因素的吸附关联模型［5］，同时指出，水 分含量大小决定了定压储层的最大渗流速度，也在一 定程度上验证了 Jouber 的理论。
影响煤的渗透率。在此之前已有不少学者认为，孔隙
度的结构差异是流体启动压力梯度变化的核心因素，
储层流体压力梯度（ λ） 大于临界值（ λc） 时，流速与流 体压力才满足函数关系［2］。含水率的变化会改变 λc 的大小，因此含水率的大小会决定渗流速度的大小。
然而，煤层渗流的气动压力梯度效应，在超低含水率
Effect of moisture content on CBM seepage
LIU Yong-qian1，2 ，ZHANG Lang1，2 ，LI Hao-dang3 ，DENG Zhi-gang1，2
（1． Mine Safety Technology Branch，China Coal Ｒesearch Institute，Beijing 100013，China；2． National Key Lab of Coal High Efficient Mining and Clean Utilization（ China Coal Ｒesearch Institute） ，Beijing 100013，China；3． Coal Production Department，Shenhua Group Co． ，Ltd． ，Beijing 100011，China）
的改变决定了煤岩原生裂隙（ 孔隙） 的变化，进而根
据孔隙度与渗透率的立方定律
K
=
1 12
ee3h
（2）
其中，eh 为流体渗流等效开度；e 为裂隙间距。根据 Barton 关于应变条件下开度计算的半经验公式［22］，
对于气体可以描述为
eh = （ e0 － un ） 2 Cf（w）
（3）
其中，e0 为裂隙的初始开度；un 为裂隙的法向压缩位
动压力梯度现象发生，进而改变其渗透特性，这已经
通过实验方法得到验证。储层中的煤层气渗流，需要
考虑应力环境导致煤体变形和含水率控制的渗透率
变化影响。
1. 2 含水率与启动压力梯度
Ali Sabir 等［19］通过实验发现，含水煤样与干燥
煤样存在显著差异，水分子不仅影响了基质的有效孔
隙度，并导致煤的可压缩性降低，弹性模量变化，进而
张新民［6］、苏 现 波［7］ 等 尝 试 研 究 含 水 煤 岩 的 吸 附和渗流实验，指出含水率差异在不同煤阶中的影响 不同；张先 敏［8］ 强 调 含 水 煤 样 气 体 渗 流 速 度 受 到 有 效应力和 气 体 压 力 梯 度 指 标 影 响； 尹 光 志 等［9］ 认 为 一定条件下煤体含水率与有效渗透率关系可用线性 函数表述；Frank van Bergen 等［10］指出不同成熟度的 煤 质 存 在 含 水 率 敏 感 区 域，尤 其 在 低 含 水 率 区 （4. 0% 以下） 影响显著［8］。Mckee C. Ｒ． 等［11］和 Enever 等［12］通过实验得到了煤体有效应力对渗透率的 影响规律，然而都是在干燥条件下进行的，并且通常 采用型煤煤样进行渗流实验。稳定含水率的渗流实 验缺乏可比性，型煤煤样的实验并不能客观描述地下 煤层真实孔隙（裂隙） 系统中煤层气的运移情况。为 此，本实验结合基质吸附变形理论，采用不同含水率 的原煤煤样进行应力条件下的渗流实验比较，探讨有 效应力与渗流速度（ 渗透率） 、含水率与应力敏感性 之间的关系，更具有科学和工程意义。