考虑温度和滑脱效应的煤渗流应力耦合模型

温度变化、滑脱效应、有效应力等对煤层变形和瓦斯流动耦合机制的影响规律是煤层瓦斯突出灾害防治、煤层气抽放设计等工程中的关键。从吉林华兴矿取原煤,粉碎后制备型煤试样,利用自行研制的三轴渗流应力温度耦合实验装置开展了三轴气渗流试验,研究了孔压、有效应力及温度对型煤渗透率的影响规律,结果表明:1)低孔压条件下,随着孔压增加煤样渗透率减小,当减小至某一临界值后,渗透率再随孔压增加而缓慢增长,即表现为所谓的滑脱效应。2)有效围压对煤的渗透率有很大影响,围压增加,煤样所受有效应力增大,煤样内的孔隙和裂隙空间被压缩,瓦斯的渗流通道变窄,渗透率降低。3)温度变化对煤的渗透率有显著影响,温度升高,煤的渗透率降低。这主要是由于温度升高使得煤样体积膨胀,由于周围的约束使得煤样内部出现温度压应力,煤的孔隙和裂隙空间被压缩,试样的渗透率降低。同时,温度升高使得甲烷气体黏性增强,加剧了煤的渗透率降低的趋势。温度变化对煤渗透率的影响近似服从线性关系。4)建立了考虑温度变化、有效应力及滑脱效应影响的煤渗透率演化方程。将煤视作弹性介质,结合有效应力原理和本文的煤渗透率演化方程,建立了考虑温度变化、滑脱效应影响的煤变形和瓦斯流动耦合数学模型,在Matlab软件下开发了相应的有限元程序。通过数值算例研究了温度变化和滑脱效应对煤变形和瓦斯流动的影响规律,结果表明:1)若不考虑温度变化和滑脱效应的影响,将偏于低估瓦斯流动能力,在煤变形和瓦斯流动耦合分析中应考虑温度变化和滑脱效应的影响。2)本文建立的模型能较好地考虑温度变化、滑脱效应和有效应力对煤层瓦斯流动的影响,从而为煤层瓦斯运移预测提供了一个新的思路。     

基质收缩效应对含瓦斯煤渗流影响的实验分析

以山西晋城煤业集团赵庄矿和寺河矿的煤层原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,通过保持有效应力恒定以消除其引起的渗透率变化,并同时考虑到滑脱效应对渗透率的影响,进行了He和CH4在不同气体压力条件下煤渗透率的平行实验,定量考察了煤基质收缩效应对煤岩渗透率的影响。实验结果表明：1）在低瓦斯压力条件下,煤渗透率表现出较显著的滑脱效应,且随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,赵庄矿和寺河矿煤样的滑脱效应拐点均为0.9 MPa左右;2）当有效应力恒定时,随着瓦斯     

煤的渗透性实验研究

通过对南桐煤田煤样的渗透率进行实验研究，探讨了地应力、解吸瓦斯、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响。     

不同瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出模拟实验

为探讨瓦斯压力在煤与瓦斯突出过程中的作用机制,利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟试验台和同一种煤样,在煤样成型压力、煤样含水率、受力状况等参数均恒定的情况下,分别进行了5种不同瓦斯压力水平下的煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明,煤与瓦斯突出可形成口小腹大的呈梨形或椭圆形的突出孔洞,且突出孔洞容积仅为突出煤体积的1/2～2/3;在瓦斯压力方面存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阀值,高于此阀值时,瓦斯压力愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎和抛出作用;煤样温度呈先升高后降低并连续变化的趋势,利用温度变化梯度可进行煤与瓦斯突出预测预报。     

吸附和长时间荷载作用煤渗透规律试验

以阜新矿业集团恒大煤业有限责任公司阜新组煤样为研究对象,通过自制的多功能三轴渗透仪,进行了原煤在吸附瓦斯过程和长时间三轴加载过程渗透规律的试验研究.试验结果表明:煤吸附瓦斯后渗透率比不吸附瓦斯测得的渗透率要小,降低48.94%～82.18%,煤吸附瓦斯后的瓦斯渗流过程存在滑脱效应;经过78 d总应力为18 MPa的外力对煤样持续加载作用,煤渗透率降低了82.05%～92.65%,煤渗透率可用以时间为变量的负幂指数函数表示;应力荷载释放后二次加载,煤渗透率较卸载前增加,但远低于不考虑长时间荷载作用的渗透率;采用目前实验方法测得的煤岩渗透率要高于原始地层环境下的渗透率.     

应力加卸载作用下软硬原煤瓦斯渗透规律

使用自行改装的"瓦斯渗透模拟实验系统",在不同瓦斯压力条件下,对同一矿井的软硬原煤试件的瓦斯渗透特性进行研究。结果表明:应力加载阶段,随着应力的增加2种煤样试件的渗透率均呈减小趋势,且加载初期渗透率的降幅最大,当加载围压从0升到4 MPa时,硬煤与软煤的渗透率平均下降69.7%,73.3%;应力卸载阶段煤样渗透率随着应力的减小而增加,围压完全卸载后2种煤体的渗透率分别恢复到其初始值的22.6%,47.8%;同样的应力条件下,有效应力的增加对硬煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着其内部瓦斯压力的增大而增大,而对软煤则相反。实验结果可为煤体"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

结构异性煤体渗透率特性

 煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数, 而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统, 对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上, 进行不同瓦斯压力下的渗透率测试, 并根据等效驱替原理, 建立各向异性煤体渗透率的计算模型, 数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向, 渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1 个量级, 且煤的变质程度越高, 差别越明显。随瓦斯压力增大, 煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大, 煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下, 煤的变质程度越低, 煤层瓦斯渗透定向性越弱。     

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明：随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。     

基于温度作用下含瓦斯煤渗透率动态演化模型的修正及试验研究

对含瓦斯煤渗透率影响因素进行分析,得到了基于温度、瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀的有效应力计算公式.从渗透率影响因素之间的相互作用出发,通过克拉伯龙方程给出了温度增量引起瓦斯压力变化,瓦斯压力导致煤基质压缩及吸附膨胀应力改变,由此改进了有效应力计算公式.以Kozeny-Carman方程为桥梁,修正了煤体峰值前,压缩条件下考虑温度、瓦斯压力及吸附膨胀相互作用影响的渗透率动态演化模型.利用自制实验系统对温度作用下含瓦斯煤渗透性进行测试,得到含瓦斯煤渗透率与温度变化符合负指数函数分布,对比修正后的模型计算数据发现其与试验数据有很好的一致性.研究成果为温度作用下含瓦斯煤渗流的多场耦合问题提供一定的理论基础.     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

中煤阶煤层气井排采阶段划分及渗透率变化

煤层渗透率动态变化规律是煤层气开发所面临的重点问题之一。根据无因次产气率划分煤层气井排采阶段,结合等温吸附实验下煤层气的解吸过程确定排采阶段分界点位置。通过物质能量动态平衡理论建立中煤阶煤储层渗透率评价模型,从渗透率变化趋势、主导机制、产能动态等方面,阐释了中煤阶煤层气井不同排采阶段煤储层渗透率动态变化特征与控制机理。结果表明,排采过程中,煤储层绝对渗透率发生“先降低-后回返-再上升”的动态变化。排水阶段水相有效渗透率迅速下降,气相有效渗透率为0。储层压力降低至临界解吸压力后进入产气阶段,气相有效渗透率迅速增加,水相有效渗透率缓慢降低。产气量衰减阶段绝对渗透率开始下降,在滑脱效应影响下,气相有效渗透率仍然保持缓慢上升,水相有效渗透率降低。     

艾维尔沟矿区碎软难解吸煤层瓦斯运移规律

为了掌握艾维尔沟矿区主采煤层的瓦斯运移规律、指导瓦斯抽采工作,实测了煤层多元物性参数、建立了含瓦斯煤体多场耦合模型,通过数值模拟分析了瓦斯运移特性。研究表明：矿区主采的4号、5号和6号煤层存在煤层碎软、瓦斯含量高、透气性差等不利因素,抽采难度大。随着抽采时间增加,钻孔周围基质瓦斯压力和裂隙瓦斯压力均按照一元二次函数关系规律性减小。基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力在抽采初期降低速度基本一致,但随抽采时间增加,裂隙瓦斯压力下降速度明显快于基质瓦斯压力,二者之间的压力差也越来越大。5号煤层裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力的降低速度、裂隙中渗流速度及基质中瓦斯解吸扩散速度较4号和6号煤层慢。为提高矿区抽采效果,应采取强化瓦斯抽采措施改善煤层透气性等物理性质,以提高煤层裂隙瓦斯渗流速度,促进基质瓦斯解吸扩散,5号煤层应采取相对更加有效的增透措施。     

煤储层物性对甲烷解吸及采出的影响

影响煤层气解吸采出的诸多因素作用于煤储层,体现为煤储层允许煤层气扩散渗流或导流的能力,所以在研究气体解吸特性时煤储层自身的物性值得重点探讨。基于这一点,对比研究了高低煤阶煤的物性差异,探讨了其对气体解吸采出的影响。研究表明,低煤阶煤分子结构较松散,孔隙度高,高煤阶煤分子结构紧密,孔隙度低,降压解吸过程中低煤阶煤物性变好,高煤阶煤物性变差。罐装煤样解吸和室内模拟实验揭示,物性是决定气体解吸的关键要素,这也是低煤阶煤储层含气量低但仍具有很大开发潜力的根本原因。低煤阶煤层孔渗较好,压降传播快,在开采过程中可形成自卸压效应。高煤阶煤层孔渗较差,压降传播慢,为了提高单井产量必须采用大型压裂或分支井技术等措施。     

变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟

深部煤层瓦斯运移过程及分布规律与温度场、瓦斯渗流场及应力场耦合密切相关.基于深部煤层瓦斯运移的热流固耦合模型,结合实际的煤层条件和实测数据,开展了煤层瓦斯赋存规律的数值模拟,研究了瓦斯压力和瓦斯含量分布规律的影响因素.结果表明:煤层渗透率是影响瓦斯压力分布的主要因素,其中煤体的有效应力系数、初始孔隙率、弹性模量以及吸附应变系数均对渗透率有着重要的影响;煤层瓦斯含量受瓦斯压力和煤层温度的共同影响,不考虑煤层温度预测得到的瓦斯含量结果偏大.     

煤层气吸附解吸规律研究进展

调研了煤层气吸附理论与实验、水对煤层气吸附解吸过程的影响与煤层气液固吸附理论体系等3方面的研究进展,总结了气相吸附理论在煤层气吸附研究中取得的成果以及水对煤层气吸附的影响作用,分析了气相吸附理论在解释煤层气吸附状态时存在的问题,介绍了最新的液相吸附理论及在此基础上的煤层气复合解吸理论。不同相态的水对煤层气的吸附作用不同,煤样含水饱和度较低时,气相的平衡水可以显著降低煤层气的吸附量;当含水饱和度达到一定临界值时,含水量对煤层气吸附量变化的影响不大;而煤样中含水进一步增大时,注水煤样中液相水可以增加煤层气的吸附量。煤层气的赋存状态与气相吸附规律并不相符,而煤层气的液相吸附理论可以同时解决煤岩在水环境下生烃的条件及气相吸附没有临界解吸压力的问题;在液相吸附的条件下,煤层气的解吸过程是由气相及液相解吸共同控制的复合解吸过程。     

煤层气开发新技术试验研究与探索

针对我国煤气层超低渗透性、低压、低含水饱和度地质特征及煤层气吸附性较强的开发难点,提出把高能气体压裂用于煤层气开发的新技术试验研究与探索.研究思路是以高温高压气体促使煤气层产生和形成较长的多裂缝体系,并伴随较强的脉冲震荡、热作用于地层基质,提高煤气层空隙间的连通性和渗透性,改善解吸环境,促进煤层气解吸和泄气,以提高煤层气井产量.重点论述了此项研究的研究思路、作用机理、工艺设计、可行性等.介绍了现场试验情况,并指出了煤层气开发新技术研究与探索的方向.     

水锁抑制工作面瓦斯超限机理实验研究

在煤矿开采中,回采工作面落煤时的瓦斯大量涌出常常导致工作面瓦斯超限频繁,针对回采工作面的瓦斯超限问题,采取降压解吸的方法分别进行了无外液侵入、质量分数为0.0%渗透剂溶液(即纯水)和质量分数为0.025%JFC渗透剂溶液侵入条件下瓦斯解吸对比实验,获得了瓦斯解吸实验数据和曲线。结果表明:无论有无外液侵入,含瓦斯煤体的瓦斯压力越大,瓦斯解吸量越大;与无外液侵入煤样相比,有外液侵入煤样在不同压力点下的瓦斯解吸量都有不同程度的降低,特别是喷洒0.025%的JFC渗透剂的瓦斯解吸量降低效果更好;实验验证了渗透剂能在短时间内形成对煤瓦斯解吸的水锁封堵效果。可结合实际通过抽采+水锁或采前向煤体注液形成水锁的方法来抑制瓦斯释放量和瓦斯释放速度,进而解决回采工作面存在的瓦斯超限问题。     

Mechanism of production increasing of coalbed gas for the pinnate horizontal well and sensitivity effect of parameters on gas production

The mechanism of production increasing for the pinnate horizontal well is analyzed with the simulation technique. It is pointed out that the whole horizontal well-bore spreading widely and evenly in coal layers makes the stratum pressure drop evenly and fast, which increases the chance of desorption and diffusion and area controlled. This is the basic reason that the pinnate horizontal well can increase production. How such stratum parameters as permeability, Langmuir constants and adsorption time constant affect the gas production for the pinnate horizontal well is also studied with numerical simulations. Either for the vertical well or the pinnate horizontal well, bigger stratum permeability, steeper relative permeability curve, smaller residual gas saturation, higher gas content and stratum pressure are more favorable for gas production increasing. Langmuir constants decide the change of desorption quantity and influence the gas production through changing the extent of steep of isothermal adsorption curves in the pressure dropping area. The adsorption time constant only influences the time that gas production arrives at the maximum value for the vertical well, but it almost has no influence on the gas production for the pinnate horizontal well because the equivalent adsorption time constant is reduced.     

煤层气井产能影响因素分析

煤层气的开发和利用十分重要,煤层气产能研究对合理开发煤层气具有指导意义。在煤层气理想模型基本假设基础上,建立计算产量所需的各参数的方程。结合产量计算方程和静态物质平衡方程推导出产能预测解析模型;并分析了朗格缪尔体积常数、临界解吸压力、煤层渗透率以及单井控制面积对产能的影响。结果表明朗格缪尔体积常数的大小直接影响着煤层的含气量。临界解吸压力的大小直接影响煤层甲烷解吸的时刻。煤层渗透率影响产量峰值出现的时间。单井控制面积影响产量峰值大小。