氣體運移導致煤體結構變形演化特征研究——以注入氦氣為例

王春光 ，王長盛，陶志剛，蔣宇靜，譚云亮，魏明堯，崔光磊，吳學震

（1.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071 4.長崎大學 工學研究科，日本 長崎 852-8521）

1 引 言

氣體運移引起煤體結構變形是研究煤層氣抽采、煤與瓦斯突出和溫室氣體地質封存的關鍵問題。大量工程實踐表明，我國深部煤儲層具有高應力、高含氣、強吸附、低滲透[1]的特點。目前在各大煤礦區實施井下瓦斯抽采有兩類：①采動卸壓抽采效果好，但受條件限制；②采前預抽無卸壓條件，抽采效果差。由于受到采掘開挖以及鉆孔周邊損傷裂隙區造成的漏氣影響，出現抽采濃度衰減快（在短時間內衰減到6%～20%）、抽采壽命短的共性問題[2-3]。由此可以看出，雖然采用各種增透技術可以在短期內提高抽氣量，但僅是提高致裂煤層的局部滲透率，未擾動區域的滲透率仍然受到原生裂隙制約。需要指明的是，煤儲層不僅包含相互正交的割離（裂隙）系統，還包括多種尺度的微孔隙[4]，這種復雜的孔隙結構賦予煤儲層具有與常規天然氣儲層明顯不同的傳導特性[5-9]，主要表現為：①低滲透性；②對甲烷與二氧化碳氣體有強吸附性；③吸附氣體解吸引起煤基質收縮。一般認為，煤層氣體運移以2 種方式進行（見圖1）：一種是在裂隙系統進行的滲流過程；另一種是在煤基質進行氣體吸附與擴散過程。因此，研究氣體滲流與擴散過程對煤骨架變形影響對準確預測煤層滲透率演化有重要意義。

圖1 氣體在煤端割理與面割理結構中運移方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas migration manner within face-butt cleat system of coal mass

煤層滲透率或骨架變形受到煤的變質程度、地溫、含氣量與氣體種類以及地應力等多種因素影響[10-11]。隨著煤層氣（瓦斯）抽采進行，孔隙壓力的降低使煤滲透率顯現出應力敏感性[12]。雖然使用有效應力原理可以解釋砂巖等常規儲層變形特征[13]，但由于氣體吸附會導致煤基質出現膨脹或收縮，這使煤體裂隙開度變化預測變得更加復雜。為此，周世寧等[14]認為，瓦斯壓力升高擴張微孔隙與微裂隙，并且氣體與煤作用引起煤表面張力發生變化；袁梅等[15]觀測對無煙煤注入甲烷同時加、卸載時，氣體壓力升高與有效應力增大后滲透率均呈先減小后增大，在加載過程中煤應變量減小，在卸載過程中煤應變量增大；尹光志等[16]在外部應力恒定條件下觀測煤的滲透速率隨瓦斯壓力升高而增大；劉延保等[17]觀測不同瓦斯壓力下煤的吸附膨脹變形，發現煤應變率隨時間逐漸減小至穩定，認為這種煤應變收縮主要歸結于瓦斯壓力對煤體的壓縮作用；潘哲軍等[18]實測發現，在圍壓與氣壓作用下煤的吸附變形量增加，導致滲透率顯著降低；吳宇等[19]通過數值研究認為，氣壓較低時，吸附引起的膨脹效應將占主導地位，在高氣壓條件時，有效應力將占主導地位；Majewska 等[20]在試驗中發現煤體會在吸附初期膨脹后有收縮趨勢，歸結于注入氣壓的壓縮效應占主導地位；呂祥鋒等[21]對原煤注入甲烷后觀測到孔隙壓力越大，煤中氣體解吸量與煤應變相應增多。

基于上述煤體變形特征，相關煤滲透率模型分為兩類：一類是單軸應變假設，簡化煤應力-應變關系，適用于大范圍煤層條件；另一類是三軸應力假設[22]。同時認為，煤基質是不可壓縮，其體積模量要大于煤體的體積模量，因此，通常將Biot 系數簡化為1[23-24]。值得注意的是，多數研究工作關注煤吸附/解吸氣體引起膨脹/收縮與煤的整體壓縮變形相互關系。隨著相關研究深入，學術界逐漸認識到孔隙壓力對煤基質的壓縮變形不能忽視，即Biot 系數介于0～1[25-26]之間。這意味著煤基質變形不能全部改變裂隙開度變化[27-28]，煤裂隙與基質的有效應力相互作用對其孔隙結構存在調整作用。相比氣-煤界面發生吸附/解吸過程可以在短時間內完成，而煤基質內氣體擴散是緩慢過程。這將導致煤基質內孔隙壓力需要較長時間才能與裂隙的孔隙壓力平衡，表現出裂隙與基質有效應力變化不同步，導致裂隙開度與基質塊體積長時間處于動態變化之中。

綜上所述，本文以注氣導致煤的有效應力變化為切入點，分別采用靜孔隙壓力狀態（關注氣體擴散對煤基質變形影響）與三軸應力狀態條件下（關注不同邊界條件下有效應力變化煤體變形）注氣導致煤體應變過程，揭示裂隙滲流與基質擴散耦合對煤變形控制機制，這將為深入研究煤層滲透率演化提供試驗依據。

2 試驗方法

2.1 煤樣描述

測試煤樣取自山東省新巨龍煤礦。煤塊從工作面取回實驗室后進行取芯、打磨加工成長為8 cm，直徑為2.5 cm 圓柱狀煤芯。對加煤芯進行micro-CT全尺寸掃描。圖2(a)給出煤芯全尺寸CT 重構三維圖像。CT 灰度圖像中白色亮斑表征高密度組分，黑色區域表征中密度組分與低密度或孔隙組分。由于煤裂隙很容易充填礦物質[29]，可以用礦物質分布標記為煤的層理形態。對獲取的全尺寸CT 圖像進行閾值分割，得到礦物組分的空間形貌（見圖2(b)中灰色區域），可以推測煤層理大致垂直煤芯的軸向。將煤芯外表面用酒精擦拭干凈后，分別沿其軸向與環向粘貼電阻應變片（煤芯的體積應變 εΔ=Δεa+2Δεr，其中Δεa為軸向應變，Δεr為環向應變）。根據層理走向，可以認為，軸向應變表征垂直層理方向應變，而環向應變表征順層理方向應變。

圖2 測試煤芯的CT 圖像與閾值分割圖像Fig.2 3D CT image and threshold segmentation method of coal sample

本研究使用的測試系統主要包括夾持器、氣源、標準氣體室、數據采集儀、柱塞泵與氣體傳感器（見圖3）。其中夾持器由殼體、注氣腔與出氣腔組成。氣源出口設有減壓閥，可以根據試驗要求調節標準氣體室內氣壓。本研究采用測試氣體為氦氣，主要是考慮到氦氣不會對煤引起吸附膨脹效應，僅考慮注氣壓力對煤骨架影響。

為了研究氣體滲流與擴散對煤骨架變形影響，本文采用兩類測試過程：一類是在靜孔隙壓力狀態下注氣。在測試中不對煤施加外部應力，煤表面沒有膠套密封并且裂隙未閉合，注入氣體直接流入煤體，在短時間內煤裂隙孔隙壓力與氣源壓力平衡，注氣壓力可直接作用在煤基質（見圖4(a)）。

圖3 注氣測試系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas injection facility

圖4 煤試樣邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of boundary condition of coal sample

另一類是在三軸應力狀態下注氣。該過程采用有側向位移約束的假三軸應力條件（見圖4(b)），旨在將煤層簡化為無限大水平面后在任意豎直面與水平面上無剪應力存在。在垂向覆巖自重應力作用下煤層只能產生垂向變形，不能有側向變形和剪切變形。一旦氣體注入后，煤體內孔隙壓力升高導致煤裂隙與基質的有效應力變化，進而改變不同邊界條件下軸向與環向應變。

2.2 靜孔隙壓力狀態測試過程

標準氣體室內初始氣壓見表1。具體測試過程為：首先使夾持器內溫度達到30 ℃恒溫狀態，開啟真空泵將煤芯抽真空使夾持器內真空度達到10-3Pa，將標準氣體室內氣壓達到預設值，再將標準氣體、室內氣體導入夾持器內。全過程采集煤芯的應變數據，直到煤應變趨于變化平穩即可終止該注氣壓力測試，重復上述步驟進行下一級注氣測試。

表1 測試參數Table 1 Measured stress parameters

2.3 三軸應力狀態測試過程

標準氣體室內初始壓力見表1。在30 ℃恒溫環境夾持器內真空度達到10-3Pa 條件后，首先啟動柱塞泵往夾持器腔內施壓，使煤芯環向應力升至6 MPa。在煤芯與標準氣體室之間安設氣體調節閥，可以控制氣體進入煤芯的速率。氦氣從注氣腔進入煤芯，從另一端流出并存儲在出氣腔內，實時采集記錄煤芯應變數據和夾持器注氣腔與出氣腔氣壓變化，直至夾持器兩端氣壓平衡，即可終止本級壓力測試。重新對煤芯抽真空后，重復上述步驟進行不同注氣壓力測試。

3 試驗結果分析

3.1 靜孔隙壓力狀態測試結果

為了比較不同靜孔隙壓力狀態下煤的應變演化過程，本部分采用應變與時間對數形式表達（見圖5）。由于該測試條件下沒有外部應力影響，煤裂隙處于未閉合狀態。在注氣開始階段隨著氦氣快速進入煤芯，沿平行層理與垂直層理方向的應變均出現快速收縮。對比不同注氣壓力作用下煤變形初期曲線，可以看出，隨著注氣壓力升高，煤體積應變收縮量增大，即在1.9 MPa 收縮至-300×10-6（見圖5(a)）；在3.75 MPa 收縮至-500×10-6（見圖5(b)）；在5.1 MPa 收縮至-760×10-6（見圖5(c)）；在6.6 MPa收縮至-950×10-6（見圖5(d)）。但隨著注氣持續進行，煤樣在經歷過初期收縮后均出現回彈。在1.9 MPa 與3.75 MPa 注氣壓力作用下，煤體積應變僅表現出少量回彈即保持穩定。而對于5.1 MPa 注氣壓力，煤應變從-760×10-6回彈至-400×10-6。與此類似，注氣壓力在6.6 MPa 靜壓下應變從-950×10-6回彈至-300×10-6。由此可以看出，注氣壓力與回彈變形量呈正相關變化。此外，在注氣過程中煤體變形表現出顯著各向異性特征，垂直層理方向應變大于平行層理方向應變。

3.2 三軸應力狀態測試結果

在側限條件下不同注氣壓力注氣導致煤變形結果見圖6。

如圖6(a)所示，在1.20 MPa 氦氣注入煤芯初期，煤軸向與環向應變均迅速增大，其中軸向應變增加速率大于環向應變增加速率。軸向應變迅速增至98×10-6后基本保持不變，直到2 000 s 后開始緩慢降低至60×10-6。而環向應變在注氣200 s 后增至47×10-6，之后應變緩慢減小，在3 000 s 左右降至35×10-6。在此階段注氣腔內氣壓緩慢降低，而出氣腔內氣壓相應緩慢升高。在注氣25 000 s 后煤芯兩端氣壓達到平衡，此時平衡氣壓為0.98 MPa。在煤芯內氣壓平衡后，軸向與環向應變均緩慢增大，在70 000 s 后分別穩定在84×10-6和130×10-6。

圖5 不同靜孔隙壓力狀態煤變形曲線Fig.5 Evolution of coal strain under different hydrostatic pore pressure conditions

圖6 恒定應力條件下不同注氣壓力導致煤體變形演化過程Fig.6 Gas injection induced evolution of coal strain under constant external stress

圖6(b)為注入2.01 MPa氦氣后煤變形全過程曲線。與注入1.2 MPa 氦氣結果類似，軸向與環向應變分別在注氣240 s 內快速升至250×10-6與90×10-6，之后軸向應變維持穩定至800 s 左右后開始減小，在注氣12 000 s 后維持在75×10-6。而環向應變穩定至2 000 s 后開始緩慢增加，最終維持在180×10-6。煤體內氣壓在14 000 s 后達到1.67 MPa 平衡壓力，之后緩慢下降在80 000 s 后基本保持在1.3 MPa。

圖6(c)為注入3.07 MPa 氦氣煤變形全過程曲線。在注氣開始后160 s 內煤芯軸向應變迅速增至360×10-6，450 s 后緩慢下降，在10 000 s 后維持在50×10-6左右。環向應變在初期增大至140×10-6后保持到1 000 s 后開始緩慢增大，最終保持在150×10-6。煤兩端氣壓平衡時間縮短至10 000 s 左右，平衡點壓力為2.071 MPa，注氣40 000 s 后氣壓最終穩定至1.5 MPa，軸向應變始終維持在50×10-6左右，環向應變緩慢增至163×10-6并保持穩定。

圖6(d)為對煤芯注入3.73 MPa氦氣后煤變形全過程曲線。在注氣400 s 過程中煤軸向應變先增至400×10-6，維持到780 s 后減小至50×10-6左右。而環向應變在470 s 后增至200×10-6。煤體內氣壓平衡時間縮短至6 600 s 左右，平衡點氣壓為2.43 MPa。在此之后，隨著夾持器內氣體不斷擴散至煤基質內部，造成煤體內氣壓逐漸降低并穩定在1.69 MPa，此時軸向應變與環向應變也分別穩定在54×10-6和210×10-6。

4 討 論

4.1 靜孔隙壓力狀態氦氣注入引起煤體變形演化特征

根據有效應力原理，當多孔彈性介質所受外部應力與其內部孔隙壓相等時，介質骨架將不發生任何形變。對比本文3.1 節所述不同靜孔隙壓力狀態下煤的應變曲線可以看出，測試煤的整體形狀隨著注氣進行出現先收縮后回彈現象，呈不對稱下凹型變化。說明注氣初期煤應變隨時間變化率大于注氣后期煤應變變化率。Robertson[30]通過實測與數值驗證手段認為，裂隙系統滲透率高于煤基質滲透率大約8 個數量級。這就意味著注入氣體可以很容易進入煤裂隙系統，使其孔隙壓力隨之升高并迅速與外界壓力平衡，而在此階段煤基質的孔隙壓力變化緩慢，煤基質在這種不平衡的孔隙壓差作用下表現出快速收縮，在此之后，隨著氣體開始向基質內部運移（氣體擴散與滲流并存），使基質內孔隙壓力緩慢升高，導致在注氣初期出現的不平衡孔隙壓力差逐漸減小，壓縮的基質開始出現回彈?？紤]到煤基質相比裂隙非常致密，孔隙壓力差平衡時間相應延長，在整體上表現出煤的回彈率低于壓縮率。值得注意的是，在相同孔隙尺寸以及氣體性質條件下，孔隙壓力越大，氣體的擴散系數與煤基質的滲透性均相應增強[31]。從圖7 中也可以看出，注氣壓力越大，煤樣的收縮量與回彈量也相應增大，且回彈量所占壓縮比例逐漸增大。該結果證實，在高孔隙壓力下煤基質內氣體運移速率增強。

圖7 靜孔隙壓力狀態下煤體壓縮與回彈量Fig.7 Comparison beween compressive strain and rebound strain under different hydrostatic conditions

4.2 三軸應力狀態氦氣注入引起煤體變形演化特征

當外部應力作用時，煤體內裂隙與基質處于壓密狀態，注入氣體后引起裂隙與基質相互調整。對比上述6 MPa 環向應力作用下不同壓力氦氣注入引起煤體應變曲線，可將煤體變形過程依次分為3 個階段。

第1 階段：注氣初期煤體出現顯著膨脹變形，這主要是因為裂隙系統孔隙壓力升高而導致煤結構的面割理與端割理開度同時增大。雖然此時裂隙兩側的基質在外應力與孔隙壓力雙重作用下迅速收縮，卻仍表現出整體膨脹。

第2 階段：在注氣持續2 mins 左右后，軸向應變表現出減小趨勢，而環向應變維持穩定。造成這種應變各向異性趨勢主要是不同邊界條件所致。氣體充滿裂隙后就向其兩側的基質運移，引起基質內孔隙壓力不斷升高，有效應力隨之降低。煤基質從注氣前的壓縮狀態逐漸回彈。在兩端軸向變形約束下，基質只能趨向裂隙回彈，擠壓裂隙開度。在應力約束下，由于沒有變形限制，煤體可以自由變形。隨著注入氣體從裂隙向基質運移，裂隙系統孔隙壓力降低，而基質孔隙壓力升高，因有效應力變化導致煤基質膨脹變形會抵消裂隙的收縮，因此，在該階段出現應變基本維持穩定狀態。

第3 階段：隨著注氣持續進行，煤的注氣端與出氣端氣壓逐漸達到平衡狀態，意味著煤體各點裂隙系統內的滲流過程結束。注入氣體開始以擴散過程為主。隨著氣體不斷進入煤基質的微孔隙，煤裂隙氣壓持續降低，基質的孔隙壓力逐漸升高。相比上述第2 階段基質內氣體運移過程，第3 階段的氣體運移以在微孔（<2 nm）中擴散為主，基質可以持續膨脹。注氣壓力越高，意味著能夠進入基質內氣體數量越多、裂隙孔隙壓力降幅越大，有效應力隨之升高，這就導致在高注氣壓力下軸向與環向應變在后期變化量因煤的整體壓縮而增幅變小。

圖8 不同邊界條件下煤的滲透率演化過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of permeability evolution of coal under different boundary conditions

4.3 煤變形對煤滲透率影響分析

通常意義認為煤體滲透率是指煤裂隙的滲透率，一般采用立方定律 k/k0=(φ /φ0)3描述裂隙開度與滲透率變化關系。劉繼山等[32]針對煤滲透率模型假設條件提出兩種極端約束邊界條件，一種是應力約束邊界（控制煤樣外部主應力恒定或者一個方向主應力變化）；另一種是位移約束邊界（限制煤樣沿任意方向變形），如圖8 所示。雖然幾乎所有室內滲透率測試過程都是采用恒定應力控制條件，但測試結果更接近于常體積狀態。而且現場觀測數據也表明，煤儲層賦存狀態更接近于恒定體積條 件。例如在煤層氣抽采過程中煤層滲透率會逐漸增加[33-34]；而使用CO2驅替煤層氣時，煤層滲透率會逐漸降低并導致CO2注入率下降[35-36]。這些現象說明，在氣體運移過程中，煤裂隙開度始終處于變化狀態。

考慮到煤具有雙重孔隙結構，裂隙開度變化一方面受有效應力影響；另一方面還受裂隙兩側基質變形的影響。雖然本研究采用的是不引起吸附效應的氦氣作為注入流體，但從本文測試結果看，無論是在應力控制還是在位移控制條件下，氣體都以滲流方式迅速充滿裂隙，使煤裂隙孔隙壓力升高，在短時間內導致裂隙開度增加，煤滲透率也必然增加。當煤裂隙系統內孔隙壓力平衡后，基質開始隨著氣體擴散使其內外壓力差消失，最終發生回彈膨脹變形。在應力控制邊界條件下表現為煤樣整體繼續膨脹，意味著裂隙開度處于張開，滲透率也相應增加狀態，這與圖8 所示的應力控制下滲透率演化邊界在趨勢上是一致的。而在位移控制邊界條件下表現為煤樣整體出現膨脹-收縮轉換，也就是裂隙開度或滲透率經歷了先增大再減小過程。從圖7 可以看出，注氣壓力越大，煤的回彈量所在收縮量的比例逐漸增大，說明裂隙開度的收縮逐漸占主導，這與圖8中位移控制下滲透率演化邊界的前半段趨勢也是吻合的。當然，由于受到試驗條件限制，本文沒有進行較高注氣壓力條件下煤體變形測試，這是在下一步研究工作中需要考慮的。

5 結 論

（1）在無外部應力作用的靜孔隙壓力狀態下，煤體積經歷從收縮到回彈過程，并且煤的收縮與回彈量隨注氣壓力升高而增大，且收縮量總是大于回彈量。這意味著在煤內部裂隙與基質之間孔隙壓力差的存在可以引起煤基質收縮變形，并且這種變形會因注入氣體進入煤基質，持續削減孔隙壓力差使收縮變形量得到部分回彈。

（2）在有外部應力作用的三軸應力狀態下，注氣導致的煤變形包括裂隙與基質兩部分。注氣初期以顯著導致裂隙擴張，隨著氣體不斷進入煤內部，煤基質開始出現回彈。但煤在注氣后期的變形過程與約束條件表現出緊密相關性，即在應力約束下，煤基質可以自由膨脹導致煤的膨脹率相比注氣初期明顯減緩。而在位移約束下，因氣體擴散導致煤基質膨脹只能擠壓臨近裂隙，使煤整體在注氣后期表現出收縮趨勢。

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