基于啟動壓力梯度的煤層瓦斯流動狀態快速判識方法

韓　穎，王　博，張飛燕

(1.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；4.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

基于啟動壓力梯度的煤層瓦斯流動狀態快速判識方法

韓穎1，2，3，王博2，張飛燕3，4

(1.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；4.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

摘要：為探討低滲煤層瓦斯流動的非達西特征，基于GSI煤體分類體系與砂巖啟動壓力梯度測試方法，進行了不同煤體結構煤樣的啟動壓力梯度測試，建立了啟動壓力梯度與煤體結構的回歸關系，實現了煤層瓦斯流動狀態的快速判識。研究表明：在煤礦井下采集煤樣或直接觀測煤壁，獲取其煤體結構，并與GSI煤體分類體系進行比對，確定煤樣GSI值后，通過啟動壓力梯度測試并建立其與GSI的關系，即可實現不同煤體結構煤層啟動壓力梯度的快速獲取與瓦斯流動狀態的快速判識。

關鍵詞：啟動壓力梯度；煤層瓦斯；流動狀態；快速判識；地質強度指標；低速非線性滲流

長期的低滲透油氣藏開發實踐表明，流體在低滲多孔介質中的流動為帶有啟動壓力梯度的低速非線性滲流[1]。啟動壓力梯度概念由B.A.費勞林(蘇聯，1951)提出，他認為只有當實際壓力梯度大于某一臨界值時，流動才能發生，此臨界值稱為啟動壓力梯度[2]。閆慶來等[3]、吳景春等[4]通過室內實驗證實了流體在低滲儲層內滲流時存在非線性段及啟動壓力梯度；陳永敏等[5]通過實驗論證了存在滲流啟動壓力和低速滲流時出現非線性的低速非達西滲流規律。多年來，眾多研究者就低速非線性滲流的形成機理[6]、判識標準[7]、數值解法[8]等問題開展了大量研究，但其對象皆為低滲透油氣藏。

我國煤層滲透率一般在1 md以下，具有“低滲”特點，郭紅玉等[9]通過實驗初步證實了氣體通過低滲煤樣時存在低速非達西現象和啟動壓力梯度。但是，現行瓦斯抽采技術大多遵循線性滲流理論—達西定律，往往忽略了低滲煤層內存在的低速非線性滲流及擴散現象，導致抽采難易程度評價及抽采工藝選擇出現偏差。針對具有不同煤體結構的煤層，如何快速、準確地評價其抽采難易程度以及選擇適宜的抽采工藝，以實現瓦斯高效抽采，是煤礦現場亟待解決的問題；而解決該問題的前提及關鍵，在于對瓦斯在不同煤體結構煤層內流動狀態的準確把握?；诖?，本文開展了基于啟動壓力梯度的煤層瓦斯流動狀態快速判識方法研究。

1基于地質強度指標的煤體結構定量表征方法

1995年，E.Hoek等創立了地質強度指標[10](Geological Strength Index，GSI)，這是一種巖體分類體系，根據巖體結構、巖體中巖塊的嵌鎖狀態與不連續面質量，綜合各種地質信息，估算不同地質條件下的巖體強度。GSI巖體分類體系[10]如圖1所示。

圖1　GSI巖體分類體系

郭紅玉等[11]分別采用煤體被切割的基質塊與裂隙寬度代替圖1中的巖體塊度與不連續面風化狀況，建立了基于GSI的煤體結構定量表征方法。與傳統煤體結構五分法相對應的GSI煤體分類體系[11]如圖2所示，GSI取值范圍見表1。

2煤樣啟動壓力梯度測試方法

2.1測試原理

本文測試借鑒吳凡等[12]計算砂巖啟動壓力梯度的方法，其基本思路如下所示。

根據達西定律，當不考慮啟動壓力梯度時的氣體滲流方程見式(1)。

圖2　GSI煤體分類體系

表1　GSI取值范圍

(1)

式中，v為氣體通過煤芯的流速，m/s；K為煤芯滲透率，m2；p1為入口氣體壓力，Pa；p2為出口氣體壓力，Pa；p0為大氣壓力，101325 Pa；μ為氣體動力粘度，Pa.s；L為氣體流經長度，即煤芯高度，m。

當存在啟動壓力梯度時，氣體滲流方程見式(2)。

(2)

令v=0，則推導得式(3)。

(3)

因此，啟動壓力梯度計算公式見式(4)。

(4)

式中，λ為啟動壓力梯度，Pa/m。

2.2測試系統與煤樣制備

啟動壓力梯度測試系統主要由高壓N2氣源、RMT-150B巖石力學試驗機、樣品室、CY-60型氣體壓力傳感器、氣體質量流量計、氣體流量積算儀、數據采集及處理儀器構成[9]，如圖3所示。

圖3　啟動壓力梯度測試系統

數據采集儀采用YJZ-16型靜態電阻應變儀，可與計算機通訊，實現數據實時、自動采集。氣體質量流量計為兩種：D07-11CM型流量計，量程為20L/min，與D08-8CM型流量積算儀配套連接；D07-11C型流量計，量程為50mL/min，與D08-8C型流量積算儀配套連接，兩者串聯工作，實現氣體流量的實時、全程測試。

由于樣品室較小，僅能容納Ф50mm×50mm的煤樣，故將Ⅰ、Ⅱ類煤體結構煤樣直接制備成Ф50mm×50mm的原煤煤芯；對于Ⅲ～Ⅴ類煤體結構煤樣，因其較為破碎、無法直接鉆取煤芯，故依據密度相等的原則，稱取與Ⅰ、Ⅱ類煤芯相同質量的煤樣，加壓制備成Ф50mm×50mm的型煤煤芯。

2.3測試方法與數據處理

將制備好的煤芯裝入樣品室，并在其上方放置透氣板；通過RMT-150B試驗機向煤芯加載4kN軸向力及2MPa圍壓，開啟高壓N2源，使氣體流經煤芯后，直接排至大氣；氣體壓力傳感器及氣體質量流量計同步、實時測試氣體壓力與流量。為確保系統密封良好，測試過程中氣體壓力不得超過2MPa。

表2　沙曲煤礦1#煤芯測試數據

3基于啟動壓力梯度的煤層瓦斯流動狀態快速判識方法研究

研究表明：當瓦斯在煤層中流動時，若瓦斯壓力梯度Δp/L(煤層埋藏深度每增加1m，煤層瓦斯壓力的平均增加值，一般為0.005～0.015MPa/m[13])大于等于啟動壓力梯度，瓦斯將發生低速非線性滲流；反之則不流動，瓦斯僅通過擴散途徑產出；只有當啟動壓力梯度為零時，瓦斯才會發生線性滲流[14]。

根據前述測試方法，對采自華晉焦煤有限責任公司沙曲煤礦的一系列煤樣進行啟動壓力梯度測試，并參照GSI煤體分類體系(圖2)，對不同煤體結構煤樣的GSI賦值，結果見表3。

根據表3中數據，對λ與GSI關系進行回歸分析，如圖5所示?？梢钥闯?，λ與GSI關系顯著。當GSI=46.58時，λ=0；當GSI<46.58時，λ=0.00189(46.58-GSI)1.49665，λ隨GSI的減小而增大，即煤體結構越破碎，瓦斯流動所需的啟動壓力梯度越大；當GSI>46.58時，λ=0.00189(GSI-46.58)1.50559，λ隨GSI的增大而增大，即煤體結構越完整，瓦斯流動所需的啟動壓力梯度越大。

圖4　v與關系回歸分析圖

表3　不同煤體結構煤樣的GSI值與啟動壓力梯度測試數據

圖5　λ與GSI關系回歸分析圖

綜上所述，對于沙曲煤礦而言，只要在井下采集煤樣或直接觀測煤壁，獲取其煤體結構，并與GSI煤體分類體系進行比對，確定煤樣GSI值后，即可通過上述關系得出λ，將λ與Δp/L進行比較，即可快速判定煤層瓦斯的流動狀態：Δp/L≥λ，為低速非線性滲流；Δp/L<λ，為擴散；λ=0，為線性滲流。

4結論

1)基于GSI煤體分類體系與砂巖啟動壓力梯度測試方法，進行了不同煤體結構煤樣的啟動壓力梯度測試，并建立了啟動壓力梯度與GSI的回歸關系。

2)在煤礦井下采集煤樣或直接觀測煤壁，獲取其煤體結構，并與GSI煤體分類體系進行比對，確定煤樣GSI值后，通過啟動壓力梯度測試并建立其與GSI的關系，即可實現不同煤體結構煤層啟動壓力梯度的快速獲取與瓦斯流動狀態的快速判識。

需要說明的是，本文僅為初步實驗，所得結論有待進一步驗證。下一步需增加實驗樣本，并對啟動壓力梯度測試系統進行改進，擴大充氣壓力范圍；此外，圍壓、氣體黏度及煤樣滲透率、含水飽和度、溫度等因素對啟動壓力梯度的影響需進一步深入研究。

參考文獻

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Fast recognition method of gas flow state in coal seam based on starting pressure gradient

HAN Ying1，2，3，WANG Bo2，ZHANG Fei-yan3，4

(1.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region(Henan Province)，Jiaozuo 454000，China；2.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；3.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control(Henan Polytechnic University)，Jiaozuo 454000，China；4.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract:In order to discuss non-Darcy characteristics of gas flow in low-permeability coal seam，based on coal body classification system and test method of starting pressure gradient in sandstone，starting pressure gradient in coal seam which have different coal structure was measured，the regression relationship between starting pressure gradient and coal structure was acquired，fast recognition of gas flow state in coal seam was realized.Research results show that coal structure can be acquired according to sampling or wall observation in coal mine firstly，GSI value of coal samples will be obtained by use of coal body classification system based on GSI，secondly starting pressure gradient can be tested in laboratory and the relationship between it and GSI will be acquired，then fast acquisition of starting pressure gradient and fast recognition of gas flow state in coal seam which have different coal structure will be realized.

Key words：starting pressure gradient；coal seam gas；flow state；fast recognition；geological strength index；low velocity nonlinear percolation

收稿日期：2015-07-20

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51404093)；河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地開放基金項目資助(編號：WS2012A09)；國家安全生產監督管理總局安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目資助(編號：henan-0025-2015AQ；henan-0007-2015AQ)；河南省教育廳科學技術研究重點項目資助(編號：14A440012)；焦作市科技計劃項目資助(編號：2014400013)；河南理工大學博士基金項目資助(編號：B2008-15；B2012-093)

作者簡介：韓穎(1980-)，男，山東濟南人，博士，副教授，主要從事礦井瓦斯防治與瓦斯地質領域的教學與科研工作。

中圖分類號：TD712+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0104-05