長焰煤氣水相滲特征實驗研究

陳功輝， 唐明云， 甯江琪， 張海路

（1. 安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤層氣主要為甲烷氣體，具有潔凈、熱效率高等特點，可應用于汽車燃料、居民生活用氣、工業用電等領域。煤炭清潔高效利用是基于中國資源稟賦保障能源安全的重要戰略舉措，是建立強大的新能源體系、實現“雙碳”目標的關鍵支撐[1]。我國長焰煤資源量為79 515 萬t，占全國煤炭資源總量的51.23%，主要分布于我國新疆、陜西、內蒙古等西北和華北的早中侏羅世含煤地層中[2]。長焰煤在形成過程中由于各種物理化學作用，其內部蘊藏大量煤層氣，煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤儲層中，歷經氣水兩相流運移過程才變成可供開發利用的清潔能源[3]。在實際的煤層氣開采工程中，地下水和煤層氣同屬于流體且共存于地層[4]，隨著開采深度不斷增加，有效應力、孔隙壓力、溫度等不斷變化，同時煤儲層中煤層氣的保護機制與呈線性滲流的地下水之間會受采動影響相互作用，致使煤層氣開采工程實施難度增大，因此需要對煤儲層中煤層氣與地下水之間的復雜滲流特性進行探索，以降低煤層氣開采難度、提高煤層氣開采效率[5-6]。

當前國內外一些學者針對不同實驗條件下的氣水相滲特征做了大量研究并獲得一些成果。文獻[7-11]通過不同溫度條件下氣水相滲實驗研究，分析得到氣水相滲曲線的含氣飽和度隨溫度升高而增加。文獻[12-14]通過改變圍壓條件進行氣水相滲實驗，得到氣水相對滲透率隨著圍壓增加而逐漸減小。文獻[15]認為在不同圍壓條件下的氣水相滲曲線形狀相似，但氣水相滲曲線隨著圍壓增大而逐漸往右偏移。文獻[16-18]通過實驗發現氣水相對滲透率隨著有效應力的增加而降低。文獻[19-21]設置不同驅替壓差進行致密砂巖氣藏氣水相滲實驗，發現隨著驅替壓差增大，束縛水飽和度下降，氣水相滲曲線兩相共滲區變寬。本文在上述研究的基礎上，通過TCXS-Ⅱ型煤巖氣水相對滲透率測定儀進行長焰煤氣水相滲實驗，分析不同有效應力、孔隙壓力與溫度對長焰煤氣水相滲特征的影響，以期為長焰煤儲層水力壓裂和注熱開采等煤層氣開采技術研究提供理論依據和實驗參考。

1 煤樣制備及實驗裝置

1.1 煤樣制備

實驗所需煤樣取自內蒙古鄂爾多斯準格爾旗魏家峁礦區，規格為 ?50 mm×100 mm，如圖1 所示。實驗所用氣體為高純度甲烷氣體。

圖1 煤樣Fig. 1 Coal sample

1.2 實驗裝置

實驗裝置采用TCXS-II 型煤巖氣水相對滲透率測定儀，如圖2 所示，其主要工作原理：通過調節減壓閥控制氣體入口壓力，流體以一定壓力進入煤樣夾持器并在煤樣中進行流固耦合，當流體從煤樣夾持器出口流出后，分別通過氣體流量計、電子天平采集產氣量和產水量，最終根據入口壓力、出口壓力、產氣量、產水量等數據計算得到該流體在煤樣中的滲透率。

圖2 實驗裝置Fig. 2 Experimental device

2 實驗原理

基于非穩態法的氣水相對滲透率測定以經典非活塞驅替理論為基礎，假定兩相流體彼此不相融且不可壓縮，忽略毛細管力和重力的影響，且煤樣中任意一個斷面上的氣水飽和度相同。利用非穩態法對煤樣進行氣驅水實驗，實時記錄實驗過程中煤樣出口端每一時刻的產氣量、產水量和兩端壓差等數據，通過“J.B.N.”的方式計算出氣水相對滲透率及含氣飽和度[22]，最終繪制成氣水相滲曲線。

基于達西定律的穩定流法常用于實驗室測定煤樣氣體有效滲透率，即根據瓦斯氣體通過煤樣的穩定滲流量和煤樣兩端的滲透壓力差等可測量參數計算煤樣氣體有效滲透率。

式中：Kg為煤樣氣體有效滲透率，10-3μm2；Qk為標況下的滲流流量，cm3/s；P0為大氣壓力，0.1 MPa；μ為氣體動力黏度，mPa·s；L為煤樣長度，cm；A為煤樣橫截面面積，cm2；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa。

不同溫度下甲烷動力黏度存在差異，見表1，需結合實際實驗情況選擇。

表1 不同溫度下甲烷動力黏度Table 1 Methane dynamic viscosity under different temperatures

絕對滲透率與氣體有效滲透率的關系為

式中：K為絕對滲透率，10-3μm2；B為克林肯伯格常數，MPa；為平均孔隙壓力，MPa。

實驗過程中實時記錄進出口壓力及氣驅水過程中的瞬時產水量、瞬時產氣量、累計產水量和累計流體產量。

含氣飽和度計算公式為

式中：Sg為含氣飽和度，%；mi為i時刻產出水質量，g；m1為飽和水狀態的煤樣質量，g；m0為干燥后的煤樣質量，g。

氣水相對滲透率計算公式為

式中：Krw，Krg分別為水相、氣相相對滲透率；fw為含水率；V(t)為無因次累計流體產量；I為相對注入能力；μw，μg分別為水相、氣相的動力黏度，mPa·s；Vw(t)為無因次累計產水量；Qw，Q(t)分別為初始時刻、t時刻煤樣出口端產水量，cm3/s；?p0，?p(t)分別為初始時刻、t時刻壓差，MPa。

氣體體積因壓力發生改變，所以需計算平均體積流量。

式中：Vi為i時刻累計流體產量，cm3；?Vwi，?Vgi分別為i-1 時刻到i時刻水增量、氣增量，cm3； ?P為驅替壓差，MPa。

有效應力是指煤樣實際受到的應力，具體計算公式為

式中： σ0為有效應力，MPa； σ1為軸壓，MPa； σa為圍壓，MPa。

3 實驗方案及步驟

3.1 實驗方案

通過改變圍壓和軸壓來模擬長焰煤儲層地層條件。圍壓分別選用5，7，9 MPa，軸壓相應均比圍壓小1 MPa，采用式（10）即可求得相應的有效應力。不同有效應力下氣水相滲實驗參數見表2。

表2 不同有效應力下氣水相滲實驗參數Table 2 Experimental parameters of gas water relative permeability under different effective stress

通過改變孔隙壓力來模擬長焰煤儲層瓦斯壓力條件。不同孔隙壓力下氣水相滲實驗參數見表3。

表3 不同孔隙壓力下氣水相滲實驗參數Table 3 Experimental parameters of gas water relative permeability under different pore pressures

不同溫度下氣水相滲實驗參數見表4。

表4 不同溫度下氣水相滲實驗參數Table 4 Experimental parameters of gas water relative permeability under different temperatures

3.2 實驗步驟

采用非穩態法進行氣水相對滲透率測定，具體實驗步驟如下。

1） 裝樣加壓。將試件裝入煤樣夾持器中，設定所需圍壓、軸壓參數。

2） 真空脫氣。將進氣口減壓閥關閉，同時關閉出氣口閥門，打開真空泵對試件進行真空脫氣，脫氣時間為12 h 左右。脫氣的目的在于排出管路內雜質和煤樣內部吸附的氣體，降低對實驗結果的影響。

3） 恒溫處理。打開恒溫箱，調整溫度至實驗要求的設置，使其保持足夠的保溫時間，以保證煤樣的溫度與設定的溫度一致，通過調節入口壓力測試氣體絕對滲透率。

4） 試件抽真空處理。抽出試件和管路內的氣體，使用恒速恒壓泵將液體低壓、低速壓入試件，待瞬時流量穩定，則液體充分飽和。

5） 氣體驅替液體。將氣體以一定壓力壓入試件，并開始記錄數據，此過程開始時只有液體流出，然后出現氣水混合物，最后待沒有液體產出時，完成實驗。

4 實驗結果與分析

4.1 不同有效應力下長焰煤氣水相滲特征

不同有效應力下長焰煤氣水相滲曲線如圖3所示。

圖3 不同有效應力下長焰煤氣水相滲曲線Fig. 3 Gas water relative permeability curves of long flame coal under different effective stresses

從圖3 可看出，當含氣飽和度增大時，氣相相對滲透率不斷增大，而水相相對滲透率不斷減??；有效應力增大對氣水相滲曲線有較為明顯的影響，相對于3.7 MPa 有效應力時氣水相滲曲線，5.7 MPa 和7.7 MPa 有效應力時氣相、水相相對滲透率曲線由下凹狀態逐漸趨于平緩，氣相相對滲透率上升幅度減小，而水相相對滲透率下降幅度略有增加；在不同有效應力作用下的水相相對滲透率曲線變化顯著，但氣相相對滲透率曲線變化較小。

不同有效應力下氣水相滲實驗結果見表5?？煽闯鲈诓煌行ψ饔孟?，煤樣在氣驅水后殘余水飽和度存在明顯差異。具體地說，有效應力越大，殘余水飽和度越大。本質原因是煤樣煤心骨架發生變化，有效應力的增大迫使煤樣孔隙、裂隙空間被壓縮，最終導致煤樣內流體滲透性能降低。此外，當入口壓力處于某固定值時，孔隙內吸附的水分及裂隙內游離的水分更加難以排出，從而使殘余水飽和度升高。

表5 不同有效應力下氣水相滲實驗結果Table 5 Experimental results of gas water relative permeability under different effective stress

為進一步研究水相、氣相滲透率對有效應力的敏感性，計算滲透率損失率，結果如圖4 所示?？煽闯鲭S著有效應力增加，氣相、水相滲透率損失率均呈上升趨勢，但水相滲透率損失率增幅更顯著。表明有效應力的增大對流體的滲透性能存在抑制作用，且對水相滲流的抑制作用大于氣相滲流。

圖4 長焰煤滲透率損失率隨有效應力變化曲線Fig. 4 Change curve of permeability loss rate of long flame coal with effective stress

4.2 不同孔隙壓力下長焰煤氣水相滲特征

不同孔隙壓力下長焰煤氣水相滲曲線如圖5 所示?？煽闯鲭S著孔隙壓力增大，水相相對滲透率曲線下降幅度變緩，氣相相對滲透率曲線上升幅度更加明顯，相同含氣飽和度的氣相相對滲透率逐漸降低，氣水共滲范圍變寬。這可能是由于氣體分子發生克林肯伯格效應，從而降低了氣體有效滲透率，進而影響了煤樣的滲流能力。

圖5 不同孔隙壓力下長焰煤氣水相滲曲線Fig. 5 Gas water relative permeability curves of long flame coal under different pore pressures

不同孔隙壓力下氣水相滲實驗結果見表6?？煽闯鲭S著孔隙壓力增大，等滲點飽和度由57.1%增大至62.4%，這可能是由于煤樣對水分子的吸附能力高于甲烷分子，即煤樣具有較強的親水性；隨著孔隙壓力增大，殘余水飽和度呈降低趨勢，這可能是由于當孔隙壓力升高至一定程度時，束縛被破壞，導致孔隙及裂隙中存在的水受更大的氣驅壓力而成為可動水被驅出，微小的孔隙中被鎖住的水也會因液阻效應的作用被強制排出，導致殘余水飽和度降低。

表6 不同孔隙壓力下氣水相滲實驗結果Table 6 Experimental results of gas water relative permeability under different pore pressure

4.3 不同溫度下長焰煤氣水相滲特征

不同溫度下長焰煤氣水相滲曲線如圖6 所示?？煽闯鲭S著溫度升高，等滲點向含氣飽和度減小方向平移，氣水共滲范圍變寬，氣相相對滲透率增長幅度及水相相對滲透率下降幅度均逐漸變大。

圖6 不同溫度下長焰煤氣水相滲曲線Fig. 6 Gas water relative permeability curves of long flame coal under different temperatures

不同溫度下氣水相滲實驗結果見表7?？煽闯鲭S著溫度上升，殘余水飽和度呈下降趨勢，這可能是由于溫度上升導致分子間運動劇烈，原吸附在煤基質孔裂隙的氣體分子開始游離于滲流通道中，且水分子也處于不穩定狀態，易被氣體分子所驅；20 ℃時氣相絕對滲透率大于40 ℃時氣相絕對滲透率，而60 ℃及80 ℃時氣相絕對滲透率在兩者之間。隨著溫度由20 ℃升至40 ℃，氣相絕對滲透率逐漸減小，主要原因是煤樣受到5.7 MPa 有效應力約束時，由于熱應力小于所加載的有效應力，煤樣在近似剛性約束的條件下，只能向內部孔隙空間膨脹，即發生內膨脹效應，導致煤樣內部孔隙喉道變窄，孔隙率減小。當溫度由40 ℃升至80 ℃時，氣相絕對滲透率逐漸增大，主要原因是由于有效應力的作用，隨著溫度升高，煤樣會產生熱應力，達到有效應力作用的臨界值后，煤樣向外膨脹，致使其內部孔隙擴張，孔隙率增大，從而使得滲透率增加。

表7 不同溫度下氣水相滲實驗結果Table 7 Experimental results of gas water relative permeability under different temperatures

為進一步研究溫度與氣相滲流能力間的關系，繪制不同溫度下氣相有效滲透率變化曲線，如圖7所示?？煽闯鲭S著溫度升高，長焰煤的氣相有效滲透率并未呈現出明顯的分層現象，這表明在不同含氣飽和度下，溫度對氣相有效滲透率的影響并不呈單一的變化規律。具體而言，相同含氣飽和度下，60 ℃時氣相有效滲透率大部分高于80 ℃時氣相有效滲透率，而40 ℃時氣相有效滲透率高于20 ℃時氣相有效滲透率。主要原因在于長焰煤煤樣對甲烷具有很強的吸附性，煤樣因吸附甲烷發生吸附膨脹，引起煤樣變形，從而導致微裂隙閉合，煤樣滲透率降低；當溫度升高至60 ℃時，甲烷氣體分子熱運動更加劇烈，迫使甲烷氣體分子更容易從煤樣內部孔裂隙基質中解吸出來，因此升高溫度可減少甲烷吸附；但當溫度進一步升高至80 ℃時，煤樣內部產生的熱應力增加，煤樣內部的總有效應力增加導致孔裂隙被壓縮，此時溫度升高反而對滲透率產生負作用。

圖7 不同溫度下氣相有效滲透率變化曲線Fig. 7 Change curve of gas phase effective permeability under different temperatures

不同溫度下氣相滲流量變化曲線如圖8 所示，可看出氣相滲流量隨溫度升高逐漸增大。

圖8 不同溫度下氣相滲流量變化曲線Fig. 8 Change curve of gas phase seepage flow under different temperatures

5 結論

1） 當有效應力由3.7 MPa 增大至7.7 MPa 時，氣相相對滲透率上升幅度減小，而水相相對滲透率下降幅度略有增加；有效應力的增大會對流體的滲透能力產生抑制作用，且對水相滲流的抑制作用大于氣相滲流；殘余水飽和度隨著有效應力的增大而增大。

2） 當孔隙壓力由2 MPa 增大至6 MPa 時，水相相對滲透率曲線下降幅度變緩，氣相相對滲透率曲線上升幅度更加明顯，氣水共滲范圍變寬，等滲點飽和度增大，殘余水飽和度減小。

3） 當溫度由20 ℃升高至80 ℃時，氣相相對滲透率增長幅度及水相相對滲透率下降幅度均逐漸變大，氣水共滲范圍變寬，殘余水飽和度呈下降趨勢，氣相滲流量呈增長趨勢。