论文推荐｜李波波等：考虑温度、孔隙压力影响的煤岩渗透性演化机制分析

创新点

通过不同压差和不同温度条件下改变孔隙压力的渗流试验，在当前典型的S&D模型基础上进行改进，建立适用于三轴恒定外应力条件，考虑温度、孔隙压力及滑脱效应影响的煤岩渗透率模型。通过试验结果验证其合理性，同时与其他模型(原始S&D模型、LU模型)进行对比，新建模型计算出的曲线与试验结果更为贴合，能很好的反映不同压差以及不同温度下渗透率与孔隙压力的指数函数关系，为煤层气开采提供一定的理论支撑。

作 者

李波波1,2,3,高 政1,杨 康1,李建华1,任崇鸿1,袁 梅1,2,3,汪 泓1,2,3

作者单位

1. 贵州大学 矿业学院；2. 贵州大学 喀斯特山区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室；3. 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室

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研究背景

煤层气作为一种清洁且经济的能源,其开采与利用一直备受关注。目前我国已探明煤层气资源为36.8×1012m3,多储存于地下2000m以浅,但大多为低渗煤储层,这对煤层气的开采增加了难度。随开采深度增加,地温与孔隙压力不断升高,2者对瓦斯渗流的影响逐渐凸显。因此,对不同温度下孔隙压力变化与煤岩渗流特性关系的探讨具有重要意义。

在试验研究方面,尽管众多学者已经进行了大量关于孔隙压力的渗流试验,但试验中的出口压力多设置为大气压,且无法做到同时调节进、出口压力以改变孔隙压力,这与煤层瓦斯抽采实际情况不太吻合。笔者前期已进行了不同温度下孔隙压力变化的渗流试验,但其理论模型并未综合考虑温度、应力、滑脱效应耦合作用的影响。因此,笔者拟在当前典型的S&D模型基础上进行改进,建立适用于三轴恒定外应力条件,考虑温度、孔隙压力及滑脱效应影响的煤岩渗透率模型。通过试验结果验证其合理性,同时与其他模型进行对比体现其可靠性,为煤层气的开采提供理论支撑。

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摘 要

为探究煤层气抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩渗透特性变化的影响,以贵州黔北煤田原煤为研究对象,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,通过控制进出口气体压力分别设定3个不同压差条件,开展不同温度下改变孔隙压力的渗流试验。

在当前典型的S&D模型基础上结合温度引起的吸附变形、热膨胀和滑脱效应的作用,新建考虑温度和恒定外应力条件下的渗透率模型。通过试验与模型对比验证其合理性,并对有无考虑滑脱效应的渗透率计算值进行了定量分析。

结果表明:

①渗流试验过程中,煤岩渗透率随孔隙压力升高而降低,其渗透率下降量受温度升高影响呈现降低趋势;孔隙压力升高,煤岩渗透率受温度影响的敏感程度逐渐降低。

②在试验的各孔隙压力点下,温度升高使得煤岩渗透率降低;在各温度状态下,煤岩渗透率随压差增大呈现降低趋势。

③经定量分析后发现修正模型较其他两个模型更加符合试验结果,且修正模型的滑脱因子随温度升高而增大,从理论方面验证了模型的合理性。

④考虑滑脱效应的煤岩渗透率曲线比不考虑滑脱效应的渗透率曲线更加符合试验结果。在不同温度条件下,前者的渗透率计算值大于后者的计算值。随孔隙压力升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。

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文中图片

不同温度下煤岩渗透率与孔隙压力变化关系

不同压差下煤岩渗透率与孔隙压力变化关系

3种模型的渗透率对比曲线

考虑与不考虑滑脱效应的渗透率曲线对比

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作者简介

李波波，男，1985年11月26日生，贵州修文人， 博士（后），副教授，贵州大学学术骨干，硕士生导师，现就职于贵州大学矿业学院。兼任贵州省煤炭学会副秘书长、贵州省非煤矿山安全生产标准化评审专家、《中国安全科学学报》青年编委、《煤炭科学技术》青年专家学术委员会委员、《有色金属(矿山部分)》中青年专家学术委员会委员、《Asia-Pacific Journal of Earth Sciences》编委、中国职业安全健康协会个人会员、教育部学位与研究生论文评审专家、中关村绿色矿山产业联盟青年技术委员会委员、2018年地球科学与测量国际学术论坛组委会委员、2019年地球科学与海洋国际学术论坛组委会委员，担任《Journal of Natural Gas Science and Engineering》等10多本国际期刊审稿人。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、国家自然科学基金国际合作与交流项目等多项国家和省部级项目，参与国家“973项目”、国家重大科技专项等6项。获得2017、2018、2019年度西南五省市区煤炭学术年会优秀论文奖，2019年中国产学研合作创新成果二等奖。在《Journal of Petroleum Science and Engineering》《煤炭学报》国内外期刊发表论文40余篇，其中SCI、Ei检索25篇，申请或获权发明专利20余项，合作出版著作1部。

研究方向

岩石力学与工程、非常规天然气渗流及矿山灾害防治等方面研究。

主要成果

近年来，专注于不同含水率和不同温度条件下的煤层气及页岩气吸附及渗流特征研究，分析了“不同温度下孔隙压力对煤岩渗流特性的影响机制”探究不同温度与孔隙压力对煤岩渗透特性的影响，为排采后期瓦斯抽采利用和CO2封存提供理论基础。围绕温度和孔隙压力共同影响的变形及渗透率演化的基础问题，力图建立可适用于求解该问题的吸附/解吸计算模型并推导煤岩基质膨胀/收缩与滑脱效应的渗流数学表达式。采用实验室测试、理论分析和数值模拟相结合的方法，探究温度和孔隙压力对渗透率的影响机制，为研究煤岩增透和瓦斯运移演变提供科学依据。

来源：

李波波,高政,杨康,等.考虑温度、孔隙压力影响的煤岩渗透性演化机制分析[J]. 煤炭学报,2020,45(2):626-632.

LI Bobo,GAO Zheng,YANG Kang,et al. Analysis of coal permeability evolution mechanism considering the effect of temperature and pore pressure[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(2):626-632.

责任编辑：韩晋平

编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

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