真三轴煤样渗透率测定装置及其应用研究

郝杰

摘 要：基于国内真三轴渗透率测定研究处于相对空白，本文自主研发了真三轴煤样渗透率测定装置，能够模拟真实三向应力状态下流体通过立方体煤样孔隙的三维渗流行为，在此基础上进行了真三轴应力条件下的煤样渗透率试验研究。试验结果表明，煤样渗透率的水平最大主应力与水平最小主应力敏感性存在明显差异，且三向应力对煤样三维渗透率的影响程度不同，进一步说明了开展煤样真三轴渗透率测定的必要性和重要意义。

关键词：煤层气；真三轴；三维；渗透率；敏感性

基于国内真三轴渗透率测定研究处于相对空白，本文自主研发了真三轴煤样渗透率测定装置，能模拟煤样在自然界真实三向应力状态下流体通过立方体煤样孔隙的渗流行为，并进行了真三轴应力条件下煤样三维渗透率试验研究。

1 真三轴煤样渗透率测定装置

真三轴渗透率测定仪由压力加载系统、高压密封舱、流体注入系统、数据采集分析系统等部分组成，如图1所示。考虑到煤对氮气有一定的吸附作用，选用氦气作为试验流体介质。

压力加载系统由液压系统、伺服式液压缸、高压胶管、承压机架组成。通过三组相互垂直的伺服式液压缸，给立方体煤样施加相互垂直的三个方向的不同压强的围压（真三轴围压），能实现真实地应力场的三向差异化应力加载。

高压密封舱由支架、真三轴岩心夹持器组成，伺服式液压缸的载荷通过岩心夹持器传递给立方体煤样，能实现最高70MPa的有效密封。

2 仪器应用研究

试验所用煤样取自沁水盆地南部晋城寺河矿区高阶无烟煤，晋城寺河矿区含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，平均厚136.02m，含煤15层，主要开采层位为太原组8号—15号煤层，煤层总厚度为14.67m，含煤系数10.8%。含煤地层由灰—深灰色砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩及煤层组成。制取棱长为100mm立方体煤样15块，标记层理面并分别编号。共进行5组试验，每组试验采用3块煤样进行重复性试验，同一组的煤样由同一块煤岩制得，以缩小由于煤样性质的差异造成的误差。煤样沿层理面平行于水平面放置，1～6号煤样需用有机粘胶将底面封堵。把切割好的煤样放入特制立方模具内用无机密封胶填充空余空间，在室温下对煤样各面的边角处进行8-10小时的密封处理。试验前将处理好的煤样放入干燥器内在室温下干燥24小时，将煤样沿层理面平行于水平面放入岩心夹持器内，即可测定煤样渗透率。1～6号、7～15号煤样的流体渗流方向如图2、图3所示。

3 水平主应力敏感性试验

试验一测定1号、2号、3号煤样在真三轴应力状态下，不同水平最大主应力时煤样X-X、Z-Z方向的渗流量，水平最大主应力σH设置为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，水平最小主应力σh和垂直应力σv设置为1MPa；试验二测定4号、5号、6号煤样在真三轴应力状态下，不同水平最小主应力时煤样X-X、Z-Z方向的渗流量，水平最小主应力σh设置为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，水平最大主应力σH设置为6MPa，垂直应力σv设置为1MPa。水平最大主应力位于Z-Z方向，水平最小主应力位于X-X方向，气体渗透压力0.9MPa。由于试验中流体在三维空间内“L”形渗流，因此利用各流体出口的渗流量代替渗透率表征水平各方向的渗透性。试验结果如表1所示。

由图4、图5可知，在水平最大主应力或水平最小主应力的增壓过程中，渗流量的变化具有先“陡”后“缓”的特征，且垂直于水平应力增压方向的渗流量降低幅度较大，平行于水平应力增压方向的渗流量降低幅度较小。

将试验一与试验二中X-X方向与Z-Z方向渗流量测试数据分别取平均值，如图6所示，在真三轴地应力状态下，水平最大主应力与水平最小主应力增压过程中，煤样X-X方向与Z-Z方向的渗流量均减小，煤样渗透性降低；1～3煤样的渗流量下降幅度明显大于4～6号煤样的渗流量下降幅度，说明水平最大主应力对煤样渗透性的影响较大，而水平最小主应力的影响相对较小。从煤岩孔吼微观结构入手，分析水平最大主应力与水平最小主应力对煤岩渗透性的影响存在差异的原因：在水平最大主应力作用下，煤岩内的较大孔吼受压缩变小，特别是垂直方向的渗流通道首先被压缩，孔隙迂曲度增大，从而使流体渗流阻力增大，而在水平最小主应力增压过程中，被压缩变小的主要是煤岩内作为次要渗流通道的较小孔吼，因此水平最小主应力对煤岩渗透性的影响弱于水平最大主应力。

4 结语

自主研发的真三轴渗透率测定仪能够模拟煤样在自然界真实三向应力状态下的流体通过立方体煤样的渗流特征，可实现不同三轴围压状态下的一维、二维、三维渗透率测定或渗流机理试。

煤岩渗透率的水平主应力敏感性存在差异，水平最大主应力对煤样渗透性的影响较大，而水平最小主应力的影响相对较小。

煤岩的三维渗透率随应力的增大具有先“陡”后“缓”的特征。

三向应力对三维渗透率的影响强弱顺序为垂直应力>水平最大主应力>水平最小主应力。

参考文献：

[1] 祝捷，姜耀东，孟磊，等.载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究[J].煤炭学报.2012（06）：984-988.

[2] 王广荣，薛东杰，郜海莲，等.煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究[J].煤炭学报.2012（01）：107-112.

[3] 于永江，张华，张春会，等.温度及应力对成型煤样渗透性的影响[J].煤炭学报.2013（06）：936-941.

[4] 陶云奇，许江，程明俊，等.含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究[J].岩石力学与工程学报.2009（S2）：3363-3370.

[5] 王广荣，薛东杰，郜海莲，等.煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究[J].煤炭学报.2012（01）：107-112.

[6] 蒋长宝，黄滚，黄启翔.含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及渗透率演化规律实验[J].煤炭学报.2011（12）：2039-2042.

[7] 张东明，胡千庭，袁地镜.成型煤样瓦斯渗流的实验研究[J].煤炭学报.2011（02）：288-292.

[8] 尹光志，王登科，张东明，等.两种含瓦斯煤样变形特性与抗压强度的实验分析[J].岩石力学与工程学报.2009（02）：410-417.

[9] 朱万成，杨天鸿，霍中刚，等.基于数字图像处理技术的煤层瓦斯渗流过程数值模拟[J].煤炭学报.2009（01）：18-23.

[10] 孙可明，潘一山，梁冰.流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟[J].岩石力学与工程学报.2007（05）：994-1001.

[11] 祝捷，姜耀东，孟磊，等.载荷作用下煤体变形与渗透性的相关性研究[J].煤炭学报.2012（06）：984-988.