赵宇张玉贵岳高伟周俊义

(1.河南理工大学土木工程学院，河南454000;2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南454000)

煤层渗透性各向异性规律的实验研究

赵宇1张玉贵2岳高伟1周俊义2

(1.河南理工大学土木工程学院，河南454000;2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南454000)

煤储层具有明显的层理特征，而层理间割理裂隙破坏了煤体的连续性和整体性，从而导致煤层渗透率各向异性。针对这一特征，沿垂直煤层层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理三个正交方向取芯，采用自主研发的煤岩三轴吸附解吸渗流试验系统，在不同围压和气体压力下，对煤样的面割理、端割理、垂直层理方向上的渗透率进行测试分析，结果表明:不同气体压力下，无论是割理方向还是垂直层理方向上渗透率均随着围压增大而减小。在气体压力较低时，面割理方向的渗透率较大，气体压力对端割理方向和垂直层理方向渗透率影响不大。

渗透性 各向异性 煤储层 层理 割理

煤储层渗透率不仅是反映煤层瓦斯渗流特性及运移规律的重要物性参数，也是煤层气开采、井下瓦斯抽放等重大工程中经常用到的重要参数之一。国内外学者从考虑孔裂隙发育规律、有效应力、温度、水、吸附膨胀等因素对渗透率影响方面进行了大量的理论和实验研究。近年来，随着煤层瓦斯抽采力度不断增大，煤层各项异性导致瓦斯渗透率方向性差异日益得到重视。Koenig和Stubbs(1986)对美国Warrior盆地煤层的渗透率测试表明，不同割理方向渗透率比高达17∶1;WANG Shugang (2011)，Huoyin Li(2004)等在不同层理、节理条件下进行渗透试验，指出层理、节理构造对渗透和变形均有重要影响。国内学者黄学满(2012)基于煤结构异性对瓦斯渗透特性的影响，分析了煤体中不同层理方向对瓦斯渗透影响的差异性;陈金刚等(2003)就煤层割理方向性与煤层抽采效果之间耦合关系进行了现场试验，建立了煤层气抽采效果预测模型。

虽然前人对煤层渗透率研究取得了一定有益成果，但主要集中于对煤层渗透率影响因素的研究，对于渗透率各向异性的研究相对较少，部分渗透率各向异性的研究也仅仅局限于平行和垂直层理两个方向，而对于煤层在三轴作用下渗透率的差异性研究还并不多见。基于此，本文利用平煤八矿煤样，采用自主研发的煤岩三轴渗流特性试验系统，测试煤体在不同围压和瓦斯压力下，吸附气体后煤样的面割理、端割理、垂直层理方向上的渗透率，对比分析煤体渗透率各向异性差异。

1实验研究

1.1实验装置及煤样制备

实验采用河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室煤岩三轴渗流特性试验系统(见图1)，该系统可以测试不同煤岩类型煤样，在三轴压力和不同孔隙压力下的吸附、解吸、渗流以及变形、声学、电学等物性特征。该试验系统主要由煤样夹持器、应力加载系统、充气系统、真空脱气系统、温度控制系统及数据采集系统组成。

实验煤样取自平煤八矿丁5－6煤层，煤种为1/3焦煤。丁5－6煤层位于下石盒子组上部五煤段下部，煤层厚0.31～3.84m，平均煤层厚度为1.75m。该煤层大部分可采稳定。煤体中层理面明显，且存在正交的天然裂隙，连续性较弱的端割理的发育受限于连续性较强的面割理。考虑到煤样制备过程中，成功率偏低，所以井下采集煤样重点挑选边长不小于200mm的原煤煤块，实验取样利用KD－2新型岩芯钻取机，按图2中的X、Y、Z三个方向上取芯，X方向是平行层理沿面割理方向、Y方向是平行层理沿端割理方向、Z方向为垂直层理方向，取芯后用切割机将上下端面打磨光滑、平行，煤样试件50mm×100mm，图3所示。

图1 煤岩三轴渗流特性试验系统

图2 煤体结构示意图及取样方向

图3 钻取试验煤样

1.2实验方法

实验过程按照《岩心分析方法(SY/T 5336—2006)》中的相关要求进行，基于实验安全性的考虑，实验室禁止进行甲烷渗流实验，本实验采用氮气作为渗透介质。研究表明，煤层对氮气的吸附能力低于甲烷气体，因此用氮气测得的煤岩渗透率要较甲烷测得渗透率稍高。

实验按照以下步骤进行:(1)将钻取好的煤样及时放置于温度为80℃的干燥箱内烘烤，使试件中的水分与原煤水分相当。(2)将密封保存的试样装入煤样夹持器中，进行密封处理。(3)真空脱气12h以上，排除其他气体对试验造成的影响。(4)调节恒温装置，使整个试验过程处于20℃的恒温环境中。(5)采用应力加载系统对煤样加载至设定轴压和围压。(6)对煤样通入实验气体，待吸附压力2小时之内变化小于0.01MPa，即认为气体达到吸附平衡。(7)打开煤样气体出口端，直至气体渗流达到稳定状态，测定瓦斯渗透量。(8)更换其他煤样，从步骤1开始重复以上步骤，直至完成所有煤样的试验。

2煤层各向异性渗透率测试结果及分析

实验采用达西稳定流方法测定煤样的渗透率，分别测定煤样在不同吸附气体压力条件下稳态时的气体流量，根据气体通过煤样的流量和煤样进出口两端的渗透压力差等参数计算煤样的平均渗透率k，其表达式为:

式中，Q为标准状况下的气体渗流量，cm3/s;p0为一个标准大气压，Pa;μ为瓦斯气体动力粘度，Pa.s;L为煤样试件长度，cm;p1，p2分别为煤样渗透气体进口、出口压力，Pa;A为煤样试件横截面积，cm2。

不同气体压力下的测试结果如图4a、b、c。可以看出，不同气体压力下，无论是割理方向还是垂直层理方向上渗透率均随着围压增大而减小。对于面割理方向的渗透率，在气体压力较低(0.5MPa)时，渗透率较大，且随围压增大迅速减小，而气体压力较大(1.0MPa、1.5MPa)时，渗透率较小，且变化不大;对于端割理方向的渗透率，气体压力较小(0.5MPa、1.0MPa)时，渗透率差别较小，而气体压力较大(1.5MPa)时，渗透率较小;对于垂直层理方向的渗透率，气体压力影响不大。

不同方向上渗透率的变化规律如图5所示，在同一气体压力下，煤层割理方向上的渗透率均比垂直层理方向上渗透率大，尤其是面割理方向上渗透率比端割理方向、垂直层理方向渗透率大得多，在气体压力较低时尤为明显(图5a)，但气体压力较大时(图5b、c)，虽然面割理方向渗透率变小，但相对端割理方向、垂直层理方向渗透率依然较大，只是差别降低。

图4 气体压力对煤体不同方向渗透率影响

若用k1、k2和k3分别表示面割理方向渗透率、端割理方向渗透率和垂直层理方向渗透率，将面割理方向渗透率k1、端割理方向渗透率k2分别与垂直层理方向渗透率k3对比分析见图6。可以看出，在气体压力较低时(0.5MPa)，面割理方向渗透率k1约为垂直层理方向渗透率k3的11倍，而当气体压力变大时(1.0MPa、1.5MPa)，面割理方向渗透率k1仍为垂直层理方向渗透率k3的2.6～3.5倍。端割理方向渗透率k2与垂直层理方向渗透率k3的比值受瓦斯压力影响不大，其比值为1.4～2.0。

图5 不同方向煤样渗透率变化规律

3结论

(1)不同气体压力下，无论是割理方向还是垂直层理方向上渗透率均随着围压增大而减小。

(2)在气体压力较低时，面割理方向的渗透率较大，且随围压增大迅速减小，而气体压力较大时，随气压增大，渗透率变化不大。气体压力较小时，端割理方向的渗透率差别较小;气体压力对垂直层理方向的渗透率影响不大。

图6 不同方向煤样渗透率对比

(3)在同一气体压力下，煤层面割理方向上的渗透率均比端割理方向、垂直层理方向渗透率大得多，在气体压力较低时尤为明显，面割理方向渗透率约为垂直层理方向渗透率的11倍。当气体压力变大时，面割理方向渗透率为垂直层理方向渗透率的2.6～3.5倍。端割理方向渗透率为垂直层理方向渗透率为1.4～2.0倍。

(4)由于实验测得平行层理垂直面割理方向渗透率明显高于平行层理垂直端割理方向和垂直层理方向，故井下瓦斯抽采最好沿平行层理垂直面割理方向布置钻孔。

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(责任编辑王一然)

Experimental Study on Anisotropic Permeability of Coal Seam

ZHAO Yu1，ZHNAG Yugui2，YUE Gaowei，ZHOU Junyi2
(1．School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000; 2．College of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000)

The coal permeability is the key parameter to study reservoir percolation characteristics，but coal seam has obvious characteristics of the bedding，and between the beddings the fractures destroy the coal body continuity and integrity，which leads to the characteristics of coal seam permeability anisotropy．According to the characteristics of reservoir，new core drillingmachine of KD-2 is used to core coal samples in three vertical directions of coal body in this paper，and the gas permeability，which is face cleats，butt cleats and vertical bedding direction of raw coal specimens，ismeasured under different gas pressure by coal and rock permeability testing system．The results show that under the same gas pressure，the gas permeability，not only cleat direction but vertical bedding direction，decreaseswith confining pressure increasing．When the gas pressure is lower，the permeability of face cleats is larger，but the gas pressure has little effect for the permeability in butt cleats and vertical bedding direction．

Permeability;anisotropy;coal seam;bedding;cleat

国家科技重大专项资助项目“全国重点煤矿区瓦斯(煤层气)赋存规律和控制因素”(2011ZX05040－005)和河南省高等学校重点科研项目“受载含瓦斯煤体各向异性渗透特性试验研究”(15A440013)联合资助。

赵宇，男，讲师，博士研究生，从事煤层气储层渗透性研究工作。