曹明亮，邓泽，康永尚，李忠城，张兵，秦绍锋，邓志宇，郭明强

1)中联煤层气有限责任公司，北京，100016；2)中国石油天然气集团有限公司非常规油气重点实验室，河北廊坊，065000；3)中国石油大学(北京)地球科学学院，北京，102249

内容提要：为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律，利用煤岩三轴应力应变(基质收缩膨胀)测试系统，对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变，改变气体平衡压力，模拟开发过程中储层压力变化特征，测试其动态渗透率。利用实验结果，分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征，并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中，在有效应力和基质收缩双重效应作用下，褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52，气煤样依次为1.00、0.64、0.50、0.54和0.55，无烟煤样依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。随气体平衡压力下降，中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升，整体呈不对称“V”型变化规律，但拐点略有不同；低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势，整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下，中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。

在煤层气井排采中后期，煤储层渗透率一方面受有效应力负效应的影响，随着排采进行而降低(全方凯等，2012；刘皓，2017；于文龙，2018；侯世辉，2018)；另一方面受基质收缩正效应的影响，随着排采进行而升高(张松航等，2012；裴柏林等，2017)。二者耦合作用使得煤储层渗透率在排采过程中呈现动态变化特征(陈亚西，2016)。因此，认识不同煤阶煤岩在开发过程中渗透率动态变化规律，对比分析不同煤阶煤岩动态渗透率改善效果的差异性，可为煤层气排采工作制度优化提供理论依据。国内外学者对排采过程中煤岩渗透率动态演化进行过一些研究(Seidle，1992；Enever et al.，1997；Gray，1987；Levine, 1996；邓泽等，2009；孟艳军等，2015；袁梅等，2018；孟雅，2018)。例如，傅雪海(2001)采用现代测试方法与理论，厘定了多相介质煤岩体的吸附/解吸、扩散与渗流特征，并构建相关数学模型，首次对渗透率与主控因素之间关系进行了系统地耦合分析。秦勇等(2005)提出煤储层弹性自调节作用的概念及其成藏效应，建立起煤储层在有效应力—吸附—解吸条件下产生弹性体积变形的模式。汪吉林等(2012)计算并分析了有效应力、煤基质收缩、气体滑脱效应等因素对渗透率的影响及其叠加作用的表现。综上所诉，前人对煤岩动态渗透率及变形特征的认识取得了丰硕的成果，但在三轴应力状态下，不同煤阶煤样在双重效应作用下动态渗透率响应特征尚需进一步研究。为进一步深化认识，笔者选取3个地区不同煤阶煤样开展物理模拟实验，揭示不同煤阶煤岩在有效应力与基质收缩双重效应影响下渗透率变化特征，并对比分析不同煤阶煤岩渗透率改善效果的差异性。

1 样品及实验方法

1.1 煤样及其制备

煤样采自二连盆地白音华矿区下白垩统以及鄂尔多斯盆地东部兴县矿区石炭系煤层、沁水盆地南部阳城矿区石炭二叠系煤层，分别为褐煤、气煤和无烟煤，代表低阶、中阶、高阶煤样品(表1)。

表1 实验煤样基本信息

根据国际岩石力学学会(ISRM)建议的三轴压缩实验方法制备实验煤柱样。利用岩石切割机垂直层理面钻取长度为50 mm、直径为25 mm(公差小于0.5 mm)的标准圆柱体。每个大样各钻取若干柱体样，对煤柱样两端进行抛光处理，以保证两端平滑、彼此平行且垂直于圆柱的轴线(公差小于0.02 mm)(图1)。

图1 不同煤阶实验煤样:(a)白音华矿区煤样；(b)兴县矿区煤样；(c)阳城矿区煤样

白音华煤样宏观煤岩成分以暗煤、丝炭为主，宏观煤岩类型为半暗型，煤体结构为碎裂结构，煤体构造为层状构造，外生裂隙基本不发育，无裂隙充填物；兴县煤样宏观煤岩成分以暗煤、亮煤为主，夹有镜煤条带，宏观煤岩类型为半光亮型，煤体结构为原生结构，煤体构造为层状构造，外生裂隙基本不发育，无裂隙充填物；阳城煤样宏观煤岩成分以暗煤、丝炭为主，宏观煤岩类型为半暗型，煤体结构为碎裂结构，煤体构造为层状构造，外生裂隙极其发育，密度20～30条/5 cm。

1.2 模拟实验方案与流程

模拟实验方案见表2。轴压(垂向应力)和围压(侧应力)固定不变，轴压设计为9 MPa，围压设计为8 MPa，以模拟煤岩所处的三轴应力状态。气体平衡压力(煤样吸附时的稳定气压)分别设计为1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa和5 MPa，实验气体为甲烷，以模拟煤层气解吸过程中的基质收缩效应。根据有效应力计算公式(式1)(曹明亮等，2021)，得到有效应力分别为7.33 MPa、6.33 MPa、5.33 MPa、4.33 MPa和3.33 MPa，考虑有效应力效应。

表2 有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验方案

(1)

式中：σe为有效应力，MPa；σ1为轴压，MPa；σ3为围压，MPa；P为孔隙压力，MPa。

通过以上实验设计，可实现有效应力负效应及基质收缩正效应对煤样渗透率动态变化的耦合作用。共完成3×5个实验样点，对每个实验样点测试其对应的渗透率。由于煤岩吸附与解吸具有可逆性(彭守建等，2012)，从气体平衡压力自5 MPa降至1 MPa这一角度研究，可模拟浅部煤层气排采过程，分析煤储层渗透率随储层压力降低的动态变化特征。

物理模拟实验流程如下：

(1)实验前对实验煤样进行拍照及宏观煤岩描述，包括宏观煤岩成分、宏观煤岩类型、煤体结构及构造、裂隙发育情况。

(2)使用塑胶管将试样进行塑封并固定在岩心夹持器上，安装轴向位移传感器和径向位移传感器，然后将样品放入压力室，并用密封圈紧固，最后对传感器校准调零并完成上样。

(3)轴压加载速率保持在0.02 MPa/s，围压加载速率同样保持在0.02 MPa/s，采用交替加压方式加载至实验设计方案的初始压力点，加载过程中始终保持轴压大于围压。

(4)按照实验设计向气体入口及出口同时通甲烷气体，使煤样充分吸附12 h以上，在吸附膨胀应变量基本不再增加后，采用“脉冲法”测试实验煤样的渗透率。

(5)依次加载到下一压力点，并重复步骤4，直至完成某一恒定有效应力下的所有5个测试点。

1.3 实验装置及渗透率测试

采用中国石油勘探开发研究院LFLab-Ι煤岩三轴应力应变(基质收缩膨胀)测试系统(图2)。该装置主要由气源、应力加载系统、应变测量系统、气压监测系统及数据采集系统等单元组成；最大限制轴压为400 MPa，精度1×10-3MPa；最大限制围压为30 MPa，精度1×10-3MPa；最大限制气体压力7 MPa，精度1×10-6MPa；最大限制试样长度为50 mm，尺寸精度为0.1 mm；时间精度为1×10-6h。

图2 LFLab-I煤岩三轴应力应变测试系统：(a)实验装置示意图；(b)实验设备

气源①是管路气源，通过两个阀门实现甲烷气体及氦气的分别供应。气体增压泵②的作用是通过缩小气体储存空间增大气体压力，满足实验要求。入口气压传感器③和出口气压传感器④可实时记录入口气压及出口气压值，根据出入口气压随时间变化值，利用“脉冲法”计算煤样渗透率。热缩管起到封闭煤样防止渗油及固定煤样的作用。

脉冲渗透率计算参考SY/T 5336-2006《岩心分析方法》第6.8节的D.6.8.4，计算公式如下：

(2)

其中：

(3)

(4)

f1=EXP(A0)

(5)

以兴县煤样气体平衡压力为1 MPa时数据为例，展示脉冲渗透率原始测试数据及数据处理过程(即A0和A1求取过程)。图3a为兴县煤样在气体平衡压力1 MPa时脉冲渗透率原始测试数据，即渗透率测试时入口气压和出口气压随时间变化曲线。图3b为入口压力与出口压力差随时间变化曲线，压力差接近于零时表明出入口气体压力达到平衡。然后经过数据处理得到图3c，求得式3所需的A0(-0.0119)和A1(-0.4714)，最后利用式(2)—式(5)计算出动态渗透率。

图3 脉冲渗透率原始测试数据及数据解释

2 实验结果及分析

模拟实验渗透率测试结果见表3。白音华煤样外生裂隙发育不明显，煤体结构为原生—碎裂结构，兴县煤样外生裂隙不发育，煤体结构为原生结构，阳城煤样外生裂隙发育明显，密度为20～30条/5 cm，煤体结构为碎裂结构。故在气体平衡压力1 MPa时，阳城煤样测试渗透率相对较高，而兴县煤样测试渗透率较低。为方便描述渗透率改善特征，在表3中列出了经简单处理后的归一化渗透率，归一化渗透率是指某一加载压力下的渗透率与最后压力点渗透率的比值。

表3 煤样有效应力及基质收缩双重效应物理模拟实验结果

气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中，白音华煤样归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52，兴县煤样归一化渗透率依次为1.00、0.64、0.50、0.54和0.55，阳城煤样归一化渗透率依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。

就白音华煤样来看，气体平衡压力下降至4～3 MPa时，渗透率快速降低，之后随气体平衡压力继续降低，渗透率不再继续下降，基本稳定在一定水平，整体呈斜“L”型变化规律(图4)。

图4 白音华煤样动态渗透率曲线:(a)测试渗透率；(b)归一化渗透率

对于兴县煤样，随气体平衡压力降低，煤样渗透率经历了先降低后略微增加的过程，整体呈不对称“V”型变化趋势，渗透率从降低转为增加的拐点为3 MPa。与白音华低阶煤样实验结果不同，兴县中阶煤样渗透率在较低气体平衡压力阶段出现明显的反弹趋势(图5)。

图5 兴县煤样动态渗透率曲线:(a)测试渗透率；(b)归一化渗透率

阳城煤样与兴县煤样相似，随气体平衡压力下降，渗透率出现先降低后增加的趋势，整体呈不对称“V”型变化规律，但渗透率从降低转为增加的拐点为2 MPa(图6)。

图6 阳城煤样动态渗透率曲线:(a)测试渗透率；(b)归一化渗透率

实验证明，在高气体平衡压力阶段，煤岩应力敏感性较强，随气体平衡压力下降，煤岩应力敏感性逐渐减弱(孟召平等，2013)，同时，在基质收缩效应单因素影响下，随气体平衡压力降低，低、中及高煤阶煤样渗透率均呈指数函数式增加(曹明亮等，2021)。所以，煤样渗透率动态曲线出现上述“拐点”，主要在于气体平衡压力降低至“拐点”之前，有效应力对渗透率影响的负效应占据主导作用，煤样渗透率出现大幅度下降。之后，基质收缩正效应基本上相当于甚至大于有效应力负效应，渗透率逐渐稳定或反弹增长。这一变化趋势与前人利用P & M模型预测动态渗透率结果有很高的一致性(邓泽等，2009)。

3 不同煤阶煤样渗透率改善效果对比分析

由图7可见，随气体平衡压力下降(即模拟排采过程)，中阶和高阶煤样动态渗透率呈先下降后上升趋势，整体呈不对称“V”型变化规律，动态渗透率显示出明显的反弹现象。与此不同，低阶煤样动态渗透率随气体平衡压力下降，呈先下降后基本稳定的趋势，整体呈斜“L”型规律变化。

图7 不同煤阶煤样动态渗透率对比:(a)测试渗透率；(b)归一化渗透率

仅就实验煤样而言，中阶及高阶煤样在气体平衡压力变化过程中动态渗透率改善效果好于低阶煤样。

一方面，低、中、高阶煤样弹性模量分别为1.1284 GPa、3.8024 GPa、4.3201 GPa，随煤阶升高，弹性模量增大，这与前人认识一致。煤岩弹性模量越大，其抵抗有效应力负效应的能力越强，渗透率损害越小，故中阶及高阶煤样在后期叠加基质收缩正效应的作用下，渗透率出现明显反弹现象。而低阶煤样抵抗有效应力负效应的能力较弱，故后期基质收缩正效应基本上相当于有效应力负效应，渗透率基本稳定在一定程度。另一方面，由于不同煤阶煤岩吸附性能存在差异，中阶及高阶煤吸附能力强于低阶煤(孟雅，2018)。同时，根据实验结果，整个实验过程中低阶煤累计体积应变量为0.0985%，中阶煤累计体积应变量为0.3139%，高阶煤累计体积应变量为0.5868%。中阶及高阶煤基质收缩引起的体积应变量较大，割理及裂隙拉张程度更高，导致中、高阶煤渗透率改善程度较好。

另外，中阶及高阶煤样渗透率从降低转为增加的“拐点”略有不同，高阶煤样“拐点”出现较晚。这是由于阳城高阶煤样外生裂隙发育明显，密度为20～30条/5 cm，煤体结构碎裂，更易受有效应力负效应的影响，有效应力负效应主导时间较长。

4 结论

(1)气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中，在有效应力和基质收缩双重耦合效应作用下，褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52；气煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.64、0.50、0.54和0.55；无烟煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。

(2)随气体平衡压力下降，中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升，整体呈不对称“V”型变化规律，但拐点略有不同；低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势，整体呈斜“L”型变化规律。

(3)在有效应力和基质收缩双重效应作用下，中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样，基质收缩效应引起的正效应相对较强。