鄂尔多斯盆地低阶煤孔隙瓦斯微观渗流特征_章飞.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 鄂尔多斯盆地低阶煤孔隙瓦斯微观渗流特征 章飞 1,2， 张 攀 3 （1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 3.贵州省毕节市能源局， 贵州 毕节 551700） 摘要 为了获取煤体真实微观孔隙结构， 揭示孔隙系统中瓦斯的微观渗流特性， 针对鄂尔多斯 盆地低阶煤进行了 X-ray μCT 扫描实验， 重构并表征了微观孔隙空间结构， 对孔隙连通团进行 了逆向优化和数值建模， 开展了瓦斯微观渗流数值模拟， 探讨了瓦斯微观渗流特性。结果表明 煤微观孔隙结构存在很强的非均质性， 形状接近球形； 孔隙形状因子与等效直径之间具有指数 关系； 羊场湾褐煤内部发育有大的微裂隙， 而斜沟气煤内部微裂隙数量少， 局部存在多个孔隙 团； 渗流孔隙大小并不是决定瓦斯渗流性能的唯一因素， 更多依赖于其连通性； 瓦斯压力在同一 孔隙的非均匀性体现出渗流对方向的选择性。 关键词 低阶煤； 微观孔隙； 煤层气； 数值模拟； 微观渗流 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0017-06 Characteristics of Methane Micro-seepage in Low-rank Coal Pores of Ordos Basin ZHANG Fei1,2, ZHANG Pan3 （1.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China; 3.Bijie Energy Administration, Bijie 551700, China） Abstract In order to obtain the true micro-pore structure of the coal seams and reveal the micro-seepage characteristics of methane in the pore system, X-ray μCT scanning experiment was carried out for low-rank coal in Ordos Basin. The micro-pore space structure was reconstructed and characterized. The connected pores were reversely optimized and numerically modeled. Numerical simulation of methane micro-seepage was used to explore its characteristics. The results show that the micro-pore structure of coal has strong heterogeneity, and its shape is close to spherical. There is an exponential relationship between the pore shape factor and the equivalent diameter. There are large micro-fissures in Yangchangwan Mine brown coal, while the number of micro-fissures in Xiegou Mine gas coal is small, and there are multiple pore groups in the local area. Seepage pore size is not the only factor that determines the seepage perance of methane, but more depends on its connectivity. The non-uniity of methane pressure in the same pore reflects the selective direction of seepage flow. Key words low-rank coal; micro-pore; coalbed methane; numerical simulation; micro-seepage DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.004 章飞， 张攀.鄂尔多斯盆地低阶煤孔隙瓦斯微观渗流特征 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 17- 22， 27. ZHANG Fei, ZHANG Pan. Characteristics of Methane Micro-seepage in Low-rank Coal Pores of Ordos Basin ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 17-22, 27.移动扫码阅读 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2018YFC0808001） 鄂尔多斯盆地低阶煤层气在相继形成商业化开 采规模后， 成为我国煤层气开采的主要接替领域[1]。 但我国低煤阶煤层地质情况复杂，大都经历过不同 期次和性质的构造变化，导致煤层气藏有极强的特 殊性， 具有大埋深 （＞500 m） 、 低渗透 （＜510-15m2） 、 低吸附 （饱和度在 40～80） 等特点[2]。煤作为多孔 介质材料，其孔隙结构特征决定了其物理性质， 进 而使煤层气在不同煤层构造中呈现不同的赋存状态 和流动特性[3]。随着高分辨率无损在线检测技术的 发展，不仅能够实现煤微观孔隙结构可视化，还能 17 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 1煤样显微组分及工业分析 Table 1Micro-components and industrial analysis of coal samples 编号煤级 镜质组反 射率/ 矿物 含量/ 孔隙率 / 挥发分 / 固定碳 / YCW XG 褐煤 气煤 0.73 0.90 1.65 3.93 16.31 4.20 31.70 23.92 45.80 5.74 图 1阈值模型拟合曲线 Fig.1Fitting curves of threshold model 对其结构参数进行定量分析，对不同地质条件下煤 层气的赋存、产气和控气机理作深入探索，成为目 前的研究热点[4-5]。 X-ray CT 技术基于被检测样品的 断层扫描图像，利用内置成像算法清晰重构出被测 样品的内部结构，在实现无损检测的同时具备超高 的分辨率以及三维数字化等优点，被广泛应用于煤 微观结构探测领域[6-12]。 针对鄂尔多斯盆地低阶煤进 行 X-ray μCT 扫描实验， 基于建立的阈值模型表征 煤微观孔隙空间结构，并开展瓦斯微观渗流数值模 拟，探讨煤微观孔隙结构对瓦斯渗流的影响。从微 观角度揭示煤层气渗流机制，有助于更清晰的了解 煤层气储层特性，对指导复杂地质条件下煤层气开 发具有重要理论意义。 1X-ray μCT 扫描实验 实验煤样分别为鄂尔多斯盆地西缘羊场湾矿褐 煤 （YCW） 和鄂尔多斯盆地东缘斜沟矿气煤 （XG） 。 实 验所用煤样均采用金相砂纸打磨成约 5 mm5 mm 10 mm 的长方体。同时根据 GB/T 155882001 和 GB/T 69481996 测定煤样的显微成分和镜质组反 射率，实验仪器为 Zeiss MY5000A 型煤岩显微分光 光度计；依据国家标准 GB/T 2122008，采用 SD－ LA618 型工业分析仪对样品进行分析；依据霍多特 孔隙分类方法[13]， 通过压汞实验测试煤样渗流孔 （＞ 100 nm） 孔容占比， 如无特殊说明， 文中孔隙率都指 渗流孔孔隙率， 煤样显微组分及工业分析见表 1。 采用 Nano Voxel-3000 系列高分辨率 X 射线计 算机断层扫描仪进行煤微观孔隙三维重构和分析。 实验中测试电压为 120 kV，测试电流为 50 μA， 曝 光时间 1 000 ms， 模式为局部扫描， 分辨率 0.5 μm， 扫描时间 52 min。 2煤微观孔隙三维重构 2.1图像处理 目前采用 X-ray μCT 技术获得的数字煤岩灰 度图都存在像素噪声，会严重降低重建质量，采用 中值滤波算法[6]对 CT 图像进行降噪处理。基于孔隙 度反演法建立孔裂隙、矿物质和煤基质的灰度阈值 模型。 在 CT 重建基础上编制 Matlab 程序， 对不同孔 隙度及矿物含量对应的灰度阈值进行计算，阈值模 型拟合曲线如图 1。 灰度值在 1～Tmp范围内表示孔隙， Tmp～Tmm范围 内表示煤有机基质， Tmm～65 535 范围内表示矿物。 拟 合发现各成分占比阈值模型 Φ （Tm） 符合 BiDoseResp 增长型函数 Φ （Tm） Φ1 （Φ2-Φ1） ω 110 （γ1-Tm）ζ1 1-ω 110 （γ1-Tm）ζ2［］ （1 ） 式中 Φ1、 Φ2为函数极小和极大值， 分别取 0 和 1； ζ1、 ζ2为增长模型 2 个阶段的增长指数， 表示增长 模型 2 个阶段的线性增长速率； ω 为增长模型发生 转变前后的权重； γ1、 γ2为增长模型 2 个阶段的状态 参数。 基于建立的阈值模型，结合表 1 给出的样品实 验数据，确定最佳孔隙度和矿物含量阈值 Tmp和 Tmm， 阈值模型拟合结果见表 2。 18 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 4煤微观孔隙等效直径分布规律 Fig.4Distribution of coal micro-pore equivalent diameter 表 2阈值模型拟合结果 Table 2Fitting results of threshold model 编号拟合优度 Tmp/HUTmm/HU 压汞孔 隙率/ 重建孔 隙率/ 误差/ YCW XG 0.99 0.99 2 059.79 6 975.89 2 516.77 7 985.60 16.31 4.20 16.36 4.22 0.31 0.48 图 2煤微观孔隙结构重建结果 Fig.2Results of coal micro-pore structure reconstruction 图 3REV 逐层孔隙率分析 Fig.3REV layer-by-layer porosity analysis 2.2重建结果 在地球物理学中， 代表性体积单元 （REV） 可以 很好的与物质的宏观性质契合。REV 边长为 200 pixel， 物理尺寸为 20 μm。通过 AVIZO 软件重建结 果像素分辨率精确至 0.1 μm。 煤微观孔隙结构重建 结果如图 2， 其中黑色表示孔隙， 白色表示矿物， 灰 色表示煤基质。可以看出煤微观结构在该尺度下存 在很强的非均质特征。 YCW 褐煤内部发育有体积较 大的微裂隙， 周围分散有体积较小的孔隙。XG 气煤 内部微裂隙数量较少，孔隙数量多，局部存在多个 孔隙聚集而成的孔隙团。 3煤微观孔隙空间结构表征 3.1逐层孔隙率 为了准确表达和定量分析 REV 单元内部孔隙 结构，沿 z 轴方向每隔 1 pixel 对孔隙结构进行 xy 切片操作， 然后从下至上逐层分析孔隙率。REV 逐 层孔隙率分析如图 3， YCW 褐煤 REV 单元内孔隙 率曲线为先升高后降低的趋势，最大峰值位于距离 15 μm 处，该处切片中虽不存在明显的孔隙连通现 象， 但孤立孔隙数量多。 XG 气煤 REV 单元内各切片 孔隙率均稳定在 4.2左右， 波动幅度小， 切片左下 角均存在微裂隙。 3.2孔隙等效直径 煤体微观孔隙具有极其不规则的空间形状， 为 了定量分析孔隙结构，采用 Label Analysis 模块对 REV 单元内所有孔隙空间结构参数进行定量统计 和分析。煤微观孔隙等效直径分布规律如图 4。 19 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 可以看出，煤微观孔隙等效直径占比随直径的 增加呈负指数逐渐减小，累积占比呈对数增加。 YCW 煤样等效直径 0.10～0.15 μm 的孔隙占 40以 上， 平均值为 0.176 3 μm。XG 煤样中， 0.15～0.2 μm 孔隙占比升高至 35左右， 而 0.10～0.15 μm 孔隙则 低于 40， 平均等效直径为 0.181 0 μm， 相比 YCW 煤样有所升高。 3.3孔隙形状因子 微观孔隙形状极其不规则，引入形状因子来考 察孔隙形状的这种不规则程度。形状因子是三维结 构球度的 1 个度量指标， 定义为 η sp 3 36πvp 3 （2） 式中 η 为孔隙形状因子； νp为孔隙体积， μm3； sp为孔隙表面积， μm2。 YCW 褐煤微观孔隙形状因子均值为 0.635 5， XG 气煤为 0.700 5，可见低阶煤微观孔隙空间结构 接近球形。 对 REV 单元内孔隙形状因子与等效直径 进行拟合， 煤微观孔隙形状因子 η 与等效直径 dp的 关系如图 5。 通过拟合分析发现， 二者具有如下指数关系 η-η0 ζe dp -γ （3） 式中 η0为常数； dp为孔隙等效直径， μm； ζ 为 指数因子； γ 为等效直径松弛度， 。 指数因子 ζ 和等效直径松弛度 γ 可以反映出孤 立孔隙形状因子对等效直径的敏感度。 4煤孔隙瓦斯微观渗流数值模拟 4.1网格划分及边界条件 提取 REV 单元内最大连通孔隙团空间模型进 行瓦斯微观渗流数值模拟， 采用 Geomagic 和 ANSYS ICEM 软件对孔隙团重构模型进行逆向优化和网格 划分， 单元尺寸选择 5 μm5 μm5 μm。在煤微观 孔隙系统中瓦斯渗流符合不可压缩流体的 N-S 方 程[12]。压差分别设置为 0.1～0.6 MPa， 对应压力梯度 为 21010～2101010Pa/m。密度设为 0.717 kg/m3， 动 力黏度设为 1.150 210-5Pa s， 温度为 293 K。所有 出口设置为压力出口， 压力为 0.1 MPa， 入口设置为 压力入口边界条件，其他单元外壁面为自由滑移壁 面， 孔隙内壁面设置为无滑移壁面。采用组合 ILU预 处理技术与广义最小残差算法 GMRES 稳态求解器。 4.2煤孔隙瓦斯微观扩散-渗流机制 当入口压力为 1.2 MPa 时，对应的压力梯度为 221010Pa/m，此时各样品 REV 单元孔隙压力分布 如图 6。 REV 单元瓦斯渗流流线分布如图 7。 分析发 现， 孔隙压力在入口最大， 沿着渗流方向逐渐降低， 但这个过程在不同样品中并非遵循严格的线性或非 线性函数规律，在同一孔隙系统的不同位置处也呈 现出更多的复杂性，如 YCW 褐煤中，孔隙压力在 REV 的-y 表面侧降低慢， 而在y 侧降低快， 相比较 而言， XG 气煤降低幅度较大。 这是因为虽然 REV 内 部孔隙之间相互连通， 但孔隙和吼道尺寸差别较大， 孔隙的配位数和各向异性会导致瓦斯优先渗流通道 的存在， 即瓦斯优先通过连通性好、 尺寸相对较大的 孔隙和吼道。 为了通过 REV 剖面揭示瓦斯微观渗流性质， 每 隔 0.5 μm 提取垂直于渗流方向的截面数据，其中 x2 μm 截面孔隙压力分布情况如图 8。可以看出， 虽然 REV 单元整体上呈现连通状态， 但这并不意味 着所有孔隙都能贯通整个渗流方向。瓦斯压力在同 一孔隙的非均匀体现出其渗流过程对方向的选择 性，会出现瓦斯在一些局部孔隙内不流通的现象， 即 “死端孔” 。在微观尺度上， 渗流孔隙的大小并不 是决定其瓦斯渗流性能的唯一因素，煤体的这一性 图 5煤微观孔隙形状因子与等效直径的关系 Fig.5Relationship between shape factor and equivalent diameter of coal micro-pores 20 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 6REV 单元孔隙压力分布 Fig.6Pore pressure distributionin REV units 图 10孔隙压力随渗透距离的变化 Fig.10Changes in pore pressure with penetration distance 图 9x2 μm 截面瓦斯渗流速度分布 Fig.9Cross-sectional velocity distribution at x2 μm 图 7REV 单元瓦斯渗流流线分布 Fig.7Distribution of seepage streamlines in REV units 图 8x2 μm 截面孔隙压力分布 Fig.8Cross-sectional pore pressure distribution at x2 μm 能更多依赖于孔隙的连通性。 x2 μm 处截面瓦斯渗流速度分布如图 9。图中 流速较高的区域是各孔隙的连通区域，也是各瓦斯 支流的汇集区，由各分支汇聚导致的流量增加是主 要原因。而吼道半径的骤然减小也是其原因之一。 为对 REV 单元孔隙压力变化规律做整体分析， 计算每个渗流截面孔隙压力平均值作为不同瓦斯渗 透距离的孔隙压力变化曲线，孔隙压力随渗透距离 的变化如图 10。 分析可知， 在渗流方向上， 孔隙压力随渗透距离 逐渐降低，但在局部区域存在波动，进出口压差越 大， 波动越明显。在 YCW 和 XG 煤样中， 分别在 3、 4 μm 处孔隙压力降低幅度增加， 表明该处孔隙连通 性增强， 瓦斯渗流更强烈。 瓦斯渗流速度随渗透距离的变化如图 11。可以 看出压差△p1.5 MPa 时， 2 个煤样瓦斯渗流速度随 渗透距离增加整体降低， YCW 煤样在渗透距离为 1.5、 2.5 μm 存在 2 个峰值， 分别为 17.3、 14.13 m/s。 XG 煤样在 1.5、 3、 4 μm 处存在 3 个峰值，分别为 9.14、 7、 6.37 m/s。可见， 在微观尺度中， 各煤样渗流 截面平均流速有不同程度的起伏，变化规律也各不 相同， 其原因在于微观连通孔隙团结构的非均匀性。 而每个煤样的这种特殊的流速变化也代表了其所在 煤体的整体渗流特性。 为了更加清晰地比较 REV 内部各截面的绝对 渗透率，统计出各压力梯度截面渗透率的平均值， 绘制其随瓦斯渗流长度的分布情况，局部截面渗透 21 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 12局部截面渗透率随渗流长度的变化 Fig.12Variation of cross-sectional permeability with length 图 11瓦斯渗流速度随渗透距离的变化 Fig.11Variation of velocity with distance in gas seepage 5结论 1） 基于 CT 扫描的煤微观重构模型中， 各成分 占比的阈值模型 Ф （Tm）符合 BiDoseResp 增长型函 数， 能够精确确定孔隙度和矿物含量的最佳阈值。 2） 鄂尔多斯低阶煤微观孔隙空间结构存在很强 的非均质特征，形状接近球形。孔隙形状因子与等 效直径之间具有明显的指数关系。 3） YCW 褐煤内部发育有体积较大的微裂隙， XG 气煤内部微裂隙数量较少， 孔隙数量多， 局部存 在多个孔隙聚集而成的孔隙团。 4） 在微观尺度下， 孔隙压力的降低在不同样品 中并非遵循严格的线性或非线性函数规律，在同一 孔隙系统的不同位置处也呈现出更多的复杂性。各 煤样截面平均渗流流速变化规律各不相同，代表了 煤体的渗流特性。 5） 渗流孔隙的大小并不是决定其瓦斯渗流性能 的唯一因素，更多依赖于孔隙的连通性。瓦斯压力 在同一孔隙的非均匀性体现出其渗流过程对方向的 选择性。 参考文献 ［1］ 贾雪梅， 蔺亚兵， 马东民.中低煤阶煤孔隙特征及对瓦 斯放散特性的影响 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （11） 169. ［2］ 张遂安， 张典坤， 彭川， 等.中国煤层气产业发展障碍 及其对策 ［J］ .天然气工业， 2019， 39 （4） 118-124. ［3］ 张敏.我国煤层气发展现状及存在问题 ［J］ .化工设计 通讯， 2019， 45 （6） 11-12. ［4］ 李相臣， 陈德飞， 康毅力， 等.基于 CT 扫描的煤岩孔裂 隙表征 ［J］ .煤田地质与勘探， 2016， 44 （5） 58-62. ［5］ 王登科， 张平， 浦海， 等.温度冲击下煤体裂隙结构演 化的显微 CT 实验研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， （下转第 27 页） 率随渗流长度的变化如图 12。YCW 褐煤截面渗透 率逐渐降低， 0.5 μm 处截面渗透率最大， 为 0.98 mD （1 mD10-15m2） ， 而出口截面渗透率降至 0.28 mD， 下降了 71。XG 气煤先升高后减低，在 0～1.5 μm 逐渐升高， 1.5 μm 处最大为 0.34 mD， 1.5～5 μm 逐 渐降低， 出口截面渗透率仅 0.21 mD， 降低了 38。 22 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 式中 εb为峰值应变。 3结论 1） 静载下， 煤岩试件表现为单一裂纹破坏形式； 动载下低应变率时， 试件呈现 Y 型破坏， 能保留较 完整碎块， 随着应变率的增大， 多条裂纹相互贯通， 碎块进一步被压碎， 最终碎成粉末。 2 ） 随着应变率的增加， 弹性模量和峰值应力增 幅明显， 分别为 88.8和 114.1， 表现出较强的率 相关性， 峰值应变增幅相对较低， 其值为 60.9， 表 现出稍弱的率相关性。 3） 煤岩体内部结构复杂， 在动载作用下， 撞击杆 加载速度过快， 煤岩试件内部孔隙、 裂隙、 颗粒间距 等缺陷闭合压实时间过短，宏观上表现为应力-应 变曲线压密段缺失。 参考文献 ［1］ 姜耀东， 潘一山， 姜福兴， 等.我国煤炭开采中的冲击 地压机理和防治 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （2） 205. ［2］ 陈晓坤， 蔡灿凡， 肖旸.2005-2014 年我国煤矿瓦斯事 故统计分析 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （2） 224-226. ［3］ Costantino M. 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