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第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. School of Mechanics super-critical CO2; permeability; porosity; increasing permeability action 煤层气属于非常规天然气，是一种优质的清洁 能源[1-3]。我国煤层气资源非常丰富，具有良好的开 发前景，它的高效开采不仅能解决我国油气资源不 足，而且能从根本上消除煤矿瓦斯灾害，具有非常 ChaoXing 第 3 期 郝志勇等 超临界 CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究 65 深远的意义。 我国 90以上的高瓦斯煤层渗透性差， 而且随着埋深增加，瓦斯含量增加，煤层渗透性愈 加降低，因此，寻求新的改善低渗透煤层渗透性的 有效方法，提高瓦斯抽采率，是目前国内外低渗透 煤层瓦斯抽采面临的一个重要课题。 目前，低渗透煤层强化抽采瓦斯的方法主要有 邻近层瓦斯卸压抽采、大直径钻孔、水力压裂、水 力割缝、松动爆破等[4-6]，这些方法在煤层中形成相 对单一的通道，一定程度上提高了煤层瓦斯的抽采 率， 但由于煤层是一种含有发达孔裂隙的双重介质， 约 90的甲烷以吸附形式赋存于煤层中，煤微观孔 裂隙的变化直接影响煤层甲烷从基质孔隙内表面的 解吸，由基质微孔向裂隙的扩散以及在裂隙中的渗 流，进而影响煤层气的产量[7-10]，因此，改善低渗 透煤层渗透性的关键是充分改造裂隙系统的渗透 性，促进瓦斯解吸扩散，提高瓦斯抽采率。 超临界二氧化碳同时拥有气体和液体两种相态 性质，能迅速渗透到多孔介质的微观孔裂隙中，具 有改造多孔介质渗透性的作用，其注入到低渗透煤 层后，除了具有非超临界二氧化碳的驱替置换作用， 还具有明显优于非超临界二氧化碳的增透作用， 与煤 体中的有机物发生物理化学作用，溶解部分有机物， 充分改善煤微观孔隙和裂隙的形态、 大小、 充填情况、 开启程度等微观结构特征， 加快煤层气在孔裂隙中的 渗流运移， 提高低渗透煤层的渗透性[11-13]。 目前已见 相关超临界二氧化碳增透方面的研究。孙可明等[14]在 低渗透煤层中注入超临界二氧化碳，得到了超临界二 氧化碳作用后煤体渗透性的变化规律。杨涛等[15]进行 了超临界二氧化碳抽提对煤的改性试验，验证了超 临界二氧化碳提高低渗透煤层渗透性的可行性。岳 立新等[12]建立了超临界二氧化碳增透煤力学耦合模 型，模拟分析了超临界二氧化碳在低渗透煤层内部 的渗流运移规律。上述研究为利用超临界二氧化碳 改造低渗透煤层的渗透性提供了重要的理论基础， 但对于不同温度超临界二氧化碳作用低渗透煤层 后，煤宏观渗透性变化规律以及煤微观孔裂隙的演 化规律等研究鲜有报道。 结合超临界二氧化碳独特的溶解增透特性，利 用三轴渗透仪进行恒定体积应力和孔隙压力以及不 同温度条件下煤的宏观增透实验，同时在宏观实验 基础上利用扫描电镜进行增透煤的微观成像实验， 通过宏微观实验研究温变条件下超临界二氧化碳对 煤渗透率和孔隙率的影响规律， 研究成果将为低渗 透煤层渗透性的改善以及煤层气的高效抽采提供重 要理论依据。 1 超临界二氧化碳增透实验 1.1 增透实验系统及煤样制备 a. 增透实验系统 增透实验装置如图 1 所示， 通过手动压力泵施 加轴压和围压， 孔隙压力由气瓶与 Q5210 型驱替泵 联合实现加载，温控采用 HM-GH600 型精密数显 温度水浴调控装置来实现， 流体流量通过流量计精 确读取， 压力釜保证了实验过程中渗透仪内压力的 稳定。 图 1 增透实验原理图 Fig.1 The penetration experimental schematic diagram b. 煤样制备 实验采用型煤，其在外界条件影响下的变化规律 具有较好一致性，样品取自山西大同马脊梁矿，煤样 尺寸为 Φ50 mm100 mm，初始孔隙率为 0.99。 1.2 增透实验数据测试计算原理 a. 渗透率计算 考虑温度和压力对黏度变化的影响，进行变温 压条件下煤的渗透率计算 2 22 12 2 Tp p LQ k A pp μ - （ ， ） 1 式中 k 为煤样渗透率， 10-3 μm2； L 为煤样纵向长度， cm；p1为进气端绝对压力，MPa；p2为煤样出气端 绝对压力， MPa； , T p μ为变温、 变压后的气体黏度， mPas；Q为出气端流量，cm3/s；A为煤样横截面 面积，cm2。 b. 二氧化碳黏度计算 密度和黏度对二氧化碳的性质有着较为明显的 影响，利用泊松状态方程计算不同温压条件下二氧 化碳的密度和黏度[16-17]。 c. 孔隙率计算 提取超临界二氧化碳作用后煤微观孔裂隙随机 分布特征，得到增透煤微观孔隙分布二值化图，如 图 2 所示，通过 MATLAB 编程，利用公式计算煤微 观孔隙率[18-19]。 a S S φ 2 式中 φ 为煤微观孔隙率， a S为孔隙所占的视域面 ChaoXing 66 煤田地质与勘探 第 46 卷 积，S为煤样横截面面积。 将二值图划分成众多微小单元，根据式2计算 各单元煤微观孔隙率，得到孔隙率矩阵，煤局部微 小单元孔隙率矩阵如图 2 所示。 图 2 图像微小单元及孔隙率矩阵 Fig.2 The small cell and porosity matrix of local image 1.3 实验步骤 宏观增透过程中恒定体积应力 25 MPa， 煤样处 于静水应力状态，具体实验步骤如下 ① 将煤样进行编号并密封，装入渗透仪，按实 验系统原理连接各个部件。 ② 检查实验装置气密性， 利用真空泵吸除煤样 内杂质气体，以避免其对实验结果的影响，然后向 煤样中通入二氧化碳使其充分吸附。 ③ 设定恒温水浴装置到预定温度 20℃，然后 对煤样进行轴压、围压和孔隙压力的交替加载，使 轴压、围压及孔隙压力分别达到预定值 2.3 MPa、 8.8 MPa 和 1.5 MPa， 注气时围压始终大于孔隙压力， 避免较大的孔隙压力使热缩塑料等密封件胀破失 效。打开出气口 35 min 待出气端流体平稳后，通 过流量计读取出气端流体流量，计算煤样初始渗透 率，为保证实验数据的可靠性，同一条件下的实验 均重复做 3 次，取平均值作为最终实验结果。 ④ 改变轴压、围压及孔隙压力，分别进行恒定 孔隙压力 7.5 MPa、8.5 MPa、9.5 MPa 以及 10 MPa 条件下，温度为 35℃、45℃、50℃、60℃及 65℃时， 煤样的渗透率测试，具体实验参数见表 1。 表 1 实验参数 Table 1 The experiment parameter 温度/℃ 孔隙压力/ MPa 轴压/MPa 围压/MPa 20 1.5 2.3 8.8 7.5 2.8 10.8 8.5 2.9 11.2 9.5 3.0 11.5 35，45，50, 60，65 10 3.1 11.7 ⑤ 宏观实验后，从增透后煤样注气端面的心 部 位 置 ， 敲 取 大 小 约 为 1 cm3的 小 块 ， 利 用 JSM-7900F 型场发射扫描电子显微镜，采用逐级放 大倍率的方法，进行煤微观孔隙结构特征的观察。 鉴于煤的非均质性，每种工况选 5 个煤样进行微观 实验。 2 实验结果及分析 2.1 超临界二氧化碳作用后煤的宏观实验结果 及分析 渗透率随温度的变化规律如图 3 所示，恒定体 积应力及恒定孔隙压力条件下，经超临界二氧化碳 作用后， 煤的渗透率曲线明显高于初始渗透率曲线， 从数值上看均较初始渗透率提高了一个数量级，可 见超临界二氧化碳对低渗透煤层增透效果显著。在 二氧化碳的超临界温度范围内，煤的渗透率随温度 增加呈负指数的变化规律。10 MPa 孔隙压力下，温 度从 35℃升高到 65℃时，渗透率由 2.5910-3 μm2 降到了 1.7810-3 μm2， 降幅达 31。 在同一温度下， 对比不同孔隙压力下的渗透率可以看到，孔隙压力 越大，煤的渗透率越大，说明超临界二氧化碳增透 过程中，在一定范围内，孔隙压力对低渗透煤层的 增透效果起主控作用，适当提高孔隙压力，降低温 度，有助于提高低渗透煤层的增透效果。 图 3 渗透率随温度变化规律 Fig.3 The variation law of permeability with the temperature ChaoXing 第 3 期 郝志勇等 超临界 CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究 67 煤的渗透率随温度增加而递减的变化规律是由 温度以及超临界二氧化碳溶解增透作用等综合因素 决定的。一方面，煤体有较强的塑性，随着温度增 加，煤基质容易产生变形，在较大体积应力约束下， 受温度产生热应力影响，煤体骨架向内膨胀，挤占 了孔裂隙空间，堵塞了部分流体运移的有效通道， 煤体孔裂隙单位时间内流体的流量减少，渗透率降 低；另一方面，在 35℃65℃，随着温度增加，二 氧化碳密度呈递减变化规律， 如图 4 所示， 超临界二 氧化碳对煤溶解作用随密度减小而减弱， 对煤体孔裂 隙致裂扩展程度减小，煤体孔裂隙中流体流量减少， 渗透率增加程度减小。此外，随着温度增加，二氧化 碳黏度亦呈降低趋势， 如图 5 所示， 使渗透率趋向于 减小趋势。综上，在二氧化碳超临界温度范围内，煤 的渗透率随温度增加表现出降低的变化规律。 渗透率随温度变化的函数关系 ebTka 3 式中 0a ＞，0b ＜；k 为渗透率；T 为温度。 图 4 二氧化碳密度随温度的变化曲线 Fig.4 The variation curve of carbon dioxide density with the temperature 图 5 二氧化碳黏度随温度的变化曲线 Fig.5 The variation curve of carbon dioxide viscosity with the temperature 2.2 超临界二氧化碳作用后煤微观实验结果及 分析 逐级放大倍率观察宏观实验后的煤样，得到煤 微观孔裂隙的演化规律是一致的，同一条件下选取 一幅图像进行微观孔裂隙特征分析。孔隙率为 5 个 煤样计算结果的平均值，以真实反映增透煤微观孔 裂隙的演化规律。 a. 超临界二氧化碳增透前后煤微观结构分析 图 6 为增透前后煤样在 200 倍放大倍率下微观 结构对比，增透前煤样表面可见尺寸较小的裂隙， 孔隙较少。超临界二氧化碳作用后，煤样表面平整 度变差，出现很多大的块状突起和凹陷结构，较大 的裂隙清晰可见，裂隙长短不一，呈纵横交错状态 分布，孔裂隙内填充物较少，较易构成气体运移的 网络通道，可见经超临界二氧化碳作用后，煤中孔 裂隙明显发育，有助于煤体渗透性的提高。 从二值图图 6b，图 6d中可以看到，超临界二 氧化碳作用后，煤中萌生出许多新的孔隙和裂隙， 白色孔隙数量明显增多，孔隙之间连通性提高，说 明超临界二氧化碳增透促进了煤微观孔裂隙的演 化， 有助于煤体渗透性的改善。 利用式2计算得到， 增透后煤微观孔隙率达到了 10.15，为初始孔隙率 的 10.25 倍，进一步说明超临界二氧化碳作用后煤 微观孔裂隙得到了有效发育。 b. 超临界二氧化碳温度对增透煤微观孔裂隙 演化影响规律 依据宏观增透实验结果， 选取孔隙压力 1 MPa， 温度分别为 35℃、45℃、60℃和 65℃，超临界二氧 化碳增透后的煤样进行微观结构观察， 如图 7 所示， 35℃和 45℃时煤微观孔裂隙发育程度较高，孔裂隙 呈蜂窝状分布在弥散的煤体颗粒周围，互相贯通， 局部区域可见孔隙密集的孔窝。随着温度增加，煤 中孔裂隙逐渐分散，孔裂隙形态发生变化，当温度 增加到60℃时， 煤中发育有变形组织孔和压性裂隙， 孔隙大小不一、形态各异。温度为 65℃时，煤中粒 间孔隙明显减少。 c. 超临界二氧化碳温度对增透煤孔隙率和渗 透率影响规律分析 不同温度下煤微观孔隙分布二值图及孔隙率等 值线变化如图 8 所示，从二值图中可以看到，35℃ 时煤中孔隙尺寸较大，个别区域孔隙较为集中，呈 连通状态分布。随着温度增加，煤中孔隙逐渐分散， 数量逐渐减少。当温度为 65℃时，煤中大部分区域 孔隙尺寸较小且孤立分散，孔隙数量明显减小。 从不同温度下孔隙率等值线图可以看到，35℃ 时煤中孔隙率等值线较为密集，局部孔隙发育明显 的部位，孔隙率达到了 5075，孔裂隙间逐渐贯 通，发育程度较高。当温度为 45℃时，煤体各处孔 隙率相比于 35℃时变化不大。温度达到 65℃时，煤 ChaoXing 68 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 6 增透前后煤样微观结构对比 Fig.6 The microstructure contrast of briquette before and after the increasing permeability 图 7 不同温度下煤样微观结构变化 Fig.7 The microstructure changes of coal sample under different temperatures 体孔隙率等值线相对于 35℃和 45℃时密集程度下 降，孔隙率等值线局部间断，连续性变差，说明随 着超临界二氧化碳温度的增加，煤微观孔裂隙的开 裂和扩展受到抑制，微观孔裂隙演化速率减慢，说 明高于二氧化碳超临界温度时，温度增加不利于低 渗透煤层增透效果的提高。 ChaoXing 第 3 期 郝志勇等 超临界 CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究 69 图 8 不同温度下煤微观孔隙分布二值图和孔隙率等值线图 Fig.8 The binary map and porosity contour map of coal at different temperatures 表 2 为不同温度下煤微观孔隙率。温度在 35℃ 65℃时， 煤微观孔隙率均较初始孔隙率提高两个数 量级，提高倍数为 10.6529.52，说明不同温度超临 界二氧化碳作用后，煤微观孔裂隙得到了不同程度 的演化发展，但在二氧化碳超临界温度范围内，煤 微观孔隙率随温度增加却呈现递减的变化规律，温 度从 35℃升高到 65℃时，孔隙率由 30.22降到了 11.54，降低了 18.68。这是由于在二氧化碳超临 ChaoXing 70 煤田地质与勘探 第 46 卷 界状态，当孔隙压力恒定时，受温度增加产生的温 度应力的束缚，煤体骨架发生内膨胀，挤占了孔裂 隙空间，煤微观孔裂隙的演化受到抑制，孔裂隙尺 寸和数量增加的程度降低。 表 2 不同温度下煤微观孔隙率 Table 2 The porosity of coal sample at different temperatures 温度/℃ 孔隙率/ 较初始孔隙率提高倍数 渗透率/10 -3μm 2 35 30.22 29.52 2.50 45 19.65 18.84 2.08 60 14.51 13.65 1.60 65 11.54 10.65 1.55 由表 2 可知，孔隙率随温度变化的函数关系 0.319 12 39.434e0.980 2 T Rφ - 4 式中 φ为孔隙率，，T为温度，℃。 由表 2 可以看出，随着微观孔隙率的降低，煤 的宏观渗透率呈现减小的趋势， 说明超临界状态时， 孔隙压力一定，温度增加抑制了煤微观孔裂隙的演 化，煤中供流体流动的有效渗流通道的数量和尺寸 减小，煤的宏观渗透率降低。 图 9 为煤渗透率等值线的变化规律，不同温度 下， 渗透率等值线的疏密程度各异， 渗透率大小不同。 在接近临界温度 35℃时，煤渗透率等值线较 65℃时 均匀密集，煤的渗透率较大，渗透性较好。 图 9 不同温度下煤样渗透率等值线图单位 Fig.9 The permeability contour map at different temperature of coal sample 3 结 论 利用自主研制的三轴增透实验装置，以山西大 同马脊梁矿煤样为例，进行恒定体积应力和孔隙压 力， 不同温度超临界二氧化碳作用后煤的宏观实验， 并在宏观实验基础上进行增透煤微观成像实验，得 到以下一些结论。 a. 恒定体积应力和孔隙压力，不同温度超临界 二氧化碳作用后，煤的渗透率较初始渗透率高了一 个数量级，但在二氧化碳的超临界温度范围内，煤 的渗透率随温度增加呈负指数变化规律。 b. 不同温度超临界二氧化碳作用后，煤微观孔 隙率较增透前提高两个数量级，但随温度增加，煤 微观孔裂隙的演化速率减慢，孔隙率随温度增加呈 负指数变化规律。 c. 宏观微观实验相结合，得到了煤宏观渗透率 随微观孔隙率增加而增大的变化规律，宏观微观实 验结果具有较好的一致性。 d. 超临界二氧化碳增透过程中，在一定范围 内， 孔隙压力对低渗透煤层的增透效果起主控作用， 适当的提高孔隙压力，降低温度，有助于提高低渗 透煤层的增透效果。 参考文献 [1] 王南，裴玲，雷丹凤，等. 中国非常规天然气资源分布及开发 现状[J]. 油气地质与采收率，2015，22126–31. 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