肖曉春，潘一山，呂祥鋒，楊新樂，2

1遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧阜新 123000

2太原理工大學采礦工藝研究所，太原 030024

3中國科學院力學研究所，北京 100190

1 引 言

煤層氣資源是21世紀具有巨大戰(zhàn)略意義的“接替能源”，而且是一種“綠色能源”.我國的煤層氣儲層多屬于低滲透儲層，儲層巖性致密，孔隙和吼道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關系十分復雜，孔隙存在多尺度效應，致使儲層中的煤層氣吸附、解吸和滲流規(guī)律復雜，運移規(guī)律不可預測，工業(yè)化開采難以實現(xiàn)，雖然學者們進行了較深入的研究［1－5］，但在改善低滲儲層滲透性能方面收效甚微.煤層氣主要以吸附態(tài)賦存煤體中，其產(chǎn)出是一個復雜的吸附／解吸、擴散／滲流過程.對這一過程的儲層物理性質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境給予人為干擾和積極導向，便構成了煤儲層激勵開采技術的主要內(nèi)容.現(xiàn)有的激勵開采措施包括造穴、水力壓裂、注氣等.上述技術的應用都具有一定的儲層局限性，例如，造穴技術適應于內(nèi)生裂隙發(fā)育的中變質(zhì)階段煤；水力壓裂適用于相對堅硬的裂縫性煤儲層；注氣開采效果明顯，但氣源和經(jīng)濟性使其應用范圍十分有限.因此找到避免儲層地質(zhì)條件、環(huán)境因素和復雜應力狀態(tài)影響并具有普遍應用價值的煤儲層激勵開采技術迫在眉睫.

超聲激勵是一種強化提高煤層氣抽采率的激勵技術，早在20世紀五、六十年代，美國和前蘇聯(lián)就開始了超聲波處理油層的研究工作，研究資料表明，其處理油層有良好的效果.

但是超聲波對低滲煤層甲烷增透機理研究成果較少.20世紀90年代，鮮學福教授提出了利用可控功率超聲波通過物理激勵的辦法來提高煤層氣抽采率的思想.此后數(shù)年內(nèi)，為了探討超聲波對低滲甲烷儲層的增透機理研究，國內(nèi)眾多學者進行了地應力場、溫度場、靜電場、交變電場、聲場作用下不同煤質(zhì)煤巖吸附甲烷特性和儲層滲透特性的研究［6－14］.在空化理論基礎上，任偉杰等［15］利用實驗方法研究了功率超聲對煤巖裂隙發(fā)育、發(fā)展、應力狀態(tài)的改變以及對煤巖力學性能的影響；從超聲波機械效應和熱效應的角度，于永江、張春會等［16－17］采用理論和實驗研究方法探討了聲場關鍵參數(shù)對煤層增透效果的影響，提出了功率超聲損傷－機械震碎－熱效應耦合的增透機理.國外Takashi等［18］利用CT觀測技術對穩(wěn)態(tài)兩相流體中的孔隙裂隙發(fā)生、發(fā)展進行了初步研究；Kawamura［19］通過CT三維觀測對冰層中礦石巖樣密度進行了測定；Kawakata等［20］利用CT射線觀測了花崗巖單軸和三軸受載過程的裂紋擴展過程.

前人的研究成果較好地證實了超聲波可以實現(xiàn)儲層甲烷的促吸和增透效果，但對于低滲甲烷儲層，由于煤巖致密和孔隙、裂隙的多尺度效應，甲烷解吸、滲流規(guī)律必定會受到儲層介質(zhì)孔隙尺度效應的影響，因此，本文采用CT微觀實驗研究方法對超聲波機械效應作用下的低滲煤樣不同尺度裂隙發(fā)生、發(fā)育和發(fā)展規(guī)律進行研究，以期從微觀尺度探尋超聲波增透機理；并通過和超聲波作用前后低滲煤樣滲透率變化規(guī)律對比相互印證，建立超聲激勵低滲煤層甲烷滲透率增透修正公式，為建立超聲物理激勵低滲儲層煤層氣運移理論，設計適合現(xiàn)場使用的低滲儲層煤層氣工業(yè)開發(fā)超聲物理激勵技術提供理論依據(jù)和實驗基礎.

2 聲場激勵影響的低滲煤樣裂隙演化顯微CT實驗

2.1 顯微CT實驗設備及試樣

由于煤的多樣性和不均勻性，以及各種研究方法的局限性，研究超聲作用下的煤巖裂隙發(fā)展規(guī)律較困難，已有的微觀觀測方法包括SEM、NMRI和CT掃描等.潘一山等［21］利用NMRI技術成功實現(xiàn)了煤層中水氣運移過程的實驗研究；在CT掃描微觀實驗方面，于艷梅等［22］應用CT技術研究瘦煤在不同溫度下孔隙變化特征.國外，Withjack［23］最早在20世紀80年代后期將計算機CT掃描技術應用于地質(zhì)材料特性研究；隨后，許多學者也把CT掃描技術應用到地學的其它領域，在CT測試技術、動態(tài)觀測和實驗方法等方面取得了重大進展［24－28］.國內(nèi)楊更社［29］進行了多種巖土材料的細觀破裂損傷CT觀測和機制研究；任建喜等［30］在CT觀測技術的基礎上設計了一套實時加載設備，實現(xiàn)了CT的動態(tài)觀測，并且初步建立了基于X射線CT技術的巖石應力應變本構關系.以上國內(nèi)外研究對于把CT技術應用到巖石性質(zhì)研究領域做了非常重要的貢獻.

在前人研究基礎上，本文采用太原理工大學采礦工藝研究所的μCT225kVFCB型高精度顯微CT系統(tǒng)進行實驗研究.該系統(tǒng)主要由微焦點X光機、數(shù)字平板探測器、高精度的工作轉臺及夾具、機座、水平移動機構、采集分析系統(tǒng)等結構部分組成，如圖1所示；其最小焦點為3μm，焦距4.5mm，放大倍數(shù)為1～400倍，密度分辨率≤0.2%，可分辨0.5μm的孔隙.煤巖試樣采用平頂山十礦戊9－20180采面的褐煤，試樣直徑為5mm.

圖1 μCT225kVFCB型顯微CT實驗系統(tǒng)Fig.1 Micro－CT experimental systemμCT225kVFCB

2.2 超聲激勵前后煤試樣不同尺度裂隙的變化規(guī)律

通過微觀實驗觀測超聲波作用后機械效應對煤樣裂紋擴展作用的難點在于如何真實地反映聲場影響下試樣裂紋的發(fā)生發(fā)展規(guī)律.一般可以采取兩種方法：一種是將同一煤樣進行切剖后對施加聲波和未施加聲波的煤樣進行微觀CT掃描，通過所得試樣的微觀剖面做統(tǒng)計分析；另一種是在CT機上固定好試樣后，不再拆裝，先用CT掃描后再施加超聲波作用，這樣就實現(xiàn)了聲場影響前后對同一煤樣進行裂隙大小、位置的對比分析.由于目前國內(nèi)的超聲波裝置和CT微觀實驗設備相對落后，無法對同一試樣進行超聲波作用前后的兩次掃描，因此，本實驗采用第一種方式通過對煤樣切割成50mm×50mm×50mm試件，其中一塊煤樣經(jīng)過28kHz超聲波作用30min后，用研磨的辦法磨制成直徑為5mm的試樣，另外沒有經(jīng)過超聲作用的煤樣同樣磨制成5mm的試樣，實驗方案如表1所示.

表1 煤樣參數(shù)和CT微觀實驗方案Table 1 Physical properties of coal samples and CT parameters

試驗時，先將試樣放置于顯微CT掃描的轉臺上進行微觀掃描，CT掃描試驗條件為：電流75μA，電壓60kV，投影幅數(shù)400，疊加幀頻1fps，縱向切割2000層.從微觀實驗結果中選取200、400、600、800、1000、1200、1400、1600層X－Y剖面進行分析，實驗結果如圖2—圖5所示.

圖2 1＃煤樣CT掃描裂隙擴展結果Fig.2 CT scan results of 1＃Coal

2.3 顯微CT實驗結果分析

由實驗結果可以看出，無超聲波激勵作用時，煤樣裂隙條數(shù)較少，由圖2和圖4觀察發(fā)現(xiàn)約為1～3條；裂隙長度較短，單條裂隙最長約2.5mm；根據(jù)放大倍數(shù)，單條裂隙寬度約在0.89～1.3μm之間，且裂隙間隔較大，貫通裂隙很少，裂隙多位于所在剖面的邊緣處，在該剖面上不能形成連續(xù)貫通裂隙通道.由圖3和圖5觀察發(fā)現(xiàn)，對應剖面內(nèi)的裂隙由剖面邊緣逐漸向剖面內(nèi)部擴展；裂隙數(shù)目逐漸增多，裂隙數(shù)目多為5～10條左右；單條裂隙長度較長，最大裂隙長度超過試件周長的一半，約在7.5～8.5mm具備了良好的貫通特性.

3 超聲波激勵作用下低滲儲層煤層氣增透特性實驗研究

3.1 超聲波作用前后甲烷氣滲流實驗

3.1.1 實驗煤試樣制備

采用與CT實驗相同的煤樣作為實驗試樣，按照國際巖石力學學會（ISRM）推薦標準切割加工成50mm×50mm×100mm的標準煤樣，相關物理力學參數(shù)如表2和表3所示.

表2 實驗煤樣物理性質(zhì)測試結果Table 2 Physical property test result of coal samples

表3 實驗煤樣力學性質(zhì)測試結果Table 3 Mechanical property test result of coal samples

實驗裝置流程圖如圖6所示，在煤樣三軸滲透儀上安裝高頻超聲波探頭，超聲波頻率為28kHz.使用密封螺母將超聲探頭緊密壓緊在煤樣上，以確保超聲波沿甲烷氣通過方向傳播.

圖6 實驗裝置圖Fig.6 Experimental device

3.1.2 超聲波激勵甲烷氣滲流特性的研究

滲透率是決定儲層氣、水流動的主要因素，也是煤層氣開發(fā)的重要參數(shù)指標.S.Harpalani［31］等認為，影響煤層氣滲透率的主要因素有：儲層深度、儲層壓力、有效應力、基質(zhì)收縮效應和滑脫效應等.根據(jù)煤樣材料的致密程度的不同，滲透率的實驗室測量方法有兩種：基于達西定律的穩(wěn)態(tài)測量法和瞬態(tài)測量法或壓力脈沖法.其中，后一種方法在測量介質(zhì)為液體的情況下比較成熟，它需要一定量的計算推導.如果測量的介質(zhì)為氣體，由于氣體存在可壓縮性，測量的方法要復雜一些.在此選用穩(wěn)態(tài)方法進行煤層氣的滲透率測量.實驗室測定煤樣滲透率的理論公式為［32］：

式中：k為氣體的滲透率（μm2）；p0為標準大氣壓（Pa）；L為煤樣的長度（mm）；qout為標準大氣壓下煤層氣流量（mL／s）；μ為甲烷的動力黏性系數(shù)（Pa·s）；A為煤樣的截面積（mm2）；pin為煤樣進氣端壓力（MPa）.

煤樣中孔隙壓力設為p，在實驗中可近似認為實驗設定的圍壓、孔隙壓力和測定的滲透率數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 不同聲強作用下煤樣的滲透率Table 4 Permeability of coal sample under different sound intensity

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

以超聲功率82.5W時的實驗數(shù)據(jù)為統(tǒng)計對象，對不同孔隙壓力下滲透率的實測值進行擬合后可得如圖7—圖9所示擬合曲線.

（1）由圖7—圖9分析發(fā)現(xiàn)，超聲作用后煤巖氣測滲透率明顯提高，功率為82.5W，圍壓為4MPa，孔隙壓力從0.2MPa變化到0.8MPa時，煤樣滲透率增長率從124%變化到133%；而在功率為121W的超聲作用下，煤樣滲透率增長率得到顯著提高，從124%變化到143%.

（2）超聲功率提高后，煤樣滲透率增長尤為顯著，以圍壓12MPa為例，在低功率超聲作用下，隨著孔隙壓力的增加，滲透率增長率從低頻時的128%～164%變化為142%～196%.

（3）宏觀實驗結果和CT顯微觀測結果比較吻合，參考圖2—圖5可以發(fā)現(xiàn)，在功率超聲作用下，煤樣微觀觀測不同截面都出現(xiàn)了裂隙網(wǎng)狀貫通情況，微觀截面裂隙網(wǎng)的形成和貫通是煤樣滲透率增長的主要因素，功率超聲有助于提高低滲煤樣的氣測滲透率.

圖9 圍壓12MPa時滲透率測定結果Fig.9 Permeability measuring results under confining pressure 12MPa

3.3 超聲波激勵低滲儲層氣測滲透率修正公式

通過對超聲功率為82.5W時實驗數(shù)據(jù)進行擬合后發(fā)現(xiàn)，超聲作用后煤樣的滲透率實驗擬合公式可以表示成如下形式：

其中，a，b，c為擬合參數(shù)，單位分別為μm2，μm2／MPa和cm2／W；J0為超聲初始聲強，由于煤樣尺寸較小，認為聲強無衰減.令k0＝a＋e－bp，表示無超聲作用煤樣的絕對滲透率，即煤樣的絕對滲透率與煤樣賦存時的孔隙壓力有關，則超聲作用后煤樣滲透率實驗擬合式為：

式（3）表明，在功率超聲的作用下，在超聲機械效應衰減范圍內(nèi)，煤樣滲透率的增量主要由超聲聲強引起，且煤樣氣測滲透率增長率隨著孔隙壓力的增加而顯著增加，因此，在低滲透煤層中超聲波對改善煤層滲透性能具有顯著的作用.

4 結 論

本文利用微觀CT觀測實驗和超聲激勵實驗對超聲波作用前后低滲透煤層滲透率變化規(guī)律進行探索分析，得到如下結論：

（1）由CT微觀觀測發(fā)現(xiàn)，無超聲波激勵作用時，煤樣裂隙條數(shù)較少，裂隙間隔較大，貫通裂隙很少，裂隙多位于所在剖面的邊緣處，在該剖面上不能形成連續(xù)貫通裂隙通道；超聲波作用后，煤體對應剖面內(nèi)的裂隙由剖面邊緣逐漸向剖面內(nèi)部擴展，裂隙數(shù)目逐漸增多，且裂紋較密集地分布在試樣剖面內(nèi)，有逐步貫通趨勢，并且形成了新的裂隙網(wǎng)絡結構，具備了良好的貫通特性.

（2）由實驗室煤樣滲透率實驗發(fā)現(xiàn)，超聲作用后煤巖氣測滲透率明顯提高，特別是超聲功率提高后，煤樣滲透率增長最為顯著，功率超聲有助于提高低滲煤樣的氣測滲透率.

（3）建立了受聲強影響的低滲透儲層滲透率實驗公式，確定了聲場影響的低滲煤層滲透率變化的關鍵參數(shù)，為建立完善的超聲聲場影響的低滲透煤層運移理論奠定基礎.

由于現(xiàn)有的實驗裝備無法實現(xiàn)同一塊煤樣超聲作用前后的CT觀測和滲透率測量，從而使得本文的結果具有相對的參考意義，深入研究有待于以后實驗技術的提高.

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