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安徽理工—张通团队

《Geoenergy Science and Engineering》：考虑原位应力对饱油煤中动态孔隙-裂隙演变和多相渗流影响的实验研究

在这项研究中，基于自主开发的在线低场核磁共振三轴应力测试系统，研究了由原位应力扰动引起的裂隙孔裂隙结构动态演化以及相应的气-液运移和形态分布特征。不同的裂隙发育行为分别反映在迁移孔隙（MP>3ms）、渗流孔隙（0.3ms < PP < 3ms）和吸附孔隙（AP<0.3ms）。随着应力的增加，孔隙-裂隙先后经历了压缩、扩张、膨胀和凝聚的阶段，PP和MP主导了裂隙的初始化发展。渗透率与孔隙-裂隙结构的分形维数呈负相关，与总孔隙度和MP孔隙度呈指数关系。纵向剪切裂隙有利于气液迁移，水平拉伸产生的裂纹则连接了散射孔隙。在孔隙度较差的情况下，气体通道受到毛细管压力和贾明效应的影响，在较高孔隙度下主要受到气体滑移效应、不相溶行为和断裂面张力的影响。最佳的气体通道发生在裂纹传播期，位于大约70%的峰值强度，具有1.5md的渗透率、高液体相对渗透率和低气体相对渗透率的特点。这些发现为煤中煤层气的开发提供了重要的帮助。

科技一般指科学技术。社会上习惯于把科学和技术连在一起，统称为科学技术。

统称为科学技术，简称科技。实际二者既有密切联系，又有重要区别。

煤层气的使用极大地促进了清洁能源的发展，中国每年有大量的产量。低渗透率（0.004-0.04mD）、小孔隙度、复杂的地质结构以及饱和状态显著影响了煤层气的勘探，导致煤层气的开发率仅仅维持在50%左右。煤炭是一种天然的双重介质，含有复杂的孔隙-裂隙结构，丰富的气体-液体储存在基质孔隙、封闭的微裂纹和大的连通裂隙中，煤层气的输运由流体的吸附-解吸能力以及煤基质、孔隙-裂隙和内部流体的相互作用而控制。

孔隙-裂隙结构和煤基质受到开采活动的影响会发生变形并重新分配，导致解吸-吸附行为和气体传输行为受到孔裂隙非均质性的影响。详细来说，孔隙-裂隙的几何形状，包括孔隙大小、孔隙形状，以及裂隙角度、长度和孔径等都极大地影响了流体的流动。

此外，丰富的液体，如油、水，在不同形态的煤孔隙中也影响着煤层气的开发效率。通过毛细管力、贾明效应和表面张力，孔隙裂隙会局部或完全饱和油/水，从而导致微孔的表面、孔喉和被表面覆盖油/水膜的裂隙影响气体的解吸-吸附行为。因此，煤层气的迁移、渗流和解吸行为都受到饱和液体的影响。气体通道的动态发展受到孔隙裂隙压缩、发育和凝聚等不同阶段的影响，通常情况下，异常的气体排放会导致采矿活动中气体浓度过度，从而导致极大的安全隐患。因此，在以往静态实验工作的基础上，应进一步研究应力影响下的原位动态孔隙-裂隙发育和流体流动规律。

煤层气的产出涉及气体在多尺度孔裂隙结构裂隙中的解吸、传输和迁移，以及气/液两相流体与孔裂隙结构相互作用等影响。在这项研究中，基于自行开发的LF-NMR三轴加载系统，对饱油煤中的孔隙-裂隙演变和气-液流动进行了定量研究。通过横向弛豫谱（T 2）和核磁共振成像（NMRI）分析了应力扰动下的动态裂隙孔隙发育和气-液两相流体迁移与分布特征。这些发现为煤层气排水领域的模型开发和工程实践提供了基本参考。

在本研究中，所研究的煤样孔隙度为2.2%，渗透率为2.73mD，煤样的尺寸为25×50mm（直径×长度）。

在这项研究中，基于自行开发的LF-NMR三轴应力渗流装置（MacroMR12-150H-HTHP，苏州仪器股份有限公司）在线可视化了煤体孔裂隙结构在三轴应力作用下的闭合，萌生以及发育过程。该装置由轴向应力加载系统、围压加载系统、流体注入系统和核磁共振测量系统组成。轴向应力、水平应力和孔隙压力可以同时应用，实验结果可以由NMRI、轴向应变传感器和T2谱在线记录得到。设备装置如下：

图1 LF-NMR三轴应力渗流装置

轴向加载系统和围压加载系统可以提供100MPa和40MPa的最大应力。同时通过液体注入系统可以实现最大为35MPa的渗流压力。加热系统可以为实验需求提供100?C的温度。煤和气储层中的原位应力和流体流动由三轴加载系统模拟，内部结构由NMRI和T2谱监测。详细来说，LF-NMR的监测参数是回波间隔为0.2ms，回波数为18000，等待时间为2000 ms，累加数为64。

为了实时观察应力加载过程中的内部结构和相应的气液流动分布，实验过程被分为准备部分和实验部分。详细来说，实验步骤如下：

1） 煤样在烤箱中以105?C的温度干燥24小时，以消除内部水分。

2） 然后，将烘干后的煤样放入装有矿物油的饱和装置中，加载压力至20MPa进行24小时的饱和。

3） 然后根据干煤和饱油煤样的重量来计算煤的孔隙度。

4） 将饱和煤样包裹在一个没有核磁共振信号的热缩管中，然后放在一个三轴加载腔，并加载2MPa的围压。按以下方式进行实验：

(a) 注入实验油以使煤样饱和。

(b) 测试流体相的渗透率，实验条件：1MPa注入压力、0.1MPa出口压力。

(c) 渗透率测试后，结合轴向应力载荷，进行T2谱和NMRI测量。

(d) 在注入压力为1MPa的情况下进行气驱实验，在驱替过程中测试了T2谱和NMRI。

(e)在气驱后，继续加载轴向应力，然后重复步骤（a）-（d），直到煤样损坏。

1） 孔隙-裂隙的演化：

煤层气迁移受原位应力作用下孔隙-裂隙收缩和膨胀的制约，在煤层气排水过程中，储层和渗流通道随着孔隙-裂隙和流体的饱和而改变。考虑到应力的影响，通过应变、NMRI和T2谱定量地描述了多尺度的动态孔隙-裂隙的发育情况。随着加载应力从0MPa增加到19MPa，煤应变从0下降1.5%，呈下降趋势，并先后经历了线性增加、缓慢增加和轻微增加，分别对应于弹性变形、塑性变形以及峰值挤压的三个阶段。微裂纹的传播和连接主要集中在裂隙周围，煤的各向异性破坏是受拉伸裂隙、剪切裂隙、孔隙的扩张和压缩的共同影响。基于T2谱分布，在孔隙-裂隙结构中观察到吸附孔隙（0.1ms < AP < 1ms）、渗流孔隙（1ms < PP < 10ms）和迁移孔隙（10ms < MP）。加载过程如下图所示：

图二 煤样的力学响应和孔隙-裂隙演变

基质收缩和膨胀以及孔隙-裂隙的开始、传播和凝聚行为，是多尺度孔隙对应力增加的反应，并依次呈现孔隙压缩、孔隙扩张、裂纹传播和凝聚的几个不同阶段。详细来说，我们观察到MP的动态变化、PP的明显变化和AP的轻微变化，孔隙的压缩、微裂纹的压缩和发育以及裂隙的发育分别由AP、PP和MP来描述，此外，MP逐渐下降、波动、以及快速增加的变化过程与裂隙的整个演变过程是一致的。

多尺度孔隙中的孔隙裂隙强度由孔隙压缩性来表征（如下图所示），孔隙-裂隙压缩主要是由11MPa之前的AP和MP的收缩造成的，最大的收缩发生在6MPa。孔隙扩张早期发生在MP（11MPa），其次是PP和AP（13MPa）。此外，PP在13MPa之前呈现出较稳定的结构以及低应力敏感性的特点，而AP在加载过程中呈现出较弱的应力依赖特点。与弹性阶段的孔隙结构响应相比，PP和MP在塑性阶段表现出更强的应力敏感性，在这个阶段，PP和MP的形变促进了微裂纹的初始化、发育和互连。

图三 压缩性随应力的演变

2）渗透性

裂隙是流体流动的主要渠道，孔隙是储存煤层气的主要空间。随着轴向应力的增加，孔隙度的变化可分为三个阶段：分别是孔隙体积的收缩，对应为在0-6MPa应力作用下孔隙度从6.5%下降到6%；孔隙体积的平衡，在6-13MPa应力作用下在6%波动；孔隙体积的增加，主要表现为煤样内部裂隙网络逐渐发育，孔隙体积在13-19MPa的应力作用下从6%增加到8%。而相对应的，渗透率从2.8md下降到1md，在1md左右波动，破坏后从1.5md增加到7.5md，如下图所示。

图四 孔隙度和渗透率的演变。(a) 孔隙度和渗透率随着应力的增加而演变；(b) 多尺度孔隙中渗透率和孔隙度的相关性。

3）多相流体流动特性

多相流体广泛存在于具有复杂裂隙网络的煤层气储层中。在气体驱替期间，液体迁移发生在多尺度孔隙，T2谱以不同的振幅逐渐减少。孔隙裂隙中饱和的油逐渐被气体取代，更多的气体取代油与孔隙裂隙结构传导通道中的油共存。而轴向应力越高，孔裂隙结构越复杂，驱替时间越长。这意味着孔隙-裂隙结构对轴向应力的变化很敏感，并显著影响残余油的分布。气液的自由迁移集中在大的连接孔隙和裂隙处，其特点是>10ms的T2谱信号下降的更明显。在19MPa的加载应力下，T2谱略有减少，孔隙-裂隙渗透率很高，说明在大的油饱和孔隙裂隙中，由滑移和不相溶效应影响引起的小通道的气体迁移很早就发生了。

图五 在不同的轴向应力下T2谱随时间的演变

随着应力的增加，孔隙-裂隙的非均质性略有改变，局部区域的不同气体通道被开发出来，可见下图的核磁成像效果。在6MPa前产生了一个明显的气体通道，在19MPa时孔隙结构发生明显的动态变化，在高油饱和度区域形成了一个大的气体通道，在低油饱和度区域也产生了相应的气体通道。随着应力的增加，孔隙-裂隙从相对均匀的孔隙通道转变为裂隙主导的气窜通道。

图六 NMRI描述的多相流形态

1.  孔隙-裂隙网络分为吸附孔隙（0.1ms < AP<1ms）、渗流孔隙（1ms < PP < 10ms）和迁移孔隙（10ms < MP），微裂隙的传播和连接主要集中在主裂隙周围。渗流和迁移孔隙是裂隙萌生和连接的主要孔隙。AP在孔隙压缩期有很强的应力敏感性，而PP和MP在弹性、塑性和峰值时期的应力更加敏感。

   
   

2. 在加载过程中，孔隙裂隙连续经历了孔隙收缩、孔隙扩张、裂隙扩展和延伸的发育阶段。以剪切裂隙、拉伸裂隙和孔隙扩张为特征的各向异性损伤影响着气液通道的传导性。纵向剪切裂隙有利于流体迁移，水平拉伸裂隙连接了孔隙和裂隙，增强了流体的扩散和渗流。渗透率与整个孔隙度和MP孔隙度呈指数相关。

   
   

3. 最佳气体通道出现在塑性阶段，效果最理想的传输通道对应在峰值强度时期。在饱和油的不良传输通道中，气体通道的产生受到油阻力和气体贾明效应的影响，而在高孔隙-裂隙中主要受到气体滑移效应、不相溶行为和裂隙表面张力的影响。最佳的气体孔隙裂隙发生在裂纹传播期，峰值强度在70%左右，渗透率为1.5md，此时液体相对渗透率为高，气体相对渗透率较低。

[1] Tong Zhang, Ming Tang, Mingchao Wang, et al. Experimental study on dynamic pore-fracture evolution and multiphase flow in oil-saturated coal considering the influence of in-situ stress[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2023, 230:2949-8910.