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創新點
通過不同壓差和不同溫度條件下改變孔隙壓力的滲流試驗，在當前典型的S&D模型基礎上進行改進，建立適用於三軸恆定外應力條件，考慮溫度、孔隙壓力及滑脫效應影響的煤巖滲透率模型。通過試驗結果驗證其合理性，同時與其他模型(原始S&D模型、LU模型)進行對比，新建模型計算出的曲線與試驗結果更為貼合，能很好的反映不同壓差以及不同溫度下滲透率與孔隙壓力的指數函數關係，為煤層氣開採提供一定的理論支撐。
作 者
李波波1,2,3,高 政1,楊 康1,李建華1,任崇鴻1,袁 梅1,2,3,汪 泓1,2,3
作者單位
1. 貴州大學 礦業學院；2. 貴州大學 喀斯特山區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室；3. 貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室
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研究背景
煤層氣作為一種清潔且經濟的能源,其開採與利用一直備受關注。目前我國已探明煤層氣資源為36.8×1012m3,多儲存於地下2000m以淺,但大多為低滲煤儲層,這對煤層氣的開採增加了難度。隨開採深度增加,地溫與孔隙壓力不斷升高,2者對瓦斯滲流的影響逐漸凸顯。因此,對不同溫度下孔隙壓力變化與煤巖滲流特性關係的探討具有重要意義。
在試驗研究方面,儘管眾多學者已經進行了大量關於孔隙壓力的滲流試驗,但試驗中的出口壓力多設置為大氣壓,且無法做到同時調節進、出口壓力以改變孔隙壓力,這與煤層瓦斯抽採實際情況不太吻合。筆者前期已進行了不同溫度下孔隙壓力變化的滲流試驗,但其理論模型並未綜合考慮溫度、應力、滑脫效應耦合作用的影響。因此,筆者擬在當前典型的S&D模型基礎上進行改進,建立適用於三軸恆定外應力條件,考慮溫度、孔隙壓力及滑脫效應影響的煤巖滲透率模型。通過試驗結果驗證其合理性,同時與其他模型進行對比體現其可靠性,為煤層氣的開採提供理論支撐。
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摘 要
為探究煤層氣抽採過程中溫度與孔隙壓力對煤巖滲透特性變化的影響,以貴州黔北煤田原煤為研究對象,利用自主研發的出口端正壓三軸滲流裝置,通過控制進出口氣體壓力分別設定3個不同壓差條件,開展不同溫度下改變孔隙壓力的滲流試驗。
在當前典型的S&D模型基礎上結合溫度引起的吸附變形、熱膨脹和滑脫效應的作用,新建考慮溫度和恆定外應力條件下的滲透率模型。通過試驗與模型對比驗證其合理性,並對有無考慮滑脫效應的滲透率計算值進行了定量分析。
結果表明:
①滲流試驗過程中,煤巖滲透率隨孔隙壓力升高而降低,其滲透率下降量受溫度升高影響呈現降低趨勢;孔隙壓力升高,煤巖滲透率受溫度影響的敏感程度逐漸降低。
②在試驗的各孔隙壓力點下,溫度升高使得煤巖滲透率降低;在各溫度狀態下,煤巖滲透率隨壓差增大呈現降低趨勢。
③經定量分析後發現修正模型較其他兩個模型更加符合試驗結果,且修正模型的滑脫因子隨溫度升高而增大,從理論方面驗證了模型的合理性。
④考慮滑脫效應的煤巖滲透率曲線比不考慮滑脫效應的滲透率曲線更加符合試驗結果。在不同溫度條件下,前者的滲透率計算值大於後者的計算值。隨孔隙壓力升高,滑脫效應引起的滲透率變化量逐漸降低。
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文中圖片
不同溫度下煤巖滲透率與孔隙壓力變化關係
不同壓差下煤巖滲透率與孔隙壓力變化關係
3種模型的滲透率對比曲線
考慮與不考慮滑脫效應的滲透率曲線對比
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作者簡介
李波波，男，1985年11月26日生，貴州修文人，博士（後），副教授，貴州大學學術骨幹，碩士生導師，現就職於貴州大學礦業學院。兼任貴州省煤炭學會副秘書長、貴州省非煤礦山安全生產標準化評審專家、《中國安全科學學報》青年編委、《煤炭科學技術》青年專家學術委員會委員、《有色金屬(礦山部分)》中青年專家學術委員會委員、《Asia-Pacific Journal of Earth Sciences》編委、中國職業安全健康協會個人會員、教育部學位與研究生論文評審專家、中關村綠色礦山產業聯盟青年技術委員會委員、2018年地球科學與測量國際學術論壇組委會委員、2019年地球科學與海洋國際學術論壇組委會委員，擔任《Journal of Natural Gas Science and Engineering》等10多本國際期刊審稿人。主持國家自然科學基金青年科學基金項目、國家自然科學基金國際合作與交流項目等多項國家和省部級項目，參與國家「973項目」、國家重大科技專項等6項。獲得2017、2018、2019年度西南五省市區煤炭學術年會優秀論文獎，2019年中國產學研合作創新成果二等獎。在《Journal of Petroleum Science and Engineering》《煤炭學報》國內外期刊發表論文40餘篇，其中SCI、Ei檢索25篇，申請或獲權發明專利20餘項，合作出版著作1部。
研究方向
巖石力學與工程、非常規天然氣滲流及礦山災害防治等方面研究。
主要成果
近年來，專注於不同含水率和不同溫度條件下的煤層氣及頁巖氣吸附及滲流特徵研究，分析了「不同溫度下孔隙壓力對煤巖滲流特性的影響機制」探究不同溫度與孔隙壓力對煤巖滲透特性的影響，為排採後期瓦斯抽採利用和CO2封存提供理論基礎。圍繞溫度和孔隙壓力共同影響的變形及滲透率演化的基礎問題，力圖建立可適用於求解該問題的吸附/解吸計算模型並推導煤巖基質膨脹/收縮與滑脫效應的滲流數學表達式。採用實驗室測試、理論分析和數值模擬相結合的方法，探究溫度和孔隙壓力對滲透率的影響機制，為研究煤巖增透和瓦斯運移演變提供科學依據。
來源：
李波波,高政,楊康,等.考慮溫度、孔隙壓力影響的煤巖滲透性演化機制分析[J]. 煤炭學報,2020,45(2):626-632.
LI Bobo,GAO Zheng,YANG Kang,et al. Analysis of coal permeability evolution mechanism considering the effect of temperature and pore pressure[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(2):626-632.
責任編輯：韓晉平
編輯整理：郭曉煒
審 核：常琛
End
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