CN103670392A - 一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，通过在煤矿井下采集五类煤样，制成标准煤芯，确定出每个煤芯的地质强度指标值，然后再测算出煤芯的启动压力梯度值，并对多种煤样进行一系列的启动压力梯度测试，得出各类煤样的启动压力梯度值，然后将各类煤样的启动压力梯度值与其对应的地质强度指标值进行回归分析，得出二者的关系；最后得出结论，根据在煤矿井下采集煤样或者直接观测煤壁，获取煤层的煤体结构，确定煤层的GSI值后，即可得出煤层瓦斯的启动压力梯度，将其与瓦斯压力梯度进行比较，即可快速判定煤层瓦斯的流动状态。本发明为抽采难易程度评价及抽采工艺的选择提供指导，并为瓦斯抽采理论的进一步完善提供参考。

Description

一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法

技术领域

本发明涉及一种煤层瓦斯流动状态判识方法，尤其是一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法。

背景技术

瓦斯的高效抽采是灾害治理和资源利用的根本性措施之一，其效果主要取决于煤层与外部空间联系的纽带—渗透率。我国煤层渗透率一般在1 md以下，具有“低渗”特点。长期的低渗透油气藏开发实践表明，流体在低渗多孔介质中的流动不再遵循达西定律，而是带有启动压力梯度的低速非线性渗流。启动压力梯度概念由前苏联学者B.A.费劳林于1951年提出，他认为只有当实际压力梯度大于某一临界值时，流动才能发生，此临界值称为启动压力梯度。

研究表明：当瓦斯在煤层中流动时，若瓦斯压力梯度（煤层埋藏深度每增加1 m，煤层瓦斯压力的平均增加值，一般为0.005~0.015 MPa/m）大于启动压力梯度，瓦斯将发生低速非线性渗流；反之将不流动，此时瓦斯仅通过扩散途径产出；只有当启动压力梯度为零时，瓦斯才会发生线性渗流。但是，现行瓦斯抽采技术大多遵循线性渗流理论—达西定律，往往忽略了低渗煤层内存在的低速非线性渗流及扩散现象，导致抽采难易程度评价及抽采工艺选择出现偏差。针对具有不同煤体结构的煤层，如何快速、准确地评价其抽采难易程度以及选择适宜的抽采工艺，以实现瓦斯高效抽采，是煤矿现场亟待解决的问题。而解决该问题的前提及关键，在于对瓦斯在不同煤体结构煤层内流动状态的准确把握。

本发明中涉及到的若干专业术语做出如下解释：

压力梯度：沿流体流动方向，单位路程长度上的压力变化，可用增量形式△P/△L或微分形式dP/dL表示，式中P为压力；L为距离。

渗透率：压力梯度为1时，动力黏滞系数为l的液体在介质中的渗透速度，渗透率是表征土或岩石本身传导液体能力的参数，其大小与孔隙度、液体渗透方向上空隙的几何形状、颗粒大小以及排列方向等因素有关，而与在介质中运动的液体性质无关。渗透率（k）用来表示渗透性的大小。在一定压差下，岩石允许流体通过的性质称为渗透性；在一定压差下，岩石允许流体通过的能力叫渗透率。

启动压力梯度：只有当实际压力梯度大于某一临界值时，流动才能发生，此临界值称为启动压力梯度。

达西定律：反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律，其表达式为Q=KFh/L，式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面，h为总水头损失，L为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗透系数。关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即Q=Fv。或，据此，达西定律也可以用另一种形式表达v=KI，v为渗流速度。上式表明，渗流速度与水力坡度一次方成正比。说明水力坡度与渗流速度呈线性关系，故又称线性渗流定律。达西定律适用的上限有两种看法：一种认为达西定律适用于地下水的层流运动；另一种认为并非所有地下水层流运动都能用达西定律来表述，有些地下水层流运动的情况偏离达西定律，达西定律的适应范围比层流范围小。这个定律说明水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性能成正比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在煤矿井下采集具有代表性的I类非破坏煤、II类破坏煤、III类强烈破坏煤、IV类粉碎煤、V类全粉煤煤样；

    第二步，在实验室内将各煤样制成规格相同的标准煤芯；

    第三步，确定每个标准煤芯的地质强度指标GSI值；

第四步，根据达西定律                                               

，得出存在启动压力梯度时的气体渗流方程，采用启动压力测试系统，测出一系列v与p ₁ ²-p ₂ ²的值，并将多组v与p ₁ ²-p ₂ ²的值进行回归分析，计算出常数a、b值，代入推算出的启动压力梯度的计算公式

，得出λ的值，其中，v为气体通过煤芯的流速，m/s；K为煤芯渗透率，m²；p ₁为入口气体压力，Pa；p ₂为出口气体压力，Pa；p ₀为大气压力，101325 Pa；μ为气体粘度，Pa.s；L为气体流经长度，即煤芯高度，m。

第五步，对多种煤样进行一系列的I～V类煤样的启动压力梯度测试，得出各类煤样的启动压力梯度值λ，然后将各类煤样的启动压力梯度值λ与其对应的地质强度指标GSI值进行回归分析，得出二者的关系；

第六步，得出结论，根据在煤矿井下采集煤样或者直接观测煤壁，获取煤层的煤体结构，确定煤层的GSI值后，即可得出煤层瓦斯的启动压力梯度λ，将λ与瓦斯压力梯度Δp/L进行比较，即可快速判定煤层瓦斯的流动状态：Δp/L≥λ，为低速非线性渗流；Δp/L＜λ，为扩散；λ=0，为线性渗流。

在第三步中，将每个煤芯与煤体结构量化的GSI图版进行比对，确定其地质强度指标GSI值。

所述标准煤芯为圆柱形煤芯，其直径为50 mm，高度为50 mm或100 mm。

所述启动压力梯度测试系统包括一个用于放置煤样的煤样罐，所述煤样罐的两端均设有试验机压头，煤样设置于两个试验机压头之间，还包括一个用于提供高压N₂气源的高压气罐，煤样罐的两端设有气道，进气口与高压气罐连通，排气口与大气连通，所述高压气罐的气路上设有减压稳压阀和气体压力传感器，所述压力传感器与静态电阻应变仪和数据处理仪连接，所述静态电阻应变仪与数据处理仪通讯采集入口气体压力，所述煤样罐的排气管路上设有气体质量流量计，所述气体质量流量计与气体流量积算仪和数据采集仪连接。

所述煤样与试验机压头之间还设有透气板。                

本发明的有益效果在于：

1.建立基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，可实现不同煤体结构煤层瓦斯流动状态的快速判识，查明瓦斯在低渗煤层内的非达西渗流特征，为抽采难易程度评价及抽采工艺的选择提供指导，并为瓦斯抽采理论的进一步完善提供参考和借鉴。

2.可为地面煤层气井产能预测提供理论依据，提高产能预测精度，对于指导煤层气开发具有重要的现实意义和理论价值。

附图说明

图1为煤的破坏类型分类表；

图2为煤体结构量化的GSI图版；

图3为启动压力梯度测试系统的结构示意图；

图4为本案实施例中经实测得出的若干组v与p ₁ ²-p ₂ ²的值；

图5为对图4中v与p₁ ²-p₂ ²进行回归分析得出的分析结果示意图；

图6为I~V类煤样启动压力梯度测试数据；

图7为将图6中的启动压力梯度λ值与地质强度指标GSI进行回归分析得到的分析结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：参见图1—7。

一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在煤矿井下采集具有代表性的I类非破坏煤、II类破坏煤、III类强烈破坏煤、IV类粉碎煤、V类全粉煤煤样；

关于五类煤样的判断标准，已在行业标准《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》（AQ 1024-2006）中明确规定，其他文献也多有公开。图1选自《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》（AQ 1024-2006），为煤的破坏类型分类表。

第二步，在实验室内将各煤样制成规格相同的标准煤芯，本实施例中，标准煤芯为圆柱形煤芯，其直径为50 mm，高度为50 mm或100 mm；

第三步，确定每个标准煤芯的地质强度指标GSI值，本实施例中，采用的方法是，将每个煤芯与煤体结构量化的GSI图版进行比对，确定其地质强度指标GSI值；

GSI图版是现有技术中已经发表过的东西，在此不赘述。

选取GSI图版是一种优选的实施方式，还可采用其他现有技术来确定每个标准煤芯的地质强度指标GSI值。

第四步，根据达西定律

，得出存在启动压力梯度时的气体渗流方程

。采用启动压力测试系统，测出一系列v与p ₁ ²-p ₂ ²的值，并将多组v与p ₁ ²-p ₂ ²的值进行回归分析，计算出常数a、b值，代入推算出的启动压力梯度的计算公式

，得出λ的值，其中，v为气体通过煤芯的流速，m/s；K为煤芯渗透率，m²；p ₁为入口气体压力，Pa；p ₂为出口气体压力，Pa；p ₀为大气压力，101325 Pa；μ为气体粘度，Pa.s；L为气体流经长度，即煤芯高度，m。

图3示出了启动压力梯度测试系统的结构及其基本工作原理；

所述启动压力梯度测试系统包括一个用于放置煤样9的煤样罐7，所述煤样罐7的两端均设有试验机压头6，煤样9设置于两个试验机压头6之间，还包括一个用于提供高压N₂气源的高压气罐1，煤样罐7的两端设有气道，进气口与高压气罐1连通，排气口与大气连通，所述高压气罐1的气路上设有减压稳压阀2和气体压力传感器3，所述压力传感器3与静态电阻应变仪4和数据处理仪5连接，所述静态电阻应变仪4与数据处理仪通讯采集入口气体压力，所述煤样罐7的排气管路上设有气体质量流量计10，所述气体质量流量计10与气体流量积算仪11和数据采集仪12连接。

所述煤样9与试验机压头6之间还设有透气板8。

10气体质量流量计：即时采集通过煤芯的气体质量流量，并与11气体流量积算仪连接，气体瞬时流量及累计流量同时显示在11气体流量积算仪的电子屏幕上。

12数据采集仪：对实验过程中的气体流量变化规律自动进行分析，并以曲线形式展现。

图中，13为声发射探头，14为声发射数据记录仪，15为煤的应力应变计算机处理系统，这几个部件与本发明内容无直接关系，不赘述。

实验步骤如下：

将圆柱形标准煤芯放入煤样罐内，利用RMT-150B伺服试验机通过试验机压头6对煤样9加压，施加2 kN轴向力，确保煤样罐密封良好，利用真空泵抽真空8 h。

利用RMT-150B伺服试验机通过试验机压头6对煤样9继续加压，施加4 kN轴向力，2 MPa围压。

打开高压气罐1，将入口气体压力p ₁调至较高值（为确保测试系统密封良好，测试过程中气体压力不得超过2 MPa），关闭减压稳压阀2，气体质量流量计10与气体流量积算仪11采集的数据，经数据采集仪12换算自动生成流经圆柱形标准煤芯的气体流速v。需要说明的一点是，测试系统排气口端直通大气，故出口气体压力p ₂=p ₀=101325 Pa。

按上述方法，逐步降低p ₁值，测试相应的v与p ₁ ²-p ₂ ²。

根据达西定律，当不考虑启动压力梯度时的气体渗流方程为：

                       （1）

式中，v为气体通过煤芯的流速，m/s；K为煤芯渗透率，m²；p ₁为入口气体压力，Pa；p ₂为出口气体压力，Pa；p ₀为大气压力，101325 Pa；μ为气体粘度，Pa.s；L为气体流经长度，即煤芯高度，m。

由式（1）可以看出，当气体渗流符合达西定律时，v与p ₁ ²-p ₂ ²为通过原点的线性关系，除了v与p ₁ ²-p ₂ ²外，其它参数都为常数、定值，所以公式（1）可以写成v=a(p₁ ²-p₂ ²)。

当存在启动压力梯度时，气体渗流方程必然不会通过原点，此时，气体渗流方程为：

                        （2）

式中，a、b为常数，实验测试一系列v与p ₁ ²-p ₂ ²，通过回归分析，确定a、b值。

令v=0，则：

                          （3）

因此，启动压力梯度计算公式为：

                        （4）

式中，λ为启动压力梯度，Pa/m，L为气体流经长度，即煤芯高度，m；

    通过图3所示的启动压力测试系统测出一系列v与p ₁ ²-p ₂ ²的值，本案中选取一种煤样进行实测，得到如图4所示的结果。

    然后对图4中的结果进行回归分析，得到如图5所示的关系示意图，由图5得出，a=1.27698×10-15，b=2.46874×10-6，将其代入式（4），得出λ=0.183 MPa/m。

     第五步，对多种煤样进行一系列的I～V类煤样的启动压力梯度测试，得出各类煤样的启动压力梯度值λ，然后将各类煤样的启动压力梯度值λ与其对应的地质强度指标GSI值进行回归分析，得出二者的关系。

对多种煤样进行启动压力测试得到的λ值详见图6。

将各煤样的λ值与地质强度指标GSI进行回归分析，得到的分析结果如图7所示。由图7可以看出，启动压力梯度与地质强度指标关系显著。当GSI=46.58时，λ=0；当GSI＜46.58时，

，λ随GSI的增大而减小；当GSI＞46.58时，

，λ随GSI的增大而增大。

综上所述，只要在煤矿井下采集煤样或者直接观测煤壁，获取煤层的煤体结构，并与煤体结构量化的GSI图版进行比对，确定煤层的GSI值后，即可通过上述关系得出煤层瓦斯的启动压力梯度λ，将λ与瓦斯压力梯度Δp/L进行比较，即可快速判定煤层瓦斯的流动状态：Δp/L≥λ，为低速非线性渗流；Δp/L＜λ，为扩散；λ=0，为线性渗流。

Claims (5)

1.一种基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在煤矿井下采集具有代表性的I类非破坏煤、II类破坏煤、III类强烈破坏煤、IV类粉碎煤、V类全粉煤煤样；

第二步，在实验室内将各煤样制成规格相同的标准煤芯；

第三步，确定每个标准煤芯的地质强度指标GSI值；

第四步，根据达西定律                                               

，得出存在启动压力梯度时的气体渗流方程

，采用启动压力测试系统，测出一系列v与p ₁ ²-p ₂ ²的值，并将多组v与p ₁ ²-p ₂ ²的值进行回归分析，计算出常数a、b值，代入推算出的启动压力梯度的计算公式

，得出λ的值，其中，v为气体通过煤芯的流速，m/s；K为煤芯渗透率，m²；p ₁为入口气体压力，Pa；p ₂为出口气体压力，Pa；p ₀为大气压力，101325 Pa；μ为气体粘度，Pa.s；L为气体流经长度，即煤芯高度，m；

第五步，对多种煤样进行一系列的I～V类煤样的启动压力梯度测试，得出各类煤样的启动压力梯度值λ，然后将各类煤样的启动压力梯度值λ与其对应的地质强度指标GSI值进行回归分析，得出二者的关系；

第六步，得出结论，根据在煤矿井下采集煤样或者直接观测煤壁，获取煤层的煤体结构，确定煤层的GSI值后，即可得出煤层瓦斯的启动压力梯度λ，将λ与瓦斯压力梯度Δp/L进行比较，即可快速判定煤层瓦斯的流动状态：Δp/L≥λ，为低速非线性渗流；Δp/L＜λ，为扩散；λ=0，为线性渗流。

2.根据权利要求1所述的基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于：在第三步中，将每个煤芯与煤体结构量化的GSI图版进行比对，确定其地质强度指标GSI值。

3.根据权利要求1所述的基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于：所述标准煤芯为圆柱形煤芯，其直径为50 mm，高度为50 mm或100 mm。

4.根据权利要求1所述的基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于：所述启动压力梯度测试系统包括一个用于放置煤样的煤样罐，所述煤样罐的两端均设有试验机压头，煤样设置于两个试验机压头之间，还包括一个用于提供高压N₂气源的高压气罐，煤样罐的两端设有气道，进气口与高压气罐连通，排气口与大气连通，所述高压气罐的气路上设有减压稳压阀和气体压力传感器，所述压力传感器与静态电阻应变仪和数据处理仪连接，所述静态电阻应变仪与数据处理仪通讯采集入口气体压力，所述煤样罐的排气管路上设有气体质量流量计，所述气体质量流量计与气体流量积算仪和数据采集仪连接。

5.根据权利要求4所述的基于启动压力梯度的煤层瓦斯流动状态快速判识方法，其特征在于：所述煤样与试验机压头之间还设有透气板。

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