气体吸附对煤岩渗流及力学性质的影响

煤岩储层具有双重孔隙介质特征,裂隙是煤层渗透率的主要贡献者,孔隙结构影响煤岩对气体的吸附性,绝大多数煤层气以吸附态赋存于孔隙中。气体吸附引起煤基质膨胀,使裂隙宽度变窄,导致渗透率降低。气体吸附弱化煤岩的力学性质,导致煤层稳定性变差。深入研究气体吸附对煤岩渗流及力学性质的影响,对认清煤层渗透率变化规律和优化工程作业环节具有积极意义。 学位论文以宁武盆地9号煤为研究对象,基于煤岩矿物组分、物性特征、孔隙结构特征分析,研究了煤岩对不同气体的吸附特性。利用高温／高压三轴气体吸附-渗流实验装置,实验研究了气体吸附对煤岩渗流能力的影响,实验评价了气体吸附对煤岩力学强度的影响,探讨了气体吸附对煤层稳定性的影响。 认清了9号煤岩孔隙结构特征。通过薄片分析、扫描电镜和CT扫描等孔隙结构可视化分析,指出煤岩的微裂隙较发育,但连通性差。基于氮气吸附、压汞分析和核磁共振分析结果,明确了煤岩基质孔隙以纳米级孔隙为主并且孔隙结构复杂。 明确了9号煤岩对不同类型气体吸附能力的差异性。运用HKY-Ⅱ型全自动吸附气含量测试系统,测定了煤岩对N2、CH4、CO2的吸附能力,分析了气体吸附对表面自由能和基质膨胀量的影响。研究表明,煤岩对CO2的吸附性最强,其次是CH4,对N2的吸附性最弱；随着吸附量的增加,表面能降低幅度增大,基质膨胀量增大。 研制了高温／高压三轴气体吸附-渗流实验装置。开展了孔压、围压、轴压及应力-应变等条件变化下的煤岩渗透率测定实验,探讨了气体吸附对煤岩渗透率的影响。结果表明,煤岩吸附气体后渗透率将不同程度降低,吸附性越强的气体导致的渗透率降低越明显；恒定有效应力条件下,孔压加载和卸载过程中渗透率存在滞后现象；恒定轴压和围压条件下,渗透率随孔压变化存在临界压力现象,表现为吸附作用和有效应力控制两个阶段；恒定孔压条件下,随轴压或围压的增大,渗透率逐渐减小；恒定围压和孔压条件下,煤岩随轴压增大经历压实-破坏-再压实过程,渗透率表现为降低-急剧增大-小幅降低。考虑煤岩出口端回压作用,改进了三轴应力下渗透率预测模型。 揭示了气体吸附对煤岩力学强度的影响。开展了气体吸附前后煤岩抗拉、单轴压缩、三轴压缩实验。结果表明：吸附气体后煤岩塑性软化特性增强,抗拉、单轴抗压、三轴抗压强度均降低,气体的吸附性越强其降低程度越显著。基于实验结果改进了吸附气体煤岩膨胀量计算方法,完善了煤岩应力-应变曲线预测模型。 探索了原地条件下非烃类气体吸附对煤层稳定性的影响。利用非连续介质力学模型,分析了井壁稳定系数对煤层稳定性的影响。基于气体吸附状态下煤岩力学性质,优化了现场用钻井液密度,指出了提高钻井液封堵性是保证煤层稳定的关键。推导了裂纹扩展速度方程,模拟计算指出注入气体压力越高、吸附性越强,裂纹扩展速度越大。