不同孔隙压力下完整与裂隙煤体渗透率演化规律：实验测试与解析建模

《ACS Omega》：Permeability Evolution of Intact and Fractured Coals Subject to Varying Pore Pressures: Laboratory Tests and Analytical Modeling

本文通过实验室渗流实验（控制孔隙压力条件）与解析建模技术（涵盖不同裂隙类型的渗透率表征模型），系统研究了变孔隙压力作用下煤体多尺度裂隙的渗透率演化规律。实验揭示完整煤样渗透率随孔隙压力升高呈先降后升的"U"型趋势，自支撑煤样则呈现单调递增特征，而支撑裂隙渗透率显著高于前两者且近似线性增长。新建模型在表征完整煤样、自支撑煤样及支撑裂隙渗透率动态演变时，较现有模型展现出更优的适用性与预测精度。

　　

引言

在温室气体减排与碳捕集封存技术推进的背景下，煤层气（CBM）的可持续开发对全球能源供应及气候目标平衡具有双重意义。然而煤体致密结构导致多数煤层气赋存于低渗透煤岩中，需通过热冲击、循环冻融及水力压裂等技术进行渗透性改造。其中水力压裂因可操作性强、适用性广成为煤层气开发核心手段，但该过程不仅形成由支撑剂保持开放的水力裂隙，还会产生完全依赖煤体自身结构的未改造盲区与自支撑区。这类多尺度裂隙的共存极大增加了煤层气渗流规律研究的复杂性，而煤层气开采过程中储层气体压力的持续变化会进一步引发多尺度裂隙渗流能力的动态响应，其渗透率演变直接影响开发可行性、效率与经济效益。

方法

实验煤样取自沁水盆地南部寺河煤矿，尺寸为30×15×15 cm³，支撑剂购自河北华源矿业有限公司，通过不同目数筛网（20–30、40–60、60–80、80–100目）进行粒径分级。多尺度裂隙渗流实验系统包含不锈钢岩心夹持器、高压甲烷气源、ISCO泵（围压范围0.007–70 MPa）、六通阀、真空泵、压力计（精度0.1 kPa）及流量计（精度0.01 mL/min），实验全程维持40°C恒温。完整煤样与自支撑煤样采用传统气体测渗法，支撑裂隙样品因难以稳定维持进口压力而采用脉冲衰减法进行渗透率测量。

实验结果与讨论

完整煤样渗透率在低压阶段受吸附膨胀应变主导而下降，高压阶段应力敏感效应占优导致渗透率回升，整体呈"U"型曲线。自支撑煤样因人工裂隙增强压缩性，应力敏感效应远超吸附膨胀影响，渗透率随孔隙压力单调递增（例如0.5→3 MPa时渗透率提升约5倍）。支撑裂隙渗透率显著高于前两类样品，且呈近线性增长趋势：较高支撑剂浓度（如0.525 kg/m²）与较大粒径（如20–30目）对应更高渗透率；低浓度时渗透率随浓度增加显著提升（0.116→0.525 kg/m²增幅30.97%），但浓度继续增加时增强效应衰减（0.525→1.684 kg/m²增幅降至12.95%）；大粒径支撑裂隙对孔隙压力变化更敏感（20–30目与80–100目样品在0.5→3 MPa压力区间渗透率增长率分别为5.89%和4.41%），这与单位支撑剂承受有效应力差异导致的嵌入变形程度相关。

渗透率表征模型建立与验证

基于煤体吸附应变与应力敏感耦合机制，构建同时适用于完整煤样与自支撑煤样的渗透率模型（式15），仅需初始孔隙度与压缩系数两个不确定参数。对于支撑裂隙，推导考虑支撑剂浓度、粒径、嵌入变形及吸附膨胀效应的压缩系数模型（式17–18），建立涵盖应力敏感、吸附膨胀与滑脱效应的全耦合渗透率表征模型（式34）。模型验证表明：新建模型对完整煤样与自支撑煤样的拟合优度优于SD模型与Tan模型；对支撑裂隙的预测精度显著高于Cheng模型与Li模型，尤其在处理有效应力在支撑剂间的分配机制方面更具物理合理性。

潜在研究方向

需进一步探究真实气体效应（分子体积占据有效流动空间）及多组分气体（CO₂、N₂等）吸附特性对深部煤层多尺度裂隙渗透率的影响。未来可通过将新建模型与嵌入式离散裂隙模型（EDFM）结合，实现实验室规律向工程尺度的可靠推演。

结论

1. 1.
   完整煤样渗透率随孔隙压力升高呈"U"型变化，自支撑煤样呈单调递增，支撑裂隙渗透率最高且近线性增长；
2. 2.
   大粒径支撑剂对应更高裂隙渗透率，且对压力变化更敏感；
3. 3.
   低支撑剂浓度时渗透率提升显著，高浓度时增强效应衰减；
4. 4.
   新建模型在多尺度裂隙渗透率表征中均优于现有模型，为煤层气高效开发提供理论支撑。