游离气与吸附气对煤层纵波速度影响的实验与数值模拟研究

《Scientific Reports》：Free and adsorbed gas control P-wave velocity in coal through effective stress and adsorption-induced swelling

　　

摘要

理解游离气和吸附气如何影响煤层中的地震波速度对于含气储层评价具有重要意义，但两者的单独作用仍难以分离。本研究将氦气和甲烷的超声波测量与基于X射线计算机断层扫描重建的三维煤样模型的模拟相结合，以区分游离气、气体吸附和孔隙压力对纵波速度的影响。结果表明，游离气主要通过随孔隙压力增加而降低有效应力来改变纵波速度，而吸附甲烷则通过吸附诱导膨胀改变煤体骨架。在恒定围压下，低孔隙压力时甲烷吸附占主导地位并使纵波速度增大；在较高孔隙压力时，有效应力降低占主导作用，纵波速度下降。数值模拟再现了这些实验趋势，并表明观察到的非单调速度响应源于吸附诱导的煤体骨架强化与较低有效应力相关的压力诱导弱化之间的竞争。这些发现阐明了游离气和吸附气在控制煤层声学特性方面的不同但耦合的作用，并为煤层气储层评价和气体监测中纵波测量的解释提供了物理基础。