煤层气开采中深部煤体蠕变-渗流特性及细观演化机理研究

In the efficient exploitation of coalbed methane (CBM), the brittle deformation of coal turns into ductile deformation gradually, showing significant time dependence and impacting coal permeability and the CBM extraction efficiency greatly. In this project, “creep-seepage characteristics and meso evolution mechanism of in-situ deep coal in coalbed methane exploitation” is focused and the following research is intended to carry out. Firstly, the multi-stage triaxial creep-seepage tests of deep coal under long-term temperature-stress-gas pressure coupling effect are to be conducted to reveal the creep-seepage characteristics of deep coal. Secondly, combined with the micro-CT scanning, the quantitative damage evolution of microscopic crack propagation, closure, bifurcation and penetration of deep coal at different creep stages with temperature, stress, gas pressure, time and creep deformation at meso scale are to be studied to reveal the intrinsic creep damage evolution mechanism, and then the relationship between creep strain and percolation probability of cracks network is to be obtained to reveal the evolution mechanism of permeability of coal during creep. Finally, the creep-damage constitutive model of coal under multi-field coupling and the permeability model of coal considering creep deformation are to be established. The in-situ creep deformation characteristics of deep coal and its influence on reservoir permeability during coalbed methane exploitation is to be studied through numerical simulation. The results in this project will provide important references for CBM reservoirs stimulation and the efficient exploitation of CBM.

煤层气高效开采中，深部煤体变形由脆性向延性转变，表现出显著蠕变特征，势必影响煤储层渗透性和煤层气抽采效率。本项目拟围绕“煤层气开采中深部煤体蠕变-渗流特性及细观演化机理”开展以下研究：1）通过不同温度、应力、瓦斯压力耦合作用下的煤体三轴蠕变-渗流试验，揭示深部煤体蠕变-渗流特性；2）配合显微CT在线扫描，在细观微米尺度上，研究深部煤体不同蠕变阶段细观微裂纹扩展、闭合、分岔、贯通等损伤随温度、应力、瓦斯压力、时间和蠕变变形的演化特征，揭示深部煤体蠕变损伤机理；建立煤体不同蠕变阶段微裂纹连通团的逾渗概率与蠕变应变的关系，揭示煤体蠕变过程中渗透性演化机理。3）建立温度-应力-瓦斯压力多场耦合作用下的煤体损伤蠕变本构模型和渗透率演化模型，通过数值模拟揭示工程尺度下，煤层气开采过程中深部煤体原位蠕变变形特征及其对储层渗透性的影响。研究成果对于深部煤层气储层改造、煤层气资源高效开发具有重要意义。

在深部温度-应力-气体压力耦合作用下，煤体物理力学特性明显不同于浅部，煤体发生蠕变变形，渗流通道发生演化。本研究成果揭示了温度-应力-气体压力长期耦合作用下，煤样的渗流演化基本经历三个蠕变变形阶段：蠕变起始应力阈值前的压密硬化阶段、体积压缩的蠕变变形阶段和体积膨胀的蠕变变形阶段；煤样渗透率先逐渐降低再增加，且渗透率演化与体积时效变形存在一致性。升高温度，有助于煤体蠕变变形的发生。温度较高时，煤体蠕变对渗透率降低的影响较大，煤体渗透率损失最大可达40.35%。结合CT扫描，煤体变形过程中，试样初期先压密而后随应变增加出现损伤，各扫描层面的密度损失增量先略微增加，而后逐渐减小，在最大应变下，试样失稳，密度损伤增量降低显著。基于弹性模量、黏滞系数与温度的关系，建立了温度相关的煤体统一流变本构模型。在此基础上，基于孔隙度与渗透率之间的联系，将不同温度、应力下的煤体温度相关性本构模型引入到渗透率模型中，建立了考虑不同温度、应力下煤的蠕变变形行为的煤的温度-蠕变-渗透率模型。该模型能很好地描述煤体渗透率转折点前的渗透率演化规律。.本研究成果可解释煤层气开采周期中，早期抽采效率高，但是后期难以达标的现象，除了抽采后期瓦斯压力衰竭、驱动力不足的原因之外，还可能是煤体在高温、高地应力和渗流场耦合作用下发生了长期热黏弹塑性变形，导致渗流通道演化，渗透性降低。这可能是部分煤层气井产能不能持续增加的重要原因。在煤层气热力开采的基础研究中，只有将原位多场耦合作用下的煤体蠕变变形对储层渗透率的影响考虑在内，制定合适的储层改造应对措施，才能更好地解决煤层气开采中深部煤体煤层气产能降低的问题，从而进一步指导煤层气开采工艺。研究成果对于我国加快发展煤层气战略新兴产业和建设国家综合能源基地，保障战略实施具有重要意义。