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
【专利摘要】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。
【专利说明】—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】
[0001]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】
[0002]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一渗透率。我国煤层渗透率一般在I 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。
[0003]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I 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一达西定律，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。
[0004]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ΛΡ/AL或微分形式dP/dL表示，式中P为压力；L为距离。
[0005]渗透率:压力梯度为I时，动力黏滞系数为I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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]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
【权利要求】
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V=
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。
【文档编号】E21B49/00GK103670392SQ201310746879
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】韩颖, 张飞燕, 王革学, 苏现波, 倪小明, 郭红玉, 程虹铭, 宋德尚, 朱林剑, 王博, 曹文涛, 周玉军, 余伟凡, 杨志龙, 任艳普, 张平生 申请人:河南理工大学