Экспериментальное исследование проницаемости сухих и влажных образцов угля высокого ранга в зависимости от напряжённого состояния и механических свойств

Почему это важно для чистой энергетики

Угольный метан — природный газ, запертый в угольных пластах — может помочь сократить выбросы углерода, если его удастся добывать эффективно. Главная преграда в глубоком, плотном угле — затруднённая подача газа, особенно когда порода испытывает напряжение от вышележащих пород и заполнена водой. В этой работе подробно исследуют, как сжатие и увлажнение угля изменяют его способность пропускать газ, и как собственная прочность и жёсткость угля либо сохраняют, либо разрушают этот поток. Полученные результаты дают практические подсказки по повышению эффективности добычи газа из глубоких пластов при контроле за водой и давлением под землёй.

Как уголь удерживает и передаёт газ

Уголь — не монолит: на микроскопическом уровне он пронизан порами и естественными трещинами, которые действуют как крошечные трубопроводы для метана. Легкость движения газа, или проницаемость, зависит от того, насколько открыты эти каналы. По мере опорожнения пласта при добыче меняется баланс сил в недрах. Давление воды и газа падает, а вес окружающих пород всё в большей степени передаётся непосредственно каркасу угля. Это «эффективное» напряжение стремится зажать трещины, и механические свойства породы — насколько она прочна, жёстка или деформируема — определяют скорость этого процесса. Авторы поставили задачу напрямую связать эти механические характеристики с изменениями проницаемости как сухих, так и водонасыщенных образцов угля высокого ранга из бассейна Циньшуй.

Как испытывали уголь в лаборатории

Исследователи получали с керна небольшие цилиндры угля из нескольких шахт и тестировали их в контролируемых лабораторных условиях. Сначала они измеряли проводимость гелиевого газа через сухой уголь при постепенном нарастании окружающего давления, имитируя увеличение напряжённого состояния в недрах. Затем те же испытания повторяли на образцах, насыщенных водой в разной степени — от полностью сухих до полностью заполненных водой. Параллельно выполняли сжатие и испытания на раскалывание, чтобы определить для каждого образца прочность на сжатие и растяжение, модуль упругости (жёсткость), коэффициент Пуассона (насколько он распирается в стороны при сжатии) и степень размягчения при замачивании. Такое сочетание фильтрационных и механических испытаний позволило количественно оценить взаимодействие напряжения, воды и механики пород.

Как напряжение и вода влияют на поток газа

Эксперименты показывают, что проницаемость газа в сухих и влажных углях высокого ранга экспоненциально уменьшается с ростом эффективного напряжения: первые несколько мегапаскалей дополнительного напряжения вызывают резкое падение потока, которое затем замедляется по мере того, как трещины в основном закрываются. Вода усугубляет ситуацию. С увеличением водонасыщения проницаемость снижается быстрее, а уголь становится более «чувствительным» к напряжению — небольшие дополнительные нагрузки или изменения давления вызывают значительное дальнейшее снижение потока. К моменту полной насыщенности при достижении умеренных уровней напряжения большая часть исходной проницаемости оказывается утрачена. Это означает, что в реальных скважинах для добычи угольного метана осушение и понижение пластового давления могут быстро сжать влажный уголь, закрывая его естественные трещины раньше и сильнее, чем в более сухих пластах.

Как прочность и структура угля контролируют чувствительность

Авторы также обнаружили, что уголь высокого ранга, как правило, относительно слаб и податлив по сравнению с окружающими породами: у него низкая прочность на сжатие и растяжение, низкая жёсткость и относительно высокий коэффициент Пуассона. По мере повышения термической зрелости (более высокий показатель отражательной способности витринита) его прочность и жёсткость увеличиваются, а коэффициент Пуассона снижается, что отражает более плотную и жёсткую структуру. Более прочные и жёсткие образцы обычно имели меньшую начальную проницаемость — поскольку их трещины изначально уже теснее — но их каналы течения хуже повреждались при возрастании напряжения. Напротив, угли с более высоким коэффициентом Пуассона, деформирующиеся сильнее в стороны, имели большую начальную проницаемость, но испытывали более крупные и быстрые потери проницаемости под нагрузкой. Воздействие воды дополнительно снижало прочность (существенное размягчение), особенно в углях, богатых определёнными глинистыми минералами, что облегчало закрытие их трещин.

Что это значит для добычи метана

В целом исследование показывает, что проницаемость глубоких угольных пластов — не постоянная характеристика, а переменная величина, управляемая напряжением, водой и механикой породы. Высокая водонасыщенность и механически слабый, податливый уголь приводят к высокой первоначальной проводимости, которая быстро разрушается при разгрузке скважин. Более прочный, жёсткий и сухой уголь может изначально быть теснее, но сохраняет свои каналы течения лучше по мере роста напряжения. Для инженеров это подчёркивает важность аккуратного управления давлением и удалением воды, а также проектирования методов стимулирования, которые поддерживают трещины раскрытыми, особенно в водонасыщенных пластах. Практически понимание прочности, жёсткости и склонности угля к размягчению в воде помогает прогнозировать изменение проницаемости и поддерживать добычу метана в долгосрочной перспективе.

Цитирование: Zhao, K., Meng, Y. & Wang, X. Experimental study on permeability of dry and wet high rank coal specimens related to stress and mechanical properties. Sci Rep 16, 9892 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40273-4

Ключевые слова: угольный метан, проницаемость угля, чувствительность к напряжению, водонасыщение, механика горных пород