与应力和力学性能相关的干湿高阶煤试样渗透性实验研究

这对更清洁能源为何重要

煤层气——被困在煤层中的天然气——如果能高效开采，将有助于减少碳排放。一个主要障碍是气体在深部致密煤中的流动十分困难，尤其是在上覆地层荷载使岩体受压并且充满水的情况下。本研究细致考察了挤压和浸水如何改变煤的透气性，以及煤自身的强度和刚度如何保护或破坏这种流动。研究结果为在地下管理水和压力的同时，提高深部煤层气产量提供了实用线索。

煤如何储存与迁移气体

煤并非均质块体：在显微尺度上，它布满孔隙和天然裂缝，这些通道充当甲烷的微型管道。气体流动的难易程度，即渗透性，取决于这些通道的通畅程度。随着开采中煤层排水，地下的力平衡发生变化。水压和气压下降，而周围岩石的重量越来越多地由煤的骨架直接承担。这种“有效”应力趋于使裂缝闭合，而岩石的力学性质——如强度、刚度或可变形性——决定了这一过程的速度。作者旨在将这些力学特征直接与中国秦淮（注：原文秦水盆地）盆地高阶（成熟度很高）煤样在干态和含水态下渗透性的变化联系起来。

在实验室里对煤施加压力

研究团队从数个矿区取出小柱状煤样，在受控的实验室条件下进行测试。首先，他们测量了在逐步升高周围压力以模拟原位应力增加时，干煤中氦气的流动性。随后，他们对已被不同含水率饱和的试样重复这些测试，范围从完全干燥到完全饱和。同时，他们通过压缩和劈裂试验测定每个样品的抗压和抗拉强度、弹性模量（刚度）、泊松比（受压时横向膨胀程度）以及浸泡后软化程度。渗流测试与力学测试相结合，使他们能够量化应力、水和岩体力学之间的相互作用。

应力和含水率对气体流动的影响

实验表明，干态和湿态高阶煤的气体渗透性都随着有效应力的增加呈指数下降：最初几兆帕的额外应力会导致流量快速下降，随后随着裂缝大部分闭合而趋于平缓。含水使这一问题更加严重。随着含水饱和度增加，渗透性下降更快，煤的“应力敏感性”增强——少量额外载荷或压力变化便会引起更大的流量损失。当样品完全饱和时，在中等应力水平下大部分原有渗透性已经受损。这意味着在实际煤层气井中，排水和降压可能会更早、更严重地压闭湿煤的天然裂缝，而不是在较干的煤层中。

煤的强度与结构如何控制敏感性

作者还发现，与围岩相比，高阶煤往往较弱且更易变形，表现为较低的抗压和抗拉强度、较低的刚度以及相对较高的泊松比。随着煤的热成熟度提高（如镜质组反射率升高），其强度和刚度增加，泊松比下降，反映出结构更致密、更刚性。更强、更刚的样品起始渗透性通常较低——因为其裂缝本就更窄——但在额外应力作用下其流通通道受损较少。相反，泊松比较高、横向变形更多的煤，虽然初始渗透性更高，但在载荷下遭受更大、更快速的渗透性损失。含水还进一步降低强度（显著软化），尤其是在富含某些黏土矿物的煤中，使其裂缝更容易闭合。

对开采甲烷的意义

总体而言，该研究表明深部煤层的渗透性并非固定属性，而是由应力、含水和岩石力学共同控制的动态目标。高含水饱和度和力学上弱、易变形的煤会在初期表现出较高的气流，但在井筒降压过程中会迅速崩塌。较强、更刚、更干的煤虽起始更致密，但在应力增加时能更好地保持通道。对工程师而言，这些结果强调了谨慎管理压力与排水的重要性，并在含水丰富的煤层中设计能保持裂缝支护的增产措施。在实践中，了解煤层的强度、刚度及其在水中软化的倾向，可帮助预测渗透性的演变并制定维持长期甲烷产量的策略。

引用: 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

关键词: 煤层气, 煤层渗透性, 应力敏感性, 含水饱和度, 岩石力学