文光才，楊 碩，曹 偈

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 3.煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

預(yù)抽煤層瓦斯是防治煤礦瓦斯災(zāi)害的有效途徑，但受地質(zhì)條件制約，我國大部分煤層具有高瓦斯壓力、高吸附能力和低透氣性的特點，導(dǎo)致煤層瓦斯預(yù)抽難度大，抽采達標(biāo)時間長。為了提高瓦斯抽采效率，有效消除煤層瓦斯災(zāi)害，需要對煤層采取增透措施。為此，國內(nèi)外科技工作者進行了卓有成效的研究，形成了一系列井下煤層增透技術(shù)。煤層水力壓裂是近年發(fā)展較快的增透技術(shù)，在我國眾多煤礦取得了較好的增透效果[1-3]。但是，在水力壓裂時，高壓水注入到煤層中，引起孔隙壓力和有效應(yīng)力改變：一方面，促使煤層原生裂隙擴展及次生裂隙發(fā)育，增加煤層透氣性；另一方面，導(dǎo)致煤層含水率增高，水膜占據(jù)滲流通道、煤基吸水膨脹、黏土礦物水敏性損害等對煤層增透產(chǎn)生負(fù)面影響。

李相臣等[4]研究發(fā)現(xiàn)，水對瓦斯在煤體中的滲流和擴散影響很大，水飽和煤中瓦斯?jié)B流需要克服毛細(xì)管力，水相降低了瓦斯的擴散能力；叢連鑄[5]研究認(rèn)為，水堵塞煤層割理和煤基質(zhì)吸水膨脹是影響煤層滲透率的兩大因素，水對不同煤化階段煤層滲透率的影響有較大差別；袁梅等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水分對含瓦斯煤樣滲透率的影響明顯，含瓦斯煤滲透率與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并給出了煤樣滲透率與含水率之間的擬合方程；魏建平等[7]研究了含水率與含瓦斯煤滲透特性之間的關(guān)系，隨著煤樣中含水率的增加，含瓦斯煤的滲透率逐漸減小，整體呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

在石油和頁巖氣等資源的開發(fā)過程中，部分儲層由于含有較多的蒙皂石和伊蒙(伊利石、蒙皂石)間層等水敏礦物，研究發(fā)現(xiàn)壓裂水進入這些儲層后，往往會伴隨著黏土礦物水化膨脹、運移等現(xiàn)象，對儲層造成水敏性損害，導(dǎo)致儲層滲透率降低[8-9]。高嶺石等非膨脹性礦物經(jīng)水化作用后在高速流體的剪切作用下容易變成疏松的碎屑顆粒，并隨流體運移而堵塞孔隙造成運移水敏性，故驅(qū)替壓力的高低是制約其水敏效應(yīng)強弱的關(guān)鍵要素[10]。相應(yīng)地，煤層中也普遍存在蒙皂石、伊蒙混層等水敏性黏土礦物，水力壓裂同樣會使煤層發(fā)生水敏性損害，影響水力壓裂增透效果[11]。BAI X J等[12]對壓裂液進入煤層后的力敏、速敏和水敏性損害等進行了研究，結(jié)果表明煤具有很強的水敏性，會對煤層的滲透性造成很大損害。事實上，煤層具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)、獨特的瓦斯吸附/解吸及滲流特性。水力壓裂后煤層瓦斯?jié)B流水敏性損害機制十分復(fù)雜，系統(tǒng)研究水力壓裂后煤層瓦斯?jié)B流水敏性損害的機制和特征，對避免水敏性損害的發(fā)生或減弱水敏性損害程度，提高煤層瓦斯抽采效率具有重要意義。

1 煤體吸水膨脹變形特征實驗研究

煤中的有機質(zhì)與無機質(zhì)非常復(fù)雜地結(jié)合在一起，共同影響著煤的性質(zhì)。煤的有機組分中含有極性的原子基團和官能團，在吸附水分或氣體分子后，會降低煤表面的自由能和大分子結(jié)構(gòu)的交聯(lián)度，破壞煤的芳香環(huán)縮合程度，擾亂微晶結(jié)構(gòu)排列的有序度，引起微晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致煤體中有機組分吸附膨脹[13-14]。煤的無機組分中對水分敏感、影響煤層性能的主要是蒙皂石或伊蒙間層等水敏膨脹黏土礦物，當(dāng)蒙皂石與水接觸時，可交換的陽離子和黏土礦物表面的負(fù)電荷會吸附極性強的水分子進入晶層，在晶層間斥力的作用下，導(dǎo)致層間距增大，出現(xiàn)水化現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的膨脹性[15]。因此，煤中有機組分和無機組分在吸附水分后均會發(fā)生膨脹，二者的綜合作用導(dǎo)致水敏性損害的發(fā)生。

1.1 煤體吸水膨脹變形宏觀特征

通過實驗，對焦作古漢山礦無煙煤(GHS)、重慶渝陽礦無煙煤(YY)、晉城趙莊礦煙煤(ZZ)和平頂山五礦煙煤(PDS)4個煤樣在不同吸水條件下的膨脹變形宏觀特征進行研究。4個煤樣工業(yè)分析結(jié)果和煤灰中黏土礦物定量分析結(jié)果如表1、表2所示。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

表2 煤灰中全巖與黏土礦物定量分析結(jié)果

由表1和表2中煤樣的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰分中水敏膨脹黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算可得，古漢山煤、渝陽煤、趙莊煤和平頂山煤中的水敏膨脹黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.92%、6.23%、1.33%、4.67%。

1.1.1 煤樣制備與實驗方法

將煤樣粉碎并過80～60目篩(0.18～0.25 mm)，然后制成直徑50 mm、高度50 mm的型煤，放入恒溫干燥箱中以105 ℃干燥24 h。

采用熱力學(xué)平衡水法制備不同含水率的煤樣。熱力學(xué)平衡水法是利用氣態(tài)水化學(xué)勢差，水由氣態(tài)水化學(xué)勢高的密閉容器環(huán)境向化學(xué)勢低的煤樣體系中轉(zhuǎn)移，從而得到不同含水率的煤樣。將實驗室溫保持在25 ℃，將4種不同成分煤樣依次置于ZnCl2、MgCl2、MnCl2、NaCl和K2SO4過飽和溶液的密閉容器中，對應(yīng)的相對濕度分別為10%、32%、56%、75%、96%。測定煤樣質(zhì)量和體積隨時間的變化量，當(dāng)質(zhì)量趨于穩(wěn)定時的體積就視其為對應(yīng)含水率煤樣的體積。加上干燥煤樣和浸水煤樣，可獲得不同含水率的煤樣體積。

1.1.2 實驗結(jié)果分析

測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，在不同相對濕度條件下，各煤樣的變形經(jīng)歷了較長的時間，并且各煤樣含水率的變化均呈前期快后期慢的非線性變化趨勢，而膨脹率隨含水率變化的特性表現(xiàn)得十分明顯，膨脹的演化過程同樣是非線性的。YY煤樣的最大膨脹率為3.08%，PDS和ZZ煤樣的最大膨脹率分別為2.07%、0.99%，而水敏膨脹黏土含量最低的GHS煤樣的最大膨脹率為1.23%。

(a)GHS煤樣

煤中的無機組分和有機組分的共同作用導(dǎo)致煤遇水發(fā)生膨脹。無機組分的膨脹程度主要由水敏膨脹黏土的含量決定，而有機組分的膨脹程度與水分吸附量相關(guān)，即與煤階相關(guān)。鑒于煤在某一濕度下吸附水分和浸泡水分充填孔隙2個過程存在一定差異，為了獲得更加精確的回歸方程，將數(shù)據(jù)分為由相對濕度10%到96%和由相對濕度96%到100%兩個階段，選用煤的膨脹黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)、揮發(fā)分(V)和相對濕度(φ)3個因素進行多元線性回歸，得到膨脹率ε的回歸模型如下：

(1)

兩個階段的顯著性水平(P)分別為0和0.005 7，相關(guān)性系數(shù)R2分別為0.861 2和0.944 4。對各回歸系數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對比各因素的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)，分析不同因素對膨脹率的影響。多元線性回歸結(jié)果如表3所示。

表3 多元線性回歸結(jié)果

由表3可見：在相對濕度為10%～96%時，相對濕度是影響膨脹率最顯著的因素，其次是膨脹黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，煤變質(zhì)程度則排在最后；在煤樣浸水后(相對濕度大于96%)，水敏膨脹黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膨脹率的影響最為顯著，其次是相對濕度，煤變質(zhì)程度的影響相對較小。

1.2 煤體吸水膨脹變形微觀特征

選用水敏膨脹黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.23%的渝陽煤樣(YY)進行實驗研究。煤樣分干燥煤樣和去離子水飽水煤樣，采用低溫氮吸附實驗和壓汞實驗相結(jié)合的方法，測定其孔隙分布，其中孔徑0.001≤D≤0.1 μm時使用低溫氮吸附實驗的測試結(jié)果，孔徑D>0.1 μm時使用壓汞實驗的測試結(jié)果。根據(jù)霍多特[16]對煤孔隙的分類：微孔(D<0.01 μm，吸附容積)、小孔(0.01≤D<0.10 μm，毛細(xì)凝結(jié)和擴散區(qū)域)、中孔(0.10≤D≤1.00 μm，緩慢層流滲透區(qū)域)和大孔(D>1.00 μm，劇烈層流滲透區(qū)域)，實驗結(jié)果如表4和圖2所示。

表4 YY煤樣飽水處理前后孔隙結(jié)構(gòu)分布

圖2 YY煤樣飽水處理前后孔徑分布

從表4可以看出，YY煤樣在飽水處理后微孔、小孔孔隙體積相較干燥煤樣降低了23.15%，中孔、大孔體積相較干燥煤樣降低了28.38%。這表明水的介入降低了煤體全尺度孔隙體積，降低了煤樣瓦斯擴散與滲流能力。

為了進一步探究煤樣在飽水處理前后孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的原因，通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測YY煤樣在飽水處理前后的表面形貌特征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 飽水處理前后YY煤樣表面微觀特征

從圖3中可以看出：干燥煤樣的表面較為平整光滑，表現(xiàn)出較好的連續(xù)性，并且形狀較為規(guī)則，僅存在少量大小不一的孔隙和裂隙，并附著少量煤顆粒；飽水處理后煤樣，出現(xiàn)了明顯的黏土膨脹現(xiàn)象。水敏膨脹黏土遇水后水化膨脹，受煤體的內(nèi)部限制，膨脹物向煤樣表面擠出，在煤樣表面出現(xiàn)了一些深色區(qū)域，在這些區(qū)域存在許多膨脹物，其大小為1～10 μm，尺度與大孔相當(dāng)。

2 水力壓裂煤體瓦斯?jié)B流特性實驗研究

為了探究水敏性損害對煤層水力壓裂增透效果的影響，在實驗室進行了煤礦井下穿層鉆孔水力壓裂相似模擬實驗。煤層水力壓裂時，由于流體壓降，距鉆孔不同位置煤體受到的有效壓力不同，煤層的壓裂程度就不同，受實驗條件限制，無法完成對煤層水力壓裂區(qū)域的整體模擬。因此，實驗選用固定流量水力壓裂、5 MPa注水和2 MPa注水3種不同的注液壓力，分別模擬壓裂鉆孔附近、壓裂作用遠端和壓裂作用末端的壓裂情況。

2.1 實驗方法及原理

利用GCTS RTR-4600實驗系統(tǒng)設(shè)計了1種模擬井下含瓦斯煤層穿層鉆孔水力壓裂的方法，如圖4所示。

1—上壓頭；2—上墊板；3—試樣熱縮管；4—進氣/液管；5—試件；6—試件中實驗氣體；7—下墊板；8—下壓頭；9—閥門；10—氣水分離器；11—流量計。圖4 水力壓裂相似模擬實驗示意圖

利用GCTS RTR-4600實驗系統(tǒng)施加軸壓和圍壓。通過進氣管注入高壓瓦斯氣體，煤樣吸附平衡；通過進液管壓入高壓液體，進行壓裂或注液，監(jiān)測壓裂或注液過程中的泵注壓力、流量等參數(shù)，實現(xiàn)對穿層鉆孔水力壓裂過程的模擬。壓裂完成后，通過氣水分離器對液體和氣體進行分離，監(jiān)測并記錄排放的氣體流量和液體流量。

2.2 實驗煤樣與參數(shù)

2.2.1 實驗煤樣

綜合考慮煤樣的力學(xué)性質(zhì)、吸附性、透氣性，按文獻[17-18]的方式制作型煤，型煤直徑50 mm、高度100 mm，中間鉆孔直徑為5 mm，如圖5所示。

圖5 水力壓裂相似模擬實驗煤樣安裝圖

以渝陽煤(YY)和古漢山煤(GHS)2種不同水敏膨脹黏土含量的煤粉作為骨料分別壓制型煤，型煤的物理力學(xué)參數(shù)如表5所示。

表5 型煤基本物理力學(xué)參數(shù)與吸附常數(shù)

2.2.2 實驗參數(shù)

以渝陽煤礦7#煤層現(xiàn)場測試參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬實驗采用靜水壓力狀態(tài)，軸壓10 MPa，圍壓10 MPa，瓦斯壓力為1.6 MPa。

煤礦井下水力壓裂鉆孔直徑一般在100 mm左右，實驗煤樣鉆孔直徑5 mm。相似模擬實驗幾何相似比、時間相似比如下：

(2)

(3)

式中：Cl、Ct分別為幾何相似比、時間相似比；lm、lp分別為模型的尺寸和現(xiàn)場尺寸。

根據(jù)水力壓裂相似準(zhǔn)則有[19-20]：

(4)

(5)

式中：CQ為流量相似比；Cσv為垂直應(yīng)力相似比；Cσt為抗拉強度相似比；Cσc為抗壓強度相似比；Cpf為孔隙壓力相似比；CE為等效彈性模量相似比。

推導(dǎo)可得流量相似比：

(6)

令煤樣力學(xué)參數(shù)相似比為：

CE=1，Cσc=1，Cσt=1

(7)

實驗力學(xué)參數(shù)相似比如下：

Cσv=Cpf=1

(8)

2.3 實驗過程

依據(jù)現(xiàn)場水力壓裂工藝和相似模擬實驗設(shè)計，實驗泵流量為5 mL/min，整個壓裂過程時間控制在45 min。通過固定流量水力壓裂確定煤體壓裂壓力為10 MPa。因此，采用制作成型的渝陽、古漢山煤樣試件，分別開展10 MPa水力壓裂、5 MPa壓力注水、2 MPa壓力注水實驗。

為便于對比分析，測定每個煤樣壓裂(或注水)前、后的透氣性系數(shù)。首先，將煤樣裝入實驗腔體后施加10 MPa軸壓圍壓，充入壓力1.6 MPa瓦斯，達到吸附平衡；然后，打開出氣口，測定干煤樣鉆孔瓦斯流量隨時間的變化關(guān)系；隨后，煤樣在瓦斯壓力1.6 MPa下重新達到吸附平衡；再進行壓裂或注水，保壓45 min后，打開出氣口，測定壓裂或注水煤樣鉆孔瓦斯流量隨時間的變化關(guān)系。

3 實驗結(jié)果分析

煤樣瓦斯向鉆孔流動可以被視為有限流場的徑向非穩(wěn)定流，符合達西定律[21-22]：

(9)

式中：q為比流量，m3/(m2·d)；λ為煤層透氣性系數(shù)，λ=k/2μpa，m2/(MPa2·d)；k為煤體滲透率，m2；μ為流體動力黏度，MPa·s；pa為標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓力，0.101 3 MPa；P為煤層瓦斯壓力的平方，P=p2，MPa2；p為瓦斯壓力，MPa；P0為煤層原始瓦斯壓力的平方，MPa2；P1為鉆孔瓦斯壓力的平方，MPa2；r為煤層任一點到鉆孔中心的距離，m；r0為鉆孔半徑，m；r1為試樣半徑，m。

依據(jù)測定的煤樣鉆孔瓦斯流量隨時間的變化關(guān)系，可以解算出對應(yīng)的透氣性系數(shù)。對于壓裂/注水后的煤樣，利用無液體排出后的瓦斯流量隨時間的變化關(guān)系解算壓裂/注水后的透氣性系數(shù)。

3.1 去離子水壓裂效果分析

1)煤樣壓裂后的氣體流量變化規(guī)律。由于各煤樣壓裂后的氣體流量整體趨勢相似，因此以渝陽煤樣(YY)為例進行展示，壓裂前后的氣體流量如圖6所示。

(a)壓裂前

從圖6中可以看出，干燥煤樣排氣初期氣體流量較大，隨后快速衰減，后期氣體流量緩慢降低直至無氣體排出。壓裂煤樣首先快速排液，隨后液體流量降低，氣體流量逐漸升高，無液體排出后，氣體穩(wěn)定排出。

2)煤樣壓裂、注水后的透氣性系數(shù)變化規(guī)律。采用去離子水進行實驗的計算結(jié)果如表6所示。

表6 煤樣去離子水壓裂、注水前后的透氣性系數(shù)變化

由表6可以看出：無論是YY煤樣，還是GHS煤樣，去離子水水力壓裂后的透氣性系數(shù)均有較大幅度增加，分別增加68.7%、44.3%，水力壓裂有效范圍內(nèi)壓裂增透占主導(dǎo)地位；而在5 MPa和2 MPa注水后煤樣透氣性系數(shù)都有明顯的下降，YY煤樣分別下降30.0%、36.0%，GHS煤樣分別下降15.0%、30.0%，表明在注水壓力下，裂隙擴展程度有限，煤樣增透受限，水敏性損耗占主導(dǎo)地位，煤樣透氣性降低。

對比YY煤樣和GHS煤樣注水前后的透氣性系數(shù)變化，可以看出在5 MPa注水和2 MPa注水后，YY煤樣透氣性系數(shù)下降幅度比GHS煤樣大。表明在低壓注水時，水敏黏土含量較高的YY煤樣受到水敏性損害的程度大于含量較低的GHS煤樣，水敏黏土膨脹顯著影響了煤樣的透氣性。

3.2 抑脹液壓裂效果分析

為了進一步研究水敏性損害對煤層水力壓裂增透效果的影響，用抑脹液替代去離子水開展相同的實驗研究，優(yōu)選的抑脹液成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%的JFC溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的HCOOK溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%的PAM溶液。實驗結(jié)果如表7所示。

表7 煤樣抑脹液壓裂、注液前后的透氣性系數(shù)變化

對比表6、表7煤樣透氣性系數(shù)，可以看出，無論是YY煤樣，還是GHS煤樣，抑脹液壓裂的增透效果明顯好于去離子水壓裂，煤的透氣性系數(shù)分別增加23.2%、6.2%，水敏黏土含量較高的YY煤樣透氣性系數(shù)增長明顯高于水敏黏土含量較低的GHS煤樣。

對比5 MPa注液和2 MPa注液后煤樣透氣性系數(shù)的變化，與注去離子水比較，YY煤樣分別提升了24.7%、6.7%，GHS煤樣分別提升了-0.9%、9.2%，表明較高的注液壓力下煤樣的含水率會更高，水敏性損害更嚴(yán)重，抑脹液對煤樣水敏性損害產(chǎn)生抑制作用更顯著。

4 結(jié)論

1)煤的有機組分和無機組分在吸附水分后均會發(fā)生膨脹，二者的綜合作用導(dǎo)致水敏性損害的發(fā)生。

2)水敏黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.23%的YY煤樣飽水處理后，經(jīng)掃描電子顯微鏡(SEM)觀測到煤樣表面存在明顯的黏土膨脹物，其大小為1～10 μm，尺度與大孔相當(dāng)；低溫氮吸附實驗和壓汞實驗表明，水的介入降低了煤體全尺度孔隙體積，降低了煤樣瓦斯擴散與滲流能力。

3)水力壓裂后，煤體裂隙擴展和水敏性損害綜合作用影響煤的透氣性，去離子水水力壓裂后，水力壓裂有效范圍內(nèi)壓裂增透占主導(dǎo)地位；而在5 MPa注水和2 MPa注水后，煤樣透氣性系數(shù)都有明顯的下降，表明在注水壓力下，裂隙擴展程度有限，煤樣增透受限，水敏性損耗占主導(dǎo)地位，煤樣透氣性降低。

4)抑脹液壓裂的增透效果明顯好于去離子水壓裂，水敏黏土含量較高的YY煤樣增長明顯高于水敏黏土含量較低的GHS煤樣，煤的水敏黏土含量越高，其水敏性損害越嚴(yán)重。