裴秋艷，王駿輝，王 毅

(1. 太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2. 中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

水分對瓦斯運移負(fù)效應(yīng)的分析與實驗研究

裴秋艷1，王駿輝2，王 毅1

(1. 太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2. 中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

水分對煤層瓦斯運移的影響，是研究水力壓裂等煤層增透技術(shù)必須考慮的因素。為了提高水力壓裂技術(shù)在煤層增透應(yīng)用中的效用，本文針對水分對瓦斯運移負(fù)效應(yīng)進(jìn)行了分析，并采用WYS-800伺服自動加載系統(tǒng)，設(shè)計實驗，深入研究了三軸應(yīng)力狀態(tài)下，余吾煤業(yè)不同含水率煤樣的滲透性能，論證了不同含水率煤在不同圍壓或者不同有效應(yīng)力的情況下，其滲透率與滲透速度都隨含水率不同呈非線性遞減趨勢。同時上述結(jié)論與水力壓裂使裂隙結(jié)構(gòu)改變從而滲透率增加的結(jié)論結(jié)合，以余吾煤礦為例，在工程應(yīng)用中找到水力壓裂的最佳影響半徑，為水力壓裂井的布置提供一定的理論和技術(shù)支撐。

瓦斯運移；含水率；滲透性；孔隙；水力壓裂

煤層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是孔隙結(jié)構(gòu)，煤層又是具有孔隙裂隙雙重結(jié)構(gòu)的典型固體，孔隙結(jié)構(gòu)又是由眾多的裂隙結(jié)構(gòu)包圍，形成了無數(shù)基質(zhì)塊體。NIE B S等[1]研究不同變質(zhì)程度的十一種煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)，用低壓氮氣吸附和掃描電鏡技術(shù)相結(jié)合的方法，更好地了解煤孔隙特征。煤層的主要儲氣載體是基質(zhì)塊體，主要通道是裂隙。孔隙率是含水率的重要影響因素，不同含水率煤在不同應(yīng)力狀態(tài)下具有相異的滲流規(guī)律。國內(nèi)外專家在煤層含水率對瓦斯吸附、滲透特性的影響方面做了大量研究。馮增朝等[2]、趙東等[3]研究了煤層含水率對煤層吸附解吸能力的影響。尹光志、蔣長寶等[4],許江等[5]分析了煤層含水率與甲烷滲透性的關(guān)系，并深入研究了不同充水狀態(tài)下巖石的各項物理指標(biāo)。Wang S, et al[6]研究了含水率、孔隙率、滲透性三者的關(guān)系。

水分對煤層瓦斯運移的影響，是研究水力壓裂等煤層增透技術(shù)必須考慮的因素。王耀鋒等[7]總結(jié)了水力壓裂技術(shù)的發(fā)展歷程，指出水力壓裂增透機理尚未被完全認(rèn)知。翟成等[8]研究了水力壓裂技術(shù)中將普通水力壓裂優(yōu)化為脈沖水力壓裂，得到了比較明顯的效果。郭臣業(yè)等[9]開發(fā)了水力壓裂數(shù)值模擬軟件，可以有效促進(jìn)增透效果，達(dá)到瓦斯治理的目的。

還有其他一些研究表明含水率與煤層滲透性的關(guān)系。荊俊杰等[10]利用自主研發(fā)的實驗設(shè)備得出含水率影響煤層彈性模量，使得含水率高到一定限度時，滲透率對于煤層的變形效果減弱。魏建平等[11]利用自主研發(fā)的三軸煤巖瓦斯?jié)B流實驗設(shè)備得出含水率與含瓦斯煤滲透性的關(guān)系表達(dá)式。

本文針對水分對瓦斯運移的負(fù)效應(yīng)進(jìn)行分析，并利用實驗研究煤層中水分對瓦斯?jié)B透性的影響。進(jìn)而將含水率與煤層滲透性的關(guān)系應(yīng)用于水力壓裂技術(shù)的工程實踐中，完善決定水力壓裂的最佳影響半徑的基礎(chǔ)參數(shù)，提高實際抽采效率。

1 水分對瓦斯運移負(fù)效應(yīng)

在進(jìn)行水力壓裂過程中，煤體中水分增加是壓裂液的濾失造成的結(jié)果，這些濾失的水分所起的作用并沒有達(dá)到造縫的效果，而是抑制了瓦斯的運移。瓦斯在煤體中的運移和吸附、解吸擴散有重要關(guān)系，而水分對煤的吸附性、擴散能力有較大的影響，這一點被大多數(shù)學(xué)者贊同。聶百勝等[12]利用水蒸氣吸附法制備不同含水率煤樣，分析了水分對煤體瓦斯解吸擴散特性的影響。極限解吸量、初始擴散系數(shù)及初期解吸率隨著煤樣含水率變大而變小。煤體在水的作用下，甲烷分子的運動受阻，隨之解吸量減小，解吸率也降低，擴散能力減弱[12]。

水分在增加的過程中抑制了解吸，瓦斯運移通道在擴散過程中被占據(jù)，通過毛細(xì)管阻力使壓裂液表面張力增加，從而影響瓦斯的移動，這時氣體移動的啟動壓力梯度就會變大。因此，在一定程度上煤體含水率的增加表現(xiàn)為對瓦斯運移的負(fù)效應(yīng)。

圖1 固液界面的毛細(xì)管模型

具體原因是當(dāng)流體的狀態(tài)是非線性流體，非達(dá)西流時，水分在微小的毛細(xì)孔隙內(nèi)會形成阻力，改變瓦斯在流動過程中的粘性阻力，自由水堵塞瓦斯通道，占據(jù)瓦斯運移空間，給瓦斯運移帶來負(fù)效應(yīng)[13]。

圖1為固液界面的毛細(xì)管模型，r0是毛細(xì)管外徑，r1為氣泡外徑，r為固液界面半徑，內(nèi)部是水分，根據(jù)相對運動時，固液界面的粘聚阻力等于水分流動的驅(qū)動力，見式(1)和式(2)。

(1)

求變量的積分，得出式(2)。

(2)

如果假設(shè)瓦斯氣體分子是在水分內(nèi)流動的，那么在r處水流速度和氣體的速度就相同，則氣體在滲流過程中的阻力見式(3)。

(3)

式中，n是介質(zhì)的含水飽和度，其計算方法見式(4)。

(4)

2 不同含水率煤瓦斯?jié)B透性實驗

壓力大小也是影響瓦斯?jié)B透性的重要因素，在給定其他壓力情況下，隨著氣體壓力的增加，煤樣滲透性顯著降低[14]。

為了進(jìn)一步研究煤外部應(yīng)力(瓦斯壓力、軸壓、圍壓)以及煤本身含水特性是如何影響煤瓦斯?jié)B透性能的，設(shè)計如下實驗。

2.1 實驗設(shè)備

實驗研究選用的設(shè)備為WYS-800電液伺服微機控制的三軸瓦斯?jié)B流試驗裝置，設(shè)備軸向最大試驗力為800 kN，氣體壓力范圍為0～15 MPa，圍壓控制范圍0～15 MPa。實驗設(shè)備三軸室結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 三軸室結(jié)構(gòu)圖

2.2 實驗準(zhǔn)備

選取余吾煤業(yè)煤樣若干，將其加工為50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)煤樣。制備不同含水率煤樣的方法相較于魏建平的負(fù)壓吸水法[10]、聶百勝水蒸氣吸附法，本實驗采取利用試壓泵和密閉釜加壓注水的方法，具體步驟如下所示。

從器皿上來看，傳統(tǒng)青花瓷的實用功能是非常高的。器物造型多為食器、酒器、水器、枕頭等一系列日用器。它的器形在實用功能的基礎(chǔ)上迎合當(dāng)下的審美進(jìn)行器形的改變。如青花花鳥紋八棱葫蘆瓶、青花雙龍紋四系扁壺、青花穿花龍紋長頸瓶的出現(xiàn)都一一說明了盡管傳統(tǒng)青花瓷造型上嘗試在不停地改變但它的實用功能是不會被抹去的。

連接試壓泵和密閉釜給煤樣注水，注水壓力達(dá)到5 MPa后關(guān)閉密閉閥，使煤樣持續(xù)放置在5 MPa水壓環(huán)境中24 h，過程中不間斷補壓，這樣就可以制備出3.24%含水率煤樣。用烘干機控制烘干時間來制備含水率較低的煤樣。最后控制烘干時間制得含水率，分別制得含水率為0.22%、1.98%、3.24%的三組煤樣。圖3(a)為煤樣制取過程，圖3(b)為煤樣含水率測定，圖3(c)和圖3(d)為試壓泵和密閉釜，圖3(e)為最終制取的煤樣。

圖3 不同含水率煤樣制取

2.3 實驗步驟

實驗過程中將不同含水率煤樣用熱縮管包裹固定于三軸室內(nèi)，用熱槍加熱，使其與壁面緊貼。安裝變形引伸計和溫度傳感器。本實驗排除雜質(zhì)氣體的方法：液路系統(tǒng)排氣是通過卸載液壓油實現(xiàn)的，氣路系統(tǒng)排氣是通過多次的甲烷吸附實現(xiàn)的。加載過程以0.1 MPa/s的速度加圍壓至1 MPa，以0.1 kN/s的速度加軸壓至2 MPa。穩(wěn)定一段時間后即可調(diào)整為所需值。在瓦斯壓力恒定為1.5 MPa，軸壓恒定為5 MPa情況下測定并記錄不同含水率煤樣滲透率隨圍壓的變化情況。調(diào)試后繼續(xù)測定并記錄瓦斯壓力恒定為1.5 MPa，不同含水率煤樣滲透率隨有效應(yīng)力條件變化的情況。其中：有效應(yīng)力是軸壓、圍壓和孔隙壓的結(jié)合，是反應(yīng)煤樣受內(nèi)部壓力和外部壓力的綜合指標(biāo)。計算公式見式(5)。

(5)

式中：σ0是有效應(yīng)力，MPa；σ1、σ2分別為軸壓和圍壓，MPa；p1為瓦斯壓力，MPa；p2是出口氣體壓力，在這里取大氣壓力0.1MPa。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 恒定軸壓變圍壓情況

軸壓恒定狀態(tài)下(5 MPa)，不同含水率煤樣瓦斯?jié)B透率及滲流速度隨圍壓的變化情況見圖4。

(注：k表示滲透率；q表示滲透速率)圖4 不同含水率煤樣隨圍壓的變化曲線

由圖4可以看出，隨著圍壓的增大，其瓦斯?jié)B透率、滲流速度均減小，含水率低的減小速度快，也就是說含水率較低的煤層，其瓦斯?jié)B透率及滲流速度隨圍壓變化較敏感。

3.2 恒定圍壓變有效應(yīng)力(軸壓)情況

瓦斯壓力恒定為1.5 MPa，不同含水率煤樣滲透率隨有效應(yīng)力條件變化情況曲線見圖5。

由圖5可以看出，隨著有效應(yīng)力的增加，含水率低的煤樣的瓦斯?jié)B透率、滲流速度減小速度快，也就是說含水率較低的煤層，其瓦斯?jié)B透率及滲流速度隨有效應(yīng)力變化較敏感。

外界壓力增加，煤層滲透率減小，是因為壓力使煤層裂隙減小。上述兩項實驗說明這種趨勢在含水率較高的煤樣中表現(xiàn)不敏感。含水率較高，水力壓裂不能很好的加壓，泄壓，達(dá)不到需求效果。

3.3 煤樣滲透率隨含水率變化規(guī)律

(注：k表示滲透率;q表示滲透速率)圖5 不同含水率煤樣隨有效應(yīng)力的變化曲線

圖6 煤樣滲透率隨含水率變化曲線

由圖6可知：在不同應(yīng)力狀態(tài)下，余吾煤的瓦斯?jié)B透率隨著含水率的增加都表現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢。該現(xiàn)象說明煤體所蘊含的水分對于瓦斯的運移存在阻滯作用，即負(fù)效應(yīng)現(xiàn)象。

4 工程應(yīng)用

水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯抽采過程中應(yīng)用的核心原理就是煤層中裂隙分布改變，使煤層滲透率增加。但是根據(jù)上述分析及實驗結(jié)果，在利用水力壓裂技術(shù)的同時煤層含水率增加，滲透率又會降低。在應(yīng)用過程中，結(jié)合上述兩方面尋找水力壓裂最佳影響半徑是技術(shù)的關(guān)鍵。

為解決上述問題，根據(jù)分析及實驗研究結(jié)論，針對余吾煤業(yè)N2105工作面水力壓裂效果進(jìn)行現(xiàn)場測試分析，以期找到最佳影響半徑，為水力壓裂井的布置及工藝實施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

選取余吾煤業(yè)N2105工作面1-52水力壓裂井，對其進(jìn)行豎井壓裂試驗，離得壓裂井越近，煤層含水率越高，所以壓裂井與測點的距離可以看成是含水率的相關(guān)因素。在1-52壓裂井影響范圍內(nèi)選取1#、2#、3#、4#測點，圖7為1-52壓裂井與測點相對位置的布置圖，對各個測點的瓦斯流量進(jìn)行測定。

圖7 1-52壓裂井與抽采測點布置圖

在7月21日至9月8日共50d觀測期間，對各個測點的瓦斯流量進(jìn)行測定并分析，每個測點的平均單孔瓦斯流量如表2所示，最大的是3#測點的單孔瓦斯流量，瓦斯流量和濃度都較低的是4#測點，3#測點約為1#、2#鉆孔流量的1.44倍。

表1 1#～4#測點平均單孔瓦斯流量

分析表1，可以看出并不是離得壓裂井越近，含水率越高，瓦斯流量就越高，而是因為水力壓裂井1-52在進(jìn)行水力壓裂后，存在水分對瓦斯運移的負(fù)效應(yīng)，使鉆孔瓦斯抽放量與延伸距離并不成正比。為了進(jìn)一步確認(rèn)壓裂效果較好的半徑，在觀測的50 d中，等距離選取5天加設(shè)測點為12個測點，5天分別為7月28日、8月2日、8月15日、8月23日和9月5日。分別繪制這5 d時間平均單孔瓦斯流量隨著距離的變化圖像，見圖8。

圖8 鉆孔瓦斯抽放量與延伸距離綜合關(guān)系

由圖8可得，1-52水力壓裂井的影響半徑為269～272 m正是瓦斯抽采的活躍距離。此方法可以在具體工程上進(jìn)一步應(yīng)用，找到水力壓裂效果最好的影響半徑，達(dá)到最好增透效果，實現(xiàn)高效抽采瓦斯的目的。

5 結(jié)論

1)研究結(jié)果表明不同含水率煤樣在變圍壓或者變有效應(yīng)力的情況下，瓦斯?jié)B透率與滲透速度都隨含水量非線性遞減。瓦斯?jié)B透率在低含水率狀態(tài)下，對外部壓力變化較敏感。

2)余吾煤的瓦斯?jié)B透率隨著含水率的增加都表現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢。該現(xiàn)象說明煤體所蘊含的水分對于瓦斯的運移存在阻滯作用，即負(fù)效應(yīng)現(xiàn)象。

3)實驗所得水分對瓦斯運移負(fù)效應(yīng)的結(jié)論結(jié)合水力壓裂使裂隙結(jié)構(gòu)改變從而滲透率增加的結(jié)論結(jié)合，尋找水力壓裂的最佳影響半徑，為水力壓裂井的布置提供一定的理論和技術(shù)支撐。

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Analysis and experimental study of negative effect of water on gas migration

PEI Qiuyan1,WANG Junhui2, WANG Yi1

1.Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

The influence of water on the gas migration in coal seam is the factor that must be taken into account in the study of hydraulic fracturing. In order to improve the effectiveness of hydraulic fracturing technology in the application of coal seam permeability, this paper analyzes the negative effect of water on gas migration. The WYS-800 servo automatic loading system is used to design the experiment. The permeability of Yu-wu coal samples with different water content under the condition of three axial stress was studied. It is proved that under different confining pressures or different effective stresses, the permeability and seepage velocity are nonlinear decreasing trend with the water content. The conclusion is combined with conclusion that the hydraulic fracturing makes the fracture structure change and the permeability increases. At the same time, taking Yu-wu as an example, The optimum radius of hydraulic fracturing is found in engineering application, which provides theoretical and technical support for the layout of hydraulic fracturing wells.

gas migration; water content; permeability; pore; hydraulic fracturing

2016-10-09

裴秋艷(1990-)，女，山西汾陽人，碩士研究生，主要從事煤礦數(shù)據(jù)分析與安全監(jiān)測，E-mail：979570183@qq.com。

TD712+.51

A

1004-4051(2017)03-0161-05