不同坚固性系数f值煤渗透率分布特征及其井下水力压裂适用性分析

2019-06-06金洪伟李树刚

西安科技大学学报 2019年3期

徐刚，金洪伟，李树刚，郝萌

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

煤层水力压裂增透技术是通过水力裂缝的产生、扩展和延伸增加煤层渗透率从而实现瓦斯高效抽采的一种有效手段[1-5]。煤体强度是影响煤层水力裂缝扩展及水力压裂效果的重要因素[6-7]，煤坚固性系数f是反应煤体抵抗破坏能力的重要指标[8-10]，研究煤坚固性系数与渗透率的关系及其水力压裂适用性对于水力压裂增透区域的选择和提高瓦斯抽采效果具有重要的意义。袁枚、何明华等通过实验拟合出了含坚固性系数的渗透率方程，认为含瓦斯煤渗透率与坚固性系数呈正相关关系[11-13]；李红涛等研究了坚固性系数对不同类型结构煤瓦斯渗透特性的影响，认为Ⅱ类煤的渗透率随坚固性系数的增加最为显著[14]；杨敬娜等以坚固性系数小于0.5的原煤试样为研究对象，指出瓦斯渗透率与坚固性系数符合二次多项式关系[15]；郭红玉、郑同社等通过研究认为Ⅱ类煤和Ⅲ类煤的增透效果较好[16-17]；马瑞峰、李新旺等研究了坚固性系数对煤层水力压裂的影响，认为煤坚固性系数越大，起裂压力越大，越有利于水力裂缝的延伸[18-19]。以上研究成果对指导低渗煤层的水力压裂起到了积极作用，但是由于受煤样样本范围和数量的限制，煤坚固性系数和渗透率的关系并不明确；此外，尽管煤体结构对煤层水力压裂的影响获得了较一致的认同，但是由于煤体结构是定性的描述[20-22]，识别难度较大，而煤坚固性系数f值和煤体结构同属反映煤体强度的一种指标，因此笔者拟通过实验分析煤坚固性系数和渗透率之间的关系，采用煤坚固性系数来判断煤层水力压裂的适用性，以期为煤层水力压裂增透区域的选择提供借鉴。

1 煤坚固性系数和渗透率关系的实验

1.1 研究区概况

潞安矿区位于太行山脉中段之西坡，整体形态为一大背斜构造，含煤地层主要是二叠系下统的山西组(P1sh)和石炭系上统太原组(C3t)，区域内共含煤13层，其中3#煤层为主要可采煤层，3#煤层全区稳定可采且厚度大，平均厚度5.75 m.区域含煤地层沉积之后经历了印支、燕山和喜马拉雅多期构造运动，期间构造应力场发生了多次改变，造成不同煤体结构煤在该区域皆有分布。夏店井田位于潞安矿区与襄垣矿区交界区西川断层以北，井田西北部为一走向北北东，倾向北西的单斜构造；东南部呈褶曲构造(图1)。井田西北部尽管煤层埋藏深度较深，但是地质构造比较简单，煤体结构类型以Ⅰ类煤和Ⅱ类煤为主；井田中部为北西向构造和南北向构造复合部位，地质构造比较复杂，煤体结构类型以Ⅲ类煤、Ⅳ类煤和Ⅴ类煤为主。

图1 夏店井田地质构造简图Fig.1 Geological structure sketch of Xiadian mine field

1.2 煤坚固性系数和渗透率测定

为了对相同煤体结构煤的坚固性系数和渗透率之间的关系进行研究，采用如下的采样方案：采样来源于山西潞安矿业集团夏店煤矿新鲜采掘工作面，共采集煤样60个，计30组；每组煤样的采样地点一致、煤体结构一致，取样地点如图1所示，取样地点①～⑤分别对应Ⅰ～Ⅴ类煤。取样区域内煤层平均埋深480 m；最大水平主应力12.2 MPa，最小水平主应力7.1 MPa，平均约9.0 MPa；瓦斯含量平均7.9 m3/t，瓦斯压力约0.5 MPa.煤体结构按照《防治煤与瓦斯突出规定》中的5类划分法进行划分，Ⅰ～Ⅴ类煤样各采集6组。

1 轴向液压缸 2 轴压传感器 3 上压头 4 试样 5 下压头 6 轴压加载系统 7 围压加载系统 8 甲烷气源 9 流量数据采集系统图2 三轴渗流实验装置Fig.2 Three axis seepage experimental device

每组煤样中一组用来测定煤坚固性系数，另一组用来测定渗透率。煤坚固性系数采用落锤法进行测定。煤渗透率测定采用自主研制改造三轴渗流实验装置完成，如图2所示。该实验装置能够进行不同围压、不同轴压和不同孔隙压力条件下煤样渗透率的测定。将煤样加工成φ50 mm×100 mm圆柱形标准试样，Ⅰ和Ⅱ类煤体结构试样沿顺煤层层理方向直接钻取获得，Ⅲ～Ⅴ类煤体结构试样在成型模具上加压制成。为了减少原煤和型煤的差异，Ⅲ～Ⅴ类煤体结构型煤试样采取如下的制作方法：在型煤试件中添加10%比例的水泥作为粘结剂以增加煤体强度；Ⅲ～Ⅴ类型煤试样分别采用粒径为20～40目、40～60目和60～80目的煤粉颗粒在刚性试验机上以80 MPa的压力持续受载30 min，压制成φ50 mm×100 mm的型煤试件。为了使测出的渗透率接近原位渗透率，根据取样地点的煤层赋存特征，轴压设置为12 MPa，围压设置为9 MPa，孔隙压力为0.5 MPa.

1.3 实验结果分析

1.3.1 不同煤体结构类型煤的渗透率分布

实验结果见表1.根据表1作出不同煤体结构煤平均f值和平均渗透率分布图(图3)，从图3中可以看出：煤体结构越完整，坚固性系数f值越大；Ⅰ类煤即非破坏煤的平均f值大于0.75，Ⅱ类煤破坏煤的平均f值大于0.5小于0.75，Ⅲ类煤强烈破坏煤的平均f值大于0.3小于0.5，Ⅳ类煤粉碎煤和Ⅴ类煤全粉煤的平均f值小于0.3.煤体结构类型和坚固性系数f值的值域区间有较好的对应关系，煤坚固性系数f值可以作为煤体结构类型划分的一个定量评价指标。

表1 不同煤体结构煤f值和渗透率测定结果

图3 不同煤体结构类型煤的平均f值和平均渗透率分布Fig.3 Distribution of average f value and average permeability of different coal body structure coal

从图3还可以看出，煤体结构类型与渗透率的关系比较复杂，从Ⅰ类煤到Ⅴ类煤渗透率经历了由低到高再降低的变化过程；Ⅱ类煤渗透率最高，Ⅰ类煤次之，然后Ⅲ类煤、Ⅳ类煤和Ⅴ类的渗透率依次降低；不同煤体结构类型煤的渗透率表现出了明显的差异，煤体结构基本能够反映出煤层渗透率的大小。

1.3.2 不同坚固性系数煤的渗透率分布特征

煤的结构类型与其渗透率具有明显的相关性，而不同类型煤体结构煤的f值具有相对比较集中的值域区间，因此煤坚固性系数f值与渗透率之间也应存在着某种相对应的关系。

根据表1作出渗透率随坚固性系数f值的变化曲线(图4)，通过拟合可得到基于坚固性系数的煤层渗透率预测关系公式(1)。

图4 煤渗透率随坚固性系数f值变化曲线Fig.4 Curve of coal permeability changes with solidity coefficient f value

y=e-9.82(x-0.71)2+0.29

(1)

从图4可以看出，随着煤坚固性系数的增加，渗透率呈现出了先增大再减小的变化规律，煤渗透率和坚固性系数的关系近似呈正态分布。根据式(1)，存在一临界坚固性系数fc=0.71使得煤渗透率最大，坚固性系数f值越靠近fc，相应的煤渗透率越大；当坚固性系数大于或者小于fc值时，煤渗透率均减少。式(1)中渗透率与f值拟合相关性系数R2=0.935 78，相关度较高。在渗透率峰值fc=0.71处，相应的煤体结构为Ⅱ类煤，这与通常认为的Ⅱ类煤的渗透性最好相一致[23-24]。

2 不同坚固性系数煤层水力压裂适用性机理分析

2.1 水力压裂对煤体的影响

煤层水力压裂增透的机理[25-26]是利用钻孔通过注水泵站使煤层空隙内水压力升高，并克服最小地应力和煤岩体抗拉强度使裂隙弱面发生扩展、延伸和形成裂隙网络[27-29]，从而为瓦斯运移提供良好的通道，以达到增加煤层渗透性提高瓦斯抽采效果的目的。

煤层水力压裂过程会对煤体产生2个效果：生成煤体裂隙和扩展延伸煤体裂隙。无论是煤体裂隙的生成，或者是煤体裂隙的扩展延伸，其实质都可归结为煤体的损伤破坏，煤体生成的裂隙越多，其破坏程度越高，煤体强度越低。煤坚固性系数f值能够定量表征煤体的强度，而煤层的水力压裂增透过程是煤体强度降低的过程，也是煤坚固性系数f值减小的过程，该过程中煤坚固性系数f值只能减小，不能增加。

2.2 不同坚固性系数煤层水力压裂适用性分析

煤层渗透率是衡量煤层瓦斯运移难易程度的关键参数[30]。在一定的地质区域内，煤层具有相同的地质演化史和构造变形史，煤坚固性系数成为影响煤层渗透率的主要因素，煤层渗透率的大小可用煤坚固性系数来进行表征，即通过测定煤坚固性系数f值的大小，结合已构建的基于坚固性系数的煤层渗透率预测模型实现对煤层渗透率的预测。

该渗透率预测方法对压裂后的煤层同样适用，根据构建的基于坚固性系数的煤层渗透率预测模型，水力压裂过程中煤渗透率的变化会出现如下情况。

1)当压裂前煤坚固性系数f0小于临界煤坚固性系数fc时，水力压裂作用使得煤渗透率减小，即水力压裂增透效果有限，不适用于水力压裂增透技术的实施(图5(a))；

2)当压裂前煤坚固性系数f0大于临界煤坚固性系数fc时，水力压裂增透的效果和压裂后煤坚固性系数大小相关。当压裂后煤坚固性系数f1介于fc和f0之间时，水力压裂过程中煤渗透率是增加的，水力压裂的增透效果较好(图5(b))；当压裂后煤坚固性系数f1介于fc和2fc-f0之间时，尽管压裂后煤渗透率相比压裂前是增加的，但是整个过程中煤渗透率实际上经历了先增大后减小的变化规律，水力压裂的增透效果一般(图5(c))；当压裂后煤坚固性系数f1小于2fc-f0时，水力压裂过程中煤渗透率经历了先增大后减小的变化规律，压裂后煤的渗透率比压裂前还小，水力压裂的增透效果较差(图5(d))。

图5 不同坚固性系数煤水力压裂渗透率变化规律Fig.5 Permeability variation law of hydraulic fracturing in coal seam with different solidity coefficient

从图5可知，当压裂前煤坚固性系数f0大于临界煤坚固性系数fc时，水力压裂可使煤层渗透率增加，适用于煤层水力压裂增透技术的实施。

3 煤层水力压裂工业试验

3.1 试验地点概况

为了验证不同坚固性系数煤层水力压裂适用性及其水力压裂效果，在夏店煤矿进行了水力压裂工业性试验。夏店煤矿是山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司所属的主力生产矿井，核定生产能力为1.8 Mt/a.该矿主采煤层3#煤层瓦斯含量大，煤层瓦斯透气性系数低，为水力压裂增透目标煤层。

试验地点选择在36采区皮带巷里段及36采区皮带巷附近。该区域整体上为一向斜构造，拟压裂区域位于向斜构造的南翼，区域煤层平均厚度5.93 m，煤层倾角8°；煤层顶底板以细砂岩、泥岩为主，煤层底板标高为+471～+440 m，埋深约480 m；受向斜地质构造的影响，越靠近向斜轴部区域，煤体结构越破碎，煤坚固性系数向南东方向呈增大趋势(图6)，适宜于不同坚固性系数煤层水力压裂工业试验的实施。

图6 试验区域情况及水力压裂钻孔布置Fig.6 Test area condition and layout of hydraulic fracturing boreholes

3.2 试验方案

通过分析水力压裂前后煤坚固性系数变化情况，研究不同坚固性系数时的煤层瓦斯抽采情况及其水力压裂的适用性和增透效果。具体钻孔布置方案如下：根据区域内煤坚固性系数分布情况设计水力压裂钻孔3个(图6)，水力压裂钻孔长度为80 m，直径94 mm，封孔长度30 m，压裂孔1附近煤坚固性系数在0.4左右，压裂孔2附近煤坚固性系数在0.7左右，压裂孔3附近煤坚固性系数在1.0左右。试验过程中，首先施工压裂孔1，压裂孔2和压裂孔3，钻孔施工过程中在压裂段每隔10 m取样进行煤坚固性系数测定；然后采用组合式封孔方法对压裂钻孔进行封孔，封孔完成后依次实施水力压裂；然后在压裂孔1，压裂孔2和压裂孔3的两边3 m处各施工一个测试孔，测试孔长度为80 m，直径94 mm，封孔长度15 m，测试孔布置方法和压裂钻孔一致，测试孔施工过程中从30 m开始每隔10 m取样进行煤坚固性系数测定；最后将所有的压裂孔和测试孔封孔分组联网进行瓦斯抽采。

3.3 试验过程

不同坚固性系数煤水力压裂工业性试验于2018年1月4～6日在夏店煤矿实施，为了对压裂后的煤层进行瓦斯抽采，水力压裂钻孔采用套管—胶囊组合式钻孔密封方法，水力压裂的泵注施工参数见表2.

表2 不同坚固性系数煤水力压裂施工泵注参数

3.4 试验结果分析

3.4.1 水力压裂前后煤坚固性系数变化规律分析

根据实验方案将每个水力压裂孔两边的测试孔煤坚固性系数取平均值作为压裂孔压裂后的煤坚固性系数大小，可得到水力压裂前后煤坚固性系数统计表3.由于压裂后煤层水分含量较高，会对其坚固性系数的测定造成一定的影响，因此对水力压裂后煤样取样完成后将其置于干燥箱内，待煤中水分含量降低到原始煤层水分含量1.1%～1.6%时再进行坚固性系数测定。

表3 水力压裂前后煤坚固性系数统计表

从表3可以看出，水力压裂前后各个水力压裂孔附近煤坚固性系数皆有所降低，这与水力压裂过程中煤体裂隙的产生、扩展延伸导致煤体强度降低的结果是一致的。此外，原始煤坚固性系数较高的煤层，水力压裂后坚固性系数降低的越多；压裂孔1附近煤坚固性系数由0.40降低为0.38，压裂孔2附近煤坚固性系数由0.75降低为0.64，压裂孔3附近煤坚固性系数由1.08降低为0.80，这说明从煤体强度角度而言，水力压裂过程对较高强度的煤体比较有效。

3.4.2 不同坚固性系数煤水力压裂效果分析

将各个压裂孔及其两边的测试孔并成一组联网进行瓦斯抽采，并对瓦斯流量数据进行观测，观测方法为前两周每天3次，间隔8 h，其余时间为每天1次，时间总长为3个月。图7和图8分别为各个组的瓦斯浓度和纯流量随抽采时间的变化情况。

图7 各组瓦斯浓度随抽采时间变化规律Fig.7 Change rule of gas concentration with extraction time in each group

图8 各组瓦斯纯流量随抽采时间变化规律Fig.8 Change rule of pure gas flow with extraction time in each group

从图7和图8可以看出，瓦斯抽采浓度和纯流量随抽采时间呈指数衰减，在前十天时衰减比较严重，随着抽采时间增加衰减程度减少；此外，压裂孔3、压裂孔2和压裂孔1衰减程度依次增加，说明煤的坚固性系数越小衰减程度越大；在整个抽采时间内，压裂孔3，压裂孔2和压裂孔1的瓦斯浓度和纯流量依次减小，说明煤的坚固性系数越大瓦斯抽采的浓度越高，瓦斯纯流量就越大；此外，不同坚固性系数煤的水力压裂增透效果出现较大的差异(图9)，压裂孔2和压裂孔3的煤坚固性系数为0.75大于临界煤坚固性系数0.71，压裂孔2和压裂孔3的瓦斯平均浓度可达到40%以上，平均抽采纯流量在0.02 m3/min以上，水力压裂增透的效果较好，而压裂孔1的煤坚固性系数0.4小于临界煤坚固性系数0.71，尽管抽采初期瓦斯浓度和纯流量较高，但是衰减程度较大，平均抽采浓度为32%以下，平均纯流量为0.01 m3/min.

图9 不同坚固性系数煤水力压裂增透效果分析Fig.9 Analysis of coal permeability increasing effect of coal hydraulic fracturing with different solidity coefficient

将不同坚固性系数煤层水力压裂平均瓦斯浓度和平均纯流量与原始煤层进行对比(图10)可以看出，煤坚固性系数为1.08的平均瓦斯浓度和平均纯流量分别为原始煤层的1.63倍和3.33倍，增透效果较好；而煤坚固性系数为0.4的平均瓦斯浓度和平均纯流量分别为原始煤层的1.06倍和1.11倍，与未压裂时的情况基本一致。因此，煤坚固性系数越大，水力压裂增透的效果越好，越适宜于水力压裂技术的实施，煤层水力压裂增透地点要选择在煤坚固性系数较大的区域，与理论分析结果相一致。