不同堅固性系數f值煤滲透率分布特征及其井下水力壓裂適用性分析

徐 剛，金洪偉，李樹剛，郝 萌

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤層水力壓裂增透技術是通過水力裂縫的產生、擴展和延伸增加煤層滲透率從而實現瓦斯高效抽采的一種有效手段[1-5]。煤體強度是影響煤層水力裂縫擴展及水力壓裂效果的重要因素[6-7]，煤堅固性系數f是反應煤體抵抗破壞能力的重要指標[8-10]，研究煤堅固性系數與滲透率的關系及其水力壓裂適用性對于水力壓裂增透區域的選擇和提高瓦斯抽采效果具有重要的意義。袁枚、何明華等通過實驗擬合出了含堅固性系數的滲透率方程，認為含瓦斯煤滲透率與堅固性系數呈正相關關系[11-13]；李紅濤等研究了堅固性系數對不同類型結構煤瓦斯滲透特性的影響，認為Ⅱ類煤的滲透率隨堅固性系數的增加最為顯著[14]；楊敬娜等以堅固性系數小于0.5的原煤試樣為研究對象，指出瓦斯滲透率與堅固性系數符合二次多項式關系[15]；郭紅玉、鄭同社等通過研究認為Ⅱ類煤和Ⅲ類煤的增透效果較好[16-17]；馬瑞峰、李新旺等研究了堅固性系數對煤層水力壓裂的影響，認為煤堅固性系數越大，起裂壓力越大，越有利于水力裂縫的延伸[18-19]。以上研究成果對指導低滲煤層的水力壓裂起到了積極作用，但是由于受煤樣樣本范圍和數量的限制，煤堅固性系數和滲透率的關系并不明確；此外，盡管煤體結構對煤層水力壓裂的影響獲得了較一致的認同，但是由于煤體結構是定性的描述[20-22]，識別難度較大，而煤堅固性系數f值和煤體結構同屬反映煤體強度的一種指標，因此筆者擬通過實驗分析煤堅固性系數和滲透率之間的關系，采用煤堅固性系數來判斷煤層水力壓裂的適用性，以期為煤層水力壓裂增透區域的選擇提供借鑒。

1 煤堅固性系數和滲透率關系的實驗

1.1 研究區概況

潞安礦區位于太行山脈中段之西坡，整體形態為一大背斜構造，含煤地層主要是二疊系下統的山西組(P1sh)和石炭系上統太原組(C3t)，區域內共含煤13層，其中3#煤層為主要可采煤層，3#煤層全區穩定可采且厚度大，平均厚度5.75 m.區域含煤地層沉積之后經歷了印支、燕山和喜馬拉雅多期構造運動，期間構造應力場發生了多次改變，造成不同煤體結構煤在該區域皆有分布。夏店井田位于潞安礦區與襄垣礦區交界區西川斷層以北，井田西北部為一走向北北東，傾向北西的單斜構造；東南部呈褶曲構造(圖1)。井田西北部盡管煤層埋藏深度較深，但是地質構造比較簡單，煤體結構類型以Ⅰ類煤和Ⅱ類煤為主；井田中部為北西向構造和南北向構造復合部位，地質構造比較復雜，煤體結構類型以Ⅲ類煤、Ⅳ類煤和Ⅴ類煤為主。

圖1 夏店井田地質構造簡圖Fig.1 Geological structure sketch of Xiadian mine field

1.2 煤堅固性系數和滲透率測定

為了對相同煤體結構煤的堅固性系數和滲透率之間的關系進行研究，采用如下的采樣方案：采樣來源于山西潞安礦業集團夏店煤礦新鮮采掘工作面，共采集煤樣60個，計30組；每組煤樣的采樣地點一致、煤體結構一致，取樣地點如圖1所示，取樣地點①～⑤分別對應Ⅰ～Ⅴ類煤。取樣區域內煤層平均埋深480 m；最大水平主應力12.2 MPa，最小水平主應力7.1 MPa，平均約9.0 MPa；瓦斯含量平均7.9 m3/t，瓦斯壓力約0.5 MPa.煤體結構按照《防治煤與瓦斯突出規定》中的5類劃分法進行劃分，Ⅰ～Ⅴ類煤樣各采集6組。

1 軸向液壓缸 2 軸壓傳感器 3 上壓頭 4 試樣 5 下壓頭 6 軸壓加載系統 7 圍壓加載系統 8 甲烷氣源 9 流量數據采集系統圖2 三軸滲流實驗裝置Fig.2 Three axis seepage experimental device

每組煤樣中一組用來測定煤堅固性系數，另一組用來測定滲透率。煤堅固性系數采用落錘法進行測定。煤滲透率測定采用自主研制改造三軸滲流實驗裝置完成，如圖2所示。該實驗裝置能夠進行不同圍壓、不同軸壓和不同孔隙壓力條件下煤樣滲透率的測定。將煤樣加工成φ50 mm×100 mm圓柱形標準試樣，Ⅰ和Ⅱ類煤體結構試樣沿順煤層層理方向直接鉆取獲得，Ⅲ～Ⅴ類煤體結構試樣在成型模具上加壓制成。為了減少原煤和型煤的差異，Ⅲ～Ⅴ類煤體結構型煤試樣采取如下的制作方法：在型煤試件中添加10%比例的水泥作為粘結劑以增加煤體強度；Ⅲ～Ⅴ類型煤試樣分別采用粒徑為20～40目、40～60目和60～80目的煤粉顆粒在剛性試驗機上以80 MPa的壓力持續受載30 min，壓制成φ50 mm×100 mm的型煤試件。為了使測出的滲透率接近原位滲透率，根據取樣地點的煤層賦存特征，軸壓設置為12 MPa，圍壓設置為9 MPa，孔隙壓力為0.5 MPa.

1.3 實驗結果分析

1.3.1 不同煤體結構類型煤的滲透率分布

實驗結果見表1.根據表1作出不同煤體結構煤平均f值和平均滲透率分布圖(圖3)，從圖3中可以看出：煤體結構越完整，堅固性系數f值越大；Ⅰ類煤即非破壞煤的平均f值大于0.75，Ⅱ類煤破壞煤的平均f值大于0.5小于0.75，Ⅲ類煤強烈破壞煤的平均f值大于0.3小于0.5，Ⅳ類煤粉碎煤和Ⅴ類煤全粉煤的平均f值小于0.3.煤體結構類型和堅固性系數f值的值域區間有較好的對應關系，煤堅固性系數f值可以作為煤體結構類型劃分的一個定量評價指標。

表1 不同煤體結構煤f值和滲透率測定結果

圖3 不同煤體結構類型煤的平均f值和平均滲透率分布Fig.3 Distribution of average f value and average permeability of different coal body structure coal

從圖3還可以看出，煤體結構類型與滲透率的關系比較復雜，從Ⅰ類煤到Ⅴ類煤滲透率經歷了由低到高再降低的變化過程；Ⅱ類煤滲透率最高，Ⅰ類煤次之，然后Ⅲ類煤、Ⅳ類煤和Ⅴ類的滲透率依次降低；不同煤體結構類型煤的滲透率表現出了明顯的差異，煤體結構基本能夠反映出煤層滲透率的大小。

1.3.2 不同堅固性系數煤的滲透率分布特征

煤的結構類型與其滲透率具有明顯的相關性，而不同類型煤體結構煤的f值具有相對比較集中的值域區間，因此煤堅固性系數f值與滲透率之間也應存在著某種相對應的關系。

根據表1作出滲透率隨堅固性系數f值的變化曲線(圖4)，通過擬合可得到基于堅固性系數的煤層滲透率預測關系公式(1)。

圖4 煤滲透率隨堅固性系數f值變化曲線Fig.4 Curve of coal permeability changes with solidity coefficient f value

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

(1)

從圖4可以看出，隨著煤堅固性系數的增加，滲透率呈現出了先增大再減小的變化規律，煤滲透率和堅固性系數的關系近似呈正態分布。根據式(1)，存在一臨界堅固性系數fc=0.71使得煤滲透率最大，堅固性系數f值越靠近fc，相應的煤滲透率越大；當堅固性系數大于或者小于fc值時，煤滲透率均減少。式(1)中滲透率與f值擬合相關性系數R2=0.935 78，相關度較高。在滲透率峰值fc=0.71處，相應的煤體結構為Ⅱ類煤，這與通常認為的Ⅱ類煤的滲透性最好相一致[23-24]。

2 不同堅固性系數煤層水力壓裂適用性機理分析

2.1 水力壓裂對煤體的影響

煤層水力壓裂增透的機理[25-26]是利用鉆孔通過注水泵站使煤層空隙內水壓力升高，并克服最小地應力和煤巖體抗拉強度使裂隙弱面發生擴展、延伸和形成裂隙網絡[27-29]，從而為瓦斯運移提供良好的通道，以達到增加煤層滲透性提高瓦斯抽采效果的目的。

煤層水力壓裂過程會對煤體產生2個效果：生成煤體裂隙和擴展延伸煤體裂隙。無論是煤體裂隙的生成，或者是煤體裂隙的擴展延伸，其實質都可歸結為煤體的損傷破壞，煤體生成的裂隙越多，其破壞程度越高，煤體強度越低。煤堅固性系數f值能夠定量表征煤體的強度，而煤層的水力壓裂增透過程是煤體強度降低的過程，也是煤堅固性系數f值減小的過程，該過程中煤堅固性系數f值只能減小，不能增加。

2.2 不同堅固性系數煤層水力壓裂適用性分析

煤層滲透率是衡量煤層瓦斯運移難易程度的關鍵參數[30]。在一定的地質區域內，煤層具有相同的地質演化史和構造變形史，煤堅固性系數成為影響煤層滲透率的主要因素，煤層滲透率的大小可用煤堅固性系數來進行表征，即通過測定煤堅固性系數f值的大小，結合已構建的基于堅固性系數的煤層滲透率預測模型實現對煤層滲透率的預測。

該滲透率預測方法對壓裂后的煤層同樣適用，根據構建的基于堅固性系數的煤層滲透率預測模型，水力壓裂過程中煤滲透率的變化會出現如下情況。

1)當壓裂前煤堅固性系數f0小于臨界煤堅固性系數fc時，水力壓裂作用使得煤滲透率減小，即水力壓裂增透效果有限，不適用于水力壓裂增透技術的實施(圖5(a))；

2)當壓裂前煤堅固性系數f0大于臨界煤堅固性系數fc時，水力壓裂增透的效果和壓裂后煤堅固性系數大小相關。當壓裂后煤堅固性系數f1介于fc和f0之間時，水力壓裂過程中煤滲透率是增加的，水力壓裂的增透效果較好(圖5(b))；當壓裂后煤堅固性系數f1介于fc和2fc-f0之間時，盡管壓裂后煤滲透率相比壓裂前是增加的，但是整個過程中煤滲透率實際上經歷了先增大后減小的變化規律，水力壓裂的增透效果一般(圖5(c))；當壓裂后煤堅固性系數f1小于2fc-f0時，水力壓裂過程中煤滲透率經歷了先增大后減小的變化規律，壓裂后煤的滲透率比壓裂前還小，水力壓裂的增透效果較差(圖5(d))。

圖5 不同堅固性系數煤水力壓裂滲透率變化規律Fig.5 Permeability variation law of hydraulic fracturing in coal seam with different solidity coefficient

從圖5可知，當壓裂前煤堅固性系數f0大于臨界煤堅固性系數fc時，水力壓裂可使煤層滲透率增加，適用于煤層水力壓裂增透技術的實施。

3 煤層水力壓裂工業試驗

3.1 試驗地點概況

為了驗證不同堅固性系數煤層水力壓裂適用性及其水力壓裂效果，在夏店煤礦進行了水力壓裂工業性試驗。夏店煤礦是山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司所屬的主力生產礦井，核定生產能力為1.8 Mt/a.該礦主采煤層3#煤層瓦斯含量大，煤層瓦斯透氣性系數低，為水力壓裂增透目標煤層。

試驗地點選擇在36采區皮帶巷里段及36采區皮帶巷附近。該區域整體上為一向斜構造，擬壓裂區域位于向斜構造的南翼，區域煤層平均厚度5.93 m，煤層傾角8°；煤層頂底板以細砂巖、泥巖為主，煤層底板標高為+471～+440 m，埋深約480 m；受向斜地質構造的影響，越靠近向斜軸部區域，煤體結構越破碎，煤堅固性系數向南東方向呈增大趨勢(圖6)，適宜于不同堅固性系數煤層水力壓裂工業試驗的實施。

圖6 試驗區域情況及水力壓裂鉆孔布置Fig.6 Test area condition and layout of hydraulic fracturing boreholes

3.2 試驗方案

通過分析水力壓裂前后煤堅固性系數變化情況，研究不同堅固性系數時的煤層瓦斯抽采情況及其水力壓裂的適用性和增透效果。具體鉆孔布置方案如下：根據區域內煤堅固性系數分布情況設計水力壓裂鉆孔3個(圖6)，水力壓裂鉆孔長度為80 m，直徑94 mm，封孔長度30 m，壓裂孔1附近煤堅固性系數在0.4左右，壓裂孔2附近煤堅固性系數在0.7左右，壓裂孔3附近煤堅固性系數在1.0左右。試驗過程中，首先施工壓裂孔1，壓裂孔2和壓裂孔3，鉆孔施工過程中在壓裂段每隔10 m取樣進行煤堅固性系數測定；然后采用組合式封孔方法對壓裂鉆孔進行封孔，封孔完成后依次實施水力壓裂；然后在壓裂孔1，壓裂孔2和壓裂孔3的兩邊3 m處各施工一個測試孔，測試孔長度為80 m，直徑94 mm，封孔長度15 m，測試孔布置方法和壓裂鉆孔一致，測試孔施工過程中從30 m開始每隔10 m取樣進行煤堅固性系數測定；最后將所有的壓裂孔和測試孔封孔分組聯網進行瓦斯抽采。

3.3 試驗過程

不同堅固性系數煤水力壓裂工業性試驗于2018年1月4～6日在夏店煤礦實施，為了對壓裂后的煤層進行瓦斯抽采，水力壓裂鉆孔采用套管—膠囊組合式鉆孔密封方法，水力壓裂的泵注施工參數見表2.

表2 不同堅固性系數煤水力壓裂施工泵注參數

3.4 試驗結果分析

3.4.1 水力壓裂前后煤堅固性系數變化規律分析

根據實驗方案將每個水力壓裂孔兩邊的測試孔煤堅固性系數取平均值作為壓裂孔壓裂后的煤堅固性系數大小，可得到水力壓裂前后煤堅固性系數統計表3.由于壓裂后煤層水分含量較高，會對其堅固性系數的測定造成一定的影響，因此對水力壓裂后煤樣取樣完成后將其置于干燥箱內，待煤中水分含量降低到原始煤層水分含量1.1%～1.6%時再進行堅固性系數測定。

表3 水力壓裂前后煤堅固性系數統計表

從表3可以看出，水力壓裂前后各個水力壓裂孔附近煤堅固性系數皆有所降低，這與水力壓裂過程中煤體裂隙的產生、擴展延伸導致煤體強度降低的結果是一致的。此外，原始煤堅固性系數較高的煤層，水力壓裂后堅固性系數降低的越多；壓裂孔1附近煤堅固性系數由0.40降低為0.38，壓裂孔2附近煤堅固性系數由0.75降低為0.64，壓裂孔3附近煤堅固性系數由1.08降低為0.80，這說明從煤體強度角度而言，水力壓裂過程對較高強度的煤體比較有效。

3.4.2 不同堅固性系數煤水力壓裂效果分析

將各個壓裂孔及其兩邊的測試孔并成一組聯網進行瓦斯抽采，并對瓦斯流量數據進行觀測，觀測方法為前兩周每天3次，間隔8 h，其余時間為每天1次，時間總長為3個月。圖7和圖8分別為各個組的瓦斯濃度和純流量隨抽采時間的變化情況。

圖7 各組瓦斯濃度隨抽采時間變化規律Fig.7 Change rule of gas concentration with extraction time in each group

圖8 各組瓦斯純流量隨抽采時間變化規律Fig.8 Change rule of pure gas flow with extraction time in each group

從圖7和圖8可以看出，瓦斯抽采濃度和純流量隨抽采時間呈指數衰減，在前十天時衰減比較嚴重，隨著抽采時間增加衰減程度減少；此外，壓裂孔3、壓裂孔2和壓裂孔1衰減程度依次增加，說明煤的堅固性系數越小衰減程度越大；在整個抽采時間內，壓裂孔3，壓裂孔2和壓裂孔1的瓦斯濃度和純流量依次減小，說明煤的堅固性系數越大瓦斯抽采的濃度越高，瓦斯純流量就越大；此外，不同堅固性系數煤的水力壓裂增透效果出現較大的差異(圖9)，壓裂孔2和壓裂孔3的煤堅固性系數為0.75大于臨界煤堅固性系數0.71，壓裂孔2和壓裂孔3的瓦斯平均濃度可達到40%以上，平均抽采純流量在0.02 m3/min以上，水力壓裂增透的效果較好，而壓裂孔1的煤堅固性系數0.4小于臨界煤堅固性系數0.71，盡管抽采初期瓦斯濃度和純流量較高，但是衰減程度較大，平均抽采濃度為32%以下，平均純流量為0.01 m3/min.

圖9 不同堅固性系數煤水力壓裂增透效果分析Fig.9 Analysis of coal permeability increasing effect of coal hydraulic fracturing with different solidity coefficient

將不同堅固性系數煤層水力壓裂平均瓦斯濃度和平均純流量與原始煤層進行對比(圖10)可以看出，煤堅固性系數為1.08的平均瓦斯濃度和平均純流量分別為原始煤層的1.63倍和3.33倍，增透效果較好；而煤堅固性系數為0.4的平均瓦斯濃度和平均純流量分別為原始煤層的1.06倍和1.11倍，與未壓裂時的情況基本一致。因此，煤堅固性系數越大，水力壓裂增透的效果越好，越適宜于水力壓裂技術的實施，煤層水力壓裂增透地點要選擇在煤堅固性系數較大的區域，與理論分析結果相一致。

4 結 論

1)構建出了基于煤堅固性系數的滲透率預測模型，煤堅固性系數與滲透率的關系近似呈正態分布，存在一臨界堅固性系數fc值使得煤滲透率最大。

2)煤堅固性系數對煤層水力壓裂的適用性影響顯著。當煤堅固性系數大于臨界煤堅固性系數fc時，水力壓裂可使煤層滲透率增加，適用于煤層水力壓裂增透技術的實施。

3)工程應用結果與理論分析結果一致，在煤堅固性系數較大的地點實施煤層水力壓裂增透技術可獲得較好的瓦斯抽采效果。