水敏性损害对煤层水力压裂增透效果影响的实验研究

文光才，杨 硕，曹 偈

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 3.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

预抽煤层瓦斯是防治煤矿瓦斯灾害的有效途径，但受地质条件制约，我国大部分煤层具有高瓦斯压力、高吸附能力和低透气性的特点，导致煤层瓦斯预抽难度大，抽采达标时间长。为了提高瓦斯抽采效率，有效消除煤层瓦斯灾害，需要对煤层采取增透措施。为此，国内外科技工作者进行了卓有成效的研究，形成了一系列井下煤层增透技术。煤层水力压裂是近年发展较快的增透技术，在我国众多煤矿取得了较好的增透效果[1-3]。但是，在水力压裂时，高压水注入到煤层中，引起孔隙压力和有效应力改变：一方面，促使煤层原生裂隙扩展及次生裂隙发育，增加煤层透气性；另一方面，导致煤层含水率增高，水膜占据渗流通道、煤基吸水膨胀、黏土矿物水敏性损害等对煤层增透产生负面影响。

李相臣等[4]研究发现，水对瓦斯在煤体中的渗流和扩散影响很大，水饱和煤中瓦斯渗流需要克服毛细管力，水相降低了瓦斯的扩散能力；丛连铸[5]研究认为，水堵塞煤层割理和煤基质吸水膨胀是影响煤层渗透率的两大因素，水对不同煤化阶段煤层渗透率的影响有较大差别；袁梅等[6]研究发现，水分对含瓦斯煤样渗透率的影响明显，含瓦斯煤渗透率与含水率呈负相关关系，并给出了煤样渗透率与含水率之间的拟合方程；魏建平等[7]研究了含水率与含瓦斯煤渗透特性之间的关系，随着煤样中含水率的增加，含瓦斯煤的渗透率逐渐减小，整体呈负指数关系。

在石油和页岩气等资源的开发过程中，部分储层由于含有较多的蒙皂石和伊蒙(伊利石、蒙皂石)间层等水敏矿物，研究发现压裂水进入这些储层后，往往会伴随着黏土矿物水化膨胀、运移等现象，对储层造成水敏性损害，导致储层渗透率降低[8-9]。高岭石等非膨胀性矿物经水化作用后在高速流体的剪切作用下容易变成疏松的碎屑颗粒，并随流体运移而堵塞孔隙造成运移水敏性，故驱替压力的高低是制约其水敏效应强弱的关键要素[10]。相应地，煤层中也普遍存在蒙皂石、伊蒙混层等水敏性黏土矿物，水力压裂同样会使煤层发生水敏性损害，影响水力压裂增透效果[11]。BAI X J等[12]对压裂液进入煤层后的力敏、速敏和水敏性损害等进行了研究，结果表明煤具有很强的水敏性，会对煤层的渗透性造成很大损害。事实上，煤层具有复杂的孔隙结构、独特的瓦斯吸附/解吸及渗流特性。水力压裂后煤层瓦斯渗流水敏性损害机制十分复杂，系统研究水力压裂后煤层瓦斯渗流水敏性损害的机制和特征，对避免水敏性损害的发生或减弱水敏性损害程度，提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。

1 煤体吸水膨胀变形特征实验研究

煤中的有机质与无机质非常复杂地结合在一起，共同影响着煤的性质。煤的有机组分中含有极性的原子基团和官能团，在吸附水分或气体分子后，会降低煤表面的自由能和大分子结构的交联度，破坏煤的芳香环缩合程度，扰乱微晶结构排列的有序度，引起微晶结构发生变化，从而导致煤体中有机组分吸附膨胀[13-14]。煤的无机组分中对水分敏感、影响煤层性能的主要是蒙皂石或伊蒙间层等水敏膨胀黏土矿物，当蒙皂石与水接触时，可交换的阳离子和黏土矿物表面的负电荷会吸附极性强的水分子进入晶层，在晶层间斥力的作用下，导致层间距增大，出现水化现象，表现出明显的膨胀性[15]。因此，煤中有机组分和无机组分在吸附水分后均会发生膨胀，二者的综合作用导致水敏性损害的发生。

1.1 煤体吸水膨胀变形宏观特征

通过实验，对焦作古汉山矿无烟煤(GHS)、重庆渝阳矿无烟煤(YY)、晋城赵庄矿烟煤(ZZ)和平顶山五矿烟煤(PDS)4个煤样在不同吸水条件下的膨胀变形宏观特征进行研究。4个煤样工业分析结果和煤灰中黏土矿物定量分析结果如表1、表2所示。

表1 煤样工业分析结果

表2 煤灰中全岩与黏土矿物定量分析结果

由表1和表2中煤样的灰分质量分数和灰分中水敏膨胀黏土的质量分数计算可得，古汉山煤、渝阳煤、赵庄煤和平顶山煤中的水敏膨胀黏土矿物的质量分数分别为0.92%、6.23%、1.33%、4.67%。

1.1.1 煤样制备与实验方法

将煤样粉碎并过80～60目筛(0.18～0.25 mm)，然后制成直径50 mm、高度50 mm的型煤，放入恒温干燥箱中以105 ℃干燥24 h。

采用热力学平衡水法制备不同含水率的煤样。热力学平衡水法是利用气态水化学势差，水由气态水化学势高的密闭容器环境向化学势低的煤样体系中转移，从而得到不同含水率的煤样。将实验室温保持在25 ℃，将4种不同成分煤样依次置于ZnCl2、MgCl2、MnCl2、NaCl和K2SO4过饱和溶液的密闭容器中，对应的相对湿度分别为10%、32%、56%、75%、96%。测定煤样质量和体积随时间的变化量，当质量趋于稳定时的体积就视其为对应含水率煤样的体积。加上干燥煤样和浸水煤样，可获得不同含水率的煤样体积。

1.1.2 实验结果分析

测试结果如图1所示。从图1中可以看出，在不同相对湿度条件下，各煤样的变形经历了较长的时间，并且各煤样含水率的变化均呈前期快后期慢的非线性变化趋势，而膨胀率随含水率变化的特性表现得十分明显，膨胀的演化过程同样是非线性的。YY煤样的最大膨胀率为3.08%，PDS和ZZ煤样的最大膨胀率分别为2.07%、0.99%，而水敏膨胀黏土含量最低的GHS煤样的最大膨胀率为1.23%。

(a)GHS煤样

煤中的无机组分和有机组分的共同作用导致煤遇水发生膨胀。无机组分的膨胀程度主要由水敏膨胀黏土的含量决定，而有机组分的膨胀程度与水分吸附量相关，即与煤阶相关。鉴于煤在某一湿度下吸附水分和浸泡水分充填孔隙2个过程存在一定差异，为了获得更加精确的回归方程，将数据分为由相对湿度10%到96%和由相对湿度96%到100%两个阶段，选用煤的膨胀黏土质量分数(w)、挥发分(V)和相对湿度(φ)3个因素进行多元线性回归，得到膨胀率ε的回归模型如下：

(1)

两个阶段的显著性水平(P)分别为0和0.005 7，相关性系数R2分别为0.861 2和0.944 4。对各回归系数进行标准化处理，对比各因素的标准回归系数，分析不同因素对膨胀率的影响。多元线性回归结果如表3所示。

表3 多元线性回归结果

由表3可见：在相对湿度为10%～96%时，相对湿度是影响膨胀率最显著的因素，其次是膨胀黏土质量分数，煤变质程度则排在最后；在煤样浸水后(相对湿度大于96%)，水敏膨胀黏土质量分数对膨胀率的影响最为显著，其次是相对湿度，煤变质程度的影响相对较小。

1.2 煤体吸水膨胀变形微观特征

选用水敏膨胀黏土质量分数为6.23%的渝阳煤样(YY)进行实验研究。煤样分干燥煤样和去离子水饱水煤样，采用低温氮吸附实验和压汞实验相结合的方法，测定其孔隙分布，其中孔径0.001≤D≤0.1 μm时使用低温氮吸附实验的测试结果，孔径D>0.1 μm时使用压汞实验的测试结果。根据霍多特[16]对煤孔隙的分类：微孔(D<0.01 μm，吸附容积)、小孔(0.01≤D<0.10 μm，毛细凝结和扩散区域)、中孔(0.10≤D≤1.00 μm，缓慢层流渗透区域)和大孔(D>1.00 μm，剧烈层流渗透区域)，实验结果如表4和图2所示。

表4 YY煤样饱水处理前后孔隙结构分布

图2 YY煤样饱水处理前后孔径分布

从表4可以看出，YY煤样在饱水处理后微孔、小孔孔隙体积相较干燥煤样降低了23.15%，中孔、大孔体积相较干燥煤样降低了28.38%。这表明水的介入降低了煤体全尺度孔隙体积，降低了煤样瓦斯扩散与渗流能力。

为了进一步探究煤样在饱水处理前后孔隙结构发生变化的原因，通过扫描电子显微镜(SEM)观测YY煤样在饱水处理前后的表面形貌特征，结果如图3所示。

图3 饱水处理前后YY煤样表面微观特征

从图3中可以看出：干燥煤样的表面较为平整光滑，表现出较好的连续性，并且形状较为规则，仅存在少量大小不一的孔隙和裂隙，并附着少量煤颗粒；饱水处理后煤样，出现了明显的黏土膨胀现象。水敏膨胀黏土遇水后水化膨胀，受煤体的内部限制，膨胀物向煤样表面挤出，在煤样表面出现了一些深色区域，在这些区域存在许多膨胀物，其大小为1～10 μm，尺度与大孔相当。

2 水力压裂煤体瓦斯渗流特性实验研究

为了探究水敏性损害对煤层水力压裂增透效果的影响，在实验室进行了煤矿井下穿层钻孔水力压裂相似模拟实验。煤层水力压裂时，由于流体压降，距钻孔不同位置煤体受到的有效压力不同，煤层的压裂程度就不同，受实验条件限制，无法完成对煤层水力压裂区域的整体模拟。因此，实验选用固定流量水力压裂、5 MPa注水和2 MPa注水3种不同的注液压力，分别模拟压裂钻孔附近、压裂作用远端和压裂作用末端的压裂情况。

2.1 实验方法及原理

利用GCTS RTR-4600实验系统设计了1种模拟井下含瓦斯煤层穿层钻孔水力压裂的方法，如图4所示。

1—上压头；2—上垫板；3—试样热缩管；4—进气/液管；5—试件；6—试件中实验气体；7—下垫板；8—下压头；9—阀门；10—气水分离器；11—流量计。图4 水力压裂相似模拟实验示意图

利用GCTS RTR-4600实验系统施加轴压和围压。通过进气管注入高压瓦斯气体，煤样吸附平衡；通过进液管压入高压液体，进行压裂或注液，监测压裂或注液过程中的泵注压力、流量等参数，实现对穿层钻孔水力压裂过程的模拟。压裂完成后，通过气水分离器对液体和气体进行分离，监测并记录排放的气体流量和液体流量。

2.2 实验煤样与参数

2.2.1 实验煤样

综合考虑煤样的力学性质、吸附性、透气性，按文献[17-18]的方式制作型煤，型煤直径50 mm、高度100 mm，中间钻孔直径为5 mm，如图5所示。

图5 水力压裂相似模拟实验煤样安装图

以渝阳煤(YY)和古汉山煤(GHS)2种不同水敏膨胀黏土含量的煤粉作为骨料分别压制型煤，型煤的物理力学参数如表5所示。

表5 型煤基本物理力学参数与吸附常数

2.2.2 实验参数

以渝阳煤矿7#煤层现场测试参数为基础，模拟实验采用静水压力状态，轴压10 MPa，围压10 MPa，瓦斯压力为1.6 MPa。

煤矿井下水力压裂钻孔直径一般在100 mm左右，实验煤样钻孔直径5 mm。相似模拟实验几何相似比、时间相似比如下：

(2)

(3)

式中：Cl、Ct分别为几何相似比、时间相似比；lm、lp分别为模型的尺寸和现场尺寸。

根据水力压裂相似准则有[19-20]：

(4)

(5)

式中：CQ为流量相似比；Cσv为垂直应力相似比；Cσt为抗拉强度相似比；Cσc为抗压强度相似比；Cpf为孔隙压力相似比；CE为等效弹性模量相似比。

推导可得流量相似比：

(6)

令煤样力学参数相似比为：

CE=1，Cσc=1，Cσt=1

(7)

实验力学参数相似比如下：

Cσv=Cpf=1

(8)

2.3 实验过程

依据现场水力压裂工艺和相似模拟实验设计，实验泵流量为5 mL/min，整个压裂过程时间控制在45 min。通过固定流量水力压裂确定煤体压裂压力为10 MPa。因此，采用制作成型的渝阳、古汉山煤样试件，分别开展10 MPa水力压裂、5 MPa压力注水、2 MPa压力注水实验。

为便于对比分析，测定每个煤样压裂(或注水)前、后的透气性系数。首先，将煤样装入实验腔体后施加10 MPa轴压围压，充入压力1.6 MPa瓦斯，达到吸附平衡；然后，打开出气口，测定干煤样钻孔瓦斯流量随时间的变化关系；随后，煤样在瓦斯压力1.6 MPa下重新达到吸附平衡；再进行压裂或注水，保压45 min后，打开出气口，测定压裂或注水煤样钻孔瓦斯流量随时间的变化关系。

3 实验结果分析

煤样瓦斯向钻孔流动可以被视为有限流场的径向非稳定流，符合达西定律[21-22]：

(9)

式中：q为比流量，m3/(m2·d)；λ为煤层透气性系数，λ=k/2μpa，m2/(MPa2·d)；k为煤体渗透率，m2；μ为流体动力黏度，MPa·s；pa为标准状况下大气压力，0.101 3 MPa；P为煤层瓦斯压力的平方，P=p2，MPa2；p为瓦斯压力，MPa；P0为煤层原始瓦斯压力的平方，MPa2；P1为钻孔瓦斯压力的平方，MPa2；r为煤层任一点到钻孔中心的距离，m；r0为钻孔半径，m；r1为试样半径，m。

依据测定的煤样钻孔瓦斯流量随时间的变化关系，可以解算出对应的透气性系数。对于压裂/注水后的煤样，利用无液体排出后的瓦斯流量随时间的变化关系解算压裂/注水后的透气性系数。

3.1 去离子水压裂效果分析

1)煤样压裂后的气体流量变化规律。由于各煤样压裂后的气体流量整体趋势相似，因此以渝阳煤样(YY)为例进行展示，压裂前后的气体流量如图6所示。

(a)压裂前

从图6中可以看出，干燥煤样排气初期气体流量较大，随后快速衰减，后期气体流量缓慢降低直至无气体排出。压裂煤样首先快速排液，随后液体流量降低，气体流量逐渐升高，无液体排出后，气体稳定排出。

2)煤样压裂、注水后的透气性系数变化规律。采用去离子水进行实验的计算结果如表6所示。

表6 煤样去离子水压裂、注水前后的透气性系数变化

由表6可以看出：无论是YY煤样，还是GHS煤样，去离子水水力压裂后的透气性系数均有较大幅度增加，分别增加68.7%、44.3%，水力压裂有效范围内压裂增透占主导地位；而在5 MPa和2 MPa注水后煤样透气性系数都有明显的下降，YY煤样分别下降30.0%、36.0%，GHS煤样分别下降15.0%、30.0%，表明在注水压力下，裂隙扩展程度有限，煤样增透受限，水敏性损耗占主导地位，煤样透气性降低。

对比YY煤样和GHS煤样注水前后的透气性系数变化，可以看出在5 MPa注水和2 MPa注水后，YY煤样透气性系数下降幅度比GHS煤样大。表明在低压注水时，水敏黏土含量较高的YY煤样受到水敏性损害的程度大于含量较低的GHS煤样，水敏黏土膨胀显著影响了煤样的透气性。

3.2 抑胀液压裂效果分析

为了进一步研究水敏性损害对煤层水力压裂增透效果的影响，用抑胀液替代去离子水开展相同的实验研究，优选的抑胀液成分为质量分数0.01%的JFC溶液、质量分数0.5%的HCOOK溶液和质量分数0.02%的PAM溶液。实验结果如表7所示。

表7 煤样抑胀液压裂、注液前后的透气性系数变化

对比表6、表7煤样透气性系数，可以看出，无论是YY煤样，还是GHS煤样，抑胀液压裂的增透效果明显好于去离子水压裂，煤的透气性系数分别增加23.2%、6.2%，水敏黏土含量较高的YY煤样透气性系数增长明显高于水敏黏土含量较低的GHS煤样。

对比5 MPa注液和2 MPa注液后煤样透气性系数的变化，与注去离子水比较，YY煤样分别提升了24.7%、6.7%，GHS煤样分别提升了-0.9%、9.2%，表明较高的注液压力下煤样的含水率会更高，水敏性损害更严重，抑胀液对煤样水敏性损害产生抑制作用更显著。

4 结论

1)煤的有机组分和无机组分在吸附水分后均会发生膨胀，二者的综合作用导致水敏性损害的发生。

2)水敏黏土质量分数为6.23%的YY煤样饱水处理后，经扫描电子显微镜(SEM)观测到煤样表面存在明显的黏土膨胀物，其大小为1～10 μm，尺度与大孔相当；低温氮吸附实验和压汞实验表明，水的介入降低了煤体全尺度孔隙体积，降低了煤样瓦斯扩散与渗流能力。

3)水力压裂后，煤体裂隙扩展和水敏性损害综合作用影响煤的透气性，去离子水水力压裂后，水力压裂有效范围内压裂增透占主导地位；而在5 MPa注水和2 MPa注水后，煤样透气性系数都有明显的下降，表明在注水压力下，裂隙扩展程度有限，煤样增透受限，水敏性损耗占主导地位，煤样透气性降低。

4)抑胀液压裂的增透效果明显好于去离子水压裂，水敏黏土含量较高的YY煤样增长明显高于水敏黏土含量较低的GHS煤样，煤的水敏黏土含量越高，其水敏性损害越严重。