水分對瓦斯運移負效應的分析與實驗研究

裴秋艷，王駿輝，王 毅

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

水分對瓦斯運移負效應的分析與實驗研究

裴秋艷1，王駿輝2，王 毅1

(1. 太原理工大學，山西 太原 030024；2. 中國礦業大學，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必須考慮的因素。為了提高水力壓裂技術在煤層增透應用中的效用，本文針對水分對瓦斯運移負效應進行了分析，并采用WYS-800伺服自動加載系統，設計實驗，深入研究了三軸應力狀態下，余吾煤業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。同時上述結論與水力壓裂使裂隙結構改變從而滲透率增加的結論結合，以余吾煤礦為例，在工程應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支撐。

瓦斯運移；含水率；滲透性；孔隙；水力壓裂

煤層的基礎結構是孔隙結構，煤層又是具有孔隙裂隙雙重結構的典型固體，孔隙結構又是由眾多的裂隙結構包圍，形成了無數基質塊體。NIE B S等[1]研究不同變質程度的十一種煤樣的孔隙結構，用低壓氮氣吸附和掃描電鏡技術相結合的方法，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力狀態下具有相異的滲流規律。國內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系，并深入研究了不同充水狀態下巖石的各項物理指標。Wang S, et al[6]研究了含水率、孔隙率、滲透性三者的關系。

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必須考慮的因素。王耀鋒等[7]總結了水力壓裂技術的發展歷程，指出水力壓裂增透機理尚未被完全認知。翟成等[8]研究了水力壓裂技術中將普通水力壓裂優化為脈沖水力壓裂，得到了比較明顯的效果。郭臣業等[9]開發了水力壓裂數值模擬軟件，可以有效促進增透效果，達到瓦斯治理的目的。

還有其他一些研究表明含水率與煤層滲透性的關系。荊俊杰等[10]利用自主研發的實驗設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]利用自主研發的三軸煤巖瓦斯滲流實驗設備得出含水率與含瓦斯煤滲透性的關系表達式。

本文針對水分對瓦斯運移的負效應進行分析，并利用實驗研究煤層中水分對瓦斯滲透性的影響。進而將含水率與煤層滲透性的關系應用于水力壓裂技術的工程實踐中，完善決定水力壓裂的最佳影響半徑的基礎參數，提高實際抽采效率。

1 水分對瓦斯運移負效應

在進行水力壓裂過程中，煤體中水分增加是壓裂液的濾失造成的結果，這些濾失的水分所起的作用并沒有達到造縫的效果，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，這一點被大多數學者贊同。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，通過毛細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為對瓦斯運移的負效應。

圖1 固液界面的毛細管模型

具體原因是當流體的狀態是非線性流體，非達西流時，水分在微小的毛細孔隙內會形成阻力，改變瓦斯在流動過程中的粘性阻力，自由水堵塞瓦斯通道，占據瓦斯運移空間，給瓦斯運移帶來負效應[13]。

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

(1)

求變量的積分，得出式(2)。

(2)

如果假設瓦斯氣體分子是在水分內流動的，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是介質的含水飽和度，其計算方法見式(4)。

(4)

2 不同含水率煤瓦斯滲透性實驗

壓力大小也是影響瓦斯滲透性的重要因素，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]。

為了進一步研究煤外部應力(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滲透性能的，設計如下實驗。

2.1 實驗設備

實驗研究選用的設備為WYS-800電液伺服微機控制的三軸瓦斯滲流試驗裝置，設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。實驗設備三軸室結構見圖2。

圖2 三軸室結構圖

2.2 實驗準備

選取余吾煤業煤樣若干，將其加工為50 mm×100 mm標準煤樣。制備不同含水率煤樣的方法相較于魏建平的負壓吸水法[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上迎合當下的審美進行器形的改變。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都一一說明了盡管傳統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，注水壓力達到5 MPa后關閉密閉閥，使煤樣持續放置在5 MPa水壓環境中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，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。本實驗排除雜質氣體的方法：液路系統排氣是通過卸載液壓油實現的，氣路系統排氣是通過多次的甲烷吸附實現的。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。穩定一段時間后即可調整為所需值。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。調試后繼續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力條件變化的情況。其中：有效應力是軸壓、圍壓和孔隙壓的結合，是反應煤樣受內部壓力和外部壓力的綜合指標。計算公式見式(5)。

(5)

式中：σ0是有效應力，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 實驗結果分析

3.1 恒定軸壓變圍壓情況

軸壓恒定狀態下(5 MPa)，不同含水率煤樣瓦斯滲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，其瓦斯滲透率、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，其瓦斯滲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力條件變化情況曲線見圖5。

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

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不敏感。含水率較高，水力壓裂不能很好的加壓，泄壓，達不到需求效果。

3.3 煤樣滲透率隨含水率變化規律

(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：在不同應力狀態下，余吾煤的瓦斯滲透率隨著含水率的增加都表現出較為明顯的下降趨勢。該現象說明煤體所蘊含的水分對于瓦斯的運移存在阻滯作用，即負效應現象。

4 工程應用

水力壓裂技術在煤礦瓦斯抽采過程中應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。但是根據上述分析及實驗結果，在利用水力壓裂技術的同時煤層含水率增加，滲透率又會降低。在應用過程中，結合上述兩方面尋找水力壓裂最佳影響半徑是技術的關鍵。

為解決上述問題，根據分析及實驗研究結論，針對余吾煤業N2105工作面水力壓裂效果進行現場測試分析，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數據支撐。

選取余吾煤業N2105工作面1-52水力壓裂井，對其進行豎井壓裂試驗，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因素。在1-52壓裂井影響范圍內選取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在進行水力壓裂后，存在水分對瓦斯運移的負效應，使鉆孔瓦斯抽放量與延伸距離并不成正比。為了進一步確認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一步應用，找到水力壓裂效果最好的影響半徑，達到最好增透效果，實現高效抽采瓦斯的目的。

5 結論

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

2)余吾煤的瓦斯滲透率隨著含水率的增加都表現出較為明顯的下降趨勢。該現象說明煤體所蘊含的水分對于瓦斯的運移存在阻滯作用，即負效應現象。

3)實驗所得水分對瓦斯運移負效應的結論結合水力壓裂使裂隙結構改變從而滲透率增加的結論結合，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，主要從事煤礦數據分析與安全監測，E-mail：979570183@qq.com。

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1004-4051(2017)03-0161-05