九龍礦構(gòu)造煤壓力作用下孔隙結(jié)構(gòu)及分形變化特征

張貝貝, 沈軍平, 金超, 劉劍

(1. 河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 邯鄲 056038; 2. 中國礦業(yè)大學(xué), 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 徐州 221116; 3. 阿克蘇工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 阿克蘇 842000)

煤是典型的具有孔隙和裂隙雙孔介質(zhì)的礦石[1-2],煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征對甲烷的吸附與解吸具有重要影響,煤礦瓦斯突出災(zāi)害防治離不開煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究。不同破壞程度的構(gòu)造煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征存在差異。姜波等[3]研究認(rèn)為與原生結(jié)構(gòu)煤相比,構(gòu)造煤孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育,比表面積大,蘊(yùn)含了大量的煤層氣資源。Pan等[4]研究了不同壓力、不同溫度條件下低煤級構(gòu)造煤吸附能力,認(rèn)為溫度和壓力是不同類型構(gòu)造煤吸附差異的主因。朱建芳等[5]通過建立煤的粒徑質(zhì)量分布分形維數(shù)模型,研究粒徑分布分形維數(shù)來分析煤的孔隙率分布。唐躍等[6]通過研究準(zhǔn)噶爾盆地南緣西山窯組煤儲層壓力控制因素分析,認(rèn)為壓力對煤儲層含氣量有影響。李小彥等[7]采用低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)測定了不同煤樣比表面積及孔徑分布數(shù)據(jù),依據(jù)吸附-解吸曲線和分形維數(shù)對煤巖孔隙系統(tǒng)進(jìn)行分類。高迪等[8]在低溫吸附的基礎(chǔ)上,結(jié)合分形孔隙研究的方法表明綜合分形維度越高,對煤層氣的開發(fā)越有利。張曉輝等[9]利用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)分形理論在納米級量化了構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)可以定量反映煤的構(gòu)造變形程度。大量實(shí)踐表明,構(gòu)造煤的存在是煤礦瓦斯地質(zhì)災(zāi)害的先決條件,瓦斯突出往往在構(gòu)造帶附近特別是在斷裂、褶皺和煤田局部增厚的區(qū)域內(nèi)[10-11]出現(xiàn)。

目前,構(gòu)造煤對煤礦瓦斯突出的影響仍然是研究熱點(diǎn),關(guān)于構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)等方面的研究成果較多,但關(guān)于這方面的課題需要解決的問題也比較多。例如,煤體孔隙結(jié)構(gòu)在壓力的作用下會發(fā)生怎樣的變化?同樣的壓力對不同破壞程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)又會有什么的差異性呢?

現(xiàn)圍繞上面提出的問題,為詳細(xì)研究壓力對煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響,選取邯鄲九龍礦瓦斯突出煤層-山西組2號碎粒煤及碎裂煤為研究對象,因考慮糜棱煤壓力改造增透意義不大,所以本次研究沒有考慮糜棱煤。將采集的碎裂煤和碎粒煤破碎、研磨和篩分,制成粒徑60～80目(0.18～0.25 mm)和200目(0.075 mm)以上的粉煤煤樣;同時(shí),為探究壓力對煤體結(jié)構(gòu)的影響,對煤樣進(jìn)行加壓處理,并利用傳統(tǒng)低溫氮吸附定性分析方法和分形理論定量分析方法,對實(shí)驗(yàn)前后煤樣孔隙發(fā)育規(guī)模和結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行對比分析研究,探究煤層氣增透、增產(chǎn)的內(nèi)在機(jī)制,為碎粒煤和碎裂煤儲層改造增透方案和瓦斯突出治理提供實(shí)驗(yàn)和理論支撐,以期對煤礦安全提供參考。

1 地質(zhì)概況及實(shí)驗(yàn)樣品

邯鄲九龍礦井田位于鼓山背斜東翼,呈一菱形狀,與毗鄰的井田均為斷層相隔,為一地壘式封閉礦井(圖1)[12-13]。

九龍礦主要含煤地層為晚古生代石炭系太原組及二疊系山西組,由于煤層埋藏深,受煤層賦存條件和地質(zhì)及水文地質(zhì)等客觀條件制約,目前礦井只開采2號和4號煤層,其中2號煤層發(fā)育在山西組中部,煤層厚1.50～8.88 m,平均5.52 m,含夾矸1～3層,頂板為粉砂巖,底板為炭質(zhì)泥巖。目前九龍礦采深已超過了1 000 m,隨著開采深度逐年增加,地應(yīng)力增大,瓦斯含量增加,煤層滲透性降低,瓦斯抽采更加困難[14],九龍礦在2013年從瓦斯礦井升級為煤與瓦斯突出礦井,2號煤層為突出煤層。

為研究碎粒煤和碎裂煤孔隙結(jié)構(gòu)在壓力下的響應(yīng)特征,實(shí)驗(yàn)樣品采自邯鄲九龍礦井田山西組2號煤層,參照GB/T 30050—2013 中《煤體結(jié)構(gòu)分類》中的劃分方案,采集破壞程度不同的碎粒煤及碎裂煤樣品,實(shí)驗(yàn)煤樣特征見表1和圖2。

表1 煤樣的宏觀特征描述Table 1 Macroscopic feature description of coal samples

2 樣品加工處理及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 煤塊的破碎和篩分

采集目標(biāo)煤樣時(shí),為保證樣品的新鮮不被氧化,立刻使用保鮮膜包裹并蠟封,隨后送往實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室中利用粉煤機(jī)將煤樣粉碎,然后將煤樣研磨至20～40目(0.38～0.83 mm)并利用磨拋機(jī)制作煤磚,進(jìn)行鏡質(zhì)組反射率測定。利用篩網(wǎng)篩選60～80目(0.18～0.25 mm)的煤樣進(jìn)行低溫氮吸附實(shí)驗(yàn),同時(shí)篩選60～80目(0.18～0.25 mm)的煤樣,進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn),加壓后的煤樣再進(jìn)行低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)。利用篩網(wǎng)篩選200目(0.075 mm)的煤樣,進(jìn)行工業(yè)分析。

圖1 九龍礦構(gòu)造示意圖和2號煤層垂向采樣剖面圖[13]Fig.1 Tectonic sketch of Jiulong mine and the vertical sampling section of No. 2 coal seam[13]

圖2 煤樣Fig.2 Samples of coal

2.2 樣品加壓處理實(shí)驗(yàn)

為了模擬不同破壞程度的構(gòu)造煤在壓力的影響下變壞情況,實(shí)驗(yàn)采用了YP-15型壓片機(jī),按照相同的壓力對不同的構(gòu)造煤煤樣分別進(jìn)行了壓片處理,制備了壓力條件下的構(gòu)造煤樣品。壓力進(jìn)行壓片,加壓壓力為10 MPa,加壓時(shí)間保持4 h[15]。

將加壓處理過的樣品重新裝入原來的樣品管內(nèi),等待脫氣干燥處理。

2.3 低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用美國麥克爾公司的Tristar II 3020全自動比表面積物理吸附儀進(jìn)行原煤及加壓后煤樣的低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)。

將加壓完成的煤樣和原煤煤樣放入脫氣裝置,將加熱溫度設(shè)定為120 ℃,脫氣時(shí)間2 h,可認(rèn)為此時(shí)煤的水分對煤的孔隙結(jié)構(gòu)影響最小[16]。然后將煤樣放在樣品架中自然冷卻至室溫,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19587—2017進(jìn)行低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)。

2.4 工業(yè)分析和反射率測定

分別利用馬弗爐和鼓風(fēng)干燥箱對煤樣進(jìn)行工業(yè)分析,利用德國蔡司顯微鏡光度計(jì)進(jìn)行鏡質(zhì)組反射率觀察,按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行煤的工業(yè)分析,煤中全硫的測定參照GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》。

2.5 孔隙類型分類方案選擇

目前孔隙類型分類方案較多,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和結(jié)果反饋選擇不同的類型。參考霍多特(XOJIOT)分類方案[17],將孔隙類型分為微孔、小孔、中孔、大孔(微孔孔徑<10 nm,10 nm<小孔孔徑<100 nm,100 nm<中孔孔徑<1 000 nm,1 000 nm <大孔孔徑)。利用煤樣的吸附/脫附曲線,通過BET(Brunauer-Emmett-Teller)方程計(jì)算得到樣品的比表面積,通過BJH(Barret-Joyner-Halenda)方程得到樣品的孔徑分布,通過開爾文方程求得半徑,利用FHH模型進(jìn)行分形特征研究[18-19]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 煤的工業(yè)分析和鏡質(zhì)組反射率

煤的工業(yè)分析和鏡質(zhì)組反射率測試結(jié)果如表2所示,從表2中可以看出,采集的九龍礦2號碎粒煤和碎裂煤均屬于中等變質(zhì)程度的焦煤,且均屬于低灰特低硫煤。

表2 煤樣工業(yè)分析和鏡質(zhì)組反射率Table 2 Proximate analysis and vitrinite random reflectance of coal samples

3.2 等溫線性圖分析

圖3為根據(jù)低溫氮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的等溫線性圖,可以看出:

(1)加壓前后的碎裂煤和碎粒煤的低溫氮吸附曲線的整體趨勢基本相同,在相對壓力小于0.1之前,其吸附曲線急劇上升,但上升幅度較小,在0.1～0.8時(shí),上升緩慢,在0.9～1.0時(shí),又急劇上升,這符合A2型曲線[20],此類吸附曲線主要以微孔、小孔為主,含有少量中孔。兩個(gè)煤樣樣品吸附曲線和脫附曲線間存在不重合現(xiàn)象,說明孔的類型較為復(fù)雜,不是單一的某類孔隙,“滯后環(huán)”特征不明顯,表明孔之間連通性一般且均不存在拐點(diǎn)。

圖3 壓力處理前后煤的N2吸附/解吸曲線Fig.3 N2 adsorption/desorption curves of pressurized coal samples and unpressurized coal samples

(2)碎粒煤在加壓前后的曲線基本重合,基本不存在差異性[圖3(a)];碎裂煤在加壓前后曲線存在差異性,加壓后的吸脫附曲線明顯高于加壓前的吸脫附曲線,滯后環(huán)寬度相當(dāng)[圖3(b)]。以上分析表明受到相同壓力后,碎裂煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化要高于碎粒煤的變化。

(3)本次研究的碎粒煤和碎裂煤均屬于同一煤層,唯一不同的是煤的破壞程度不同。加壓后,煤中部分脆性物質(zhì)會受到壓力而產(chǎn)生破碎[21],使得樣品中一部分堵塞的孔在壓力的作用下,變成兩端通透的孔,使孔的連通性增加,孔的吸附性能升高。同為構(gòu)造煤,不同破壞程度的煤在相同壓力的反應(yīng)特征不同,碎裂煤和碎粒煤兩種類型的煤樣差異性比較明顯,碎裂煤在壓力作用下,反應(yīng)劇烈,碎粒煤在壓力的作用下,基本沒有發(fā)生反應(yīng),變化較小。綜合分析認(rèn)為碎粒煤在地應(yīng)力的作用下,煤中的一些脆性物質(zhì)已經(jīng)遭到破壞,而碎裂煤的破壞程度相對較低,在受到外來壓力的情況下,煤中的一些脆性物質(zhì)發(fā)生改變,造成煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化,這也是碎裂煤的吸附性能發(fā)生較大變化的原因。

3.3 壓力尺度下的孔徑特征

dV/dD和dA/dD(V為孔容,A為比表面積,D為孔徑)能較好地表現(xiàn)出孔隙與孔容分布和孔隙與比表面積分布的情況,圖4為碎粒煤和碎裂煤加壓前后孔容和比表面積分布圖。不同破壞程度的碎粒煤和碎裂煤的孔容和比表面積具有明顯的分段性。

通過分析孔容分布圖[圖4(a)]可知,碎粒煤加壓前后基本沒有發(fā)生變化,且有三個(gè)最可幾孔徑,分別為2～2.5 nm、4～4.5 nm和7～30 nm。前兩個(gè)峰窄而幅度小,第三個(gè)峰寬而幅度小,表明碎粒煤的煤樣的孔容主要由這三個(gè)范圍段的孔徑貢獻(xiàn),其中主要的孔容貢獻(xiàn)的孔徑范圍是7～30 nm的孔徑。碎裂煤的煤樣加壓前后孔徑對孔容占比情況較為復(fù)雜,加壓后的最可幾孔徑明顯要多于加壓前,且峰比較密集。加壓前有五個(gè)峰,分別為2～3 nm、3～3.5 nm、3.5～4.5 nm、6～7.5 nm和7.5～30 nm,其中前四個(gè)峰比較密集,峰窄而幅度低,7.5～30 nm的峰寬而幅度低。加壓后6個(gè)峰,分別為2～2.5 nm、2.5～3 nm、3～3.5 nm、3.5～5 nm、5～6.5 nm和6.5～30 nm,其中前五個(gè)峰比較密集,峰窄而幅度低,6.5～30 nm的峰寬而幅度低,表明碎裂煤的孔容情況本身情況比較復(fù)雜,加壓后孔容的貢獻(xiàn)由更小一些的孔徑貢獻(xiàn),且孔容主要由6.5～30 nm的孔徑貢獻(xiàn)。綜合分析表明,碎裂煤的煤樣更易受到壓力的影響,且孔容貢獻(xiàn)度占比會更傾向于更小的孔徑,表明壓力在對煤產(chǎn)生影響時(shí),孔徑小的孔徑對壓力反應(yīng)比孔徑大的孔徑反應(yīng)更明顯。同時(shí)表明在10 MPa壓力下,碎粒煤的煤樣孔容貢獻(xiàn)基本不發(fā)生變化,碎裂煤的煤樣孔容貢獻(xiàn)度會發(fā)生變化,且孔容貢獻(xiàn)度占比會更傾向于更小的孔徑。

圖4 煤樣的孔容和比表面積分布Fig.4 Pore volume and specific surface area distribution of coal samples

通過分析比表面積分布圖[圖4(b)]可知,碎粒煤的煤樣加壓前主要有2個(gè)最可幾孔徑,分別是2～2.5 nm和2.5～3.5 nm,兩個(gè)峰窄而幅度高,加壓后只有一個(gè)最可幾孔徑,是2～3 nm,峰窄而幅度高,表明碎粒煤的煤樣在加壓前后,煤的比表面積占比變化情況發(fā)生輕微變化,基本在2～3.5 nm范圍內(nèi)變化,比表面積主要由微孔貢獻(xiàn),且主要是2～3.5 nm,加壓后的煤樣比表面積孔徑貢獻(xiàn)范圍有輕微后移,但幅度不大。碎裂煤的煤樣加壓前后主要有1個(gè)最可幾孔徑,均為2～2.5 nm,比表面積主要由微孔貢獻(xiàn),峰窄而幅度高,加壓后的煤樣比表面積孔徑貢獻(xiàn)范圍有輕微后移,但幅度不大。綜合分析表明,碎裂煤的煤樣和碎粒煤的煤樣比表面積貢獻(xiàn)均由較小的孔徑,基本在2～4 nm波動,加壓前后差異性不明顯,但是比表面積孔徑貢獻(xiàn)范圍有輕微后移,但幅度不大。

3.4 不同構(gòu)造煤壓力尺度下孔隙結(jié)構(gòu)的分形表征

分形理論可作為研究煤體孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜現(xiàn)象的一種工具。在低溫氮吸附法中分形模型依據(jù)情況不同,有較多的模型,如顆粒大小估算方法、FHH模型和NK(Neimark-Kiselev)模型。FHH模型因其簡單、準(zhǔn)確度高、測試范圍廣而被廣泛用于研究煤孔隙的分形[22]。因此,選用FHH模型對碎粒煤和碎裂煤在壓力作用下,進(jìn)行分形研究。其計(jì)算公式為

ln(V/Vm)=C+(D-3)ln[ln(Po/P)]

(1)

式(1)中:Vm為吸附容量;V為給定壓力下的吸附體積;D為分形維數(shù);Po為氣體的飽和蒸汽壓;P為氣體吸附時(shí)的平衡壓力;C為常數(shù)。

根據(jù)N2吸附所采用的FHH模型分形原理,擬合所得的分形維數(shù)數(shù)值計(jì)算公式為

Df=A+3

(2)

Df=3(A+1)

(3)

式中:Df為分形維數(shù)的值;A為參數(shù),可由lnV-ln[ln(Po/P)]的直線斜率確定,分形維數(shù)取決于A值。式(2)適用于毛細(xì)管冷凝控制條件下的分形維數(shù)計(jì)算,而式(3)通常用于計(jì)算范德華力控制條件下的分形維數(shù)[23]。由圖3可知,所用煤樣加壓前后的吸附等溫線中在相對壓力0.45左右均出現(xiàn)吸附滯后現(xiàn)象,P/Po<0.45下的分形維數(shù)D1表示孔隙表面分形維數(shù),反映范德華力作用;P/Po>0.45下的分形維數(shù)D2表示孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù),反映毛細(xì)凝聚作用,因此利用吸附等溫線數(shù)據(jù)利用式(1)線性擬合,得到圖5。本文中采用謝和平[24]分形方式,故按式(2)計(jì)算計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D,詳細(xì)結(jié)構(gòu)見表3。

通過圖5和表3可知,碎粒煤和碎裂煤的分形維數(shù)都較高,在相對壓力P/Po<0.45時(shí),擬合度均在0.99以上,說明碎粒煤和碎裂煤在受到壓力前后微孔和小孔都具有比較好的分形特征,在相對壓力P/Po>0.45時(shí),擬合度均在0.94以上,說明碎粒煤和碎裂煤在受到壓力前后微中孔具有較好的分形特征。為使分形分析更具系統(tǒng)性,分為3種類型分析:①加壓前碎粒煤和碎裂煤差異性分析;②加壓后煤構(gòu)造程度差異性分析;③碎粒煤和碎裂煤加壓前后的綜合分析。具體分析如下。

圖5 煤樣加壓前后樣品分形維數(shù)擬合關(guān)系Fig.5 Fitting relationship of fractal dimension of pressurized coal samples and unpressurized coal samples

表3 煤樣加壓前后樣品分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 fractal dimension calculation results of pressurized coal samples and unpressurized coal samples

(1)加壓前碎粒煤和碎裂煤差異性分析:由表3可知,在壓力P/Po<0.45時(shí),碎粒煤的煤樣分形擬合度低于碎裂煤的煤樣,表明碎裂煤的煤樣更具分形特點(diǎn)。碎粒煤的煤樣分形維數(shù)低于碎裂煤的煤樣,表明碎裂煤孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。在壓力P/Po>0.45時(shí),碎粒煤的煤樣分形擬合度低于碎裂煤的煤樣,表明碎裂煤的煤樣更具分形特點(diǎn)。碎粒煤的煤樣分形維數(shù)高于碎裂煤的煤樣,表明碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。綜合分析認(rèn)為不同構(gòu)造的煤樣在加壓前,微孔分形擬合度較高,碎裂煤的煤樣擬合度高于碎粒煤的煤樣,且碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)在微孔表現(xiàn)上更復(fù)雜,這和圖3中吸附量較高的情況相符合。小孔和中孔擬合度較高,碎裂煤的煤樣擬合度高于碎粒煤的煤樣,但是在孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上,碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在加壓前,碎粒煤和碎裂煤的煤樣在不同孔徑范圍內(nèi)復(fù)雜情況不一,在微孔時(shí),碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)較為簡單,在中小孔時(shí),碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

(2)加壓后煤構(gòu)造程度差異性分析:整個(gè)壓力范圍內(nèi),加壓后的煤不同構(gòu)造程度差異性分析和加壓前構(gòu)造差異性分析的趨勢基本相同,變化的情況也很小。

(3)碎粒煤和碎裂煤加壓前后的綜合分析。

①碎粒煤:在壓力P/Po<0.45時(shí),碎粒煤的煤樣加壓前分形擬合度低于加壓后碎粒煤的煤樣,表明加壓后碎粒煤的煤樣更具分形特點(diǎn)。加壓后碎粒煤的煤樣分形維數(shù)低于加壓前碎粒煤的煤樣,表明加壓前碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比加壓后碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。在相對壓力P/Po>0.45時(shí),加壓前碎粒煤的煤樣分形擬合度高于加壓后碎粒煤的煤樣,表明加壓前碎粒煤的煤樣更具分形特點(diǎn)。加壓前碎粒煤的煤樣分形維數(shù)高于加壓后碎粒煤的煤樣,表明加壓前碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比加壓后碎粒煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

②碎裂煤:在壓力P/Po<0.45時(shí),碎裂煤的煤樣加壓前分形擬合度高于加壓后碎裂煤的煤樣,表明加壓前碎裂煤煤樣更具分形特點(diǎn)。加壓后碎裂煤的煤樣分形維數(shù)低于加壓前碎裂煤的煤樣,表明加壓前碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比加壓后碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。在壓力P/Po>0.45時(shí),加壓前碎裂煤的煤樣分形擬合度低于加壓后碎裂煤的煤樣,表明加壓前碎裂煤的煤樣更具分形特點(diǎn)。加壓前碎裂煤的煤樣分形維數(shù)低于加壓后碎裂煤的煤樣,表明加壓后碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比加壓前碎裂煤的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

③綜合分析認(rèn)為不同程度的構(gòu)造煤在加壓前后,微孔的分形維數(shù)較高,擬合度均為0.99以上,小孔和中孔的分形維數(shù)較高,擬合度均為0.94以上。加壓后,碎粒煤的煤樣微孔復(fù)雜情況具有更簡單的趨勢,中孔和小孔的復(fù)雜情況具有更復(fù)雜趨勢,但趨勢均不明顯。加壓后,碎裂煤在微孔的孔隙情況有輕微的變簡單的趨勢,在中孔和小孔的孔隙情況有變復(fù)雜的趨勢,且趨勢較為明顯。

4 九龍礦碎裂煤和碎粒煤增透方案淺析——實(shí)踐應(yīng)用

由以上分析可知,低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在受到相同加壓后,碎粒煤孔隙結(jié)構(gòu)變化情況較小,碎裂煤孔隙結(jié)構(gòu)變化情況較為明顯,說明碎裂煤在壓力作用下煤樣滲透能力得到改善,有利于瓦斯的抽采,碎粒煤滲透性改變較小。煤體滲透性越好,瓦斯抽采也就越容易,目前關(guān)于水力壓裂、高能液體擾動、水力解堵等煤儲層改造增透方案較多,但在眾多的改造措施中水力壓裂是一種應(yīng)用最廣泛的改造技術(shù)[25]。當(dāng)對硬煤(原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤)進(jìn)行水力壓裂時(shí),煤體因受到壓力而形成人工裂縫,滲透性增加;但如果對軟媒(碎粒煤和糜棱煤)進(jìn)行水力壓裂時(shí),因其煤體破碎程度較高,較難產(chǎn)生裂縫。對于軟煤這種不能通過水力壓裂改造的儲層,則可以將儲層中煤體沖卸出一部分,實(shí)現(xiàn)卸壓增透[26]。所以九龍礦山西組2號碎裂煤儲層改造可以考慮在本煤層或在頂?shù)装鍑鷰r進(jìn)行水力壓裂,而碎粒煤則需要通過水力沖孔出煤卸壓或在頂?shù)装鍑鷰r中進(jìn)行水力壓裂,進(jìn)而在圍巖中建立瓦斯流動的高速通道進(jìn)行抽采[27]。

5 結(jié)論

(1)低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示壓力對煤中的孔隙結(jié)構(gòu)會造成一定的影響,加壓后的碎粒煤孔隙結(jié)構(gòu)變化情況較小,碎裂煤孔隙結(jié)構(gòu)變化較為明顯。碎粒煤孔容貢獻(xiàn)基本不發(fā)生變化,碎裂煤孔容貢獻(xiàn)度會發(fā)生變化,且孔容貢獻(xiàn)度占比會更傾向于更小的孔徑。碎裂煤和碎粒煤比表面積貢獻(xiàn)均為較小的孔徑,基本在2～4 nm波動,比表面積孔徑貢獻(xiàn)范圍有輕微后移,但幅度不大。

(2)碎粒煤和碎裂煤的煤樣在加壓前后,微孔的分形維數(shù)高,擬合度均為0.99以上,小孔和中孔的分形維數(shù)較高,擬合度均為0.94以上。加壓后,碎粒煤的煤樣微孔復(fù)雜情況具有更簡單的趨勢,中孔和小孔的復(fù)雜情況具有更復(fù)雜趨勢,但趨勢均不明顯。而碎裂煤在微孔的孔隙情況有變簡單的趨勢,但趨勢不明顯,在中孔和小孔的孔隙情況有變復(fù)雜的趨勢,且趨勢較為明顯。

(3)九龍礦山西組2號碎裂煤儲層改造可以考慮在本煤層或在頂?shù)装鍑鷰r進(jìn)行水力壓裂,而碎粒煤則需要通過水力沖孔出煤卸壓或在頂?shù)装鍑鷰r進(jìn)行水力壓裂。