煤巖物理力學(xué)性質(zhì)及滲透規(guī)律的試驗(yàn)研究

煤巖物理力學(xué)性質(zhì)及滲透規(guī)律的試驗(yàn)研究

巖石的力學(xué)屬性是指巖石在各種靜力和力的作用下表現(xiàn)的性質(zhì)，主要是巖石的變形和強(qiáng)度特征。實(shí)驗(yàn)室利用剛性試驗(yàn)機(jī)或伺服試驗(yàn)機(jī)對圓柱形巖石樣品進(jìn)行單軸或三軸壓縮試驗(yàn)是研究巖石強(qiáng)度、變形特性以及巖石發(fā)生破裂的發(fā)展過程的最基本手段。巖石(體)力學(xué)的研究歷史不長,早期多為零星研究,主要圍繞天然巖石的基本力學(xué)特性進(jìn)行,且多數(shù)借用土力學(xué)理論,發(fā)展緩慢。20世紀(jì)50年代以后,由于世界采礦工程的發(fā)展,尤其是受到大型水電工程和軍事工程的推動(dòng),巖石(體)力學(xué)無論是在實(shí)驗(yàn)手段上還是在理論上,都有了比較顯著的進(jìn)展,如英國、美國、前蘇聯(lián)等礦業(yè)大國,為解決地下開采對圍巖的維護(hù)及露天開挖對邊坡穩(wěn)定性影響,加強(qiáng)了對巖石(體)力學(xué)問題的研究。煤是自然界中由植物遺體轉(zhuǎn)變而成的成層可燃沉積礦產(chǎn),由有機(jī)質(zhì)和混入的礦物質(zhì)所組成,其力學(xué)性質(zhì)相對于其它巖類具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比特性。煤巖變形破壞過程控制著其滲透性的變化,表現(xiàn)為在微裂隙閉合和彈性變形階段,巖石滲透率隨應(yīng)變的增大而略有降低;在煤巖的彈性極限后,隨著應(yīng)變的增加,煤巖進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段,其滲透率先是緩慢增加,然后隨著裂隙的擴(kuò)展急劇增大,在峰值強(qiáng)度后的應(yīng)變軟化階段滲透率達(dá)到極大值,然后急劇降低;在殘余強(qiáng)度階段,煤巖滲透率降低平緩。因此,研究煤巖變形力學(xué)特性對于揭示煤儲(chǔ)層滲透性分布,確定煤層氣開發(fā)方案、工作制度和排采速度,提高煤層氣井產(chǎn)能具有理論和實(shí)際意義。1巖流力學(xué)特征1.1煤的力學(xué)性質(zhì)根據(jù)沁水盆地南部煤層及其頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明(每組樣品數(shù)15個(gè))(表1),盡管煤層及其頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)變化較大,但仍可以看出:(1)單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度以石灰?guī)r類最大,粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖次之,泥巖較小,煤層最小;(2)無論是3號煤層還是15號煤層,煤的力學(xué)強(qiáng)度相對煤層頂?shù)装鍘r石具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比特性,在應(yīng)力作用下煤巖易于塑性變形。煤的力學(xué)性質(zhì)對水力壓裂裂縫產(chǎn)生重要影響。由于強(qiáng)度低,特別是抗拉強(qiáng)度低,使得煤巖容易開裂;由于泊松比高,使得地層水平應(yīng)力增大導(dǎo)致地層難以開裂,因此煤巖破裂的難易程度需視具體情況才能得出結(jié)論。煤巖的低彈性模量和高泊松比將導(dǎo)致裂縫長度減小、寬度增大。在煤層中形成水力裂縫的寬度與彈性模量成反比。由于寬度增加,在相同的施工排量下,裂縫長度增加將受到限制,因此,煤層氣井壓裂施工排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)砂巖氣井,常常達(dá)到8m3/min以上排量。1.2軸向破壞荷載煤樣承載后發(fā)生的變形及破壞與其所承受的圍壓大小有關(guān)。根據(jù)沁水盆地南部3號煤層試樣試驗(yàn)研究表明,煤的軸向破壞荷載和彈性模量均隨圍壓的增大而增大(圖1),說明煤樣原來具有一定的孔隙裂隙,在圍壓作用下,孔隙裂隙被壓密閉合,而使煤巖強(qiáng)度和彈性模量加大。經(jīng)回歸分析,煤的軸向破壞荷載與圍壓之間呈線性正相關(guān)關(guān)系:其中,σ1為軸向破壞應(yīng)力,MPa;σ3為圍壓,MPa。煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度σc=20.761MPa,相關(guān)系數(shù)R2=0.9539。煤巖彈性模量與圍壓之間具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系:其中,E為彈性模量,GPa。相關(guān)系數(shù)R2=0.9195。圍壓除影響煤的變形和強(qiáng)度特性外,對煤的破壞機(jī)制也產(chǎn)生重要的影響。在沒有圍壓條件下,煤樣呈典型的脆性張破壞,即破裂面平行于主壓應(yīng)力作用力方向;隨著圍壓的增加,圍壓試件由剪張破壞,即以張破壞為主,剪破壞為輔的破壞型式,到張剪破壞,即剪破壞為主,張破壞為輔的破壞型式;然后,向典型的剪切破壞轉(zhuǎn)化。在高圍壓條件下,煤樣呈塑性破壞,試件表面形成密集的“X”節(jié)理,剪切破裂面上有很多巖粉,破裂面交匯處有較大范圍的擠壓粉碎區(qū),并有顯著的側(cè)向膨脹。因此,在煤層氣開發(fā)時(shí),只有認(rèn)真地考慮地應(yīng)力因素,才能作出正確的評價(jià)。2全向推硅巖的遷移和滲透規(guī)律2.1實(shí)驗(yàn)樣品及圍壓設(shè)計(jì)為了了解地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對煤儲(chǔ)層變形破壞及滲透性的影響和煤層氣開發(fā)過程中變形破壞與滲透規(guī)律,采用TAW-2000型電液伺服三軸剛性試驗(yàn)機(jī),對煤樣進(jìn)行全應(yīng)力-應(yīng)變-滲透試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)樣品來自鄂爾多斯盆地東南緣中石化延川南區(qū)塊二疊系山西組2號煤層。試驗(yàn)樣品的宏觀煤巖類型為半亮型煤,具條帶狀結(jié)構(gòu)。煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量為73.85%;鏡質(zhì)體反射率為2.21%,煤變質(zhì)程度高,煤種為貧煤。根據(jù)研究區(qū)煤層埋藏深度和水平應(yīng)力分布,4個(gè)煤樣的圍壓分別設(shè)計(jì)為5,10,20,30MPa四個(gè)等級。采用先加圍壓至預(yù)定值,再以0.06mm/min的軸向位移速度加載至煤樣破壞的試驗(yàn)方法,煤巖滲流試驗(yàn)過程如圖2所示。從施加的圍壓等級看,可以防止試件內(nèi)的水由于較大的孔隙壓力而溢出,保證水流在煤樣中通過。煤滲流試驗(yàn)參數(shù)見表2。2.2煤巖滲透率預(yù)測從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程的滲透性變化具有如下規(guī)律:(1)無論是完整煤樣(如煤樣5-2號和煤樣7號)還是含裂隙煤樣(如煤樣6-1號和煤樣6-2號)均隨著圍壓的增加煤樣峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增高(圖3)。(2)無論是完整結(jié)構(gòu)煤樣(如煤樣5-2號和煤樣7號)還是含裂隙煤樣(如煤樣6-1號和煤樣6-2號),由于完整結(jié)構(gòu)煤樣5-2號力學(xué)強(qiáng)度較高,在峰值強(qiáng)度以前煤樣主要以彈性變形為特征,煤中孔隙-裂隙不易被壓縮和閉合,除煤樣7號的初始滲透率低于煤樣5-2號外,均隨著圍壓的增加煤樣的滲透性包括初始滲透率、峰值滲透率和殘余滲透率均降低(圖4)。(3)對于完整結(jié)構(gòu)煤樣(如煤樣5-2號和煤樣7號),受力后表現(xiàn)出明顯的彈塑性變形(圖3(a),5),在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中具有明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象,在微裂隙閉合和彈性變形階段,煤巖體積被壓縮,煤巖體積應(yīng)變曲線降低;煤巖滲透率隨應(yīng)力的增大而略有降低或滲透率變化不大;在煤巖的彈性極限后,隨著應(yīng)力的增加,煤巖進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段,煤巖體積由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹、煤巖體積應(yīng)變曲線升高,煤巖滲透率先是緩慢增加,然后隨著裂隙的擴(kuò)展而急劇增大;在煤巖峰值強(qiáng)度后的應(yīng)變軟化階段,其體積應(yīng)變曲線急劇升高,煤巖滲透率達(dá)到極大值,然后均急劇降低;在殘余強(qiáng)度階段,隨應(yīng)變的增加,煤巖體積應(yīng)變和滲透率降低平緩(圖5,6(a))。(4)對于完整結(jié)構(gòu)煤樣(如煤樣5-2號和煤樣7號),煤巖應(yīng)力-應(yīng)變過程中最大滲透率主要發(fā)生在煤巖應(yīng)變軟化階段(如煤樣5-2號)或與應(yīng)力峰值σmax重合部位(如煤樣7號)(圖5,6(a)),反映出峰后煤巖的滲透率普遍大于峰前,說明煤樣的破壞并與滲透率極大值同步,只有煤巖破壞后變形的進(jìn)一步發(fā)展,才會(huì)導(dǎo)致峰值滲透的到來。因此,通過分析煤巖變形破壞來預(yù)測煤儲(chǔ)層滲透性。(5)對于含裂隙煤樣(如煤樣6-1號和煤樣6-2號),煤中微觀裂隙相對發(fā)育,受力后表現(xiàn)出明顯的塑性變形,在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中應(yīng)變軟化不明顯(煤樣6-1號)或者表現(xiàn)為應(yīng)變硬化規(guī)律(煤樣6-2號)(圖3(b),5),隨著應(yīng)力的增加,進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段,煤巖發(fā)生塑性變形,煤巖體積膨脹,煤巖滲透率緩慢增加;然后隨著應(yīng)力的增加,煤巖產(chǎn)生應(yīng)變硬化,煤巖體積應(yīng)變和滲透率均急劇降低,并保持一定的殘余值(圖5)。這一現(xiàn)象反映隨著應(yīng)力的增加,煤基質(zhì)顆粒之間在應(yīng)力作用下發(fā)生滑動(dòng),在屈服點(diǎn)之后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上升趨勢,說明煤基質(zhì)顆?；叫碌奈恢煤?煤體被壓密,導(dǎo)致煤基質(zhì)顆粒間相嵌、擠緊,如使之滑動(dòng),要相應(yīng)增大應(yīng)力,從而形成應(yīng)變硬化現(xiàn)象或在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中應(yīng)變軟化不明顯。(6)對于含裂隙煤樣(如煤樣6-1號和煤樣6-2號),煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變過程中最大滲透率主要發(fā)生在彈或塑性變形階段(圖5,6(b)),其后隨著煤巖應(yīng)力-應(yīng)變增加,其滲透率減小,該類煤樣反映出峰后煤巖的滲透率普遍小于峰前,這一現(xiàn)象揭示了構(gòu)造煤在應(yīng)力作用下滲透率極低的特征(圖6(b))。(7)煤巖滲透率值在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后出現(xiàn)突然增大的“突跳”現(xiàn)象。煤巖應(yīng)力-應(yīng)變達(dá)到峰值后,內(nèi)部裂隙已經(jīng)貫通,使得滲透率值產(chǎn)生變化,隨后煤巖的滲透率值趨于平穩(wěn),形成穩(wěn)定滲流的趨勢(圖5)。3煤巖滲透率隨壓力的變化特征(1)煤的力學(xué)強(qiáng)度相對煤層頂?shù)装鍘r石具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比特性,易于產(chǎn)生塑性變形,煤的軸向破壞荷載和彈性模量均隨圍壓的增大而增大,呈正相關(guān)關(guān)系。(2)無論是完整煤樣,還是含裂隙煤樣均隨著圍壓的增加,煤樣峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增高;煤樣的滲透性,除一些力學(xué)強(qiáng)度較高、以彈性變形為特征的完整結(jié)構(gòu)煤樣外,煤樣的初始滲透率、峰值滲透率和殘余滲透率隨著圍壓的增加而降低。(3)對于完整煤樣在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中具有明顯應(yīng)變軟化現(xiàn)象,煤樣滲透性隨著應(yīng)力-應(yīng)變過程發(fā)生變化,在煤巖峰值強(qiáng)度后的應(yīng)變軟化階段煤巖滲透率達(dá)到極大值,然后均急劇降低,峰后煤巖的滲透率普遍大于峰前。(4)對于微觀裂隙相對發(fā)