煤巖物理力學(xué)性質(zhì)及滲透規(guī)律的試驗研究

煤巖物理力學(xué)性質(zhì)及滲透規(guī)律的試驗研究

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度特征。實驗室利用剛性試驗機或伺服試驗機對圓柱形巖石樣品進行單軸或三軸壓縮試驗是研究巖石強度、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)特性進行,且多數(shù)借用土力學(xué)理論,發(fā)展緩慢。20世紀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,巖石(體)力學(xué)無論是在實驗手段上還是在理論上,都有了比較顯著的進展,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及露天開挖對邊坡穩(wěn)定性影響,加強了對巖石(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,煤巖進入裂紋擴展階段,其滲透率先是緩慢增加,然后隨著裂隙的擴展急劇增大,在峰值強度后的應(yīng)變軟化階段滲透率達到極大值,然后急劇降低;在殘余強度階段,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)試驗統(tǒng)計表明(每組樣品數(shù)15個)(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)單軸抗壓強度和抗拉強度以石灰?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)強度相對煤層頂?shù)装鍘r石具有低強度、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。由于強度低,特別是抗拉強度低,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遠高于常規(guī)砂巖氣井,常常達到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度特性外,對煤的破壞機制也產(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,只有認真地考慮地應(yīng)力因素,才能作出正確的評價。2全向推硅巖的遷移和滲透規(guī)律2.1實驗樣品及圍壓設(shè)計為了了解地質(zhì)歷史時期構(gòu)造運動對煤儲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機,對煤樣進行全應(yīng)力-應(yīng)變-滲透試驗研究。實驗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個煤樣的圍壓分別設(shè)計為5,10,20,30MPa四個等級。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方法,煤巖滲流試驗過程如圖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。煤滲流試驗參數(shù)見表2。2.2煤巖滲透率預(yù)測從試驗結(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度和殘余強度增高(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)強度較高,在峰值強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,煤巖進入裂紋擴展階段,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,然后隨著裂隙的擴展而急劇增大;在煤巖峰值強度后的應(yīng)變軟化階段,其體積應(yīng)變曲線急劇升高,煤巖滲透率達到極大值,然后均急劇降低;在殘余強度階段,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一步發(fā)展,才會導(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,進入裂紋擴展階段,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,在屈服點之后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上升趨勢,說明煤基質(zhì)顆粒滑到新的位置后,煤體被壓密,導(dǎo)致煤基質(zhì)顆粒間相嵌、擠緊,如使之滑動,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)強度相對煤層頂?shù)装鍘r石具有低強度、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,煤樣峰值強度和殘余強度增高;煤樣的滲透性,除一些力學(xué)強度較高、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,在煤巖峰值強度后的應(yīng)變軟化階段煤巖滲透率達到極大值,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)