煤岩物理力学性质及渗透规律的试验研究

煤岩物理力学性质及渗透规律的试验研究

岩石的力学属性是指岩石在各种静力和力的作用下表现的性质，主要是岩石的变形和强度特征。实验室利用刚性试验机或伺服试验机对圆柱形岩石样品进行单轴或三轴压缩试验是研究岩石强度、变形特性以及岩石发生破裂的发展过程的最基本手段。岩石(体)力学的研究历史不长,早期多为零星研究,主要围绕天然岩石的基本力学特性进行,且多数借用土力学理论,发展缓慢。20世纪50年代以后,由于世界采矿工程的发展,尤其是受到大型水电工程和军事工程的推动,岩石(体)力学无论是在实验手段上还是在理论上,都有了比较显著的进展,如英国、美国、前苏联等矿业大国,为解决地下开采对围岩的维护及露天开挖对边坡稳定性影响,加强了对岩石(体)力学问题的研究。煤是自然界中由植物遗体转变而成的成层可燃沉积矿产,由有机质和混入的矿物质所组成,其力学性质相对于其它岩类具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性。煤岩变形破坏过程控制着其渗透性的变化,表现为在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石渗透率随应变的增大而略有降低;在煤岩的弹性极限后,随着应变的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,其渗透率先是缓慢增加,然后随着裂隙的扩展急剧增大,在峰值强度后的应变软化阶段渗透率达到极大值,然后急剧降低;在残余强度阶段,煤岩渗透率降低平缓。因此,研究煤岩变形力学特性对于揭示煤储层渗透性分布,确定煤层气开发方案、工作制度和排采速度,提高煤层气井产能具有理论和实际意义。1岩流力学特征1.1煤的力学性质根据沁水盆地南部煤层及其顶底板岩石力学试验统计表明(每组样品数15个)(表1),尽管煤层及其顶底板岩石力学性质变化较大,但仍可以看出:(1)单轴抗压强度和抗拉强度以石灰岩类最大,粉砂岩和粉砂质泥岩次之,泥岩较小,煤层最小;(2)无论是3号煤层还是15号煤层,煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,在应力作用下煤岩易于塑性变形。煤的力学性质对水力压裂裂缝产生重要影响。由于强度低,特别是抗拉强度低,使得煤岩容易开裂;由于泊松比高,使得地层水平应力增大导致地层难以开裂,因此煤岩破裂的难易程度需视具体情况才能得出结论。煤岩的低弹性模量和高泊松比将导致裂缝长度减小、宽度增大。在煤层中形成水力裂缝的宽度与弹性模量成反比。由于宽度增加,在相同的施工排量下,裂缝长度增加将受到限制,因此,煤层气井压裂施工排量远远高于常规砂岩气井,常常达到8m3/min以上排量。1.2轴向破坏荷载煤样承载后发生的变形及破坏与其所承受的围压大小有关。根据沁水盆地南部3号煤层试样试验研究表明,煤的轴向破坏荷载和弹性模量均随围压的增大而增大(图1),说明煤样原来具有一定的孔隙裂隙,在围压作用下,孔隙裂隙被压密闭合,而使煤岩强度和弹性模量加大。经回归分析,煤的轴向破坏荷载与围压之间呈线性正相关关系:其中,σ1为轴向破坏应力,MPa;σ3为围压,MPa。煤样的单轴抗压强度σc=20.761MPa,相关系数R2=0.9539。煤岩弹性模量与围压之间具有明显的幂函数关系:其中,E为弹性模量,GPa。相关系数R2=0.9195。围压除影响煤的变形和强度特性外,对煤的破坏机制也产生重要的影响。在没有围压条件下,煤样呈典型的脆性张破坏,即破裂面平行于主压应力作用力方向;随着围压的增加,围压试件由剪张破坏,即以张破坏为主,剪破坏为辅的破坏型式,到张剪破坏,即剪破坏为主,张破坏为辅的破坏型式;然后,向典型的剪切破坏转化。在高围压条件下,煤样呈塑性破坏,试件表面形成密集的“X”节理,剪切破裂面上有很多岩粉,破裂面交汇处有较大范围的挤压粉碎区,并有显著的侧向膨胀。因此,在煤层气开发时,只有认真地考虑地应力因素,才能作出正确的评价。2全向推硅岩的迁移和渗透规律2.1实验样品及围压设计为了了解地质历史时期构造运动对煤储层变形破坏及渗透性的影响和煤层气开发过程中变形破坏与渗透规律,采用TAW-2000型电液伺服三轴刚性试验机,对煤样进行全应力-应变-渗透试验研究。实验样品来自鄂尔多斯盆地东南缘中石化延川南区块二叠系山西组2号煤层。试验样品的宏观煤岩类型为半亮型煤,具条带状结构。煤岩显微组分中镜质组含量为73.85%;镜质体反射率为2.21%,煤变质程度高,煤种为贫煤。根据研究区煤层埋藏深度和水平应力分布,4个煤样的围压分别设计为5,10,20,30MPa四个等级。采用先加围压至预定值,再以0.06mm/min的轴向位移速度加载至煤样破坏的试验方法,煤岩渗流试验过程如图2所示。从施加的围压等级看,可以防止试件内的水由于较大的孔隙压力而溢出,保证水流在煤样中通过。煤渗流试验参数见表2。2.2煤岩渗透率预测从试验结果可以看出,煤样全应力-应变过程的渗透性变化具有如下规律:(1)无论是完整煤样(如煤样5-2号和煤样7号)还是含裂隙煤样(如煤样6-1号和煤样6-2号)均随着围压的增加煤样峰值强度和残余强度增高(图3)。(2)无论是完整结构煤样(如煤样5-2号和煤样7号)还是含裂隙煤样(如煤样6-1号和煤样6-2号),由于完整结构煤样5-2号力学强度较高,在峰值强度以前煤样主要以弹性变形为特征,煤中孔隙-裂隙不易被压缩和闭合,除煤样7号的初始渗透率低于煤样5-2号外,均随着围压的增加煤样的渗透性包括初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率均降低(图4)。(3)对于完整结构煤样(如煤样5-2号和煤样7号),受力后表现出明显的弹塑性变形(图3(a),5),在全应力-应变过程中具有明显的应变软化现象,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩体积应变曲线降低;煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积由压缩转为膨胀、煤岩体积应变曲线升高,煤岩渗透率先是缓慢增加,然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段,其体积应变曲线急剧升高,煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低;在残余强度阶段,随应变的增加,煤岩体积应变和渗透率降低平缓(图5,6(a))。(4)对于完整结构煤样(如煤样5-2号和煤样7号),煤岩应力-应变过程中最大渗透率主要发生在煤岩应变软化阶段(如煤样5-2号)或与应力峰值σmax重合部位(如煤样7号)(图5,6(a)),反映出峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前,说明煤样的破坏并与渗透率极大值同步,只有煤岩破坏后变形的进一步发展,才会导致峰值渗透的到来。因此,通过分析煤岩变形破坏来预测煤储层渗透性。(5)对于含裂隙煤样(如煤样6-1号和煤样6-2号),煤中微观裂隙相对发育,受力后表现出明显的塑性变形,在全应力-应变过程中应变软化不明显(煤样6-1号)或者表现为应变硬化规律(煤样6-2号)(图3(b),5),随着应力的增加,进入裂纹扩展阶段,煤岩发生塑性变形,煤岩体积膨胀,煤岩渗透率缓慢增加;然后随着应力的增加,煤岩产生应变硬化,煤岩体积应变和渗透率均急剧降低,并保持一定的残余值(图5)。这一现象反映随着应力的增加,煤基质颗粒之间在应力作用下发生滑动,在屈服点之后,应力-应变曲线呈上升趋势,说明煤基质颗粒滑到新的位置后,煤体被压密,导致煤基质颗粒间相嵌、挤紧,如使之滑动,要相应增大应力,从而形成应变硬化现象或在全应力-应变过程中应变软化不明显。(6)对于含裂隙煤样(如煤样6-1号和煤样6-2号),煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生在弹或塑性变形阶段(图5,6(b)),其后随着煤岩应力-应变增加,其渗透率减小,该类煤样反映出峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前,这一现象揭示了构造煤在应力作用下渗透率极低的特征(图6(b))。(7)煤岩渗透率值在应力-应变曲线峰后出现突然增大的“突跳”现象。煤岩应力-应变达到峰值后,内部裂隙已经贯通,使得渗透率值产生变化,随后煤岩的渗透率值趋于平稳,形成稳定渗流的趋势(图5)。3煤岩渗透率随压力的变化特征(1)煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形,煤的轴向破坏荷载和弹性模量均随围压的增大而增大,呈正相关关系。(2)无论是完整煤样,还是含裂隙煤样均随着围压的增加,煤样峰值强度和残余强度增高;煤样的渗透性,除一些力学强度较高、以弹性变形为特征的完整结构煤样外,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率随着围压的增加而降低。(3)对于完整煤样在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象,煤样渗透性随着应力-应变过程发生变化,在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。(4)对于微观裂隙相对发