煤巖力學性質及其影響因素分析

和志浩，王洪雨，張 蓉，衣麗偉

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.中石化西南石油局湖南鉆井公司，湖南長沙410000；3.中石化中原油田分公司，河南濮陽 457001；4.中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司，陜西韓城 715400）

煤巖力學性質及其影響因素分析

和志浩1，王洪雨2，張 蓉3，衣麗偉4

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.中石化西南石油局湖南鉆井公司，湖南長沙410000；3.中石化中原油田分公司，河南濮陽 457001；4.中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司，陜西韓城 715400）

煤巖力學性質及影響因素對煤層氣井井壁穩(wěn)定及井深結構設計都有十分重要的意義，通過調研發(fā)現煤巖力學性質主要受到煤巖微觀孔隙結構、飽和介質及加載方式的影響，并且通過聲發(fā)射試驗研究，可以很好預測煤巖從壓縮到破壞整個過程的變化規(guī)律，但煤巖微裂隙、層理、割理發(fā)育，如何降低力學參數的離散性是以后研究的重點。

煤巖；微觀結構；聲發(fā)射；離散性

我國煤層氣資源極其豐富，資源總量約為32×1012m3，煤層氣作為非常規(guī)天然氣，儲量與常規(guī)天然氣相當，開采前景十分廣闊，隨著我國煤層氣的加速開采，專家學者們更加重視煤巖力學性質對煤層氣井壁穩(wěn)定的影響，煤層氣井鉆井過程中遇到的坍塌、掉塊問題嚴重影響施工進度及井身質量，對后期煤層氣生產也造成嚴重制約作用。因此，筆者通過調研國內外文獻，綜述了煤巖力學性質影響因素研究的最新進展，對鉆遇煤巖時鉆井方式及鉆井液選擇提供借鑒作用。

1 煤巖微觀結構對力學性質的影響

1.1 煤巖微裂隙對力學性質影響

煤巖結構中存在著大量的微孔、微裂紋及長度各異的割理面，微孔隙主要是分成三類：（1）植物細胞殘留孔；（2）基質孔；（3）次生孔。裂隙主要分為：（1）外生裂隙；（2）內生裂隙；（3）繼承裂隙；其中內生裂隙主要包括面割理和端割理。煤巖割理主要是煤化過程中產生的，面割理基本成面狀延伸，連續(xù)性較好，是煤巖中的主導裂縫；端割理長度較短，裂紋形狀不規(guī)則，連續(xù)性較差，與面割理成近乎垂直相交。正是由于大量微孔和微裂紋的存在，使得煤巖產生極強的非均質性和各向異性，煤巖作為一種典型的含缺陷的巖石材料，力學性質同砂巖泥頁巖產生較大的不同，在煤巖受力過程中，煤巖中的微裂隙尖端極易產生應力集中，從而造成主裂紋擴展、破壞。通過煤巖單軸壓縮試驗發(fā)現，同平行于裂隙方向加載相比，垂直于裂隙方向加載時抗壓強度和彈性模量顯著增大，因此看出加載方向同裂紋方向角度的不同煤巖力學性質產生較大影響。

1.2 煤巖體損傷力學

損傷力學是固體力學的分支，在外力條件下，由于微裂紋擴展破壞等不可逆變化形成材料宏觀力學性能的劣化成為損傷。煤巖體中由于含有大量的微裂隙和微孔，使得煤巖在外力加載過程中有效受力面積變小，從而致使截面上應力增大，Hult提出損傷參數為巖心截面實際面積Aef與表觀面積A的比值:

煤巖原生損傷變量通過掃描電子顯微鏡利用公式（1）求取，然后同單軸壓縮試驗獲取不同損傷變量下煤巖力學性質的差異，楊永杰（2011）[1]等發(fā)現損傷變量越大，煤巖的單軸抗壓強度及彈性模量越低，煤巖強度及變形同煤巖本身原生損傷發(fā)育高度相關。

2 煤巖化學特性對力學性質的影響

煤巖化學特性主要是由于煤巖微裂隙和微裂縫中充填有大量的無機鹽和粘土礦物，在鉆井過程中，鉆井液浸入煤巖內部后，不斷溶蝕無機鹽，使得煤巖膠結弱化，同時鉆井液濾液又會同粘土礦物發(fā)生水化反應，煤巖發(fā)生膨脹作用，內部微裂隙和微裂縫尖端不斷擴展、破壞。張建國（2000）[2]等將煤巖浸泡不同體系鉆井液后測定其單軸抗壓強度發(fā)現：浸泡后的煤巖強度均有不同程度降低，主要原因是煤巖中割理、微裂隙極其發(fā)育，水分子浸入溶蝕了裂縫內膠結充填物，降低了煤巖內聚力，同時在水化膨脹力作用下使得煤巖裂縫擴展、破壞。汪偉英（2010）[3]等通過測定煤巖在蒸餾水、煤層水和KCl鹽水中膨脹性實驗，得出了煤巖膨脹程度直接受粘土礦物含量的影響，煤巖膨脹不僅改變其力學性質，而且造成了煤巖滲透率急劇下降，對煤層氣儲層產生嚴重傷害。蔡記華（2012）[4]等通過室內試驗測量了煤巖在不同種類、不同濃度鹽溶液下的膨脹性，發(fā)現粘土礦物含量高的煤層極易受到傷害，HCCOONa和HCOOK鹽溶液對煤巖抑制性較好，煤巖力學性質同原巖相比，變化不大。

3 煤巖力學性質室內試驗研究

3.1 室內常規(guī)試驗研究

煤巖室內實驗是認識煤巖力學性質基礎，也是認識煤巖在不同應力狀態(tài)下力學性質的最重要的手段，由于近年來煤層氣坍塌掉塊現象極其嚴重，造成嚴重的井下事故，煤巖力學室內試驗逐漸增多，專家學者主要通過巖石伺服試驗系統(tǒng)研究了煤巖單軸壓縮試驗、常規(guī)三軸試驗、循環(huán)載荷試驗及試驗中煤巖聲發(fā)射特征研究，得到了大量的成果。

其中趙洪寶（2010）[5]通過研究含瓦斯煤巖單軸壓縮狀態(tài)下力學性質，發(fā)現煤巖全應力應變曲線階段性明顯，瓦斯的存在增加了煤巖脆性破壞特征。傅雪海（2002）[6]等通過常規(guī)三軸壓縮試驗系統(tǒng)研究了多相介質煤巖力學性質，結果顯示在彈性模量、抗壓強度、壓縮系數等力學參數上：自然煤樣＞水飽和煤樣＞水、氣飽和煤樣。李小春（2010）[7]等研究了較低和較高圍壓下煤巖塑性特征，結果表明：隨著軸向變形增大，煤巖塑性硬化逐漸增長。劉寶?。?999）[8]在調研國外實驗數據的基礎上，回歸分析了煤巖抗壓強度的尺寸效應公式：

其中D為煤巖立方體邊長。

3.2 煤巖聲發(fā)射試驗研究

煤巖在受外載荷作用時，其內部儲存的能量快速釋放產生彈性波，發(fā)出聲響，聲發(fā)射的出現代表著巖石損傷的產生，聲波的強度預示著巖石損傷的程度，因此煤巖聲發(fā)射的對于煤巖力學特性有著極好的表征作用。近幾年來，專家學者對于煤巖聲發(fā)射的研究十分重視，其中，唐書恒（2010）[9]等通過研究飽和含水煤巖單軸壓縮條件下聲發(fā)射特征，把煤巖破裂過程分為了迸裂型、破裂型和穩(wěn)定型三大類，并且對比了試件軸向平行面割理和軸向垂直面割理的破裂差異，從而更真實模擬煤巖的破裂特征。曹樹剛（2009）[10]等通過研究不同圍壓下煤巖聲發(fā)射特征發(fā)現：在圍壓作用下，彈性階段的聲發(fā)射信號明顯減少，并且隨著圍壓增大，彈性階段聲發(fā)射信號會相對減少。楊永杰（2006）[11]通過大量的煤巖單軸條件下聲發(fā)射試驗，總結了煤巖聲發(fā)射參數變化規(guī)律，并利用混沌性判別，對煤巖破裂失穩(wěn)過程進行預報。

4 結論

綜上所述，煤巖的力學性質及其影響因素前人已經做了大量的研究，特別是近幾年來，掃描電鏡、CT圖像普及應用，使得研究人員得以從微觀角度準確觀察煤巖內部結構[12]，巖石力學伺服控制系統(tǒng)的應用可以得到煤巖的應力-應變曲線，可以研究圍壓、浸泡介質對煤巖力學性質的影響，聲發(fā)射則可以預報煤巖破壞失穩(wěn)的過程，上述研究對認識煤巖力學性質取得很大進展，但由于煤巖本身存在著大量的微孔隙、微裂縫，造成力學性質上產生明顯各向異性和非均質性，在試驗過程中存在大量強度離散點，即使是同一區(qū)域同一層位煤巖在力學性質上仍舊有較大差異，盡管聲波測試方法可以降低力學參數的離散性，但影響煤巖力學性質的參數較多，如何形成一套完整的煤巖力學性質評價系統(tǒng)對以后的研究和工程應用都有重要的實際意義。

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TD313

A

1673-5285（2012）09-0005-03

2012－07-31

2012－08-06

四川省青年基金，項目編號：09ZQ026-084。