高壓水射流沖擊作用下煤-砂巖-頁巖損傷破裂特征

葛兆龍， 趙漢云， 盧義玉， 肖宋強(qiáng)， 周 哲， 博 濤

(1． 重慶大學(xué) 資源及安全學(xué)院， 重慶 400044； 2． 重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；3． 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510000)

由于高壓水射流破巖技術(shù)具有高效、低熱、無塵、低振動等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于礦山開采、巷道掘進(jìn)、油氣資源鉆探等行業(yè)[1-3]。然而，幾種非常規(guī)油氣儲層巖(煤、砂巖、頁巖)的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)等相差甚遠(yuǎn)，高壓水射流沖擊作用下其破壞特征、破碎機(jī)制等也有差別[4-5]。因此，研究高壓水射流沖擊下煤-砂巖-頁巖破碎機(jī)制和破裂特征具有重要科學(xué)意義及廣泛的工程應(yīng)用價值。

Dehkhoda等[6-7]發(fā)現(xiàn)不同巖石種類在水射流沖擊作用下發(fā)生內(nèi)部破壞時主要影響因素并不相同。Momber[8]通過試驗研究將巖石在高壓水射流作用下的破壞模式分為兩類，即致密堅硬巖石以“劈裂”方式破壞，軟巖以“射孔”方式破壞。梁運培[9]通過現(xiàn)場實驗等方式發(fā)現(xiàn)，高壓水射流破煤過程中，以前期射流沖擊動載對煤的損傷破壞作用為主導(dǎo)，后期準(zhǔn)靜態(tài)對煤的損傷破壞非常有限。陸朝暉等[10-12]分析了砂巖在高壓水射流不同速度、靶距和時間等參數(shù)沖擊作用下，會出現(xiàn)不同破壞模式。李根生等[13-14]通過掃描電鏡和CT觀察和分析了高壓水射流沖蝕后的砂巖和頁巖，得出頁巖在水射流作用下難以發(fā)生體積破碎。倪紅堅等[15-17]采用數(shù)值模擬的方式研究了水射流作用下巖石破碎機(jī)理，并認(rèn)為水射流破巖的主要形式是拉伸破壞。以上研究表明，水射流沖擊作用下，巖石會出現(xiàn)不同的破壞特征。但以往的研究或從“軟”“硬”角度將巖石進(jìn)行分類研究，或針對單一種類巖石，缺乏對非常規(guī)油氣儲層巖(煤、砂巖、頁巖)在射流沖擊作用下的破壞特征、破碎機(jī)制之間的系統(tǒng)分析。同時，現(xiàn)有對射流沖擊作用后巖石孔隙結(jié)構(gòu)變化及破碎顆粒分布情況的研究較少，對人們后期研究油氣資源運移和抽采帶來了問題。

因此本文選取非常規(guī)天然氣儲層具有代表性的煤、砂巖、頁巖為實驗對象，開展水射流沖蝕破巖試驗。借助CT圖像三維重構(gòu)、掃描電子顯微鏡及核磁共振技術(shù)，分析巖石宏觀破碎特征、破碎坑微觀形貌、破碎前后巖石孔隙變化等，以期認(rèn)識到不同儲層巖之間破壞特征的區(qū)別，為射流高效破巖提供依據(jù)。

1 高壓水射流沖擊試驗

1.1 巖樣

試驗所用頁巖取自代表性的四川盆地的下志留系龍馬溪組頁巖，該巖樣脆性礦物(石英、方解石和長石等)含量較高(超過85%)；煤體取自重慶南川礦區(qū)，埋深400～700 m；砂巖取自重慶江北區(qū)。試驗巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。為減少其他影響因素的干擾，試驗及物理力學(xué)測試所用每一種巖體試件均取自同一批次同一塊巖體，試件制備時采用水鉆法垂直于層理方向鉆取巖芯，并用切割機(jī)將巖樣加工成Ф50 mm×50 mm(±1 mm)的圓柱體，表面用砂紙打磨，保證試件斷面平整度，并將試件放入105 ℃恒溫烘干箱烘干24 h。為排除天然裂隙和孔隙對試驗結(jié)果的影響，先篩選肉眼無可見裂紋試件，再采用CT和核磁共振篩選同一種類巖體裂隙和孔隙度相似試件，如圖1(b)所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

(a) 高壓水射流切割系統(tǒng)

1.2 試驗過程

試驗是在由OMAX公司研發(fā)生產(chǎn)的2626型高精度射流自動數(shù)控切割機(jī)上完成的見圖1(a)，噴嘴內(nèi)徑0.355 mm。設(shè)置沖擊靶距為3 mm，沖擊時間為20 s，泵壓為190 MPa研究非淹沒條件下高壓水射流沖蝕破巖的效果。為了獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的射流速度，消除設(shè)備啟動過程的影響，試驗前先將一塊鋼制擋板遮擋于噴嘴與巖樣之間，待射流穩(wěn)定至試驗所需速度后再迅速抽開擋板，沖蝕20 s以后立即停止沖蝕。為收集射流沖擊過程中的巖石碎屑，每次實驗前在試件底部鋪設(shè)400目(0.03 mm)不銹鋼篩網(wǎng)。

1.3 評價方法

為獲得煤、砂巖、頁巖的破壞特征，采用宏觀觀測和微觀測量兩者相結(jié)合的方法。宏觀層面，采用游標(biāo)卡尺測量破碎坑深度、直徑、裂紋數(shù)量；采用二值化圖像處理方法對破巖碎片進(jìn)行粒徑分布統(tǒng)計[18-19]；同時用CT截面圖像對試件不同深度的損傷情況進(jìn)行統(tǒng)計[20-21]。微觀層面，采用SEM、CT(SOMATOM，Ccope)、核磁共振(NMR，MacroMR12-150H-I)、光學(xué)顯微鏡(日本尼康SMZ1270)等微觀觀測手段。首先，通過CT和三維圖像重構(gòu)技術(shù)對沖蝕后巖芯內(nèi)部進(jìn)行無損檢測，從而可以對巖芯內(nèi)部裂隙分布進(jìn)行三維可視化觀測；其次，運用核磁共振檢測沖蝕前后巖芯內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)的變化；最后，通過SEM(JEOL，JSM-7800F，最小分辨率0.8 nm)觀察破碎口表面微觀形態(tài)，對比分析巖芯射流沖擊破壞前后微觀斷裂形貌特征，揭示射流作用下不同煤巖微觀斷裂機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖蝕后裂隙及損傷

通過上述試驗發(fā)現(xiàn)砂巖、頁巖和煤的破碎形態(tài)如圖2所示，所選煤、砂巖、頁巖試樣在沖蝕前結(jié)構(gòu)完整良好，表面無裂紋，三類巖石在水射流沖擊下，破碎形態(tài)明顯不同，依次出現(xiàn)了破碎坑、橫向環(huán)形裂紋與縱向劈裂裂紋等破壞形式。圖3(a1)、(a2)分別為煤體側(cè)面和端面CT掃描圖；圖3(a3)為破碎裂隙三維重構(gòu)圖。結(jié)合圖2(a)可以看到，煤體上端沖蝕面出現(xiàn)較淺沖蝕破碎坑，在煤體上端表面形成一條貫通裂縫，并沿著貫通裂縫產(chǎn)生次級縱向劈裂裂紋，導(dǎo)致煤體出現(xiàn)體積破碎，總體呈現(xiàn)縱向劈裂破壞模式。圖2(b)和圖3(b2)分別為砂巖試件在經(jīng)水射流沖蝕后的實物圖與CT圖，砂巖試件僅留下深度為14 mm的“紡錘形”射流孔。圖2(c)與圖3(c3)分別為頁巖試件在經(jīng)水射流沖蝕后的實物圖與CT圖，頁巖試件射流沖擊面出現(xiàn)直徑約為26 mm的沖蝕破碎坑，中心頁巖呈片狀剝落，在頁巖內(nèi)部產(chǎn)生多條貫通橫向環(huán)形裂紋，并使頁巖出現(xiàn)體積破碎。

(a) 煤

圖3 煤巖試件內(nèi)部裂隙三維重構(gòu)圖

由表2統(tǒng)計結(jié)果可以看出，初期破碎坑的直徑頁巖>煤>砂巖，對巖體表面或者淺層的破壞頁巖大于砂巖；但從破碎坑的深度來看煤>頁巖>砂巖，反映出射流對煤體和頁巖的穿透性要強(qiáng)于砂巖；同時頁巖內(nèi)部總體裂紋數(shù)量大于煤體所產(chǎn)生的裂紋數(shù)量，整體破壞程度頁巖>煤>砂巖。

表2 巖石破碎特征統(tǒng)計

為獲得試件內(nèi)部的破壞程度，將每個試件CT掃描切片圖的損傷面積進(jìn)行統(tǒng)計，得到試件內(nèi)部隨著射流沖蝕深度的損傷分布見圖2；煤體的損傷程度在10%以內(nèi)波動，砂巖的損傷程度在0.18%以內(nèi)，與煤和頁巖的損傷相比微乎其微，頁巖大部分損傷集中在30%以內(nèi)，最高達(dá)到70%，同時在深度大于20 mm以后頁巖的損傷程度降至5%以內(nèi)?？傮w來看頁巖的損傷程度大于煤和砂巖，但當(dāng)深度達(dá)到20 mm以上時煤體損傷程度要大于頁巖。破碎巖石粒徑分布如圖4所示，煤和砂巖粒徑分布主要集中在粒徑2 mm以下，分別占80.66%和93.99%，而頁巖粒徑2 mm以下僅占44.58%；同時10 mm以上粒徑占比砂巖(0.11%)<煤(0.79%)<頁巖(6.43%)，總體來看砂巖粒徑最小，而頁巖的粒徑最大且分布最廣，分布最為稀疏。

圖4 射流破巖碎屑粒徑分布及破碎顆粒形態(tài)

一般水射流理論認(rèn)為巖石表面的淺層崩落是水錘壓力大于巖體單軸抗壓強(qiáng)度造成。試件在水射流沖擊時，在經(jīng)過短暫水錘效應(yīng)后，沖擊應(yīng)力波在試件內(nèi)部進(jìn)行傳播、反射及干涉，同時伴隨著高壓水侵入巖體內(nèi)部原生孔隙和應(yīng)力波作用下形成的裂隙形成水楔效應(yīng)，最終對試件造成張拉破壞。煤體為含初始損傷的多孔介質(zhì)，沿射流方向的縱向水楔劈裂破壞占據(jù)主導(dǎo)，導(dǎo)致水錘壓力作用時間極短，形成較淺且直徑較小的破碎坑見圖5(a)。砂巖為均質(zhì)介質(zhì)，強(qiáng)度較高，射流巨大的水錘壓力沖蝕使巖石發(fā)生剪切、拉伸破壞，且射流返流不斷磨蝕形成“紡錘狀”破碎坑見圖5(b)。而頁巖作為典型的橫觀各向同性的層狀巖體，應(yīng)力波在層理間反射，形成拉應(yīng)力，使試件出現(xiàn)許多橫向?qū)訝盍芽p并剝落，造成試驗后頁巖破碎坑平均直徑(26 mm)要高于煤體破碎坑直徑(9.57 mm)40.77%；隨著射流深度的增加，裂紋的削弱波的強(qiáng)度，橫向裂紋減少，同時隨著波在試件邊緣處的反射與疊加，造成試件底部的縱向拉伸破壞，導(dǎo)致射流巖裂隙侵入，最終造成頁巖底部的劈裂破壞見圖5(c)。

(a) 煤體水楔破壞

2.2 沖蝕前后破碎坑微觀形貌特征

煤體主要礦物以石英、方解石、黃鐵礦及黏土礦物為主，其中黏土礦物以高嶺石為主[22]；砂巖主要以石英、方解石、長石為主；頁巖主要以石英、方解石、長石及黏土礦物為主[23]。如圖6所示，煤體中以大塊石英、方解石為主，填隙少量黏土礦物，分布雜亂無序，表面較為銳利，大孔孔隙較大，具有明顯裂隙，導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度最低；砂巖骨架也為石英、長石等碎屑礦物組成，填隙物較少，粒間孔隙較多；頁巖同樣為石英、方解石等顆粒狀礦物構(gòu)成骨架，黏土礦物填充其中，顆粒礦物粒徑大于煤和砂巖，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似“混凝土”，因此顆粒黏聚力最高。同時通過光學(xué)顯微鏡下的觀察發(fā)現(xiàn)，組成頁巖顆粒狀礦物粒徑要遠(yuǎn)小于砂巖和煤，這與電鏡觀察結(jié)果是相反的，主要原因是由于組成煤和砂巖的石英、方解石等顆粒狀礦物的粒徑與組成頁巖的顆粒狀礦物不在一個數(shù)量級，造成微觀與宏觀觀察結(jié)果不一致。

(a) 煤

沖蝕后煤體斷口處碎片如圖7所示，沖蝕后沖蝕表面可見沖蝕條紋，通過局部放大圖7(c)、(d)，可以看見基質(zhì)減少，暴露出的雜質(zhì)等顆粒礦物較小，隨著高壓水的侵入，裂隙擴(kuò)張，并且晶體斷口面成雜亂臺階狀，晶體呈現(xiàn)拉斷現(xiàn)象；圖7(b)為破碎坑側(cè)面，基質(zhì)大量減少，石英等顆粒狀礦物粒徑較大，同時晶體斷裂整體呈現(xiàn)參差交錯狀；以上煤體斷口微觀特征均為脆性拉伸斷裂形貌，主要由水楔作用產(chǎn)生拉伸破壞為主。

(a) 沖蝕面概況

砂巖沖蝕后的斷口形貌如圖8所示，沖蝕后的砂巖斷口基質(zhì)礦物大量減少，留下絮狀大顆粒礦物及大量孔隙，砂巖表面斷口處晶體斷裂痕跡較為整齊，主要為高壓水在接觸砂巖表面的一瞬間的水錘效應(yīng)造成的剪切破壞，隨后在水流的沖刷作用下，水與砂巖接觸面礦物不斷剝落，造成剝蝕破壞。這與沖蝕后砂巖粒徑分布及典型的“紡錘形”破碎坑相印證，因此認(rèn)為射流在破壞砂巖時以水流的剝蝕作用為主。

(a) 破碎坑形貌概況

沖蝕后頁巖斷口形貌與煤體斷口形貌類似，如圖9(c)所示，斷口處晶體斷裂呈現(xiàn)臺階狀[24]，說明在水射流沖擊下，隨著應(yīng)力波在頁巖內(nèi)部的傳播以及在試件邊緣處的反射、疊加，產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成頁巖斷口處拉伸破壞，斷口邊緣處微裂隙的產(chǎn)生；并且隨著高壓水的侵入，沖蝕后頁巖斷口邊緣處顆粒狀礦物大量減少，因此造成頁巖斷口邊緣處的沖蝕痕跡。由此認(rèn)為頁巖斷口處的破壞以應(yīng)力波造成的拉伸破壞為主，同時伴隨射流的沖蝕破壞。

(a) 破碎坑形貌概況

2.3 儲層巖沖蝕前后孔隙變化

受CT分辨率限制，CT不能對煤巖體內(nèi)部微小孔隙和裂隙進(jìn)行很好地檢測，所以為進(jìn)一步分析儲層巖在沖蝕前后的內(nèi)部微觀損傷，采用核磁共振技術(shù)對沖蝕前后的儲層巖進(jìn)行檢測。核磁共振測得的T2值與孔隙的半徑之間一一對應(yīng)，因此，核磁共振信號T2值分布可以反映試件的裂隙孔隙分布[25-27]，并將試驗孔隙按照微孔與過渡孔(<100 nm)、中孔(100～1 000 nm)、大孔及裂隙(>1 000 nm)進(jìn)行分類。

沖蝕前后煤體T2分布呈現(xiàn)為三峰分布，沖蝕后總孔隙度增加了40%，從圖10(a)和圖11中可以看出微孔和中孔(2.5～100 ms)變化較小，但中孔孔隙度減少了3.29%，這主要是由于高壓水的侵入下煤體部分中孔轉(zhuǎn)化為了大孔，同時由于微孔相較而言較難侵入，因此造成了煤體中孔孔隙度的下降，沖蝕后煤體大孔及裂隙(>100 ms)是未沖蝕煤體的8倍，主要是煤體的破壞主要為水楔造成的拉伸破壞，因此煤體大孔孔隙的變化最為明顯，該結(jié)果與CT檢測結(jié)果基本一致。砂巖T2分布呈現(xiàn)為典型的雙峰分布，沖蝕后總孔隙度增加了20.48%，從圖10(b)和圖11中可以看出沖蝕前后砂巖微孔孔隙度幾乎無變化，微孔僅減少0.04%，中孔孔隙增加了57.39%，大孔增加了18.56%。該結(jié)果主要由于砂巖破壞損傷范圍較小，砂巖內(nèi)部微孔在射流作用下發(fā)生破壞或轉(zhuǎn)化為中孔，大孔，同時微孔孔隙的減少也說明砂巖內(nèi)部沒有新裂隙產(chǎn)生，這與CT的檢測結(jié)果是一致的，而大孔的變化不明顯主要為沖蝕后砂巖試件形成的射流孔較為光滑平整，不利于核磁檢測時水的存儲，最終導(dǎo)致核磁檢測結(jié)果大孔的T2信號并不明顯，但孔內(nèi)殘存的水和射流的沖蝕作用下砂巖沖蝕表面上的黏土礦物減少(圖8)，使得中孔的T2信號顯著增強(qiáng)，此時射流對砂巖的破壞以礦物剝蝕為主。沖蝕前后頁巖T2分布呈現(xiàn)為三峰分布，沖蝕后總孔隙度增加了23.72%，這主要是從圖10(c)和圖11中可以看出，相對于沖蝕前頁巖孔隙度頁巖微孔和過渡孔(<10 ms)變化最小僅增加了13.65%，中孔(10～100 ms)增加了87.96%，而沖蝕破壞前后的頁巖大孔(>100 ms)相差300多倍，頁巖微孔和中孔的變化主要是由于應(yīng)力波的反射疊加造成頁巖內(nèi)部的損傷，而導(dǎo)致沖蝕后頁巖大孔及裂縫孔隙的急劇增加的原因主要是射流破壞下頁巖試件上部所形成的橫向環(huán)形裂縫。

(a) 煤

圖11 沖蝕前后巖石孔隙變化

沖蝕后總孔隙相對沖蝕前總孔隙增量百分比為煤(40%)>頁巖(23.72%)>砂巖(20.48%)，也就是說沖蝕前后煤的孔隙變化幅度最大，同時沖蝕后巖石中，大孔孔隙度占巖石總孔隙度比例最高的也為煤，這是由于煤作為非均質(zhì)多孔脆性材料，沖蝕后高壓水更易于進(jìn)入孔隙造成破壞，由此可以得出水楔作用在煤體中表現(xiàn)最為明顯。而沖蝕前后孔隙度的絕對增量為砂巖(2.46%)>煤(1.24%)>頁巖(0.84%)，沖蝕前后砂巖大孔及裂隙變化幅度相對于煤和頁幾乎可以忽略，但砂巖的微孔減少中孔增加，說明砂巖在射流破壞時，通過水流的剝蝕作用，原先微孔中的基質(zhì)大量流失，微孔轉(zhuǎn)化為中孔，而中孔主要由顆粒礦物構(gòu)成的骨架為主，在水流的短暫的沖蝕作用下難以發(fā)生破壞，因此砂巖的破壞主要以射流的剝蝕破壞為主。沖蝕后頁巖的三類孔隙增量百分比都為最高(圖11)，同時頁巖大孔孔隙率為沖蝕前的300倍，大孔孔隙率變化最為明顯，這與之前的巖石損傷結(jié)果相一致，大孔的增加是由于橫向環(huán)形裂紋的產(chǎn)生，而微孔及中孔的提高則說明應(yīng)力波在頁巖內(nèi)部的傳播、疊加造成頁巖內(nèi)部的損傷，這說明應(yīng)力波在頁巖的破壞過程中占據(jù)主導(dǎo)。

3 結(jié) 論

本文開展了連續(xù)高壓水射流沖擊作用下煤、砂巖、頁巖破壞特征研究，獲得了水射流沖擊作用下煤、砂巖、頁巖的破壞形式、損傷演化特性、損傷區(qū)域微觀形貌變化及孔隙結(jié)構(gòu)特征，具體結(jié)論如下：

(1) 整體破壞形式上，煤體破碎坑深度最深，以縱向劈裂破壞為主，損傷隨深度的變化不大；砂巖未發(fā)生體積破碎，無裂紋產(chǎn)生，僅留有“紡錘形”破碎坑；頁巖破壞程度最大，平均裂紋條數(shù)最多，巖石碎屑粒徑最大，以橫向環(huán)形破壞為主，淺部破碎區(qū)巖石損傷大，隨著深度的增加，損傷程度與煤體損傷程度相近。

(2) 微觀形貌上，煤體碎片表面具有沖刷痕跡，晶體發(fā)生拉伸破斷；砂巖破碎坑附近基質(zhì)黏土礦物大量減少，大量孔隙產(chǎn)生；頁巖斷口處，晶體斷裂整齊，顆粒狀礦物減少，有微裂隙產(chǎn)生。

(3) 沖蝕后，煤體微孔和大孔都有增加，其中大孔最為明顯，同時煤體大量中孔轉(zhuǎn)化為大孔，造成中孔孔隙度下降；砂巖部分微孔轉(zhuǎn)化為中孔，造成微孔孔隙度下降，中孔大量增加；頁巖整體孔隙都有增加，其中大孔最為明顯，沖蝕后大孔孔隙度為沖蝕前300倍。

(4) 在相同試驗條件下，煤體破壞以水楔作用下的拉伸破壞為主；砂巖以水錘效應(yīng)下的剪切及射流的剝蝕破壞為主；頁巖以應(yīng)力波及水楔作用下的拉伸破壞為主。