高低溫循環(huán)沖擊作用下砂巖孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化特征

汪家暢 ，康健婷 ，康天合 ，鄭亞煒 ，晏嘉欣 ，張慧慧 ，梁曉敏

（1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室, 山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院, 山西 太原 030024）

0 引 言

我國(guó)煤系氣資源豐富，其儲(chǔ)量預(yù)計(jì)超過(guò)9×1013m3，約占天然氣總量的35%，勘探和開(kāi)發(fā)煤系氣是緩解天然氣供需矛盾的重要途徑[1]。但由于我國(guó)晚古生代含煤地層具有多層段、多相態(tài)、疊置成藏等特點(diǎn)，使煤系氣藏具有復(fù)雜的地質(zhì)條件，導(dǎo)致多種含氣系統(tǒng)難以直接合層共采。合層共采要求各儲(chǔ)層間及鄰近巖層間具有較高的兼容性，但以煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣為主的煤系氣通常與煤、泥頁(yè)巖、砂巖等儲(chǔ)層共生共存，各儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性[2]。考慮儲(chǔ)層內(nèi)部孔裂隙分布及結(jié)構(gòu)對(duì)改善儲(chǔ)層的孔滲條件占有十分重要的地位，筆者擬通過(guò)高低溫循環(huán)沖擊作用改變煤系儲(chǔ)層的孔裂隙分布提高儲(chǔ)層間的兼容性，以期解決疊置氣藏合層共采中的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，為提高煤系儲(chǔ)層的兼容性和強(qiáng)化煤系氣的抽采效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了水力壓裂[3]、水力割縫[4]等低滲煤層的增透技術(shù)，雖然取得了較好的技術(shù)效果，但仍存在工程量大、作用范圍有限，難以解決合層共采的技術(shù)問(wèn)題。為解決上述工程應(yīng)用技術(shù)的不足，有學(xué)者開(kāi)始探索外加場(chǎng)煤層增透技術(shù)，通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用外加高溫或低溫場(chǎng)的方法可以使得煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而達(dá)到煤系儲(chǔ)層增透的目的。在高溫方面，孟巧榮[5]、王勇等[6]研究了多種變質(zhì)煤從20～600 ℃裂紋的擴(kuò)展演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在煤質(zhì)層理的方向上更容易產(chǎn)生微裂紋，且止裂于硬質(zhì)帶的邊緣位置，溫度超過(guò)200 ℃時(shí)煤體發(fā)生分解解聚等化學(xué)反應(yīng)，煤體骨架開(kāi)始熱解。張毅等[7]對(duì)常溫及100～1 200 ℃的砂巖開(kāi)展了三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合熱重分析、SEM 等方法獲取了砂巖的微組構(gòu)特征，研究結(jié)果表明在100～200 ℃范圍內(nèi)砂巖裂隙的萌生主要是由于礦物熱膨脹造成的。高溫作用會(huì)提高煤系儲(chǔ)層的滲透性，但會(huì)使煤體發(fā)生一定程度的熱解，致使煤基質(zhì)發(fā)生改變。也有學(xué)者在不改變煤分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上為提高煤系儲(chǔ)層的滲透性，提出了外加低溫場(chǎng)的方法。魏則寧[8]、李和萬(wàn)等[9-10]研究了液氮冷沖擊作用下煤體結(jié)構(gòu)的損傷劣化特性，隨著冷沖擊次數(shù)的增加煤體中大孔數(shù)量呈先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)6 次冷沖擊后煤體的表面顆粒開(kāi)始脫落， 7 次后煤體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的宏觀裂紋。CAI[11]、MAHESAR 等[12]對(duì)常溫25 ℃的煤巖進(jìn)行了液氮冷致裂試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)液氮的低溫作用可使煤儲(chǔ)層的滲透率增加93.55%，砂巖滲透率提高21%，通過(guò)對(duì)比煤與砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的破壞特征，得出液氮沖擊可用于改變煤巖儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)的初步結(jié)論。

根據(jù)溫度驟變可以導(dǎo)致固體材料熱脹冷縮發(fā)生破裂的物理原理，有學(xué)者提出采用高低溫沖擊的方式以達(dá)到提高煤系儲(chǔ)層的兼容性和強(qiáng)化煤系氣抽采的目的。王登科[13-14]、魏建平等[15]采用掃描電鏡、工業(yè)顯微CT 和低溫液氮吸附試驗(yàn)等方法對(duì)-180～180 ℃條件下單次沖擊試驗(yàn)后無(wú)煙煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，研究表明從高溫快速到低溫的沖擊作用會(huì)促使煤體內(nèi)部的大孔相互貫通形成宏觀裂紋，熱冷沖擊作用后無(wú)煙煤的滲透率增幅469.24%，遠(yuǎn)高于冷沖擊時(shí)的48.68%。ISAKA 等[16]將花崗巖從25 ℃加熱到1 000 ℃后進(jìn)行了爐冷和快速水冷至25 ℃的對(duì)比試驗(yàn)，使用工業(yè)CT 對(duì)冷卻后的試樣進(jìn)行掃描，并對(duì)其軸線(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試樣在快速冷卻的過(guò)程中更容易誘發(fā)連通孔，快速冷卻比慢速冷卻可以更有效的擴(kuò)大孔隙等效半徑。HOSSEINI[17]、CAO 等[18]分別研究了砂巖在循環(huán)5、10、15、20 次加熱200 、500、600 ℃后用水冷卻至25 ℃的劣化機(jī)制、變形和破壞特性，隨著循環(huán)熱冷處理次數(shù)的增加會(huì)促進(jìn)砂巖內(nèi)部微裂紋的發(fā)展和壓密階段的增長(zhǎng)，樣品的孔隙率上升了33.71%，跨晶裂紋數(shù)量的增長(zhǎng)和微裂紋間距的擴(kuò)展是導(dǎo)致試樣的破壞模式逐漸從剪切破壞變?yōu)閺埩哑茐牡闹饕颉?/p>

上述研究表明，高低溫沖擊可以有效促進(jìn)煤巖儲(chǔ)層內(nèi)部孔裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展，對(duì)改善和提高煤系儲(chǔ)層的滲透性與兼容性起到了很好的借鑒作用。但煤系儲(chǔ)層中的砂巖經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)沖擊后的微觀變化規(guī)律、特征及機(jī)理亟需進(jìn)一步探究，溫度沖擊次數(shù)對(duì)砂巖孔裂隙結(jié)構(gòu)的影響尚不明晰。因此，筆者借助工業(yè)顯微CT 和圖像處理技術(shù)，研究了高溫200 ℃、低溫-196 ℃循環(huán)沖擊條件下砂巖內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化特征，定性和定量分析了高低溫沖擊條件下砂巖的演化過(guò)程。研究結(jié)果對(duì)提高煤系儲(chǔ)層的兼容性及合層共采提供理論參考，具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 砂巖特征與樣品制備

試驗(yàn)選用采自山西晉城高平東峰煤礦3 號(hào)煤層頂板的細(xì)粒砂巖。砂巖的主要成分和物理參數(shù)見(jiàn)表1，依據(jù)中石油SY/T 5163—2018 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)巖樣進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射成分含量測(cè)試，巖樣的XRD 圖譜如圖1 所示，測(cè)試結(jié)果表明砂巖的主要成分為石英、鈉長(zhǎng)石和高嶺石。將礦井中采集到的大塊巖石樣品使用保鮮膜密封后送到試驗(yàn)室，使用Z1Z-SLD-160E 型混凝土鉆孔取心機(jī)鉆取巖心,將其加工成直徑20 mm、高30 mm 的垂直于層理的圓柱體試樣，如圖2a 所示，試樣兩端面的平整度誤差為±0.05 之內(nèi)，平行度誤差在±0.02 mm 之內(nèi)。

圖1 巖樣的XRD 圖譜及礦物組分Fig.1 XRD patterns and mineral fractions of rock samples

圖2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)流程Fig.2 Laboratory equipment and experimental procedures

表1 砂巖的主要成分和物理參數(shù)Table 1 Principal components and physical parameters of sandstone

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1）高低溫沖擊試驗(yàn)設(shè)備。采用SN-GDCJ-150型高低溫沖擊試驗(yàn)箱和液氮存儲(chǔ)罐對(duì)砂巖試樣進(jìn)行熱冷沖擊。高低溫沖擊試驗(yàn)箱（圖2d）的工作溫度范圍為-70～200 ℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 s，溫度波動(dòng)值小于0.5 ℃。高低溫沖擊試驗(yàn)箱主要由水熱散熱箱、高溫室、低溫室、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、測(cè)試室等組成，其工作原理為：制冷劑在蒸發(fā)器吸收熱量并汽化，使低溫室的溫度逐漸降低，測(cè)試室低溫進(jìn)氣口打開(kāi)，高溫進(jìn)氣口關(guān)閉，此時(shí)試驗(yàn)箱處于低溫狀態(tài)；壓縮機(jī)將汽化后的蒸汽壓縮成高溫高壓氣體，高溫氣體的熱量傳遞至高溫室，高溫室的溫度不斷升高，測(cè)試室低溫進(jìn)氣口關(guān)閉，高溫進(jìn)氣口打開(kāi)，此時(shí)試驗(yàn)箱處于高溫狀態(tài)；高溫高壓氣體經(jīng)水冷散熱箱水冷后重新凝結(jié)為液態(tài)制冷劑，之后進(jìn)入蒸發(fā)器中開(kāi)始新的循環(huán)。

因SN-GDCJ-150 型高低溫沖擊箱低溫僅為-70 ℃，所以使用液氮存儲(chǔ)罐對(duì)試樣進(jìn)行冷沖擊（圖2c）。液氮在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的溫度為-196 ℃。

2）CT 掃描設(shè)備。使用NanoVoxel-04000 型X射線(xiàn)三維CT 檢測(cè)系統(tǒng)（圖2b）對(duì)試樣進(jìn)行CT 掃描。該系統(tǒng)是一種具有高分辨率無(wú)損傷的三維全息顯微成像設(shè)備，采用獨(dú)特的X 光光學(xué)顯微成像技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)字重構(gòu)技術(shù)，可以顯示樣品內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體圖像，掃描空間最高分辨率為2 μm。

1.3 試驗(yàn)步驟

1）溫度沖擊前的CT 掃描。使用圓形套筒將制備好的砂巖試樣固定，放入NanoVoxel-4000 高分辨X 射線(xiàn)三維CT 檢測(cè)系統(tǒng)的三爪卡盤(pán)的中心位置并夾緊，啟動(dòng)電源、關(guān)閉艙門(mén)，設(shè)置掃描電壓為180 kV，電流為150 μA，曝光時(shí)間為2 s，射線(xiàn)源與試樣之間的距離SOD 為122.59 mm，射線(xiàn)源與探測(cè)器之間的距離SDD 為1 283.57 mm，像素尺寸為13.28 μm，掃描幀數(shù)為1 080 幀。開(kāi)始掃描試樣。

2）待掃描結(jié)束后，使用VoxelStudio Recon 三維重構(gòu)軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字建模，即可得到試樣溫度沖擊前的顯微CT 圖像。使用Avizo 軟件對(duì)CT 圖像進(jìn)行處理、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

3）高溫沖擊。設(shè)定SN-GDCJ-150 高低溫沖擊試驗(yàn)箱的高溫為200 ℃，待箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在200 ℃時(shí)放入CT 掃描后的試樣。

根據(jù)熱力學(xué)定理式(1)計(jì)算試樣均勻受熱時(shí)所需的熱量。

在眾多學(xué)說(shuō)中有少數(shù)學(xué)者持侵占罪說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，行為人通過(guò)偷換二維碼非法取得了被害人的財(cái)產(chǎn)，屬于惡意占有，負(fù)有返還義務(wù)。行為人的不法行為并非偷換二維碼取財(cái)?shù)摹扒靶袨椤保侨∝?cái)之后繼續(xù)占有、拒不返還的“后行為”。另外，關(guān)于侵占的對(duì)象可以把商家未占有的財(cái)產(chǎn)性利益理解為是脫離占有物。［1］在盜竊、詐騙定性都不合適的情況下，可以用侵占罪定罪量刑。

式中：c為比熱容，kJ/(kg?K)；v為試樣體積，m3； ρ為試樣密度，kg/m3；KT為試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；ΔT為溫度差，K；L為熱傳導(dǎo)距離，m；t為試樣全部受熱所需的時(shí)間，h；經(jīng)計(jì)算當(dāng)試樣中心位置溫度升溫至200 ℃時(shí)所需熱量為9.094 kJ，所需時(shí)間為1.04 h?？紤]試樣均勻受熱、受冷和砂巖基體充分縮脹等因素[19-20]，確定高低溫沖擊時(shí)長(zhǎng)為4 h。

4）低溫沖擊。待高溫沖擊結(jié)束后迅速將試樣放入液氮存儲(chǔ)罐中，直至液氮完全浸沒(méi)試樣，此過(guò)程在10 s 以?xún)?nèi)，然后試樣在液氮內(nèi)放置4 h，確保冷卻均勻。

5）低溫沖擊后的CT 掃描。待低溫沖擊結(jié)束且罐中剩余液氮完全揮發(fā)后，在自然狀態(tài)下試樣恢復(fù)至25 ℃時(shí)，再次使用顯微CT 按照步驟（1）中的設(shè)置對(duì)試樣進(jìn)行掃描，按照步驟（2）進(jìn)行三維重構(gòu)。

6）循環(huán)沖擊。當(dāng)試樣經(jīng)過(guò)200 ℃的熱沖擊和-196 ℃的冷沖擊后依次重復(fù)步驟1）～5）進(jìn)行高低溫循環(huán)沖擊試驗(yàn)、沖擊后的CT 掃描和掃描后的三維重構(gòu)。并重復(fù)進(jìn)行15 次。

2 溫度沖擊次數(shù)對(duì)砂巖孔裂隙分布特征的影響

2.1 對(duì)孔裂隙面積影響的CT 切片圖像分析

顯微CT 掃描作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于巖石類(lèi)材料微觀結(jié)構(gòu)方面的研究，通過(guò)工業(yè)顯微CT 和三維重構(gòu)技術(shù)可以清楚觀察到高低溫循環(huán)沖擊條件下砂巖內(nèi)部和表面孔裂隙的動(dòng)態(tài)特征。隨后使用VoxelStudio Recon 軟件進(jìn)行三維建模重構(gòu)，在Avizo 軟件中選取Z軸方向上孔裂隙特征變化較為明顯的第1 250 層中心位置的圖像，并對(duì)其進(jìn)行中值濾波、均衡化處理和分水嶺分割后可以定性和定量分析砂巖試樣孔裂隙的微觀變化，如圖3 所示。圖3 中的a、b、c、d、e 分別表示溫度沖擊前和溫度沖擊1、5、10、15 次后處理的CT 圖像，其中黑色表示孔裂隙，綠色表示礦物質(zhì)，黃色表示巖石基體。

圖3 高低溫循環(huán)沖擊前后砂巖試樣的顯微CT 圖像Fig.3 Micro-CT images of sandstone specimens before and after high and low temperature cyclic impact

對(duì)第1 250 層圖像高低溫沖擊前后孔裂隙面積及增長(zhǎng)幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4 所示。砂巖試樣在溫度沖擊前孔裂隙面積為21.931 4 mm2；經(jīng)過(guò)1、5、10、15 次溫度沖擊后，該層孔裂隙面積分別為23.413 2、27.037 9、28.003 7 、28.453 1 mm2。該層面孔裂隙面積與原樣相比在1、5、10、15 次溫度沖擊后分別增加了6.76%、23.28%、27.69%、29.73%。當(dāng)循環(huán)溫度沖擊第5 次時(shí)，孔裂隙面積增幅最快，達(dá)到了15.48%。

圖4 孔裂隙面積及增長(zhǎng)幅度隨沖擊作用次數(shù)的變化Fig.4 Variation of pore fracture area and growth rate with the number of impacts

當(dāng)砂巖試樣經(jīng)過(guò)1 次高低溫沖擊時(shí)，快速的高低溫介質(zhì)沖擊使得砂巖基體和內(nèi)部礦物質(zhì)發(fā)生不同程度的縮脹，產(chǎn)生的熱應(yīng)力在原生孔裂隙尖端聚集和累積，但積聚的熱應(yīng)力低于基體間的拉伸強(qiáng)度，因此試樣內(nèi)部?jī)H有少量的微小孔裂隙產(chǎn)生，孔裂隙面積增幅較小，為6.76%。

當(dāng)砂巖試樣經(jīng)過(guò)5 次高低溫沖擊時(shí)，部分原生孔裂隙附近會(huì)經(jīng)受一定程度的疲勞損傷，產(chǎn)生的疲勞損傷與熱應(yīng)力之和逐漸大于砂巖基體間的拉伸強(qiáng)度，次生裂隙的萌生導(dǎo)致了孔裂隙面積增幅快速上升，多次高低溫沖擊作用加劇了試樣的演化過(guò)程，使孔裂隙面積迅速增大。

當(dāng)砂巖試樣經(jīng)過(guò)10 次高低溫沖擊時(shí)，孔裂隙面積與第5 次相比，其增長(zhǎng)幅度由15.48%快速下降至3.57%，孔裂隙面積增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。此外，部分孔裂隙尖端產(chǎn)生的熱應(yīng)力和疲勞損傷遠(yuǎn)大于基體所能承受的拉伸強(qiáng)度，致使萌生的次生裂隙相互貫通，形成較大的宏觀裂隙。

當(dāng)砂巖試樣經(jīng)過(guò)15 次高低溫沖擊時(shí)，孔裂隙面積增幅與第10 次相比進(jìn)一步降低，其增幅僅為1.61%。雖然砂巖內(nèi)部孔裂隙面積逐漸增長(zhǎng)，但面積的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)已趨于平緩。

此外，使用Avizo 軟件對(duì)溫度沖擊前與15 次沖擊后第1 250 層圖像上黏土礦物質(zhì)的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其面積由原來(lái)的15.984 6 mm2減少至15.301 7 mm2，減少了4.27%。砂巖內(nèi)部黏土礦物面積減少的原因是砂巖基體中水分子的H、O 原子與硅酸鹽礦物質(zhì)熱解后的鋁、鎂、硅原子等結(jié)合生成Al2O3等物質(zhì)脫除或是由于黏土礦物移位至裂縫中所造成的，另外，化學(xué)鍵的斷裂和氣體的脫除也會(huì)導(dǎo)致次生孔裂隙的萌生[21-22]。對(duì)試樣的顯微CT 圖片分析后可知，多次高低溫沖擊對(duì)砂巖內(nèi)部孔裂隙面積的擴(kuò)展和微裂紋的產(chǎn)生都有促進(jìn)作用。

2.2 對(duì)孔裂隙體積影響的三維重構(gòu)分析

為定量表示砂巖試樣孔裂隙的演化特征，在Avizo 軟件中截取邊長(zhǎng)為500 px（9.8 mm）的正立方體，圖5 為該正立方體中孔裂隙演化示意。從圖5可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部孔裂隙所占空間不斷增大。圖6 為該區(qū)域內(nèi)孔裂隙分布復(fù)雜度的分形維數(shù)、體積和表面積的特征曲線(xiàn)。高低溫循環(huán)沖擊前試樣內(nèi)部孔裂隙的體積為118.864 mm3，經(jīng)過(guò)1、5、10、15 次循環(huán)沖擊后孔裂隙體積分別為132.43、178.713、191.727、199.508 mm3。高低溫循環(huán)沖擊前與15 次沖擊后相比試樣孔裂隙體積增加了67.85%；高低溫循環(huán)沖擊前試樣孔裂隙表面積為127.820 mm2，經(jīng)過(guò)1、5、10、15 次循環(huán)沖擊后孔裂隙表面積分別為134.45、147.027、157.017、159.793 mm2。高低溫循環(huán)沖擊前與15 次沖擊后相比試樣孔裂隙表面積增加了25%?？梢?jiàn)，砂巖試樣孔裂隙的體積與其表面積都隨溫度沖擊次數(shù)的增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增大。

圖5 砂巖孔裂隙隨循環(huán)沖擊次數(shù)演化示意Fig.5 Schematic of evolution of sandstone pore fissures with the number of cyclic impacts

圖6 沖擊作用次數(shù)對(duì)砂巖孔裂隙分布特征的影響Fig.6 Effect of different impact times on distribution characteristics of sandstone pores and fissures

砂巖內(nèi)部微小孔裂隙及孔隙壁面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難對(duì)其形狀尺寸進(jìn)行精確表征，但已有研究表明，巖石內(nèi)部的孔裂隙結(jié)構(gòu)在不同尺度上具有一定的相似性，在此僅采用計(jì)盒分形維數(shù)的方式研究孔裂隙分布的復(fù)雜程度。該方法是使用不同半徑的盒子將圖像中的巖石部分全部覆蓋，不同尺寸的盒子所包含的孔裂隙數(shù)量也不相同，通過(guò)改變盒子的尺寸來(lái)統(tǒng)計(jì)非空盒子的數(shù)目，選用最小二乘法進(jìn)行擬合，對(duì)結(jié)果求取對(duì)數(shù)后即可得到砂巖內(nèi)部孔裂隙分布復(fù)雜度的分形維數(shù)。砂巖試樣經(jīng)過(guò)0、1、5、10、15 次循環(huán)溫度沖擊后，在三維重構(gòu)模型中選取掃描結(jié)果較為完整清晰的100～2 100 層圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制成了砂巖試樣孔裂隙分布復(fù)雜度分形維數(shù)隨沖擊作用次數(shù)變化曲線(xiàn)如圖6 所示。

溫度沖擊1 次后孔裂隙分布復(fù)雜度分形維為2.317，與原樣分形維數(shù)2.23 相比變化較小，僅上升了3.9%，表明此時(shí)的微小孔裂隙還未連通擴(kuò)展。溫度沖擊5 次后孔裂隙分布復(fù)雜度分形維為2.472，與原樣相比其分形維數(shù)上升了10.85%，此時(shí)部分微小孔裂隙相互連通，大量次生孔裂隙萌生。溫度沖擊10 次后孔裂隙分布復(fù)雜度分形維為2.497，與原樣相比其分形維數(shù)上升了11.97%，此時(shí)微小孔裂隙相互連通并形成了較大的宏觀裂隙。溫度沖擊10 次后孔裂隙分布復(fù)雜度分形維為2.526，與原樣相比其分形維數(shù)上升了13.27%。從整體上看，試樣孔裂隙分布復(fù)雜度分形維數(shù)隨高低溫循環(huán)沖擊次數(shù)的增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，且隨著沖擊次數(shù)的增加，其分形維數(shù)的上升態(tài)勢(shì)趨于平緩。

3 溫度沖擊對(duì)砂巖孔隙率的影響

沿砂巖試樣高度Z軸，對(duì)試樣X(jué)-Y中較為清晰完整的100～2 100 層掃描圖像的孔隙率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出，試樣孔隙率在掃描層面中雖然有小幅度變動(dòng)，但整體動(dòng)態(tài)特征較為穩(wěn)定，表明砂巖試樣在溫度沖擊環(huán)境下孔裂隙結(jié)構(gòu)變化緩慢，抵抗變形的能力較強(qiáng)。隨著高低溫沖擊次數(shù)的增加，砂巖兩端孔隙率的幅值波動(dòng)較大，其曲線(xiàn)逐漸變?yōu)轭?lèi)“C”形狀，表明多次高低溫循環(huán)沖擊使砂巖試樣兩端基體間的束縛力衰減幅度更大。

圖7 砂巖試樣孔隙率隨掃描層數(shù)的變化Fig.7 Variation of porosity of sandstone specimens with number of scanned layers

圖8 為不同沖擊作用次數(shù)對(duì)砂巖孔隙率及孔隙率增長(zhǎng)幅度影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖8 可以看出，砂巖試樣的孔隙率隨作用次數(shù)的增加以對(duì)數(shù)規(guī)律增大，孔隙率增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。第1 次高低溫沖擊后試樣孔隙率由原樣的11.66%增加到12.59%，增長(zhǎng)幅度為8%；在第5 次高低溫沖擊后試樣的孔隙率增加到15.23%，增長(zhǎng)幅度最大，為20.98%；第10 次高低溫沖擊后試樣的孔隙率增加到16.71%，增長(zhǎng)幅度為9.69%；第15 次高低溫沖擊后試樣孔隙率為17.2%，增長(zhǎng)幅度僅為2.96%?？梢?jiàn)，砂巖試樣孔隙率隨著沖擊次數(shù)的增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增大，但沖擊次數(shù)超過(guò)5 次后孔隙率的增長(zhǎng)幅度呈降低趨勢(shì)。

圖8 沖擊作用次數(shù)對(duì)孔隙率及增長(zhǎng)幅度的影響Fig.8 Effect of different number of impacts on porosity and growth rate

4 溫度沖擊對(duì)砂巖孔隙網(wǎng)絡(luò)與孔徑結(jié)構(gòu)的影響

為具體分析高低溫循環(huán)沖擊對(duì)砂巖孔隙的影響，在Avizo 軟件中截取較為典型且能夠反映整體試樣內(nèi)部孔隙特征變化的三維表征體元（3D-REV），根據(jù)最大球算法原理，構(gòu)建了孔隙網(wǎng)絡(luò)模型（PNM）[23-24]。所截取表征體元的長(zhǎng)寬高分別為500 px×500 px×1 000 px（9.8 mm×9.8 mm×19.6 mm），進(jìn)行分水嶺分割、連接軸心、對(duì)象分離等處理后，使用最大球算法構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，如圖9 所示。該模型可以對(duì)試樣內(nèi)部空間的連通程度進(jìn)行表征，對(duì)不同的等效半徑設(shè)置不同的顏色加以區(qū)分，使具有相同等效半徑的孔隙和喉道以相同的顏色出現(xiàn)。

圖9 砂巖孔隙網(wǎng)絡(luò)模型隨高低溫沖擊次數(shù)的變化Fig.9 Variation of sandstone pore network model with number of high and low temperature impacts

在孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中孔隙和喉道相互連接，其中球體表示孔隙，圓柱體表示喉道。由圖9 可知，砂巖原樣的孔隙和喉道等效半徑較小，孔隙和喉道密度較低，且呈零星式分布。隨著溫度沖擊次數(shù)的增加，在試樣外圍逐漸出現(xiàn)等效半徑較大的孔隙，表明高低溫沖擊對(duì)試樣外圍造成了明顯的熱損傷，并逐漸由外而內(nèi)的向試樣內(nèi)部擴(kuò)展。此外，砂巖試樣內(nèi)部孔隙和喉道的分布密度隨高低溫沖擊次數(shù)的增加而增大。對(duì)PNM 中等效的孔隙半徑和孔隙數(shù)量進(jìn)行提取，并繪制不同沖擊作用次數(shù)對(duì)孔隙半徑-數(shù)量的影響曲線(xiàn)，如圖10 所示。

圖10 沖擊作用次數(shù)對(duì)孔隙半徑-數(shù)量的影響Fig.10 Pore radius-quantity curves for different number of impact effects

分析圖10 可知，孔隙總數(shù)由沖擊前的4 656，在1、5、10、15 次沖擊后分別增加至9 800、30 768、36 497、57 858，孔隙總數(shù)隨沖擊的增加而增大。此外，試樣內(nèi)部孔隙半徑也隨沖擊次數(shù)的增加呈正向增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。表明溫度沖擊作用促進(jìn)了試樣內(nèi)部微小孔隙的發(fā)育和萌生，加劇砂巖試樣的演化過(guò)程。

5 溫度沖擊作用機(jī)理分析

砂巖內(nèi)部含有大量的微小封閉孔隙，巖石基體與其他礦物基體間連接相對(duì)緊密、間隙小，處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)砂巖試樣受高溫或低溫沖擊作用時(shí)，砂巖基體和礦物基體發(fā)生不同程度的縮脹，巖體內(nèi)部的平衡狀態(tài)被打破。但試樣受熱沖擊溫度低于200 ℃時(shí)，砂巖試樣滲透率卻因受熱溫度的升高而有所降低，這是由于黏土礦物移位所造成的[25-26]。而試樣受到低溫作用時(shí)，試樣內(nèi)部微小孔隙擴(kuò)展連通并形成裂縫網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致其滲透率會(huì)大幅升高[27]。

經(jīng)過(guò)多次高低溫沖擊作用后在砂巖試樣原生裂隙尖端處會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的疲勞損傷，當(dāng)砂巖基體間所受的熱應(yīng)力與累積的疲勞損傷總和超過(guò)所能承受的拉伸強(qiáng)度時(shí)，使砂巖基體和礦物基體間的微小間距變大，造成微小孔裂隙萌生并相互連通形成宏觀裂隙。由此可見(jiàn)，高低溫循環(huán)沖擊作用會(huì)加劇砂巖內(nèi)部孔裂隙的演化過(guò)程，提高砂巖的滲透性。

6 結(jié) 論

1）高低溫循環(huán)沖擊作用促進(jìn)砂巖試樣孔裂隙的發(fā)育和次生裂隙的萌生，隨著沖擊次數(shù)的增加，微小孔裂隙逐漸相互貫通形成較大的宏觀裂隙。

2）多次循環(huán)溫度沖擊作用，使砂巖試樣孔裂隙體積、表面積、分布復(fù)雜度分形維數(shù)由118.864 mm3，127.82 mm2，2.23，在15 沖擊作用后增加到199.508 mm3，159.793 mm2，2.526，分別增加了67.85%，25%，13.27%；且第10 次沖擊作用后，試樣整體的變化程度開(kāi)始趨于平緩。

3）高低溫循環(huán)沖擊5 次后，試樣內(nèi)部原生孔裂隙尖端積聚的疲勞損傷與熱應(yīng)力之和逐漸大于砂巖基體間的拉伸強(qiáng)度，使砂巖試樣孔裂隙面積和孔隙率增長(zhǎng)幅度達(dá)到最大，分別為15.48%，20.98%。多次高低溫沖擊作用使砂巖基體間的束縛力不斷衰減，試樣孔隙率隨掃描層數(shù)的變化曲線(xiàn)演變?yōu)轭?lèi)“C”狀。

4）高低溫循環(huán)沖擊作用打破了砂巖內(nèi)部的靜態(tài)平衡狀態(tài)，使試樣內(nèi)部黏土礦物移位和裂縫網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生，提高砂巖的滲透性，為煤系儲(chǔ)層合采創(chuàng)造條件。