煤岩力学性质及其影响因素分析

2012-11-14和志浩王洪雨衣丽伟

石油化工应用 2012年9期

和志浩，王洪雨，张蓉，衣丽伟

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.中石化西南石油局湖南钻井公司，湖南长沙410000；3.中石化中原油田分公司，河南濮阳 457001；4.中石油煤层气有限责任公司韩城分公司，陕西韩城 715400）

煤岩力学性质及其影响因素分析

和志浩1，王洪雨2，张蓉3，衣丽伟4

煤岩力学性质及影响因素对煤层气井井壁稳定及井深结构设计都有十分重要的意义，通过调研发现煤岩力学性质主要受到煤岩微观孔隙结构、饱和介质及加载方式的影响，并且通过声发射试验研究，可以很好预测煤岩从压缩到破坏整个过程的变化规律，但煤岩微裂隙、层理、割理发育，如何降低力学参数的离散性是以后研究的重点。

煤岩；微观结构；声发射；离散性

我国煤层气资源极其丰富，资源总量约为32×1012m3，煤层气作为非常规天然气，储量与常规天然气相当，开采前景十分广阔，随着我国煤层气的加速开采，专家学者们更加重视煤岩力学性质对煤层气井壁稳定的影响，煤层气井钻井过程中遇到的坍塌、掉块问题严重影响施工进度及井身质量，对后期煤层气生产也造成严重制约作用。因此，笔者通过调研国内外文献，综述了煤岩力学性质影响因素研究的最新进展，对钻遇煤岩时钻井方式及钻井液选择提供借鉴作用。

1 煤岩微观结构对力学性质的影响

1.1 煤岩微裂隙对力学性质影响

煤岩结构中存在着大量的微孔、微裂纹及长度各异的割理面，微孔隙主要是分成三类：（1）植物细胞残留孔；（2）基质孔；（3）次生孔。裂隙主要分为：（1）外生裂隙；（2）内生裂隙；（3）继承裂隙；其中内生裂隙主要包括面割理和端割理。煤岩割理主要是煤化过程中产生的，面割理基本成面状延伸，连续性较好，是煤岩中的主导裂缝；端割理长度较短，裂纹形状不规则，连续性较差，与面割理成近乎垂直相交。正是由于大量微孔和微裂纹的存在，使得煤岩产生极强的非均质性和各向异性，煤岩作为一种典型的含缺陷的岩石材料，力学性质同砂岩泥页岩产生较大的不同，在煤岩受力过程中，煤岩中的微裂隙尖端极易产生应力集中，从而造成主裂纹扩展、破坏。通过煤岩单轴压缩试验发现，同平行于裂隙方向加载相比，垂直于裂隙方向加载时抗压强度和弹性模量显著增大，因此看出加载方向同裂纹方向角度的不同煤岩力学性质产生较大影响。

1.2 煤岩体损伤力学

损伤力学是固体力学的分支，在外力条件下，由于微裂纹扩展破坏等不可逆变化形成材料宏观力学性能的劣化成为损伤。煤岩体中由于含有大量的微裂隙和微孔，使得煤岩在外力加载过程中有效受力面积变小，从而致使截面上应力增大，Hult提出损伤参数为岩心截面实际面积Aef与表观面积A的比值:

煤岩原生损伤变量通过扫描电子显微镜利用公式（1）求取，然后同单轴压缩试验获取不同损伤变量下煤岩力学性质的差异，杨永杰（2011）[1]等发现损伤变量越大，煤岩的单轴抗压强度及弹性模量越低，煤岩强度及变形同煤岩本身原生损伤发育高度相关。

2 煤岩化学特性对力学性质的影响

煤岩化学特性主要是由于煤岩微裂隙和微裂缝中充填有大量的无机盐和粘土矿物，在钻井过程中，钻井液浸入煤岩内部后，不断溶蚀无机盐，使得煤岩胶结弱化，同时钻井液滤液又会同粘土矿物发生水化反应，煤岩发生膨胀作用，内部微裂隙和微裂缝尖端不断扩展、破坏。张建国（2000）[2]等将煤岩浸泡不同体系钻井液后测定其单轴抗压强度发现：浸泡后的煤岩强度均有不同程度降低，主要原因是煤岩中割理、微裂隙极其发育，水分子浸入溶蚀了裂缝内胶结充填物，降低了煤岩内聚力，同时在水化膨胀力作用下使得煤岩裂缝扩展、破坏。汪伟英（2010）[3]等通过测定煤岩在蒸馏水、煤层水和KCl盐水中膨胀性实验，得出了煤岩膨胀程度直接受粘土矿物含量的影响，煤岩膨胀不仅改变其力学性质，而且造成了煤岩渗透率急剧下降，对煤层气储层产生严重伤害。蔡记华（2012）[4]等通过室内试验测量了煤岩在不同种类、不同浓度盐溶液下的膨胀性，发现粘土矿物含量高的煤层极易受到伤害，HCCOONa和HCOOK盐溶液对煤岩抑制性较好，煤岩力学性质同原岩相比，变化不大。

3 煤岩力学性质室内试验研究

3.1 室内常规试验研究

煤岩室内实验是认识煤岩力学性质基础，也是认识煤岩在不同应力状态下力学性质的最重要的手段，由于近年来煤层气坍塌掉块现象极其严重，造成严重的井下事故，煤岩力学室内试验逐渐增多，专家学者主要通过岩石伺服试验系统研究了煤岩单轴压缩试验、常规三轴试验、循环载荷试验及试验中煤岩声发射特征研究，得到了大量的成果。

其中赵洪宝（2010）[5]通过研究含瓦斯煤岩单轴压缩状态下力学性质，发现煤岩全应力应变曲线阶段性明显，瓦斯的存在增加了煤岩脆性破坏特征。傅雪海（2002）[6]等通过常规三轴压缩试验系统研究了多相介质煤岩力学性质，结果显示在弹性模量、抗压强度、压缩系数等力学参数上：自然煤样＞水饱和煤样＞水、气饱和煤样。李小春（2010）[7]等研究了较低和较高围压下煤岩塑性特征，结果表明：随着轴向变形增大，煤岩塑性硬化逐渐增长。刘宝琛（1999）[8]在调研国外实验数据的基础上，回归分析了煤岩抗压强度的尺寸效应公式：

其中D为煤岩立方体边长。

3.2 煤岩声发射试验研究

煤岩在受外载荷作用时，其内部储存的能量快速释放产生弹性波，发出声响，声发射的出现代表着岩石损伤的产生，声波的强度预示着岩石损伤的程度，因此煤岩声发射的对于煤岩力学特性有着极好的表征作用。近几年来，专家学者对于煤岩声发射的研究十分重视，其中，唐书恒（2010）[9]等通过研究饱和含水煤岩单轴压缩条件下声发射特征，把煤岩破裂过程分为了迸裂型、破裂型和稳定型三大类，并且对比了试件轴向平行面割理和轴向垂直面割理的破裂差异，从而更真实模拟煤岩的破裂特征。曹树刚（2009）[10]等通过研究不同围压下煤岩声发射特征发现：在围压作用下，弹性阶段的声发射信号明显减少，并且随着围压增大，弹性阶段声发射信号会相对减少。杨永杰（2006）[11]通过大量的煤岩单轴条件下声发射试验，总结了煤岩声发射参数变化规律，并利用混沌性判别，对煤岩破裂失稳过程进行预报。

4 结论

综上所述，煤岩的力学性质及其影响因素前人已经做了大量的研究，特别是近几年来，扫描电镜、CT图像普及应用，使得研究人员得以从微观角度准确观察煤岩内部结构[12]，岩石力学伺服控制系统的应用可以得到煤岩的应力-应变曲线，可以研究围压、浸泡介质对煤岩力学性质的影响，声发射则可以预报煤岩破坏失稳的过程，上述研究对认识煤岩力学性质取得很大进展，但由于煤岩本身存在着大量的微孔隙、微裂缝，造成力学性质上产生明显各向异性和非均质性，在试验过程中存在大量强度离散点，即使是同一区域同一层位煤岩在力学性质上仍旧有较大差异，尽管声波测试方法可以降低力学参数的离散性，但影响煤岩力学性质的参数较多，如何形成一套完整的煤岩力学性质评价系统对以后的研究和工程应用都有重要的实际意义。

[1] 杨杰，王德超，王凯，等.煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理[J] .北京科技大学学报，2011，33（6）：653-657.

[2] 张建国，程远方，孙明波.塔里木煤层坍塌力学机理的实验研究[J] .石油钻探技术，2000，28（3）：21-23.

[3] 汪伟英，肖娜，黄磊，等.钻井液浸入引起煤岩膨胀对煤储层的伤害[J] .钻井液与完井液，2010，27（3）：20-22.

[4] 蔡记华，王济君，袁野，刘浩.盐溶液对煤岩抑制性效果的评价[J] .煤炭学报，2012，37（6）:951-956.

[5] 赵洪宝，李振华，仲淑姮，罗烨.单轴压缩状态下含瓦斯煤岩力学特性试验研究[J] .采矿与安全工程学报，2010，27（1）：131-134.

[6] 傅雪海，秦勇，姜波，王文峰.多相介质煤岩体力学实验研究[J] .高校地质学报，2002，8（4）：446-452.

[7] 李小春，白冰，唐礼忠.较低和较高围压下煤岩三轴试验及其塑性特征新表述[J] .岩土力学，2010，31（3）:677-682.

[8] 刘宝琛，张家生，杜奇中，等.岩石抗压强度的尺寸效应[J] .岩石力学与工程学报，1998，17（6）：611-614.

[9] 唐书恒，颜志丰，朱宝存，等.饱和含水煤岩单轴压缩条件下的声发射特征[J] .煤炭学报，2010，35（1）:37-41.

[10] 曹树刚，刘延保，李勇，等.不同围压下煤岩声发射特征试验[J] .重庆大学学报，2009，32（11）：1321-1327.

[11] 杨永杰.煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究[J] .岩石力学与工程学报，2006，（8）：1728.

[12] 申瑞臣，屈平，杨恒林.煤层井壁稳定技术研究进展及发展趋势[J] .石油钻探技术，2010，38（3）：1-7.