温度对井周煤岩力学特性影响的试验研究

梁永昌,李小龙,范翔宇,苏 婷,张 彬

(1.峨眉山市应急管理局,四川 峨眉山 614200;2.西南石油大学,成都 610500;3.古叙煤田开发股份有限公司,四川 泸州 610500;4.峨眉山市职业技术学校 四川 峨眉山 614200)

煤岩的物理力学性质与温度有密切关系。张辛亥等[1]对低温条件下的煤样进行了单轴压缩实验,得到了煤岩相关力学性质与温度的关系；任晓龙等[2]对工程温度下,煤岩的力学特性进行了分析；杨光等[3]研究了沁水盆地煤岩在高温高压下的变形特性；杨兆中等[4]通过实验研究了低温对煤岩渗透率的影响；彭守建等[5]得出了瓦斯突出强度与温度变化的关系；谢建林等[6]研究了温度与煤岩渗透率的关系；杨伟等[7]研究了煤层厚度对煤岩体内部热流固耦合的传热的影响；赵洪宝等[8]研究了较低和较高两种温度条件下的煤岩渗透率；王公忠等[9]对持续变温条件下含瓦斯煤岩的渗流特性进行了数值模拟；孙光中等[10]对不同应力条件下含瓦斯构造煤原煤样的渗透率与温度变化进行了试验研究。

以上研究可以发现，温度对煤岩物理力学特性的研究主要是针对煤炭开采领域展开的,且主要是在恒定的围压条件下进行,而针对煤层气开采过程中地应力重分布情况下温度与煤岩力学性质的关系研究相对较少。本文主要通过试验研究钻井过程中地应力重分布条件下,钻井液与煤层气水平井井周围岩发生热交换作用对井壁煤岩力学性质的影响,研究结果将对实际钻井施工具有指导意义。

1 地应力重分布条件下温度对水平井井周煤岩影响的力学试验方案及步骤

1.1 地应力重分布下的煤层气水平井井周煤岩受力分析

煤层气水平井沿最大水平主应力方向钻进,由于煤层气井断面尺寸较小,加之钻井液液柱压力对井壁的支撑作用,钻井过程中,对井周煤岩的损伤程度较小,煤岩结构较为完整。因此,钻井过程中井周围岩所受应力情况为:垂向应力方向经历了先增加后减小的过程;最小水平主应力方向,所受应力逐渐增大,如图1所示。

图1 煤层气水平井地应力重分布条件下井周围岩受力图Fig.1 Force diagram of surrounding rock around wellbore under the redistribution of ground stress in a horizontal CBM well

1.2 基于地应力重分布条件下温度变化的井周煤岩力学试验方案

本次试验煤样取自四川宜宾某一突出矿井的8号煤层,属于3号无烟煤。

目的用于研究煤层气井钻进过程中,地应力重分布(增加轴压、卸载围压)条件下,井壁煤岩与钻井液热交换对煤岩力学性质的影响。

具体方案如下:运用含瓦斯煤热流固三轴伺服渗流实验系统分别将轴压和围压加载到试验设定值,充入瓦斯气体,待煤样充分吸附后,根据前人[11]对钻井液温度的研究,将试样温度加热到设定值(t1,t2,t3)；然后以0.01 MPa/s的加载速率加载轴压,同时以0.01 MPa/s的速度卸载围压,直至试件破坏时停止试验。试验方案如图2所示,其中A、B、C分别是温度为t1、t2和t3时的试样加卸载路径。试验煤样如图3所示。

图2 试验方案图Fig.2 Testing plan

图3 试验煤样图Fig.3 Testing coal samples

1.3 基于地应力重分布条件下温度变化的井周煤岩力学试验步骤

1)试验安装。将打磨好的煤岩试样,均匀的涂抹上硅胶,待硅胶自然风干后将试样放入试验装置的三轴压力室中,将试件安装好。

2)进行试验。向三轴压力室充入液压油,然后以0.05 MPa/s的速度将轴压和围压分别加载到20.0 MPa和30.0 MPa；向煤样充入压力为3.0 MPa的瓦斯气体,待煤样充分吸附后,以0.01 MPa/s的速度加载轴压的同时以相同的速度卸载围压。

3)试验结束。待煤样破坏后,关闭瓦斯进气阀,打开瓦斯出气阀,卸载轴压和围压,然后停止试验,记录好相关数据。

2 试验结果及分析

地应力重分布(煤样加卸载)试验过程中,由于轴压和围压的变化,将会导致泊松比和变形模量处于不断的变化过程中,根据前人的研究结果,本文采用如下公式计算泊松比和变形模量[12-13]。

式中:E为变形模量,MPa;σ1为轴向应力,MPa;σ3为径向应力,MPa;ε1为轴向应变,%;ε3为径向应变,%;B为径向应变与轴向应变比;μ为泊松比。

2.1 地应力重分布件下温度与含气煤样泊松比的关系分析

根据公式(1)计算得到不同温度下轴向应力(σ1)比围压(σ3)与泊松比的关系,如图4所示。

图4 不同温度下围压与轴压比-泊松比关系图Fig.4 Relationship between confining pressureaxial pressure ratio and Poisson’s ratio at different temperatures

从图4中可以看出，试样温度为33.0,46.0,68.0℃时,随着σ1/σ3的增加,泊松比的变化可以分为三个阶段。

1)非线性减小阶段。该阶段随着σ1/σ3的增加,泊松比整体呈减小趋势。该阶段泊松比处于0.34～0.37之间,随着温度的升高,该阶段泊松比整体呈增大趋势。原因是该阶段围压大于轴压,即(σ1/σ3)﹤1,煤样以径向压密为主,煤样变形以径向变形为主,导致径向应变大于轴向应变,表现出随着σ1/σ3的增加,泊松比呈减小的趋势。

2)线性增长阶段。该阶段随着σ1/σ3的增加,泊松比整体呈线性增长趋势,泊松比分别增大到0.41,0.45,0.49,且随着温度的升高,煤样的泊松比整体呈增大趋势。原因是由于该阶段轴压大于围压，即(σ1/σ3)≥1,煤样在轴向方向上经历了压密、弹性变形和塑性变形阶段,该阶段煤样尚未破坏,表现出以轴向变形为主的特点,故泊松比呈线性增长趋势。

3)非线性突变阶段。该阶段随着σ1/σ3的增加,泊松比迅速增大到0.52,0.59,0.65,且随着温度的升高,突变点提前。表明该阶段泊松比已经超出了常规加载条件下泊松比的范围(μ﹤0.5),煤样经历了破裂发展到整体破坏的过程,煤样强度迅速降低,轴向变形及径向变形急剧变大,故表现出突变的特性。

2.2 地应力重分布条件下温度与含气煤样变形模量的关系分析

图5是不同温度下围压与轴压比-变形模量关系图。从图中可以看出，试样温度为33.0,46.0,68.0 ℃时,随着σ1/σ3的增加,变形模量(E)可以分为三个阶段。

图5 不同温度下围压与轴压比-变形模量关系图Fig.5 Relationship between confining pressure axial pressure ratio and deformation modulus at different temperatures

1)线性突变阶段。该阶段(σ1/σ3)≤1,随着σ1/σ3的增加,在温度为33.0,46.0,68.0 ℃时,变形模量分别从8.3,18.0,2.5 MPa突然增加到47.0,43.0,29.5 MPa,增加量分别为38.7,25.0,27.0 MPa。可以看出,随着温度的升高,变形模量在该阶段呈增大趋势。

2)稳定发展阶段。该阶段随着σ1/σ3的增加,变形模量基本保持稳定,在温度为33.0,46.0,68.0℃时,煤样的变形模量分别为41.2,42.8,27.5 MPa。可以看出,该阶段温度为33.0,46.0 ℃时,变形模量差别不明显，温度为68.0 ℃时的变形模量与33.0,46.0 ℃时的变形模量相差较大。

3)突变减小阶段。该阶段随着σ1/σ3的增加,变形模量迅速减小,且煤样完全破坏时变形模量分别为34.3,24.1,19.0 MPa。原因是该阶段煤样经历了裂隙迅速扩展直至煤样完全破坏的过程。

2.3 地应力重分布条件下温度与含气煤样强度的关系分析

图6是煤样温度为33.0、46.0和68.0℃时,煤样强度关系曲线图。

图6 温度-煤样强度关系图Fig.6 Relationship between temperature and coal sample strength

从图6中可以看出，随着温度的升高,煤样强度呈减小趋势,温度为33.0,46.0,68.0 ℃时,煤样抗压强度分别为73.6,49.0,44.8 MPa,分别依次降低了24.6和4.2 MPa。随着温度的升高,煤样的抗压强度降低值减小。原因是由于温度的升高,煤样孔隙裂隙中气体分子的内能增加,分子热运动增强,煤样热膨胀变形增加,煤岩中原有孔隙不断贯通形成新的裂隙,原有裂隙不断发育、扩大,并贯穿煤样。且煤岩中含有其他矿物成分,在相同的温度条件下,各矿物成分的受热膨胀量不同,在膨胀过程中容易产生新的裂缝,使煤样结构发生破坏,从而降低了煤样的强度。

3 结论

通过研究地应力重分布条件下温度对煤层气水平井井周围岩煤样力学性质的影响,得出以下结论。

1)随着温度的升高,煤样泊松比呈增长趋势,且泊松比随轴压围压比的增加分为三个阶段:非线性减小阶段、线性增大阶段及突变阶段,突变点随温度的增加而不断前移。因此,在煤层气井钻井过程中,控制钻井液温度或者增加钻井液循环速度来降低井周围岩温度,对于减小井周围岩变形、确保井壁稳定具有积极意义。

2)随着温度的升高,煤样的变形模量降低,且变形模量随轴压围压比的增加分为三个阶段:线性突变阶段、稳定阶段和突变减小阶段。因此,控制好井周围岩温度,对于减小井眼变形具有重要作用。

3)随着温度的升高,煤样的抗压强度降低。因此,在煤层气水平井钻井过程中,选择较低温度的钻井液或者增加钻井液的循环速度,带走井周围岩的大量热量,对于提高井周围岩强度,减少井壁坍塌失稳具有实际意义。