高压水射流冲击作用下煤-砂岩-页岩损伤破裂特征

2021-07-14葛兆龙赵汉云卢义玉肖宋强

振动与冲击 2021年13期

葛兆龙，赵汉云，卢义玉，肖宋强，周哲，博涛

(1．重庆大学资源及安全学院，重庆 400044； 2．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3．华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510000)

由于高压水射流破岩技术具有高效、低热、无尘、低振动等优点，已广泛应用于矿山开采、巷道掘进、油气资源钻探等行业[1-3]。然而，几种非常规油气储层岩(煤、砂岩、页岩)的结构特征、物理力学性质等相差甚远，高压水射流冲击作用下其破坏特征、破碎机制等也有差别[4-5]。因此，研究高压水射流冲击下煤-砂岩-页岩破碎机制和破裂特征具有重要科学意义及广泛的工程应用价值。

Dehkhoda等[6-7]发现不同岩石种类在水射流冲击作用下发生内部破坏时主要影响因素并不相同。Momber[8]通过试验研究将岩石在高压水射流作用下的破坏模式分为两类，即致密坚硬岩石以“劈裂”方式破坏，软岩以“射孔”方式破坏。梁运培[9]通过现场实验等方式发现，高压水射流破煤过程中，以前期射流冲击动载对煤的损伤破坏作用为主导，后期准静态对煤的损伤破坏非常有限。陆朝晖等[10-12]分析了砂岩在高压水射流不同速度、靶距和时间等参数冲击作用下，会出现不同破坏模式。李根生等[13-14]通过扫描电镜和CT观察和分析了高压水射流冲蚀后的砂岩和页岩，得出页岩在水射流作用下难以发生体积破碎。倪红坚等[15-17]采用数值模拟的方式研究了水射流作用下岩石破碎机理，并认为水射流破岩的主要形式是拉伸破坏。以上研究表明，水射流冲击作用下，岩石会出现不同的破坏特征。但以往的研究或从“软”“硬”角度将岩石进行分类研究，或针对单一种类岩石，缺乏对非常规油气储层岩(煤、砂岩、页岩)在射流冲击作用下的破坏特征、破碎机制之间的系统分析。同时，现有对射流冲击作用后岩石孔隙结构变化及破碎颗粒分布情况的研究较少，对人们后期研究油气资源运移和抽采带来了问题。

因此本文选取非常规天然气储层具有代表性的煤、砂岩、页岩为实验对象，开展水射流冲蚀破岩试验。借助CT图像三维重构、扫描电子显微镜及核磁共振技术，分析岩石宏观破碎特征、破碎坑微观形貌、破碎前后岩石孔隙变化等，以期认识到不同储层岩之间破坏特征的区别，为射流高效破岩提供依据。

1 高压水射流冲击试验

1.1 岩样

试验所用页岩取自代表性的四川盆地的下志留系龙马溪组页岩，该岩样脆性矿物(石英、方解石和长石等)含量较高(超过85%)；煤体取自重庆南川矿区，埋深400～700 m；砂岩取自重庆江北区。试验岩石物理力学参数见表1。为减少其他影响因素的干扰，试验及物理力学测试所用每一种岩体试件均取自同一批次同一块岩体，试件制备时采用水钻法垂直于层理方向钻取岩芯，并用切割机将岩样加工成Ф50 mm×50 mm(±1 mm)的圆柱体，表面用砂纸打磨，保证试件断面平整度，并将试件放入105 ℃恒温烘干箱烘干24 h。为排除天然裂隙和孔隙对试验结果的影响，先筛选肉眼无可见裂纹试件，再采用CT和核磁共振筛选同一种类岩体裂隙和孔隙度相似试件，如图1(b)所示。

表1 岩石物理力学参数

(a) 高压水射流切割系统

1.2 试验过程

试验是在由OMAX公司研发生产的2626型高精度射流自动数控切割机上完成的见图1(a)，喷嘴内径0.355 mm。设置冲击靶距为3 mm，冲击时间为20 s，泵压为190 MPa研究非淹没条件下高压水射流冲蚀破岩的效果。为了获得准确、稳定的射流速度，消除设备启动过程的影响，试验前先将一块钢制挡板遮挡于喷嘴与岩样之间，待射流稳定至试验所需速度后再迅速抽开挡板，冲蚀20 s以后立即停止冲蚀。为收集射流冲击过程中的岩石碎屑，每次实验前在试件底部铺设400目(0.03 mm)不锈钢筛网。

1.3 评价方法

为获得煤、砂岩、页岩的破坏特征，采用宏观观测和微观测量两者相结合的方法。宏观层面，采用游标卡尺测量破碎坑深度、直径、裂纹数量；采用二值化图像处理方法对破岩碎片进行粒径分布统计[18-19]；同时用CT截面图像对试件不同深度的损伤情况进行统计[20-21]。微观层面，采用SEM、CT(SOMATOM，Ccope)、核磁共振(NMR，MacroMR12-150H-I)、光学显微镜(日本尼康SMZ1270)等微观观测手段。首先，通过CT和三维图像重构技术对冲蚀后岩芯内部进行无损检测，从而可以对岩芯内部裂隙分布进行三维可视化观测；其次，运用核磁共振检测冲蚀前后岩芯内部的孔隙结构的变化；最后，通过SEM(JEOL，JSM-7800F，最小分辨率0.8 nm)观察破碎口表面微观形态，对比分析岩芯射流冲击破坏前后微观断裂形貌特征，揭示射流作用下不同煤岩微观断裂机制。

2 结果与讨论

2.1 冲蚀后裂隙及损伤

通过上述试验发现砂岩、页岩和煤的破碎形态如图2所示，所选煤、砂岩、页岩试样在冲蚀前结构完整良好，表面无裂纹，三类岩石在水射流冲击下，破碎形态明显不同，依次出现了破碎坑、横向环形裂纹与纵向劈裂裂纹等破坏形式。图3(a1)、(a2)分别为煤体侧面和端面CT扫描图；图3(a3)为破碎裂隙三维重构图。结合图2(a)可以看到，煤体上端冲蚀面出现较浅冲蚀破碎坑，在煤体上端表面形成一条贯通裂缝，并沿着贯通裂缝产生次级纵向劈裂裂纹，导致煤体出现体积破碎，总体呈现纵向劈裂破坏模式。图2(b)和图3(b2)分别为砂岩试件在经水射流冲蚀后的实物图与CT图，砂岩试件仅留下深度为14 mm的“纺锤形”射流孔。图2(c)与图3(c3)分别为页岩试件在经水射流冲蚀后的实物图与CT图，页岩试件射流冲击面出现直径约为26 mm的冲蚀破碎坑，中心页岩呈片状剥落，在页岩内部产生多条贯通横向环形裂纹，并使页岩出现体积破碎。

(a) 煤

图3 煤岩试件内部裂隙三维重构图

由表2统计结果可以看出，初期破碎坑的直径页岩>煤>砂岩，对岩体表面或者浅层的破坏页岩大于砂岩；但从破碎坑的深度来看煤>页岩>砂岩，反映出射流对煤体和页岩的穿透性要强于砂岩；同时页岩内部总体裂纹数量大于煤体所产生的裂纹数量，整体破坏程度页岩>煤>砂岩。

表2 岩石破碎特征统计

为获得试件内部的破坏程度，将每个试件CT扫描切片图的损伤面积进行统计，得到试件内部随着射流冲蚀深度的损伤分布见图2；煤体的损伤程度在10%以内波动，砂岩的损伤程度在0.18%以内，与煤和页岩的损伤相比微乎其微，页岩大部分损伤集中在30%以内，最高达到70%，同时在深度大于20 mm以后页岩的损伤程度降至5%以内。总体来看页岩的损伤程度大于煤和砂岩，但当深度达到20 mm以上时煤体损伤程度要大于页岩。破碎岩石粒径分布如图4所示，煤和砂岩粒径分布主要集中在粒径2 mm以下，分别占80.66%和93.99%，而页岩粒径2 mm以下仅占44.58%；同时10 mm以上粒径占比砂岩(0.11%)<煤(0.79%)<页岩(6.43%)，总体来看砂岩粒径最小，而页岩的粒径最大且分布最广，分布最为稀疏。

图4 射流破岩碎屑粒径分布及破碎颗粒形态

一般水射流理论认为岩石表面的浅层崩落是水锤压力大于岩体单轴抗压强度造成。试件在水射流冲击时，在经过短暂水锤效应后，冲击应力波在试件内部进行传播、反射及干涉，同时伴随着高压水侵入岩体内部原生孔隙和应力波作用下形成的裂隙形成水楔效应，最终对试件造成张拉破坏。煤体为含初始损伤的多孔介质，沿射流方向的纵向水楔劈裂破坏占据主导，导致水锤压力作用时间极短，形成较浅且直径较小的破碎坑见图5(a)。砂岩为均质介质，强度较高，射流巨大的水锤压力冲蚀使岩石发生剪切、拉伸破坏，且射流返流不断磨蚀形成“纺锤状”破碎坑见图5(b)。而页岩作为典型的横观各向同性的层状岩体，应力波在层理间反射，形成拉应力，使试件出现许多横向层状裂缝并剥落，造成试验后页岩破碎坑平均直径(26 mm)要高于煤体破碎坑直径(9.57 mm)40.77%；随着射流深度的增加，裂纹的削弱波的强度，横向裂纹减少，同时随着波在试件边缘处的反射与叠加，造成试件底部的纵向拉伸破坏，导致射流岩裂隙侵入，最终造成页岩底部的劈裂破坏见图5(c)。

(a) 煤体水楔破坏

2.2 冲蚀前后破碎坑微观形貌特征

煤体主要矿物以石英、方解石、黄铁矿及黏土矿物为主，其中黏土矿物以高岭石为主[22]；砂岩主要以石英、方解石、长石为主；页岩主要以石英、方解石、长石及黏土矿物为主[23]。如图6所示，煤体中以大块石英、方解石为主，填隙少量黏土矿物，分布杂乱无序，表面较为锐利，大孔孔隙较大，具有明显裂隙，导致煤体结构松散，强度最低；砂岩骨架也为石英、长石等碎屑矿物组成，填隙物较少，粒间孔隙较多；页岩同样为石英、方解石等颗粒状矿物构成骨架，黏土矿物填充其中，颗粒矿物粒径大于煤和砂岩，呈网状结构，类似“混凝土”，因此颗粒黏聚力最高。同时通过光学显微镜下的观察发现，组成页岩颗粒状矿物粒径要远小于砂岩和煤，这与电镜观察结果是相反的，主要原因是由于组成煤和砂岩的石英、方解石等颗粒状矿物的粒径与组成页岩的颗粒状矿物不在一个数量级，造成微观与宏观观察结果不一致。

(a) 煤

冲蚀后煤体断口处碎片如图7所示，冲蚀后冲蚀表面可见冲蚀条纹，通过局部放大图7(c)、(d)，可以看见基质减少，暴露出的杂质等颗粒矿物较小，随着高压水的侵入，裂隙扩张，并且晶体断口面成杂乱台阶状，晶体呈现拉断现象；图7(b)为破碎坑侧面，基质大量减少，石英等颗粒状矿物粒径较大，同时晶体断裂整体呈现参差交错状；以上煤体断口微观特征均为脆性拉伸断裂形貌，主要由水楔作用产生拉伸破坏为主。

(a) 冲蚀面概况

砂岩冲蚀后的断口形貌如图8所示，冲蚀后的砂岩断口基质矿物大量减少，留下絮状大颗粒矿物及大量孔隙，砂岩表面断口处晶体断裂痕迹较为整齐，主要为高压水在接触砂岩表面的一瞬间的水锤效应造成的剪切破坏，随后在水流的冲刷作用下，水与砂岩接触面矿物不断剥落，造成剥蚀破坏。这与冲蚀后砂岩粒径分布及典型的“纺锤形”破碎坑相印证，因此认为射流在破坏砂岩时以水流的剥蚀作用为主。

(a) 破碎坑形貌概况

冲蚀后页岩断口形貌与煤体断口形貌类似，如图9(c)所示，断口处晶体断裂呈现台阶状[24]，说明在水射流冲击下，随着应力波在页岩内部的传播以及在试件边缘处的反射、叠加，产生拉应力，造成页岩断口处拉伸破坏，断口边缘处微裂隙的产生；并且随着高压水的侵入，冲蚀后页岩断口边缘处颗粒状矿物大量减少，因此造成页岩断口边缘处的冲蚀痕迹。由此认为页岩断口处的破坏以应力波造成的拉伸破坏为主，同时伴随射流的冲蚀破坏。

(a) 破碎坑形貌概况

2.3 储层岩冲蚀前后孔隙变化

受CT分辨率限制，CT不能对煤岩体内部微小孔隙和裂隙进行很好地检测，所以为进一步分析储层岩在冲蚀前后的内部微观损伤，采用核磁共振技术对冲蚀前后的储层岩进行检测。核磁共振测得的T2值与孔隙的半径之间一一对应，因此，核磁共振信号T2值分布可以反映试件的裂隙孔隙分布[25-27]，并将试验孔隙按照微孔与过渡孔(<100 nm)、中孔(100～1 000 nm)、大孔及裂隙(>1 000 nm)进行分类。

冲蚀前后煤体T2分布呈现为三峰分布，冲蚀后总孔隙度增加了40%，从图10(a)和图11中可以看出微孔和中孔(2.5～100 ms)变化较小，但中孔孔隙度减少了3.29%，这主要是由于高压水的侵入下煤体部分中孔转化为了大孔，同时由于微孔相较而言较难侵入，因此造成了煤体中孔孔隙度的下降，冲蚀后煤体大孔及裂隙(>100 ms)是未冲蚀煤体的8倍，主要是煤体的破坏主要为水楔造成的拉伸破坏，因此煤体大孔孔隙的变化最为明显，该结果与CT检测结果基本一致。砂岩T2分布呈现为典型的双峰分布，冲蚀后总孔隙度增加了20.48%，从图10(b)和图11中可以看出冲蚀前后砂岩微孔孔隙度几乎无变化，微孔仅减少0.04%，中孔孔隙增加了57.39%，大孔增加了18.56%。该结果主要由于砂岩破坏损伤范围较小，砂岩内部微孔在射流作用下发生破坏或转化为中孔，大孔，同时微孔孔隙的减少也说明砂岩内部没有新裂隙产生，这与CT的检测结果是一致的，而大孔的变化不明显主要为冲蚀后砂岩试件形成的射流孔较为光滑平整，不利于核磁检测时水的存储，最终导致核磁检测结果大孔的T2信号并不明显，但孔内残存的水和射流的冲蚀作用下砂岩冲蚀表面上的黏土矿物减少(图8)，使得中孔的T2信号显著增强，此时射流对砂岩的破坏以矿物剥蚀为主。冲蚀前后页岩T2分布呈现为三峰分布，冲蚀后总孔隙度增加了23.72%，这主要是从图10(c)和图11中可以看出，相对于冲蚀前页岩孔隙度页岩微孔和过渡孔(<10 ms)变化最小仅增加了13.65%，中孔(10～100 ms)增加了87.96%，而冲蚀破坏前后的页岩大孔(>100 ms)相差300多倍，页岩微孔和中孔的变化主要是由于应力波的反射叠加造成页岩内部的损伤，而导致冲蚀后页岩大孔及裂缝孔隙的急剧增加的原因主要是射流破坏下页岩试件上部所形成的横向环形裂缝。

(a) 煤

图11 冲蚀前后岩石孔隙变化

冲蚀后总孔隙相对冲蚀前总孔隙增量百分比为煤(40%)>页岩(23.72%)>砂岩(20.48%)，也就是说冲蚀前后煤的孔隙变化幅度最大，同时冲蚀后岩石中，大孔孔隙度占岩石总孔隙度比例最高的也为煤，这是由于煤作为非均质多孔脆性材料，冲蚀后高压水更易于进入孔隙造成破坏，由此可以得出水楔作用在煤体中表现最为明显。而冲蚀前后孔隙度的绝对增量为砂岩(2.46%)>煤(1.24%)>页岩(0.84%)，冲蚀前后砂岩大孔及裂隙变化幅度相对于煤和页几乎可以忽略，但砂岩的微孔减少中孔增加，说明砂岩在射流破坏时，通过水流的剥蚀作用，原先微孔中的基质大量流失，微孔转化为中孔，而中孔主要由颗粒矿物构成的骨架为主，在水流的短暂的冲蚀作用下难以发生破坏，因此砂岩的破坏主要以射流的剥蚀破坏为主。冲蚀后页岩的三类孔隙增量百分比都为最高(图11)，同时页岩大孔孔隙率为冲蚀前的300倍，大孔孔隙率变化最为明显，这与之前的岩石损伤结果相一致，大孔的增加是由于横向环形裂纹的产生，而微孔及中孔的提高则说明应力波在页岩内部的传播、叠加造成页岩内部的损伤，这说明应力波在页岩的破坏过程中占据主导。