煤岩变形破坏过程中渗流演化规律试验研究

煤岩变形破坏过程中渗流演化规律试验研究
张波;胡书宝;余东合;王越之;张登文;张彬
【摘要】高煤阶煤层气的开发主要采用压裂的方式进行增产.在压裂过程中,随着煤岩应力的不断变化,其孔隙结构和渗透特性发生变化,进而影响煤岩的力学破坏特征.以高阶煤为研究对象,开展不同围压作用下三轴渗流-应力耦合流变试验,研究煤岩变形和破坏过程中的应力、应变与渗透率之间的相互关系,分析了煤样应力、应变变化过程中渗透率随围压和体积应变的变化规律.试验结果表明:煤岩的应力-应变关系具有脆-塑性特征,煤岩体积应变经过压密和扩容阶段,环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映出煤岩变形破坏的过程.煤岩渗透率在压缩过程中出现波浪状变化,在高应力作用下发生破裂后,其渗透率不一定比破裂前增加,相反有可能会减小.研究结果可为多场耦合下煤岩破裂模型的建立与分析、压裂施工参数设计和工艺的优化提供技术支撑.%The fracturing is mainly used for high rank coalbed methane development.With the change of stress, the pore structure and permeability are changed during fracturing,in turn,will affect the mechanical fracture prop-erties.By using three-axis seepage-stress coupled rheological tests under different confining pressures,the relation-ship between stress,strain and permeability in the process of deformation and failure of coal rock was studied.The variation of permeability with the confining pressure and volume strain during strain change was analyzed.The ex-perimental results show that the stress-strain relationship of coal rock has non-typical brittle characteristics.The vol-ume strain goes through two stages—compaction stage and expansion stage.The circumferential strain can reflect the deformation and failure of coal rock
more obviously than axial strain.There appear wave shape characters for permeability at the compaction stage.The permeability of coal rock is not higher than that before fracturing under the failure of high
stress;otherwise the permeability may be reduced.The results can provide technical support for the establishment and analysis of rupture model with high rank coal under multi-field coupling,as well as the pa-rameters and technical optimization of fracturing.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2018(018)009
【总页数】6页(P112-117)
【关键词】煤岩;破裂;渗流;耦合;试验
【作者】张波;胡书宝;余东合;王越之;张登文;张彬
【作者单位】长江大学湖北省油气钻采重点实验室,武汉431000;华北油田工程技术研究院,任丘062552;华北油田工程技术研究院,任丘062552;华北油田工程技术研究院,任丘062552;长江大学湖北省油气钻采重点实验室,武汉431000;华北油田工程技术研究院,任丘062552;华北油田工程技术研究院,任丘062552
【正文语种】中文
【中图分类】TU458
水力压裂是目前煤层气开发增产的主要措施之一。

对于压裂工艺来说，施压前的煤岩破裂压力预测对成功进行压裂作业具有重要的帮助。

煤岩在压裂过程中发生变形
破坏，其孔隙结构发生变化，因而渗透特性也发生变化，其渗流特性的改变引起孔隙结构的变形，反过来又会影响煤岩的力学特性，包括变形、损伤、破坏以及稳定等，因此应力对渗流的影响是个耦合问题[1,2]。

在渗流作用下，煤岩骨架发生力
学反应，煤岩在状态变化过程中，其微裂隙闭合和张开导致煤岩体积的压密和扩容，从而直接影响煤岩的渗透性。

弄清渗透率随着应力-应变的演化规律和渗透率演化
模型决定了渗流-应力耦合模型建立的正确与否。

国内外对煤岩在全应力-应变过程中渗透规律的演化研究已进行了比较广泛和深入
的探讨，通过室内单轴或三轴渗流-应力耦合试验取得了一系列研究成果。

杨永杰
等[3,4]对两种不同性质的煤岩进行了渗透试验，得出煤样全应力-应变关系和应变-渗透率关系对比曲线，分析了两种煤岩在变形-破坏过程中的渗透率变化规律，以
及有效侧压对煤岩变形-渗透率特征的影响。

尹光志等[5]研究了不同围压作用下，不同粒径的煤岩在全应力-应变过程中瓦斯的渗流速度与应变的变化关系，并且还
得到围压对渗透速度-应变关系曲线的影响及渗透速度-轴向荷载关系曲线的影响。

王广荣等[6]进行了全应力-应变过程中渗透测试及CT扫描试验研究，得出渗透试
验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在，渗透试验后有明显的贯通裂缝产生，渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。

张建东等[7]研究了围压、孔隙压力对煤岩渗透率的综合影响规律，得出不同流体介质下煤岩渗透率在压降过程中的变化趋势，煤岩裂缝体积压缩系数在开采过程中并非一恒定值。

孙光中等[8]开
展了两种不同煤样在轴压及围压变化作用下渗透率变化规律的试验研究，得出轴压及围压变化对软煤样渗透率的影响特征均符合负指数函数分布规律；轴压对硬煤样渗透率的影响特征符合直线变化规律，围压对硬煤样渗透率的影响特征符合负指数函数分布规律，并给出了拟合参数，围压变化对于两种不同煤样渗透率的影响大于轴压。

这些研究主要集中在轴向应力或环向应力下渗透率的变化规律，很少详细探讨轴向、环向和体积应变与煤岩渗透率的相互关系。

同时使用液体作为渗透介质，
在煤岩中需要很长的时间才能达到稳定流速，长时间的试验过程增大了测量误差[9,10]。

鉴于此，采用岩石渗流流变测试系统，通过室内三轴压缩试验得到煤岩的轴向应力-应变曲线和环向应力-应变曲线，并测得变形破坏过程中的渗透率，重点研究不同围压作用下岩石渗透率随体积应变的变化规律，为高阶煤复杂应力条件下的渗透性和破裂耦合分析提供重要试验依据。

1 试验原理及方法
1.1 试验煤样及制备
试验煤样为高阶煤，取自山西晋城寺河煤矿3#煤，煤岩埋深670 m，且致密强度大，煤样加工成φ25 mm×50 mm的圆柱形。

1.2 试验设备
试验仪器采用GCTS—RTR—1000型电液伺服三轴试验机和HPPD—20脉冲衰减测瞬态渗透率仪，测量围压变化时煤岩在全应力-应变过程中渗透率随应力-应变的变化情况，并根据试验结果，探究应力、渗透率和应变三者之间的关系。

该试验装置具有轴压、围压、孔压、温度和脉冲渗透率独立闭环控制系统，可进行不同温度、孔压下的应力-应变-渗透率测量。

试验装置如图1所示。

图1 GCTS—RTR—1000全自动岩石三轴伺服仪Fig.1 The rock server-controlled rheology testing machine of GCTS—RTR—1000
1.3 试验原理
沁水盆地高阶煤具有渗透率低的特点，使用液体测试时往往难以达到稳流状态，渗流试验需要的时间长，且穿透能力有限，对低渗透煤岩无法进行试验研究，难以测到可靠的流量和渗透率。

气体测试方法的适用条件较宽，且结果较为准确。

以气体作为渗透介质的压力脉冲法进行测试，试验原理如图2所示。

为模拟煤层气的真
实状态，以甲烷气体作为渗透介质，在控制试样两端气体压力相同的情况下，通过气体压力控制面板对岩样下端面施加一个气体压力脉冲，气体在该脉冲压力的作用
下穿过煤样进入已知压力储气罐，通过记录脉冲压力随时间的变化，推算岩样的气体渗透率。

图2 气体压力脉冲试验原理Fig.2 The principle of gas pressure pulse test 煤样两端的气体缓冲压力容器的气体分别为V1和V2，压强分别为P1和P2。

两容器内均充满甲烷气体。

k=cμLV1V2/APf(V1+V2)
(1)
式(1)中，k为煤样气体渗透率，m2；c为甲烷气体的体积压缩系数；μ为甲烷气体黏度，Pa·s；L为煤样长度，cm；V1、V2分别为上、下游气体缓冲容器体积，L；A为煤样横截面积，cm2；Pf为系统平衡后压强，MPa。

1.4 试验方案
进行围压为6 MPa、8 MPa、10 MPa的三轴气体渗流试验，通过偏应力进行加载，每一级的应力加载为1 MPa，记录每一级应力加载下的气体渗透率直到岩样破坏。

煤岩的非均质性比较强，为确保试验结果的科学性，同一围压下进行三组不同煤样的基础试验。

煤岩的基本物理参数如表1所示。

煤岩温度模拟现场实际井底温度32 ℃恒温，并使用甲烷气体作为渗流气体，使得测量更能反映井底煤层气渗流的真实特性。

试验时，气体渗透压力控制在0.5 MPa左右。

试验步骤：①试验前，将每个标准煤样在干燥箱烘干48 h，然后取出并测试每个煤样的直径、高度；②将煤样固定牢固并放置在压力室内，施加一定的轴压，然后施加设计围压；
③打开脉冲衰减仪连通阀门，调节甲烷出气阀门向煤样内充甲烷，时间在60 min 以上到达吸附平衡；④启动三轴应力-应变测试系统进行试验并同步对接脉冲衰减测试系统，实时测量煤样应力、应变、脉冲压差等试验数据。

表1 煤岩基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of coal rocks煤样编号直径/mm高度/mm围压/MPa进气口压力
/MPaS12515086056S22525126060S32485276057S42495088057S52515568 061S62505258056S724951810059S825056510056S924950710058
2 试验结果及分析
2.1 煤岩应力-应变特征分析
列出了各组煤样变形过程中具有代表性的应力-应变曲线，不同围压下煤岩三轴压
缩应力-应变曲线如图3所示。

图3 不同围压下煤岩应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of coal rock under different pressures
煤岩在压缩变形过程中经历了压密和扩容两个阶段，压密表现为体积应变为正应变，而扩容则表现为体积应变为负应变，体积应变为轴向应变和环向应变的和。

从图3中可以看出，煤岩的轴向、环向、体积应力-应变变化趋势基本一致，当轴向应力
较小时，煤岩变形呈现线弹性材料变化趋势，轴向应变大于环向应变，体积应变呈正斜率的直线变化趋势，体积随着压力的增加而减小；当应力大约达到强度的1/3时，体积应变开始偏离线弹性材料的直线。

随着应力的增加，体积应变的偏离程度越来越大，此时环向应变超过其轴向应变，使得煤岩压缩阶段的体积超过其原来的体积，产生负的压缩体积应变。

随着围压的增加，环向变形比轴向变形更充分反映了煤岩屈服、弱化和破坏的过程。

环向的弹性应变远小于轴向的弹性应变，环向变形比轴向变形更早更快地偏离线弹性状态，岩样塑性变形的增加显得相对较快，环向应变远小于轴向应变，故环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映出煤样变形破坏的过程。

从图3中也可以发现，S5煤样表现比较特殊，经历压密—扩容—压密—扩容4个变化过程，原因可能是煤岩的横向裂隙和孔隙比较发育，轴向压缩效应比较明显，在横向裂隙压密的同时，孔隙的压缩和破裂重新排列，导致压密和扩容交替出现。

2.2 煤岩渗透率与体积应变的关系
由于试验测试使用气体，当煤样发生宏观的变形破坏后，气压变化太快，测试值无法准确反映煤样的渗透率变化值，破裂后的渗透率的变化没有给出[11]。

由渗透率-应变曲线(见图4)可以看出，在应力很小(小于5 MPa)时发生压密效应，渗透率随着偏应力的增加，内部微裂隙开度逐渐减小，造成渗透率的减小。

曲线经过最大压密点后，应力增加，煤岩仍处于压密阶段，但持续过程很短，变化不大，体积应变小于0.002。

从最大压密点到扩容拐点的过程中，渗透率比最大压密点处有一定的增加。

图4 体积应变与渗透率和偏应力关系曲线Fig.4 Relation curves of volume strain-permeability and volume strain-deviatory stress
拐点后煤样在偏应力作用下出现内部损伤，主要表现为新生裂隙的发展，由于部分裂隙的发展，岩样的渗透率迅速增加，拐点后的渗透率变化率远大于拐点前，这与体积应变变化率在压密阶段变化较小而在扩容阶段变化较大的规律是一致的[12]。

在整个试验过程中，煤样渗透率的最小值并非发生体积最大压密处，而是发生在后续扩容过程中。

随着应力的逐渐增加，煤岩开始发生扩容，体积发生膨胀，内部结构出现原生裂隙扩展和微裂隙萌生；随着变形的进一步发展，破裂煤岩的骨架颗粒发生剪切和重新排列，造成孔隙和裂隙通道的压密闭合和破裂开启，从而引起渗透率呈现“波浪状”变化，在这一过程中煤岩渗透率从缓慢增大演化为急剧增大；峰值强度后，裂隙张开度减小，在围压作用下破坏煤岩又出现一定程度的压密闭合，但煤岩在该过程中渗透率的值相比初始阶段有所下降，特别是围压较大时渗透率下降更明显。

这一现象也说明了高阶煤在高应力作用下发生破裂后，其渗透率不一定比压裂前增加，相反有可能减小，这也很好地解释了目前有相当多的煤层气井压裂后效果不理想的现象。

在煤岩压缩气体渗流过程中，煤岩渗透率呈现“波浪状”变化规律，但是整体变化
规律和应力-应变曲线的变化趋势一致。

在变形和破坏过程中，其渗透率随应力的
变化没有出现大的波动，渗透率基本保持在一个数量级内。

2.3 不同围压作用下煤岩气体渗流规律
根据试验数据，获得围压分别为1～7 MPa下的应力-渗透率试验曲线，如图5所示。

图5 不同围压下煤岩应力-渗透率曲线Fig.5 Stress-permeability curves of coal rock under different pressures
由上述试验结果可知，煤样的渗透率与围压的变化密切相关。

依据试验成果，通过数据拟合的方法，可以得到煤样渗透率随围压变化的经验关系方程。

由直接试验数据拟合高阶煤渗透率与有效围压的关系主要有以下三种形式[8,13]。

幂函数形式：
(2)
指数函数形式：
k=k0e-βPc
(3)
一元二次函数形式：
(4)
式中，k为煤样渗透率；k0为煤样初始渗透率；Pc为围压；α、β、a、b为回归
系数。

分别用式(2)的三种拟合关系对试验成果数据进行拟合，发现以一元二次函数形式
描述煤样渗透率随围压的变化关系最为合理。

随着围压的增加，煤岩在不同的应力-应变阶段，其渗透率均出现不同程度的降低，
说明围压对煤岩内部的裂隙起到了压密闭合作用，限制了煤岩内部裂隙的扩展和张开程度。

通过试验可知，随着偏应力的增大，煤岩的渗透率出现动态变化，主要呈现先增大后减小的趋势。

在低围压条件下，煤岩内部的裂隙还没有被压密到最小，孔隙、裂隙相对较大，因而煤岩的渗透率变化较快；随着围压的增大，煤岩内部的微裂纹逐渐闭合，渗透率变化减慢。

3 结论
通过对高阶煤岩的渗流试验规律研究，获得如下的结论：
(1)围压作用下，环向应变比轴向应变更灵敏地反映出煤岩渗透率的变化。

(2)煤岩变形破坏后，渗透率呈现“波浪状”变化规律，高应力作用下发生破裂后，渗透率不一定增加。

(3)高阶煤岩的渗透率与围压符合一元二次函数关系，这与普通岩石符合的指数函
数关系有所不同。

参考文献
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