含氣巖石的強(qiáng)度特性及脆性評(píng)價(jià)研究

李文璞，趙洪寶，范翔宇，張千貴

(1.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； 2.山西省綠色礦山工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 河南理工大學(xué)，河南 焦作 454001；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083； 5.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

儲(chǔ)層巖石的強(qiáng)度特性與脆性特征是薄互層煤層氣(瓦斯)合采中井壁穩(wěn)定性及壓裂效果評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[1]。由于煤層氣儲(chǔ)層復(fù)雜的形成過程和地質(zhì)作用的綜合影響，薄互層常具有層理交錯(cuò)、夾矸、強(qiáng)各向異性、高瓦斯含量和低滲透性等復(fù)雜特征，使得工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)成孔難、護(hù)孔難、有效氣源保持難等技術(shù)問題，極大影響了煤與煤層氣的安全高效合采。因此，研究含氣頁巖的強(qiáng)度特性與脆性特征對(duì)薄互層煤層氣的安全高效合采具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層巖石的強(qiáng)度特性與脆性特征進(jìn)行了大量研究。李慶輝等[2]采用室內(nèi)試驗(yàn)和測(cè)井分析相結(jié)合的方法，分析了頁巖脆性破壞特征及影響因素，提出了一種利用巖石彈性參數(shù)和礦物組成綜合評(píng)價(jià)頁巖脆性的方法。尹光志等[3]通過試驗(yàn)研究了不同中間主應(yīng)力、氣體壓力、交變頻率和幅值、應(yīng)變率條件下層狀復(fù)合煤巖體復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的顯現(xiàn)特征，探討了動(dòng)靜載荷條件下復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生條件。趙洪寶等[4]通過理論分析對(duì)受三向應(yīng)力非靜水壓力條件下的巷道圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能密度分布規(guī)律進(jìn)行了深入研究，探究巷道圍巖破壞規(guī)律，得出巷道塑性區(qū)分布。范翔宇等[5]建立了儲(chǔ)氣層煤巖蠕變模型，利用三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)氣層煤巖開展了單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并探討了蠕變階段的變形特征與長期強(qiáng)度。王登科等[6]利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了不同沖擊載荷條件下葦町礦煤樣的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，分析確定了強(qiáng)度型統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的合理性。蔣長寶等[7]進(jìn)行了不同含水狀態(tài)下的含瓦斯煤加卸載試驗(yàn)研究，并分析了含水率對(duì)承載強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的影響。文志杰等[8]基于應(yīng)變能密度理論建立了非均質(zhì)巖石損傷本構(gòu)模型，通過試驗(yàn)研究驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性并分析了巖石的應(yīng)力—應(yīng)變與脆性破壞特征。劉清泉[9]開展了多重應(yīng)力路徑下煤樣的力學(xué)及滲透性演化試驗(yàn)，分析了煤的力學(xué)特性、損傷擴(kuò)容規(guī)律和滲透率演化的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。李波波等[10]研究了三軸應(yīng)力條件下煤巖的變形破壞特征及損傷過程中的能量演化機(jī)制。李銘輝[11]利用自主研制的多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了真三軸應(yīng)力條件下砂巖、頁巖和煤的力學(xué)特性試驗(yàn)研究，分析了最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[12]研究了不同加卸載條件和不同開采條件對(duì)煤巖強(qiáng)度特征的影響。劉曉輝等[13]探討了不同圍壓條件對(duì)煤巖的強(qiáng)度及變形特征的影響。閆偉城等[14]通過煤樣的單三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于峰前彈性模量和峰后模量的脆性指標(biāo)，分析了溫度、圍壓、瓦斯對(duì)煤樣強(qiáng)度和脆性指標(biāo)的影響。綜上所述，學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層巖石的強(qiáng)度特征與脆性評(píng)價(jià)的研究取得了一定成果，還需要進(jìn)一步完善含氣巖石的強(qiáng)度與脆性特征的研究。因此，有必要開展含氣頁巖的強(qiáng)度特性及脆性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)研究，該研究對(duì)薄互層煤層氣(瓦斯)安全高效合采具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方案

以重慶龍馬溪組頁巖為研究對(duì)象，加工成直徑為50 mm、高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體頁巖試件，試件的端面平整度控制在0.05 mm內(nèi)。分級(jí)逐步施加軸壓和圍壓，設(shè)定目標(biāo)靜水壓力條件分別為σ1=σ3=10、15、20、25 MPa(σ1為軸壓；σ3為圍壓)，瓦斯壓力P分別為0和2 MPa。特別地，當(dāng)瓦斯壓力為2 MPa時(shí)，當(dāng)軸壓和圍壓達(dá)到目標(biāo)靜水壓力水平后，充入瓦斯氣體并保持氣體壓力一定進(jìn)行充氣直至試件吸附平衡。最后以位移控制的方式(0.1 mm/min的速度)對(duì)煤樣進(jìn)行加載，直至頁巖試件的殘余強(qiáng)度保持基本穩(wěn)定。試驗(yàn)過程中圍壓保持不變。

2 三軸壓縮頁巖的強(qiáng)度特征分析

2.1 頁巖的主應(yīng)力差—應(yīng)變特征

不同圍壓條件下頁巖的主應(yīng)力差—應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)圍壓保持一定，含氣頁巖的峰值強(qiáng)度均低于不含氣頁巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。說明孔隙瓦斯壓力對(duì)頁巖的承載強(qiáng)度有影響，且孔隙瓦斯對(duì)頁巖的力學(xué)性質(zhì)有劣化損傷作用。

圖1 不同圍壓條件下頁巖的主應(yīng)力差—應(yīng)變曲線Fig.1 Principal stress difference-strain curve of shale under different confining pressure conditions

頁巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。在圖2和圖3中，σp為頁巖的峰值強(qiáng)度；σr為頁巖的殘余強(qiáng)度。從圖2和圖3中可以看出，隨著圍壓的增加，含氣頁巖和不含氣頁巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。當(dāng)圍壓σ3從10 MPa分別增加到15、20、25 MPa時(shí)，不含氣頁巖的峰值強(qiáng)度分別增加了34.4%、39.0%和48.3%，含氣頁巖的峰值強(qiáng)度分別增加了31.7%、36.5%和43.8%。當(dāng)圍壓σ3從10 MPa分別增加到15、20、25MPa時(shí)，不含氣頁巖的殘余強(qiáng)度分別增加了31.5%、39.4%和48.5%，含氣頁巖的峰值強(qiáng)度分別增加了27.5%、36.9%和47.0%。

圖2 頁巖的峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線Fig.2 Curves of relationship between peak strength and confining pressure of shale

圖3 頁巖的殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of relationship between residualstrength and confining pressure of shale

3 含氣頁巖的脆性評(píng)價(jià)分析

基于應(yīng)力—應(yīng)變特征的綜合脆性指數(shù)參數(shù)取值如圖4所示。

圖4 基于應(yīng)力—應(yīng)變特征的綜合脆性指數(shù)參數(shù)取值示意Fig.4 Sketch of value of comprehensive brittleness index parameters based on stress-strain characteristics

目前，關(guān)于儲(chǔ)層巖石脆性評(píng)價(jià)的方法有多種，包括硬度測(cè)試、普氏沖擊試驗(yàn)、應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試、抗壓抗拉強(qiáng)度比值、莫爾圓、硬度和韌性測(cè)試、陶制材料的測(cè)試、貫入試驗(yàn)和礦物組成分析等。由于應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試的儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)能較好地表現(xiàn)脆性破壞的宏觀和微觀特征。因此，采用應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試方法來評(píng)價(jià)頁巖的脆性特征。應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試法主要通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的脆性破壞的表現(xiàn)評(píng)價(jià)脆性，用峰值應(yīng)變反映脆性破壞的難易，峰值后曲線形態(tài)表示脆性強(qiáng)弱[1]。

周輝等[15-16]提出一種基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的巖石脆性特征評(píng)價(jià)方法，考慮巖石塑性屈服特性和應(yīng)力狀態(tài)影響的脆性指標(biāo)，該指標(biāo)由峰后相對(duì)應(yīng)力降大小和應(yīng)力降的速率2部分組成，相對(duì)應(yīng)力降越大、速率越快，說明巖體脆性程度越大。巖石脆性指標(biāo)Bd表達(dá)式為：

Bd=B1B2

(1)

(2)

(3)

式中，Bd為巖石的脆性指標(biāo)，取值為0～1，該值越大說明脆性程度越高；B1為峰后應(yīng)力降的相對(duì)大小，取值范圍為0～1；B2為峰后應(yīng)力降的絕對(duì)速率，取值為0～1；|kAB|的幾何意義為從屈服起始點(diǎn)A到殘余起始點(diǎn)B的連線斜率的絕對(duì)值，因?yàn)榉搴笤摱蔚男甭屎銥樨?fù)值；εp為頁巖試件破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變；σr為頁巖試件的殘余強(qiáng)度；εr為頁巖試件達(dá)到殘余強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。

運(yùn)用該脆性指標(biāo)對(duì)含氣頁巖和不含氣頁巖在不同圍壓條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線綜合脆性指數(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 含氣頁巖和不含氣頁巖的三軸試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Triaxial test parameters of gas-infiltrated shale and non-gas shale

不同圍壓條件下含氣頁巖和不含氣頁巖的脆性指標(biāo)如圖5所示。

圖5 不同圍壓條件下含氣頁巖和不含氣頁巖的脆性指標(biāo)Fig.5 Brittleness index of gas-infiltrated shale and non-gas shale under different confining pressures

由圖5可以看出，含氣頁巖和不含氣頁巖的脆性指標(biāo)隨著圍壓的增加而降低，該結(jié)論與文獻(xiàn)[15]結(jié)論一致，證明了基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的巖石脆性特征評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。當(dāng)圍壓相同時(shí)，含氣頁巖的脆性指標(biāo)均高于不含氣頁巖的脆性指標(biāo)，表現(xiàn)出與圍壓增加脆性指標(biāo)增加相反的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文通過不同圍壓條件下含氣頁巖和不含氣頁巖的強(qiáng)度特征及脆性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)圍壓保持一定，含氣頁巖的峰值強(qiáng)度均低于不含氣頁巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度；隨著圍壓的增加，含氣頁巖和不含氣頁巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

(2)含氣頁巖和不含氣頁巖的脆性指標(biāo)隨著圍壓的增加而降低；當(dāng)圍壓相同時(shí)，含氣頁巖的脆性指標(biāo)均高于不含氣頁巖的脆性指標(biāo)。

(3)基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的巖石脆性特征評(píng)價(jià)方法，綜合考慮了峰后相對(duì)應(yīng)力降大小和應(yīng)力降速率，具有較高的準(zhǔn)確性。