含氣巖石的強度特性及脆性評價研究

李文璞，趙洪寶，范翔宇，張千貴

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024； 2.山西省綠色礦山工程技術研究中心，山西 太原 030024；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地 河南理工大學，河南 焦作 454001；4.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083； 5.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 西南石油大學，四川 成都 610500)

儲層巖石的強度特性與脆性特征是薄互層煤層氣(瓦斯)合采中井壁穩定性及壓裂效果評價的重要指標[1]。由于煤層氣儲層復雜的形成過程和地質作用的綜合影響，薄互層常具有層理交錯、夾矸、強各向異性、高瓦斯含量和低滲透性等復雜特征，使得工程實踐中經常出現成孔難、護孔難、有效氣源保持難等技術問題，極大影響了煤與煤層氣的安全高效合采。因此，研究含氣頁巖的強度特性與脆性特征對薄互層煤層氣的安全高效合采具有重要的指導意義。

目前，國內外學者對儲層巖石的強度特性與脆性特征進行了大量研究。李慶輝等[2]采用室內試驗和測井分析相結合的方法，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和礦物組成綜合評價頁巖脆性的方法。尹光志等[3]通過試驗研究了不同中間主應力、氣體壓力、交變頻率和幅值、應變率條件下層狀復合煤巖體復合動力災害的顯現特征，探討了動靜載荷條件下復合動力災害的發生條件。趙洪寶等[4]通過理論分析對受三向應力非靜水壓力條件下的巷道圍巖偏應力場與應變能密度分布規律進行了深入研究，探究巷道圍巖破壞規律，得出巷道塑性區分布。范翔宇等[5]建立了儲氣層煤巖蠕變模型，利用三軸巖石力學測試系統對儲氣層煤巖開展了單軸壓縮試驗對模型進行驗證，并探討了蠕變階段的變形特征與長期強度。王登科等[6]利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗系統進行了不同沖擊載荷條件下葦町礦煤樣的動態沖擊試驗，分析確定了強度型統計損傷本構模型的合理性。蔣長寶等[7]進行了不同含水狀態下的含瓦斯煤加卸載試驗研究，并分析了含水率對承載強度、殘余強度的影響。文志杰等[8]基于應變能密度理論建立了非均質巖石損傷本構模型，通過試驗研究驗證了模型的準確性并分析了巖石的應力—應變與脆性破壞特征。劉清泉[9]開展了多重應力路徑下煤樣的力學及滲透性演化試驗，分析了煤的力學特性、損傷擴容規律和滲透率演化的內在力學機制。李波波等[10]研究了三軸應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制。李銘輝[11]利用自主研制的多功能真三軸流固耦合試驗系統，開展了真三軸應力條件下砂巖、頁巖和煤的力學特性試驗研究，分析了最小主應力和中間主應力對儲層巖石抗壓強度的影響規律。文獻[12]研究了不同加卸載條件和不同開采條件對煤巖強度特征的影響。劉曉輝等[13]探討了不同圍壓條件對煤巖的強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驗，提出了一種基于峰前彈性模量和峰后模量的脆性指標，分析了溫度、圍壓、瓦斯對煤樣強度和脆性指標的影響。綜上所述，學者對儲層巖石的強度特征與脆性評價的研究取得了一定成果，還需要進一步完善含氣巖石的強度與脆性特征的研究。因此，有必要開展含氣頁巖的強度特性及脆性評價的試驗研究，該研究對薄互層煤層氣(瓦斯)安全高效合采具有重要的指導意義。

1 試驗方案

以重慶龍馬溪組頁巖為研究對象，加工成直徑為50 mm、高為100 mm的標準圓柱體頁巖試件，試件的端面平整度控制在0.05 mm內。分級逐步施加軸壓和圍壓，設定目標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，當瓦斯壓力為2 MPa時，當軸壓和圍壓達到目標靜水壓力水平后，充入瓦斯氣體并保持氣體壓力一定進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)對煤樣進行加載，直至頁巖試件的殘余強度保持基本穩定。試驗過程中圍壓保持不變。

2 三軸壓縮頁巖的強度特征分析

2.1 頁巖的主應力差—應變特征

不同圍壓條件下頁巖的主應力差—應變曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，當圍壓保持一定，含氣頁巖的峰值強度均低于不含氣頁巖的峰值強度和殘余強度。說明孔隙瓦斯壓力對頁巖的承載強度有影響，且孔隙瓦斯對頁巖的力學性質有劣化損傷作用。

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

頁巖的峰值強度和殘余強度與圍壓的關系分別如圖2和圖3所示。在圖2和圖3中，σp為頁巖的峰值強度；σr為頁巖的殘余強度。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度和殘余強度均表現出增加的趨勢。當圍壓σ3從10 MPa分別增加到15、20、25 MPa時，不含氣頁巖的峰值強度分別增加了34.4%、39.0%和48.3%，含氣頁巖的峰值強度分別增加了31.7%、36.5%和43.8%。當圍壓σ3從10 MPa分別增加到15、20、25MPa時，不含氣頁巖的殘余強度分別增加了31.5%、39.4%和48.5%，含氣頁巖的峰值強度分別增加了27.5%、36.9%和47.0%。

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

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

3 含氣頁巖的脆性評價分析

基于應力—應變特征的綜合脆性指數參數取值如圖4所示。

圖4 基于應力—應變特征的綜合脆性指數參數取值示意Fig.4 Sketch of value of comprehensive brittleness index parameters based on stress-strain characteristics

目前，關于儲層巖石脆性評價的方法有多種，包括硬度測試、普氏沖擊試驗、應力—應變測試、抗壓抗拉強度比值、莫爾圓、硬度和韌性測試、陶制材料的測試、貫入試驗和礦物組成分析等。由于應力—應變測試的儲層巖石力學性質能較好地表現脆性破壞的宏觀和微觀特征。因此，采用應力—應變測試方法來評價頁巖的脆性特征。應力—應變測試法主要通過應力—應變曲線上的脆性破壞的表現評價脆性，用峰值應變反映脆性破壞的難易，峰值后曲線形態表示脆性強弱[1]。

周輝等[15-16]提出一種基于應力—應變曲線的巖石脆性特征評價方法，考慮巖石塑性屈服特性和應力狀態影響的脆性指標，該指標由峰后相對應力降大小和應力降的速率2部分組成，相對應力降越大、速率越快，說明巖體脆性程度越大。巖石脆性指標Bd表達式為：

Bd=B1B2

(1)

(2)

(3)

式中，Bd為巖石的脆性指標，取值為0～1，該值越大說明脆性程度越高；B1為峰后應力降的相對大小，取值范圍為0～1；B2為峰后應力降的絕對速率，取值為0～1；|kAB|的幾何意義為從屈服起始點A到殘余起始點B的連線斜率的絕對值，因為峰后該段的斜率恒為負值；εp為頁巖試件破壞時對應的軸向應變；σr為頁巖試件的殘余強度；εr為頁巖試件達到殘余強度對應的軸向應變。

運用該脆性指標對含氣頁巖和不含氣頁巖在不同圍壓條件下的應力—應變曲線綜合脆性指數參數進行分析，結果見表1。

表1 含氣頁巖和不含氣頁巖的三軸試驗參數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隨著圍壓的增加而降低，該結論與文獻[15]結論一致，證明了基于應力—應變曲線的巖石脆性特征評價方法的準確性。當圍壓相同時，含氣頁巖的脆性指標均高于不含氣頁巖的脆性指標，表現出與圍壓增加脆性指標增加相反的趨勢。

4 結論

本文通過不同圍壓條件下含氣頁巖和不含氣頁巖的強度特征及脆性評價的試驗研究，得出以下結論。

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

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

(3)基于應力—應變曲線的巖石脆性特征評價方法，綜合考慮了峰后相對應力降大小和應力降速率，具有較高的準確性。