溫度對井周煤巖力學(xué)特性影響的試驗研究

梁永昌,李小龍,范翔宇,蘇 婷,張 彬

(1.峨眉山市應(yīng)急管理局,四川 峨眉山 614200;2.西南石油大學(xué),成都 610500;3.古敘煤田開發(fā)股份有限公司,四川 瀘州 610500;4.峨眉山市職業(yè)技術(shù)學(xué)校 四川 峨眉山 614200)

煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)與溫度有密切關(guān)系。張辛亥等[1]對低溫條件下的煤樣進行了單軸壓縮實驗,得到了煤巖相關(guān)力學(xué)性質(zhì)與溫度的關(guān)系；任曉龍等[2]對工程溫度下,煤巖的力學(xué)特性進行了分析；楊光等[3]研究了沁水盆地煤巖在高溫高壓下的變形特性；楊兆中等[4]通過實驗研究了低溫對煤巖滲透率的影響；彭守建等[5]得出了瓦斯突出強度與溫度變化的關(guān)系；謝建林等[6]研究了溫度與煤巖滲透率的關(guān)系；楊偉等[7]研究了煤層厚度對煤巖體內(nèi)部熱流固耦合的傳熱的影響；趙洪寶等[8]研究了較低和較高兩種溫度條件下的煤巖滲透率；王公忠等[9]對持續(xù)變溫條件下含瓦斯煤巖的滲流特性進行了數(shù)值模擬；孫光中等[10]對不同應(yīng)力條件下含瓦斯構(gòu)造煤原煤樣的滲透率與溫度變化進行了試驗研究。

以上研究可以發(fā)現(xiàn)，溫度對煤巖物理力學(xué)特性的研究主要是針對煤炭開采領(lǐng)域展開的,且主要是在恒定的圍壓條件下進行,而針對煤層氣開采過程中地應(yīng)力重分布情況下溫度與煤巖力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系研究相對較少。本文主要通過試驗研究鉆井過程中地應(yīng)力重分布條件下,鉆井液與煤層氣水平井井周圍巖發(fā)生熱交換作用對井壁煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響,研究結(jié)果將對實際鉆井施工具有指導(dǎo)意義。

1 地應(yīng)力重分布條件下溫度對水平井井周煤巖影響的力學(xué)試驗方案及步驟

1.1 地應(yīng)力重分布下的煤層氣水平井井周煤巖受力分析

煤層氣水平井沿最大水平主應(yīng)力方向鉆進,由于煤層氣井?dāng)嗝娉叽巛^小,加之鉆井液液柱壓力對井壁的支撐作用,鉆井過程中,對井周煤巖的損傷程度較小,煤巖結(jié)構(gòu)較為完整。因此,鉆井過程中井周圍巖所受應(yīng)力情況為:垂向應(yīng)力方向經(jīng)歷了先增加后減小的過程;最小水平主應(yīng)力方向,所受應(yīng)力逐漸增大,如圖1所示。

圖1 煤層氣水平井地應(yīng)力重分布條件下井周圍巖受力圖Fig.1 Force diagram of surrounding rock around wellbore under the redistribution of ground stress in a horizontal CBM well

1.2 基于地應(yīng)力重分布條件下溫度變化的井周煤巖力學(xué)試驗方案

本次試驗煤樣取自四川宜賓某一突出礦井的8號煤層,屬于3號無煙煤。

目的用于研究煤層氣井鉆進過程中,地應(yīng)力重分布(增加軸壓、卸載圍壓)條件下,井壁煤巖與鉆井液熱交換對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響。

具體方案如下:運用含瓦斯煤熱流固三軸伺服滲流實驗系統(tǒng)分別將軸壓和圍壓加載到試驗設(shè)定值,充入瓦斯氣體,待煤樣充分吸附后,根據(jù)前人[11]對鉆井液溫度的研究,將試樣溫度加熱到設(shè)定值(t1,t2,t3)；然后以0.01 MPa/s的加載速率加載軸壓,同時以0.01 MPa/s的速度卸載圍壓,直至試件破壞時停止試驗。試驗方案如圖2所示,其中A、B、C分別是溫度為t1、t2和t3時的試樣加卸載路徑。試驗煤樣如圖3所示。

圖2 試驗方案圖Fig.2 Testing plan

圖3 試驗煤樣圖Fig.3 Testing coal samples

1.3 基于地應(yīng)力重分布條件下溫度變化的井周煤巖力學(xué)試驗步驟

1)試驗安裝。將打磨好的煤巖試樣,均勻的涂抹上硅膠,待硅膠自然風(fēng)干后將試樣放入試驗裝置的三軸壓力室中,將試件安裝好。

2)進行試驗。向三軸壓力室充入液壓油,然后以0.05 MPa/s的速度將軸壓和圍壓分別加載到20.0 MPa和30.0 MPa；向煤樣充入壓力為3.0 MPa的瓦斯氣體,待煤樣充分吸附后,以0.01 MPa/s的速度加載軸壓的同時以相同的速度卸載圍壓。

3)試驗結(jié)束。待煤樣破壞后,關(guān)閉瓦斯進氣閥,打開瓦斯出氣閥,卸載軸壓和圍壓,然后停止試驗,記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

地應(yīng)力重分布(煤樣加卸載)試驗過程中,由于軸壓和圍壓的變化,將會導(dǎo)致泊松比和變形模量處于不斷的變化過程中,根據(jù)前人的研究結(jié)果,本文采用如下公式計算泊松比和變形模量[12-13]。

式中:E為變形模量,MPa;σ1為軸向應(yīng)力,MPa;σ3為徑向應(yīng)力,MPa;ε1為軸向應(yīng)變,%;ε3為徑向應(yīng)變,%;B為徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變比;μ為泊松比。

2.1 地應(yīng)力重分布件下溫度與含氣煤樣泊松比的關(guān)系分析

根據(jù)公式(1)計算得到不同溫度下軸向應(yīng)力(σ1)比圍壓(σ3)與泊松比的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 不同溫度下圍壓與軸壓比-泊松比關(guān)系圖Fig.4 Relationship between confining pressureaxial pressure ratio and Poisson’s ratio at different temperatures

從圖4中可以看出，試樣溫度為33.0,46.0,68.0℃時,隨著σ1/σ3的增加,泊松比的變化可以分為三個階段。

1)非線性減小階段。該階段隨著σ1/σ3的增加,泊松比整體呈減小趨勢。該階段泊松比處于0.34～0.37之間,隨著溫度的升高,該階段泊松比整體呈增大趨勢。原因是該階段圍壓大于軸壓,即(σ1/σ3)﹤1,煤樣以徑向壓密為主,煤樣變形以徑向變形為主,導(dǎo)致徑向應(yīng)變大于軸向應(yīng)變,表現(xiàn)出隨著σ1/σ3的增加,泊松比呈減小的趨勢。

2)線性增長階段。該階段隨著σ1/σ3的增加,泊松比整體呈線性增長趨勢,泊松比分別增大到0.41,0.45,0.49,且隨著溫度的升高,煤樣的泊松比整體呈增大趨勢。原因是由于該階段軸壓大于圍壓，即(σ1/σ3)≥1,煤樣在軸向方向上經(jīng)歷了壓密、彈性變形和塑性變形階段,該階段煤樣尚未破壞,表現(xiàn)出以軸向變形為主的特點,故泊松比呈線性增長趨勢。

3)非線性突變階段。該階段隨著σ1/σ3的增加,泊松比迅速增大到0.52,0.59,0.65,且隨著溫度的升高,突變點提前。表明該階段泊松比已經(jīng)超出了常規(guī)加載條件下泊松比的范圍(μ﹤0.5),煤樣經(jīng)歷了破裂發(fā)展到整體破壞的過程,煤樣強度迅速降低,軸向變形及徑向變形急劇變大,故表現(xiàn)出突變的特性。

2.2 地應(yīng)力重分布條件下溫度與含氣煤樣變形模量的關(guān)系分析

圖5是不同溫度下圍壓與軸壓比-變形模量關(guān)系圖。從圖中可以看出，試樣溫度為33.0,46.0,68.0 ℃時,隨著σ1/σ3的增加,變形模量(E)可以分為三個階段。

圖5 不同溫度下圍壓與軸壓比-變形模量關(guān)系圖Fig.5 Relationship between confining pressure axial pressure ratio and deformation modulus at different temperatures

1)線性突變階段。該階段(σ1/σ3)≤1,隨著σ1/σ3的增加,在溫度為33.0,46.0,68.0 ℃時,變形模量分別從8.3,18.0,2.5 MPa突然增加到47.0,43.0,29.5 MPa,增加量分別為38.7,25.0,27.0 MPa。可以看出,隨著溫度的升高,變形模量在該階段呈增大趨勢。

2)穩(wěn)定發(fā)展階段。該階段隨著σ1/σ3的增加,變形模量基本保持穩(wěn)定,在溫度為33.0,46.0,68.0℃時,煤樣的變形模量分別為41.2,42.8,27.5 MPa。可以看出,該階段溫度為33.0,46.0 ℃時,變形模量差別不明顯，溫度為68.0 ℃時的變形模量與33.0,46.0 ℃時的變形模量相差較大。

3)突變減小階段。該階段隨著σ1/σ3的增加,變形模量迅速減小,且煤樣完全破壞時變形模量分別為34.3,24.1,19.0 MPa。原因是該階段煤樣經(jīng)歷了裂隙迅速擴展直至煤樣完全破壞的過程。

2.3 地應(yīng)力重分布條件下溫度與含氣煤樣強度的關(guān)系分析

圖6是煤樣溫度為33.0、46.0和68.0℃時,煤樣強度關(guān)系曲線圖。

圖6 溫度-煤樣強度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between temperature and coal sample strength

從圖6中可以看出，隨著溫度的升高,煤樣強度呈減小趨勢,溫度為33.0,46.0,68.0 ℃時,煤樣抗壓強度分別為73.6,49.0,44.8 MPa,分別依次降低了24.6和4.2 MPa。隨著溫度的升高,煤樣的抗壓強度降低值減小。原因是由于溫度的升高,煤樣孔隙裂隙中氣體分子的內(nèi)能增加,分子熱運動增強,煤樣熱膨脹變形增加,煤巖中原有孔隙不斷貫通形成新的裂隙,原有裂隙不斷發(fā)育、擴大,并貫穿煤樣。且煤巖中含有其他礦物成分,在相同的溫度條件下,各礦物成分的受熱膨脹量不同,在膨脹過程中容易產(chǎn)生新的裂縫,使煤樣結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,從而降低了煤樣的強度。

3 結(jié)論

通過研究地應(yīng)力重分布條件下溫度對煤層氣水平井井周圍巖煤樣力學(xué)性質(zhì)的影響,得出以下結(jié)論。

1)隨著溫度的升高,煤樣泊松比呈增長趨勢,且泊松比隨軸壓圍壓比的增加分為三個階段:非線性減小階段、線性增大階段及突變階段,突變點隨溫度的增加而不斷前移。因此,在煤層氣井鉆井過程中,控制鉆井液溫度或者增加鉆井液循環(huán)速度來降低井周圍巖溫度,對于減小井周圍巖變形、確保井壁穩(wěn)定具有積極意義。

2)隨著溫度的升高,煤樣的變形模量降低,且變形模量隨軸壓圍壓比的增加分為三個階段:線性突變階段、穩(wěn)定階段和突變減小階段。因此,控制好井周圍巖溫度,對于減小井眼變形具有重要作用。

3)隨著溫度的升高,煤樣的抗壓強度降低。因此,在煤層氣水平井鉆井過程中,選擇較低溫度的鉆井液或者增加鉆井液的循環(huán)速度,帶走井周圍巖的大量熱量,對于提高井周圍巖強度,減少井壁坍塌失穩(wěn)具有實際意義。