預制裂紋對水中高壓電脈沖致裂煤巖體的影響

李春明，趙胤翔，趙金昌，楊雙鎖，馬忠忠

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030000）

隨著可持續(xù)發(fā)展的提出和實行，對煤層氣、頁巖氣等新型能源的開發(fā)和利用成為了新的焦點。但絕大多數煤巖層具有滲透率和儲存壓力低的特性，使煤層氣的抽采效率很不理想，也是造成中國煤層氣產量普遍較小的根源所在[1-4]。所以，增加煤層氣抽采率，提高煤層氣產量成為了當今能源科學界研究的主要方向，提出一種合理的提高儲氣層滲透效率和增加產量的方法勢在必行[5-6]。水中高壓脈沖放電致裂增透技術是近幾年出現的一項新技術，以其便捷、高效和環(huán)保的優(yōu)點獲得行業(yè)內大量認可，在石油井解堵、鑿巖鉆井等礦業(yè)領域已有一些初步實踐，對提高煤層氣的產量擁有十足的現實意義[7-8]。國內外學者對其進行了很多相關研究，在高壓電脈沖致裂的機理[9-10]，溶液對脈沖致裂效果[11]的作用等方面取得了一定的成果。龍威成[12]、吳建軍[13]、富向[14]等提出借鑒石油與天然氣行業(yè)定向水力壓裂來增加煤層氣的產量，對煤層進行定向壓裂需采用專門的設備在井筒壁上預先割縫，而對于預制裂縫與水中高壓脈沖放電致裂增透技術相結合，即預制裂紋對水中高壓電脈沖致裂煤巖體的影響研究還較少[15-16]。為此，在上述研究基礎上，運用高壓脈沖放電系統(tǒng)對煤巖體和預制裂紋煤巖體相似試樣進行了對比致裂試驗，并利用顆粒流數值模擬軟件對上述試驗進行了增值數值模擬，以探求煤巖體中預制裂紋對裂紋擴展的影響規(guī)律。通過此類研究，對進一步認識水中高壓脈沖放電現象、掌握放電后裂紋擴展特性和改進煤層氣抽采工藝提供思路。

1 試驗原理

液電現象[17]是在液體中以電能的方式急劇釋放能量，從而通過一系列的物理和化學變化發(fā)生能量轉化的過程。水中高壓脈沖放電增滲則是利用液電現象產生的水激波機械能等對巖體進行沖擊，從而使巖體產生裂紋，以此增加滲透性的一項技術。能量釋放后產生的第1個水激波占有放電能量的大部分，與水激波的加載特征密切相關，電脈沖在沖擊一次時所需要的能量經驗公式如下：

式中：E為電脈沖在沖擊一次時所釋放的能量；C為電容值；Um為電容裝置兩端的電壓數值。

高壓電脈沖在水中放電會產生水激波，沖擊波在煤巖體中形成拉伸應力波和剪切應力波。2種波在煤體介質傳播遇到不連續(xù)裂紋時，會在裂紋尖端發(fā)生反射、折射和衍射，導致裂紋尖端形成復雜應力場，使局部應力增加。裂紋開裂的基本形態(tài)如圖1。

圖1 裂紋開裂的基本形態(tài)Fig.1 The basic shapes of crack

在放電的過程中，拉應力波垂直于裂紋表面，煤巖體會產生孕育發(fā)生張開型裂紋；而剪切應力波的存在，則會使煤巖體孕育發(fā)生滑開型裂紋。由此可知，在水激波的沖擊下，煤巖體介質中會孕育形成張開-滑開復合型裂紋。

2 電脈沖致裂試驗

2.1 試樣制備及力學試驗

電脈沖致裂試驗以水泥、河砂和水構以一定比例造出試樣骨架，并采用石膏、云母粉和珍珠巖控制試樣孔隙率。具體質量比為∶水泥∶河砂∶石膏∶云母粉∶珍珠巖=1.7∶4∶0.3∶0.03∶0.02。模具為30 cm×30 cm×30 cm的可拆卸式立方鐵箱，由底板和2個90°的側板構成。

在模具內注入混合材料后用攪拌機攪拌密實。在對試樣進行養(yǎng)護處理后，打磨上面，使其平滑，形成2塊煤巖體相似試樣。由于脈沖放電需要在鉆孔中進行，在立式鉆床上用合金水鉆鉆桿在試樣中心位置進行鉆孔，直徑為5 cm，進深為20 cm以保證電極能放入鉆孔內。選取1塊試塊，在鉆孔周圍采用人工切割的方法，用鋸條切割成15 mm的預制裂紋。得到巖石取心試樣后，對取出的巖心進行切割和打磨，得到抗拉和抗壓力學測試試樣，并以單軸抗壓試驗和巴西劈裂試驗測得其力學強度，力學試驗強度表見表1。處理試驗數據得在該配比下的試樣強度：抗壓強度為7.14 MPa，抗拉強度為0.21 MPa。試驗獲得的力學強度數據為PFC數值模擬的參數調試做準備。

表1 力學試驗強度表Table 1 Mechanical test intensity table

2.2 電脈沖致裂試驗

試驗儀器由真三軸壓力機、電脈沖電容柜、充放電控制裝置和電極密封裝置等構成，放電密封裝置由密封板和電極構成。放電電極采取対極式，外部半徑為15 mm，長度150 mm，正負極間距5～10 mm。根據試驗目的需要，采取以下操作對煤巖體試樣進行電脈沖致裂試驗。

首先將試塊安置在真三軸壓力機中，真三軸壓力機主要包括液壓油缸、電動液壓泵、液壓管路等部件，通過對試樣施加3個方向皆可調的圍壓，來模擬地層中巖體所受到的真實地應力情況。在施加圍壓之前，在試塊四周各貼合1個鐵板，以保證施加軸壓時的受力均勻；在施加圍壓之后，試樣表面若發(fā)生裂紋，記錄下來以避免試驗誤差；向鉆孔內注滿水介質，在試塊上表面貼合1個鐵板，放置電極密封裝置并施加軸壓，形成對試樣的真三軸壓力控制；控制儲能機柜中電容器的數量及其連接方式，得到預定的電容量；操作充放電控制箱，施加預定的電壓值，以達到試驗所需的能量值；待能量儲存穩(wěn)定后，按下放電按鈕；試驗預定次數后，卸載軸壓并卸下電極密封裝置，觀察裂紋的產生及延伸狀態(tài)并用高清相機記錄；重復放電，直至鉆孔中水介質發(fā)生滲漏，無法注滿，將脈沖放電系統(tǒng)接地、斷電。

2.3 試驗結果

根據上述試驗步驟，對制備的煤巖體相似試樣進行高壓脈沖放電試驗。試驗中，放電電壓為10 kV，電容值為30μF，軸向壓力為2 MPa，東西方向壓力為0.5 MPa，南北方向壓力為1 MPa。無預制裂紋和含預制裂紋拓展圖分別如圖2、圖3。

圖2 無預制裂紋拓展圖Fig.2 No pre-crack expansion diagrams

圖3 含預制裂紋拓展圖Fig.3 Expansion diagrams with pre-crack

從圖2中可以觀察到，試樣1在放電致裂13次后，表面形成貫通整個試樣的南北裂紋。為了能更清楚的看清試樣表面裂紋的變化，采用記號筆勾勒出其具體的形態(tài)與走勢。在放電5次時，鉆孔周圍產生肉眼可見的裂紋；在放電作用至13次后，試樣表面出現貫通性裂紋，此結果表明試樣表面裂紋的擴展程度隨著放電致裂次數的增加而發(fā)展。

圖3（a）為45°預制裂縫方位角試樣原樣，圖3（b）為帶有預制裂縫試樣在受到脈沖放電6次作用下裂紋擴展。從圖3可以看出，45°方位角試樣會從預制裂縫尖端開始垂直于最小主應力方向開裂，這表明預制45°方位角對裂紋的擴展具有一定的導向作用，能夠抑制在鉆孔孔壁其他方向開裂，但裂紋最終沿著最大主應力的方向擴展。預制裂縫試樣在沖擊6次后即形成了貫通裂紋，這證明預制裂紋對水中高壓電脈沖致裂煤巖體有一定的促進作用。綜合來看，高壓脈沖放電對煤體相似試樣具有顯著的造縫作用，且隨著放電次數的增加，試樣裂紋的發(fā)展程度隨之逐漸變大直至完全貫通。相較于不含預制裂縫的試樣，包含預制裂縫試樣起裂需要的放電次數少，裂紋貫穿需要的放電次數也較少；且南北和東西方向存在圍壓差，裂紋最終會朝向平行于最大主應力的方向（即東西方向）進行擴展。

試樣鉆孔內部如圖4。圖4為2種試塊在電脈沖致裂后，沿裂紋撬開的內部細部圖。從圖4可以看到，經過電脈沖放電之后的試塊內部有明顯的裂紋，鉆孔壁上產生許多瑣碎裂隙，這表明對相似材料試樣來說，相當次數的沖擊可以使試樣產生較大的裂紋，但并不會類似炸藥一樣對試樣內部造成破壞性的影響。對鉆孔側壁上造成肉眼可見裂紋損傷，且隨著距離鉆孔越近，損傷越大。這是由于電脈沖能量的急速釋放，在放電位置處的鉆孔石壁會產生凹進石壁的變形，形成一定范圍的空腔。

圖4 試樣鉆孔內部Fig.4 Inside the sample bores

3 數值分析

3.1 模型建立

水中高壓脈沖放電形成的沖擊波是以球面波的形式進行傳播，波將直接作用在鉆孔周圍的壁面上，基于PFC數值模擬軟件，建立二維平面模型。模型的接觸形式采用平縫節(jié)理，在上述力學試驗中，已經得到試驗試樣的抗壓強度為7.14 MPa，抗拉強度為0.21 MPa，并以此對該模型的顆粒線性接觸模量、接觸粘結法向強度和切向強度等細觀參數進行標定使其力學性能與試驗試樣相同，PFC致裂模型顆粒微觀參數如下：接觸有效模量1.65 GPa，剛度比2.1，平縫節(jié)理模量2.2 GPa，切向黏結強度0.37 MPa，法向拉強度3.9 MPa，摩擦系數0.577。。

脈沖放電致裂PFC模型如圖5，長寬為500 mm×500 mm，在模型試樣四邊設置30 mm的無反射邊界，以減小應力波的反射與折射程度，在模型內生成62 387個顆粒，孔隙率為0.01，密度2 500 kg/m3，阻尼為0.7。并形成直徑為26 mm的鉆孔，通過對孔壁上顆粒施加沖擊力模擬脈沖放電的沖擊作用，通過伺服控制，在模型的上下和左右方向均施加0.5 MPa的壓力來仿照真實地下受力狀態(tài)。通過嵌入離散裂隙網絡（DFN）來模擬煤巖體內存在著的大量天然不同尺度的裂隙，其原理是在黏性顆粒上覆蓋裂紋，并插入光滑節(jié)理接觸模型，以模擬綜合巖體，并可以通過DFN模塊生成預制裂紋。

圖5 脈沖放電致裂PFC模型Fig.5 Pulse discharge fracturing PFC model

卞德存[18]通過試驗測得的水中高壓脈沖放電典型壓力曲線表明電脈沖引起的水激波可以簡化為三角應力波。因此在PFC數值模擬的規(guī)程中，采用三角應力波代替脈沖沖擊波對煤巖體破裂起主導作用的應力波來模擬脈沖放電沖擊波，且沖擊波的峰值壓力與脈寬（即正壓作用時間）都可調。

3.2 模擬結果

為研究預制裂紋對水中高壓電脈沖致裂煤巖體的影響，通過分別對含和不含預制裂紋的模型孔壁施加三角應力波。2條預制裂紋分布在孔壁的兩側，長度均為35 mm。相同沖擊能量時下，沖擊波峰值壓力為5、10、15、20、25、30 MPa。無預制裂紋和含預制裂紋發(fā)育圖如圖6、圖7。

圖6 無預制裂紋發(fā)育圖Fig.6 Crack development diagrams of No pre-crack

圖7 含預制裂紋發(fā)育圖Fig.7 Crack development diagrams of pre-crack

由圖6可以看出，無預制裂紋的模型經過不同峰值壓力沖擊波的作用，有不同的破壞形狀。隨著峰值壓力的增加，裂紋的擴展長度越來越短，但井壁附近的裂紋變得更加的瑣碎。模型內的天然節(jié)理隨著沖擊波的作用，也有少量裂紋從天然節(jié)理處開始向外延伸，這種情況距離孔壁越近，效果越明顯，但隨著峰值壓力的增高，對天然節(jié)理的影響逐漸變小。預制裂紋改變了裂紋的發(fā)展趨勢，引導裂紋朝向預制裂紋的方向發(fā)展，這種趨勢在峰值壓力為5 MPa時最為明顯。預制裂紋的上下兩側有呈網絡狀的裂紋產生，峰值壓力越高，裂紋網絡發(fā)育的越飽滿。同時，裂紋會沿預制裂紋的端頭部位向外進行擴展。沿著預制裂紋的端頭向外延伸裂紋的長度卻隨著峰值壓力的增高而減小，延伸裂紋如圖8。

圖8 延伸裂紋Fig.8 Extended cracks

模型力鏈斷裂數目如圖9。可以看出，2種模型的力鏈斷裂數目隨著峰值壓力的增高都明顯呈現出先增高后降低的趨勢，分別在10、15 MPa時達到峰值,然后逐漸下降。預制裂紋在峰值壓力提高初期能夠增加力鏈斷裂數目，但隨著峰值壓力的增高，力鏈斷裂數目差值在逐漸減小，峰值壓力大于15 MPa后，預制裂紋對模型起到的效果不再明顯。

圖9 模型力鏈斷裂數目Fig.9 Number of model force chain breaks

這說明預制裂紋能夠在峰值壓力相對較低時引導裂紋的發(fā)展方向并增強水中脈沖放電致裂煤巖體的效果。這表明可以通過優(yōu)化波形，即調整峰值壓力來提升對煤巖體的致裂與擾動效果。而水激波波形的優(yōu)化主要靠調節(jié)電容器電容值及放電電壓值，上述研究可為實際工程應用的脈沖放電設備的設計提供依據。

4 結論

1）高壓脈沖放電對煤巖體相似試樣具有顯著的造縫作用，隨著放電次數的增加，裂紋的發(fā)展程度隨之逐漸變大直至完全貫通，預制裂縫試樣從起裂至裂紋貫穿所需次數減少，且數值模擬結果顯示預制裂紋能夠增加力鏈斷裂數目，這說明預制裂紋對高壓脈沖放電致裂煤巖體有有一定的促進作用。

2）試驗與數值模擬結果均表明：預制裂紋引導煤巖體裂紋朝向預制裂紋的方向發(fā)展，這種趨勢隨峰值壓力的增大而不再明顯。峰值壓力越高，預制裂紋的上下旁邊產生形成裂紋網絡發(fā)育得越豐滿。同時，沿著預制裂紋的端頭向外延伸裂紋的長度隨著峰值壓力的增高而減小。

3）預制裂紋對煤巖體裂紋的擴展有一定的導向作用，但由于南北和東西方向存在圍壓差，裂紋最終朝向平行于最大主應力的方向擴展。

4）預制裂紋能夠在峰值壓力相對較低時引導裂紋的發(fā)展方向并增強水中脈沖放電致裂煤巖體的效果。在工程實際中可通過優(yōu)化波形，即電容器電容值及放電電壓值來達到更好的致裂與擾動效果。