層理方向對高變質煤體壓裂破壞特征影響研究

陳立超，王生維，張典坤，呂帥鋒

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西省晉城市，048204；2.內蒙古工業大學礦業學院，內蒙古自治區呼和浩特市，010051；3.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北省武漢市，430074)

0 引言

研究壓裂期間煤儲層壓裂裂縫壁面煤體破壞特征對于明晰壓裂液濾失通道、壓裂液濾失速率及深度等意義重大。由于礦井解剖等手段對裂縫壁面煤體破壞特征描述困難，需要開展高變質煤巖在壓縮下的變形特征及破壞形式研究，為因壓裂裂縫橫向擴張導致的煤體破壞模式構建及煤儲層壓裂液濾失特征評價提供依據[1-2]。值得指出的是，壓裂中裂縫兩側煤體主要受壓裂流體橫向壓縮，其他方向的載荷可暫不考慮，因此筆者采取單軸壓縮方法對不同層理方向高變質煤巖破壞特征及其對儲層壓裂液濾失影響關系進行研究。

長期以來，不同層理方向煤巖破壞特征[3-5]、能量耗散[6]及煤巖裂縫評價[7-9]等方面國內外學者開展了大量研究，在煤巖力學性能及物性各向異性方面，李磊等[10]發現層理面與加載方向夾角對煤樣力學參量影響顯著，宏觀破壞模式及細觀斷裂特征存在強烈層理效應，同時煤樣聲學特征各向異性明顯；宋遠等[11]對垂直層理和平行層理2種煤樣進行單軸壓縮下的聲發射監測實驗，發現平行層理煤樣相較垂直層理煤樣，其單軸抗壓強度、彈性模量、變形模量以及極限應變均呈一定程度的降低；劉愷德等[12]通過巴西劈裂及單軸壓縮實驗發現煤巖垂直和平行于層理面方向抗拉強度均具有明顯的離散性，各向異性顯著；翟成等[13]對5種不同層理方位的煤巖進行注入液態CO2致裂實驗，發現不同層理方位的煤體致裂效果具有明顯的各向異性；郝憲杰等[14]綜合采用裂紋體積應變法和聲發射法分析了煤儲集層起裂強度、損傷強度、破壞模式和聲發射特征的各向異性特征，煤儲集層抗壓強度、起裂強度和損傷強度均表現出明顯的各向異性特征；趙宇等[15]通過對垂直層理、平行層理垂直面割理和平行層理垂直端割理3類煤樣進行煤巖吸水和超聲測試，發現同一煤層在相同條件下超聲響應存在明顯的各向異性。在不同層理方向煤巖高速沖擊加載下斷裂行為方面，龔爽等[16]研究含層理結構各向異性煤樣在沖擊載荷下的動態裂紋擴展分形特征，層理結構對煤樣分形裂紋擴展速度有顯著影響，層理傾角為45°煤樣的分形裂紋擴展速度最大，層理傾角為0°煤樣的分形裂紋擴展速度最小；梁為民等[17]采用分離式霍布金森壓桿實驗裝置發現相同沖擊荷載下垂直于層理方向煤樣的峰值應力、平均應變率相較于平行于層理方向煤樣有所提升，垂直于層理方向的動力學性能改變相較于平行于層理方向更明顯。

綜上所述，目前針對不同層理方向煤巖力學性能及破壞形式、滲透性變化以及壓裂造縫效率等方面的研究較多，然而結合煤儲層壓裂裂縫壁面煤體變形及破壞模式，開展不同層理方向煤巖破壞形式對壓裂液濾失影響方面的研究工作尚未見報道。基于此，筆者采取單軸壓縮加載方法對層理面與加載方向夾角a為0°、30°、45°、60°和90°高變質煤巖試樣的斷裂特征及破壞模式進行實驗研究，結合應力-應變曲線特征及煤巖力學參數對不同方向煤巖脆性顯現及破壞形式進行研究，利用能量耗散理論對不同層理方向高變質煤巖應變能耗散特征進行分析，最后對壓裂期間煤儲層裂縫壁面煤體破壞形式及其對壓裂液濾失的影響模式進行構建，以期為高變質煤儲層壓裂裂縫煤體破壞評價以及壓裂液濾失路徑構建提供實驗依據。

1 試樣與單軸壓縮實驗

1.1 試樣制備

本次實驗材料高變質煤巖條帶狀結構具有顯著的各向異性，適合開展不同層理方向煤巖力學性質及脆性、破壞特征各向異性實驗研究。按照煤巖層理方向與加載方向夾角a呈0°、30°、45°、60°和90°進行鉆取，巖心后期進行切割磨平，后期加工成高度5 cm、直徑2.5 cm的圓柱體試樣10個。試樣端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，滿足單軸加載實驗要求。煤儲層裂縫壁面壓裂液濾失模式、煤巖單軸壓縮試樣與實驗裝置如圖1所示。

1.2 單軸壓縮實驗

本次共對10組煤巖試樣進行單軸加載，其中5組試樣在中南大學高等研究中心INSTRON-1346實驗機完成，實驗中加載速率設置為0.02 mm/min，加載過程中規避慣性對煤巖形變的影響，實驗獲取5組試樣的應力-應變關系及各層理方向上煤巖試樣巖石力學參數數據；其余5組煤巖試樣在內蒙古工業大學TENSON WDW-T100型實驗機完成(圖1(c))，實驗中加載速率為0.02 mm/min，本組實驗主要進行材料破壞實驗，獲得不同層理方向高變質煤巖的斷裂特征與破壞模式，同時結合試樣斷裂特征及破壞形式對不同層理方向高變質煤巖斷裂機制與滲流方式進行比較分析和研究，實驗中采用引伸計保障加載過程中應力-應變數據采集的精確性。

圖1 煤儲層裂縫壁面壓裂液濾失模式、煤巖單軸壓縮試樣與實驗裝置

2 實驗結果與分析

2.1 層理方向對高變質煤巖應力-應變關系特征的影響

不同層理方向煤巖試樣單軸壓縮下的應力-應變關系如圖2所示。由圖2可知，不同層理方向煤巖試樣破裂載荷差異顯著，而且整體上各方向煤巖試樣的應力-應變關系曲線形態也有變化，差異性體現在以下2個方面。

(1)斷裂過程曲線頓挫程度不同。煤巖試樣在加載過程中破壞存在頓挫，斷裂在應力-應變曲線上體現一次卸載；夾角0°和90°試樣應力-應變曲線頓挫次數較多，反映出該方向煤巖單軸壓縮下斷裂存在多期性，形成復雜斷裂形式；與此對應的是，夾角30°和60°試樣加載應力-應變曲線相對平滑，頓挫較少，反映該方向煤巖斷裂形式簡單，多形成主干裂縫。

(2)卸載階段曲線斜率不同。卸載階段應力-應變曲線的斜率可以反饋材料脆性及斷裂形式；所有方向煤巖試樣卸載階段曲線的斜率均較大，表明本次實驗高變質煤巖脆性較顯著，外載下以脆性斷裂為主。

圖2 不同層理方向煤巖試樣單軸壓縮下應力-應變曲線特征

從圖2還可以看出，本次實驗煤巖試樣加載應力-應變曲線可分3個階段。

(1)彈性壓縮變形階段。試樣在壓縮下內部孔裂隙缺陷體積壓縮，煤巖致密化，此時應力-應變曲線斜率即為煤巖彈性模量。

(2)材料斷裂失效階段。上一階段外載作用于試樣產生的彈性儲備能達到材料破壞極限，試樣發生破壞。

(3)斷裂后期卸載階段。試樣斷裂失去承載能力后，應力-應變曲線上顯現應力下降趨勢，該階段應力下降速率反映材料脆韌程度。

2.2 層理方向對高變質煤巖力學參數關系的影響

不同層理方向煤巖試樣巖石力學參數特征如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著層理夾角a增大，煤巖試樣峰值應力和峰值應變均呈現出先升高、后降低、再略有提升的規律。在夾角30°時煤巖試樣峰值應力和峰值應變最高，而在角度0°和90°時試樣強度和極限應變最小，表明試樣抵抗外部載荷能量較弱。由圖3(b)可知，隨著層理夾角a增大，煤巖試樣峰值應力和彈性模量呈現出先增大、后降低、再略有回升，二者呈現出同步的變化規律，反映出本次煤巖試樣具有準脆性-脆性的材料力學屬性。同時，夾角為30°煤巖試樣彈性模量最高、煤巖剛度最大。因此在煤儲層壓裂造縫中，當煤層層理與裂縫壁面夾角為60°時需要高的裂縫凈壓力才能使裂縫撐開。

圖3 不同層理方向高變質煤巖單軸壓縮下巖石力學參數特征

由圖3(c)可知，隨著層理夾角a增大，煤巖泊松比出現先升高、后降低、再略有提升的規律，夾角為30°時試樣的泊松比出現極值。對于高變質煤巖材料而言，在該方向上煤巖橫向形變能力最強，在煤儲層壓裂改造中后期形成“短寬”型裂縫的幾率較大。由圖3(d)可知，壓縮功(Compression Work)與試樣彈性模量存在一定同步性，均呈現隨著夾角a增大，試樣壓縮功和彈性模量先增大、后降低、再增高的變化趨勢。據相關理論[18-20]，對于巖石材料而言其剛度越大，單軸壓縮過程試樣內儲備彈性能量越高，后期形成大規模脆性破壞的趨勢越強。

2.3 層理方向對高變質煤巖斷裂特征與破壞模式的影響

層理夾角a為0°、30°、45°、60°和90°煤巖試樣在單軸壓縮作用下的斷裂特征與破壞模式如圖4所示。由圖4(a)可知，夾角0°煤巖試樣單軸壓縮下發生張性劈裂破壞(TF)，形成數條張性貫穿式垂向裂縫，造成試樣橫向上膨脹變形，從而形成平行加載方向上的液體濾失通道。由圖4(b)可知，夾角30°煤巖試樣單軸壓縮下主要形成與層理垂直的剪切斷裂(SF)，應力-應變曲線上該方向的煤巖試樣斷裂載荷最高，且該方向煤巖試樣呈現“膝折”型斷裂組合形式，即初期裂縫沿垂直層理面延展，后轉沿平行加載方向形成垂向裂縫，后期又沿垂直煤巖層理面方向形成剪切裂縫，試樣的斷裂路徑較為復雜，層理在對外加載下巖石裂縫走向有深刻控制[21-22]。煤巖加載下以剪切裂縫為主，裂縫閉合不利于液體濾失。

由圖4(c)可知，夾角45°煤巖試樣在單軸壓縮下以平行層理方向的剪切式斷裂為主，沿著煤巖層理方向界面的剪切裂縫將整個試樣切斷，同時在試樣底部發育垂直煤巖層理方向的剪切裂縫，后期與上部裂縫匯合形成共軛裂縫，該夾角煤巖試樣斷裂形式較為復雜。由圖4(d)可知，夾角60°時，該方向試樣斷裂形式主要為張性劈裂破壞，由于垂向壓縮加載形成試樣的橫向膨脹導致試樣發生片幫，試樣形成的裂縫較短，很難作為液體濾失的有效通道。由圖4(e)可知，夾角90°煤巖試樣在單軸壓縮下形成嚴重的片幫，形成多條平行加載方向的張性裂縫，類似于礦柱在上覆巖層壓力作用下發生的斷裂破壞。

圖4 不同層理方向煤巖單軸壓縮加載下破壞特征

3 不同層理方位煤巖破壞特征及其對壓裂的啟示

3.1 不同層理方向煤巖脆性顯現對煤體破壞形式的影響

(1) 基于應變能耗散的不同層理方位煤巖脆性衡量。單軸壓縮下高變質煤巖試樣應變能密度計算原理如圖5所示。其中單軸壓縮下試樣的彈性應變能密度與試樣斷裂耗散應變能密度分別如圖5中Uo、Ua所示，將二者的商定義為能量沖擊脆性ACF，具體計算方法如下：

式中：Uo——彈性應變能密度；

Ua——斷裂耗散應變能密度；

ε1——峰值應變；

ε2——極限應變；

σ——應力；

ACF——能量沖擊脆性。

(2)不同層理方向高變質煤巖脆性特征顯現。不同層理方向高變質煤巖巖石力學參數及脆性特征計算結果見表1。整體而言，加載方向與層理夾角a為0°、60°和90°的煤巖試樣脆性最為顯著。壓縮加載發現，該層理方向煤巖試樣斷裂裂縫復雜，形成多組簇狀裂縫，為典型的脆性斷裂。而夾角30°和45°煤巖試樣脆性不甚顯著，且單軸加載實驗發現該方向上煤巖多為剪切斷裂，裂縫條數較少且相對簡單。總體上不同層理方向高變質煤巖在外載下破壞形式與煤巖的脆性顯現相關。

圖5 單軸壓縮下煤巖應變能密度計算原理

表1 不同層理方向煤巖試樣單軸壓縮下巖石力學參數及脆性特征

3.2 不同層理方向煤儲層裂縫壁面破壞特征壓裂意義

不同層理方向上煤儲層壓裂裂縫壁面煤體破壞形式及其對壓裂效果的影響關系如圖6所示。由圖6(a)可知，當壓裂裂縫流體凈壓力對煤層層理方位與壓裂裂縫平行時，壓裂液流體壓力使得裂縫壁面煤巖壓縮蓄能后形成多條平行煤巖層理開裂的張性裂縫，室內實驗發現該類型裂縫具有較好的流體通過能力。壓裂期間當裂縫壁面煤體天然裂縫打開后壓裂液突然大量濾失，極易導致脫砂形成砂堵，筆者認為沁水盆地南部水平或緩傾斜煤儲層壓裂裂縫多為“短寬”型裂縫，應與壓裂期間裂縫兩側煤巖破壞形成張性裂隙，加速了壓裂液濾失有關。

由圖6(b)和(c)可知，當壓裂裂縫內壓裂液凈壓力對煤壁擠壓方向與煤巖層理夾角為30°和45°時，在該角度下壓裂裂縫兩側煤體在壓裂液凈壓力的橫向壓縮作用下形成剪切型斷裂破壞，該類裂縫多為閉合型裂縫，不利于壓裂液向裂縫兩側煤體濾失，主干裂縫內壓裂液能夠蓄能形成較長的裂縫規模；當壓裂裂縫縫面法向與層理角度為30°和45°時，煤體單軸抗壓強度較高(36.49、27.81 MPa)，裂縫流體凈壓力PN不足以壓開裂縫兩側煤體，后期壓裂液濾失程度較低，壓裂裂縫規模較為理想。由圖6(d)和(e)可知，當壓裂液凈壓力對煤壁擠壓方向與煤巖層理夾角為60°和90°時，實驗發現該角度下壓裂裂縫兩側煤體主要為平行于加載方向的張性斷裂破壞形式，而且該方向上煤巖單軸抗壓強度較低(<20 MPa)，壓裂期間壓裂液可沿兩側煤體天然裂縫濾失，后期在近井地帶脫砂形成“短寬”型裂縫形式，這與新疆庫車地區煤儲層壓裂裂縫特征結果吻合。

圖6 不同層理方向煤儲層壓裂縫壁面破壞形式及其對壓裂液濾失的影響

4 結論

(1)應力-應變曲線顯示本次高變質煤巖呈現“階段”式破壞特征，隨著夾角a增大，煤巖在單軸壓縮下脆性先增強后減弱；且隨著夾角a增大，高變質煤巖單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比等巖石力學參數先升高后降低，在30°時最強。總體而言，煤巖在不同層理方向力學性質各向異性顯著。

(2)層理夾角a為0°、60°和90°時，單軸壓縮下煤巖試樣形成平行加載方向的張性劈裂破壞，而a為30°和45°試樣發生剪切斷裂破壞，整體張性破裂破壞形式的斷裂能量耗散遠低于剪切破壞。利用應變能耗散理論計算層理夾角0°、60°和90°煤巖試樣脆性最為顯著，而夾角30°和45°時煤巖脆性較弱，這與煤巖試樣在加載下所表現的斷裂方式相吻合。

(3)基于煤巖單軸加載實驗，認為當煤儲層層理方向與壓裂裂縫面法向夾角為0°、60°和90°時，壓裂期間壓裂液易沿張性裂縫濾失且深度較大；而夾角30°和45°時，煤儲層壓裂裂縫壁面煤體形成閉合剪切裂縫，壓裂液濾失阻力較大，可延緩壓裂液濾失速率。

(4)不同層理方向煤巖斷裂特征與滲水效率方面的定量化關系及其對壓裂液濾失的約束機制還需要進一步深化研究。