梁永昌,李小龍,范翔宇,蘇 婷,張 彬

(1.峨眉山市應急管理局,四川 峨眉山 614200;2.西南石油大學,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)技術學校 四川 峨眉山 614200)

煤巖的物理力學性質與溫度有密切關系。張辛亥等[1]對低溫條件下的煤樣進行了單軸壓縮實驗,得到了煤巖相關力學性質與溫度的關系；任曉龍等[2]對工程溫度下,煤巖的力學特性進行了分析；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系；謝建林等[6]研究了溫度與煤巖滲透率的關系；楊偉等[7]研究了煤層厚度對煤巖體內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值模擬；孫光中等[10]對不同應力條件下含瓦斯構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，溫度對煤巖物理力學特性的研究主要是針對煤炭開采領域展開的,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力重分布情況下溫度與煤巖力學性質的關系研究相對較少。本文主要通過試驗研究鉆井過程中地應力重分布條件下,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性質的影響,研究結果將對實際鉆井施工具有指導意義。

1 地應力重分布條件下溫度對水平井井周煤巖影響的力學試驗方案及步驟

1.1 地應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力方向鉆進,由于煤層氣井斷面尺寸較小,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,煤巖結構較為完整。因此,鉆井過程中井周圍巖所受應力情況為:垂向應力方向經歷了先增加后減小的過程;最小水平主應力方向,所受應力逐漸增大,如圖1所示。

圖1 煤層氣水平井地應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 基于地應力重分布條件下溫度變化的井周煤巖力學試驗方案

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性質的影響。

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定值,充入瓦斯氣體,待煤樣充分吸附后,根據前人[11]對鉆井液溫度的研究,將試樣溫度加熱到設定值(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 基于地應力重分布條件下溫度變化的井周煤巖力學試驗步驟

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)試驗結束。待煤樣破壞后,關閉瓦斯進氣閥,打開瓦斯出氣閥,卸載軸壓和圍壓,然后停止試驗,記錄好相關數據。

2 試驗結果及分析

地應力重分布(煤樣加卸載)試驗過程中,由于軸壓和圍壓的變化,將會導致泊松比和變形模量處于不斷的變化過程中,根據前人的研究結果,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為軸向應力,MPa;σ3為徑向應力,MPa;ε1為軸向應變,%;ε3為徑向應變,%;B為徑向應變與軸向應變比;μ為泊松比。

2.1 地應力重分布件下溫度與含氣煤樣泊松比的關系分析

根據公式(1)計算得到不同溫度下軸向應力(σ1)比圍壓(σ3)與泊松比的關系,如圖4所示。

圖4 不同溫度下圍壓與軸壓比-泊松比關系圖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,導致徑向應變大于軸向應變,表現出隨著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超出了常規(guī)加載條件下泊松比的范圍(μ﹤0.5),煤樣經歷了破裂發(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,故表現出突變的特性。

2.2 地應力重分布條件下溫度與含氣煤樣變形模量的關系分析

圖5是不同溫度下圍壓與軸壓比-變形模量關系圖。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?？梢钥闯?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?？梢钥闯?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歷了裂隙迅速擴展直至煤樣完全破壞的過程。

2.3 地應力重分布條件下溫度與含氣煤樣強度的關系分析

圖6是煤樣溫度為33.0、46.0和68.0℃時,煤樣強度關系曲線圖。

圖6 溫度-煤樣強度關系圖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生新的裂縫,使煤樣結構發(fā)生破壞,從而降低了煤樣的強度。

3 結論

通過研究地應力重分布條件下溫度對煤層氣水平井井周圍巖煤樣力學性質的影響,得出以下結論。

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。