譚 輝
(安徽理工大學 安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001)
煤層氣和頁巖氣儲層普遍具有低滲透的特點,其中煤層開采時會面臨煤與礦井瓦斯突出、瓦斯爆炸等災害威脅[1-3]。因此需對儲層進行增透處理,既保障生產(chǎn)安全,又提高煤層氣與頁巖氣的抽采效率。
為提高低滲透性煤層頁巖的滲透率,近年來發(fā)展了一種高壓氣體沖擊致裂增透方法。李守國[4]建立高壓氣體沖擊試驗裝置,探究高壓氣體沖擊過程裂紋擴展規(guī)律,發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生和發(fā)展優(yōu)先在煤體較弱的單元處開始;曾范永[5]設計控制變量試驗,探究不同影響因素下的高壓氣體爆破致裂規(guī)律;劉文博等[6]研究認為高壓氣體作用過程主要是沖擊波的動態(tài)作用和氣體壓裂的準靜態(tài)過程;王家來[7]分析高壓氣體爆破破煤的力學機理,通過改變對爆破效果影響的2個因素,即爆破壓力和最小抵抗線,以觀察它們對爆破效果的影響;徐穎[8]進行高壓氣體沖擊試驗,研究認為高壓氣體沖擊作用產(chǎn)生應變波和普通炸藥爆炸時產(chǎn)生應變波本質(zhì)相同。
總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn),在致裂煤巖體實驗研究中,裸孔段對煤巖體致裂形態(tài)影響的研究較少,但裸孔段是煤巖體增透技術中重要的影響因素,因此本文開展真三軸環(huán)境下不同裸孔段長度對型煤致裂形態(tài)的影響規(guī)律研究,為煤巖體增透工程應用提供基礎參考,保障安全生產(chǎn)。
試樣尺寸為150mm×150mm×150mm的型煤,型煤制作比例根據(jù)文獻[9]可知,將煤粉、水泥、石膏按1.5∶1∶1的質(zhì)量比混合,試塊制作完成后置于養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28d。制作完成后在試樣中心鉆取直徑為12mm,深度分別為100、105、110、120mm的鉆孔,將直徑為8mm,長度為90mm的壓裂管放置其中,用環(huán)氧樹脂進行封孔,如圖1。根據(jù)文獻[10]將三軸應力設置為σV=4.8MPa、σh=2.4MPa、σH=4MPa。
圖1 試塊示意圖
為使高壓氣體沖擊爆破致裂時的能量不僅能在初始階段致裂鉆孔壁,更能在后期能量衰減后有足夠能量繼續(xù)擴展裂紋,因此本實驗選用高壓氣體壓力為10MPa。
實驗系統(tǒng)包括真三軸加載裝置、聲發(fā)射監(jiān)測裝置和高壓氣體致裂裝置,結(jié)構(gòu)示意圖,如圖2。
圖2 實驗系統(tǒng)圖
真三軸加載裝置,控制的3個液壓泵沿X、Y和Z方向可獨立施加三軸應力,通過每個方向的加載板施加在試樣上。加載板上設有安置聲發(fā)射探頭的鉆孔,前、后、左、右4塊加載板分別安置成45°斜角的聲發(fā)射探頭,每塊加載板上布置2個探頭,共計8個,如圖2。
聲發(fā)射信號由聲發(fā)射裝置采集,它能夠在采集聲發(fā)射信號波形的同時,采集煤巖加載和破裂過程中的聲發(fā)射計數(shù)、能量、振幅等信息。聲發(fā)射裝置的前置放大器為40dB。
高壓氣體致裂裝置由增壓泵、容量5L的無縫不銹鋼儲罐等組成。利用最大壓力為30MPa的增壓泵將空氣壓入無縫不銹鋼儲罐中,通過閥門控制高壓氣體的瞬間釋放。
為探究裸孔段長度對型煤致裂形態(tài)的影響,設置相應實驗方案進行研究。三軸應力設置為σV=4.8MPa、σh=2.4MPa、σH=4MPa,高壓氣體沖擊壓力為10MPa。具體實驗參數(shù),見表1。
表1 實驗參數(shù)表
在高壓氣體的沖擊作用下,以鉆孔為中心,裂紋向四周擴展,各面的裂紋形態(tài)、特征,如圖3。隨著裸孔段長度的改變,裂紋擴展路徑也在發(fā)生變化。
圖3 不同長度裸孔段試樣致裂后的表面
當裸孔段距離為10mm時,試樣出現(xiàn)2條主裂紋分別位于鉆孔兩端,與最大水平應力方向平行,在試樣上表面隨著主裂紋的產(chǎn)生伴有次生裂紋,試樣的前后左右4個面分別有裂紋產(chǎn)生,且4個面的裂紋都約位于距上表面3cm處。被破壞的部分約占整個試樣的1/5。
當裸孔段距離為15mm時,試樣上表面出現(xiàn)2條主裂紋和一條次生裂紋,鉆孔一端的主裂紋與最大水平應力平行,另一端的主裂紋與最大水平應力成45度角,次生裂紋開始垂直于最大水平應力方向擴展,擴展到2cm處發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)與最大水平應力平行,整個次生裂紋呈半U形。前后左右4個面都有衍生裂紋的產(chǎn)生,衍生裂紋約10條,其中一個面出現(xiàn)一條長裂紋,從試樣上表面延伸至試樣下表面。整個試樣都有不同程度的破壞,且產(chǎn)生的裂紋條數(shù)和種類都相較于10mm裸孔段的試樣多。
當裸孔段距離為20mm時,試樣產(chǎn)生2條主裂紋,位于鉆孔兩側(cè),與最大水平主應力平行,近乎成一條直線。試樣的前面和后面有貫穿裂紋產(chǎn)生,使得整個試樣以主裂紋為界限被分成2塊,試樣的其他面也有衍生裂紋和其他裂紋產(chǎn)生,總計2條。對比15mm裸孔段的實驗,20mm裸孔段的沖擊實驗有貫穿裂紋的產(chǎn)生,衍生裂紋和其他裂紋相對較少。
當裸孔段距離為30mm時,試樣上表面產(chǎn)生2條主裂紋,位于鉆孔兩側(cè),與最大水平主應力平行,成一條直線。前后2面裂紋呈1/4圓弧形,左面在距上表面1/2處形成一條平行于試樣上表面的裂紋。被破壞部分約占整個試樣的1/4。在鉆孔內(nèi)部有一條與最大水平應力方向平行的裂紋,一直延伸至鉆孔底部,裂紋并未貫穿到試樣表面。
不同長度裸孔段對裂紋的產(chǎn)生有不同影響,當裸孔段長度為10~20mm時,裸孔段長度越長,越易形成貫穿裂紋,被破壞部分所占比例越大;當裸孔段長度為30mm時,試樣在高壓氣體沖擊下致裂的效果較差,裂紋種類較少,且形成貫穿裂紋。因此從致裂后的幾何形態(tài)可以看出,裸孔段長度為15~20mm時致裂效果最佳。
聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法是找到聲發(fā)射特性和內(nèi)在規(guī)律的有利方法。聲發(fā)射信號特征參數(shù)包括振鈴計數(shù)、幅值、能率、持續(xù)時間、上升時間、峰值頻率等[11]。其中,聲發(fā)射波形特征通常被認為是反映斷裂破壞模式的有效途徑。RA值為上升時間與幅值的比值;AF值為振鈴計數(shù)與持續(xù)時間的比值,稱為平均頻率。據(jù)研究表明[12],RA值和AF值均是分析裂紋破壞類型的關鍵特征,相關學者對煤體的RA-AF特征進行深入研究[13-15],提出RA-AF表征煤體裂紋擴展方式的研究方法,將圖4中分割線斜率定義為k,當AF/RA>k時,裂紋呈現(xiàn)張拉破壞,當AF/RA 圖4 RA-AF值與裂紋破壞的關系 繪制聲發(fā)射RA-AF的信號點分布密度云圖,如圖5。黑色區(qū)域為密度核心區(qū)域,白色區(qū)域為無數(shù)據(jù)分布區(qū)域,密度為0,由黑色過渡到白色區(qū)域代表有一定量的數(shù)據(jù)。通過對不同裸孔段的RA-AF密度云圖分析可知:裸孔段長度為10mm時,信號點及核心密度區(qū)多分布在RA軸與AF軸兩軸起始端,表明當裸孔段為10mm時,剪切破壞與張拉破壞相結(jié)合的復合破壞;裸孔段長度為15mm時,核心密度區(qū)不明顯,信號點密集分布于AF值為100與RA值為4的區(qū)域,相比于10mm裸孔段的實驗,裸孔段長度為15mm的破壞模式更為復雜;裸孔段為20mm時,核心密度區(qū)更靠近AF軸,AF/RA>k占據(jù)主導地位,說明裸孔段為20mm時產(chǎn)生的裂紋大都為單一的張拉裂紋,這更有利于形成貫穿裂紋,達到破壞整個試樣的效果;裸孔段為30mm時,信號點稀疏,核心密度并不明顯,不利于形成貫穿裂紋的。 圖5 不同長度裸孔段試樣的RA-AF密度云圖 對高壓氣體致裂過程分析可知,高壓氣體沖擊致裂過程中的能量來自于動態(tài)氣射流和準靜態(tài)膨脹2個過程;在致裂過程中所能達到的最大能量便是使試塊發(fā)生致裂的能量,這個能量對于評價高壓氣體沖擊致裂效果有著至關重要的作用。 從聲發(fā)射峰值能量的角度進行研究發(fā)現(xiàn)(如圖6),裸孔段為10~30mm的峰值能量值分別為1 408、2 034.8、2 744.7、2 524.6V·ms。當裸孔段為10~20mm時,其峰值能量在不斷上升,在裸孔段為20mm時峰值能量值達到最大;當裸孔段大于20mm時,聲發(fā)射峰值能量值開始下降。因此,在高壓氣體沖擊實驗中,預留裸孔段長度為20mm時,致裂效果最佳。 圖6 不同長度裸孔段試樣的峰值能量對比圖 本文通過開展不同裸孔段的高壓氣體沖擊致裂實驗,得出以下結(jié)論: (1)當裸孔段長度為15~20mm時,裸孔段長度越長,試樣被破壞的部分所占比例越大。 (2)裸孔段長度為20mm時,易形成單一的張拉裂紋,裂紋擴展的深度也越深,形成貫穿裂紋的概率也更大。 (3)從聲發(fā)射峰值能量角度研究發(fā)現(xiàn),裸孔段長度為20mm時峰值能量最大,表明致裂效果最佳。2.3 聲發(fā)射能量分析
3 結(jié)論