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  • 煤岩力学性质及煤储层压裂数值模拟:以山西晋城地区为例:take Jincheng district of Shanxi province as an example
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煤岩力学性质及煤储层压裂数值模拟:以山西晋城地区为例:take Jincheng district of Shanxi province as an example

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作者颜志丰著

出版社科学出版社

ISBN9787030535771

出版时间2016-06

装帧平装

开本其他

定价138元

货号8973373

上书时间2024-12-23

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商品描述
目录
前言

章绪论

1.1非煤岩石强度和变形特征的实验研究

1.1.1岩石的抗拉强度实验

1.1.2岩石单轴压缩实验

1.1.3岩石三轴压缩实验

1.2煤岩强度及变形特征的实验研究

1.2.1煤岩的抗拉强度试验

1.2.2煤岩单轴压缩实验研究

1.2.3煤岩三轴压缩实验研究

1.3煤岩压缩破裂声发射实验研究现状及评述

1.3.1研究历史

1.3.2声发射技术的研究成果及应用

1.3.3声发射信号提取和分析识别研究

第2章区域地质特征

2.1基本地质特征

2.2地层概述

2.3含煤地层

2.3.1上石炭统太原组

2.3.2下二叠统山西组

2.4构造特征

2.5石炭一二叠系聚煤特征

2.5.1含煤岩系沉积环境概述

2.5.2成煤环境与聚煤模式

2.5.3古地理特征与聚煤作用

2.6岩浆活动

2.6.1各期岩浆岩基本特征

2.6.2区域岩浆热活动对煤层气生成的影响

第3章煤层的割理特征及煤岩的抗拉强度

3.1割理类型及特征

3.1.1割理描述要素

3.1.2割理的矿物充填

3.1.3割理分布

3.2影响割理发育程度的因素

3.2.1影响割理发育程度的煤储层因素

3.2.2割理与煤级的关系

3.3割理对煤层渗透率的影响

3.3.1割理平面组合类型划分

3.3.2煤层割理系统的发育程度是影响渗透性的内在因素

3.3.3利用割理描述要素来评价储层渗透性

3.3.4沁水盆地南部寺河矿3号煤层的割理特征

3.4晋城煤的抗拉强度特征

3.4.1煤岩抗拉强度测试

3.4.2测试结果综合分析

第4章饱和含水煤岩的单轴抗压强度特征

4.1试验方法说明

4.1.1试验要求与说明

4.1.2计算公式

4.2试验结果与分析

4.2.1煤层单轴压缩破坏特征

4.2.2加载轴线方向对煤块的抗压强度瓯和弹性模量有显著的影响

4.3煤层单轴强度和变形特征

4.3.1煤层单轴强度特征

4.3.2煤岩变形特征

4.4煤样的全应力一应变曲线类型和变形机理

4.4.1煤岩单轴压缩全应力一应变曲线类型

4.4.2煤岩单轴压缩条件下的变形破坏机制

4.4.3煤岩变形破坏过程中的能量积聚与耗散规律

第5章饱和含水煤岩的三轴压缩强度及变形特征的试验研究

5.1试验方法及煤样制备

5.1.1试验要求与说明

5.1.2计算公式

5.1.3试验结果

5.2常规三轴压缩条件下煤岩的变形特征

5.2.1煤样峰值应变与围压的关系

5.2.2煤样弹性模量与围压的关系

5.3常规三轴压缩条件下煤岩的强度特征

5.4煤的黏聚力和内摩擦角

第6章饱和含水煤岩的声发射特征

6.1单轴压缩条件下煤岩破坏过程的声发射试验

6.2煤岩单轴压缩条件下的声发射特征

6.2.1煤样单轴压缩情况下的应力一应变曲线特征

6.2.2煤样声发射应变一振铃计数率曲线的类型特征

6.2.3煤样在不同方向上声发射特征的差异

6.2.4振铃计数率和能量计数率的关系

第7章水力压裂有限元数值模拟

7.1有限元数值模拟技术

7.1.1有限元方法概述

7.1.2ANSYS功能及特点

7.2水力压裂数值模拟基础

7.2.1计算模型

7.2.2破裂准则

7.2.3地应力

7.2.4破裂压力计算方法

7.3模型选择对模拟结果的影响

7.3.1模型尺寸对模拟结果的影响

7.3.2网格划分对模拟结果的影响

7.3.3裂隙宽度对水力压裂模拟结果的影响

第8章有限元数值模拟的破裂压力计算

8.1煤岩中无裂缝时的破裂压力

8.1.1计算模型

8.1.2破裂压力

8.1.3地应力对破裂压力的影响

8.2先存裂缝对压裂的影响

8.2.1计算模型

8.2.2破裂压力

8.2.3含裂缝时破裂压力与不含裂缝时破裂压力的比较

8.2.4压裂裂缝启裂方位

8.3煤岩力学性质的不均匀性对破裂压力的影响

8.3.1计算模型

8.3.2计算结果

8.3.3煤岩力学性质对优选拉应力位置的影响

8.3.4材料的各向异性对破裂压力的影响

8.3.5材料各向异性和各向同性时破裂压力的对比

参考文献

单位和符号

附表1不同工作压力条件下井壁所产生的拉应力

附表2煤岩裂隙方向与主地应力方向夹角不同时井中压力在井壁上产生的拉应力

附表3煤岩各向异性、无裂隙时优选力学参数与优选地应力在不同夹角时井中压力在井壁上产生的拉应力

内容摘要
    靠前章 绪论

    煤矿行业过去一直把瓦斯作为一种易燃、易爆的有害气体，主要是从治理瓦斯危害，而不是从合理利用的角度来研究。近年来，由于能源接替、环境保护的需要和煤矿安全问题日益突出，瓦斯综合利用问题日益受到关注。煤层气作为一种洁净优质的能源，加以综合利用可获得多方面的效益：①煤层气是常规天然气的有效补充，可缓解能源供需矛盾；②开发利用煤层气可改善煤矿安全生产条件，提高煤矿的生产效率和经济效益，改善煤矿的社会形象，带来一定社会效益；③合理利用煤层气可以有效减少温室气体排放，改善大气环境[1]。

    煤层气开发表现出的综合效益，促使我国政府开始重视，把煤层气攻关列入国家科技重大专项，并出台了一系列相关优惠政策，支持煤层气产业发展：国务院颁布了文件《关于加快煤层气(煤矿瓦斯)开发利用的若干意见》(国办发[2006]47号)；国家发展和改革委员会发布了“煤层气(煤矿瓦斯)开发利用‘十一五’规划”(2010年全国煤层气产量要达到100亿立方米)；2007年2月，财政部、国家税务总局发布了文件《关于加快煤层气抽采有关税收政策问题的通知》(财税 [2007]16号)；财政部发布了《财政部关于煤层气(瓦斯)开发利用补贴的实施意见》(财建[2007]114号)。

    国家的优惠政策加速了中国煤层气产业的发展。我国煤层气资源丰富，分布广泛[2~8]，从1990年开始勘探到2007年产量达到3.25亿立方米，而到2015年煤层气产量达到了44.15亿立方米。高效开发煤层气，有利于缓解我国天然气的供需矛盾、减少煤矿生产安全事故和改善环境[9]。

    国家政策的扶持，促进了煤层气产业的发展，但不能改变产业发展的规律——我国煤层气还处在商业性开发的起步阶段，支持产业发展相关的煤层气地质与开发理论不够成熟。由于多方面原因，即使在国家优惠政策的支持下，煤层气开发仅能达到“零”效益。虽然社会效益显著，若没有经济效益，一个产业很终会失去发展的动力。开发投入过高，而产能又上不去，其深层次的原因还是落实到基础理论研究薄弱这一问题。从开发角度来说，煤层气井以直井为主，水力压裂是增加煤层气直井产能很主要的强化手段，而我国从压裂技术、压裂设备到压裂设计软件基本上是整套从国外引进。技术、设备、软件可以引进，但代替不了基础研究工作。

    由于我国含煤地层一般都经历过强烈构造运动，煤体结构往往遭到很大破坏，煤储层本身的渗透率相对较低，影响了压裂效果。压裂效果不好，不能获得较高的产能，凸显出对煤储层压裂机理研究薄弱、认识不足这一问题。因此，有必要在借鉴常规储层压裂技术的前提下，对煤储层的岩性特征、压裂机理和压裂特性进行深入研究，为我国煤层气产业的发展打好理论基础。

    1.1 非煤岩石强度和变形特征的实验研究

    岩石强度是岩石力学性质很重要的参数之一，岩石力学实验是确定岩石基本物理性质和材料特性的专享手段，岩石力学实验可分为实验室实验和现场调查测试两类。实验室实验得到的岩石特性是受实验室条件影响的，必须使用统一的实验方法和标准。这方面美国材料力学实验协会(ASTM)的方法很为接近，靠前岩石力学协会(ISRM)也制定了一系列的“建议方法”。我国岩石力学实验标准也是在靠前标准的基础上制定出来的。

    在岩石力学实验中，除岩石的单轴压缩和三轴压缩实验外，还有岩石的抗拉强度实验。

    1.1.1 岩石的抗拉强度实验

    岩石的抗拉强度是指在瞬时载荷作用下导致岩石黏聚性破坏的极限应力。通常所指的抗拉强度是指岩石在单向拉伸应力条件下的极限应力。

    岩石的抗拉强度是岩石力学性质的一个很重要的参数，通常由试验来确定。在实验室条件下测定岩石材料抗拉强度的方法种类繁多，试验结果也差别较大。这些方法有[10]：直接拉伸法、劈裂法、弯曲法、径向扩张法等，后三者称为间接拉伸法。直接拉伸法困难在于试件的夹持和使载荷平行于试件轴，试验技术难于解决，因而采用较少；间接拉伸法中，劈裂法的试件状态符合理论分析，能够较准确地按公式计算抗拉强度，完成试验又比较简单，与其他拉伸法比较，测试结果很接近直接拉伸法[11]，因此在靠前外得到广泛的采用，是靠前岩石力学会推荐的测试抗拉强度方法之一，我国的地质、煤炭、水电等部门均采用此方法测定岩石的抗拉强度[12]。

    劈裂法常用的测定方法有两种：一种是巴西试验，即在圆柱形试件(又称巴西试件)直径两端加上线荷载加压至劈裂破坏，如图1.1所示；另一种是立方体劈裂试验[13]，即在标准立方体试件(150mm×150mm×150mm)中心线上加压至劈裂破坏。在巴西试验中，由于试件直径上的拉应力弹性解容易求得，且是准确均匀的，所以到目前为止巴西试验是认可的测定抗拉强度的很好方法之一。

    图1.1 劈裂法示意图

    巴西试验的弹性解为[14]

    式中，P为线荷载；D为试件直径；L为试件长度。

    拉伸破坏是岩石破坏的基本形式之一，抗拉强度是岩石力学性质的重要指标，对地下工程设计、分析、计算有重要意义。为了尽可能准确地测到岩石的抗拉强度，为工程设计提供可靠的依据，研究者们还提出了许多方法，如直接单向拉伸法、圆盘劈裂法、三点弯曲法、圆环劈裂法、圆环水压致裂法等[15]。

    1.1.2 岩石单轴压缩实验

    岩石单轴压缩实验是很简单的岩石力学实验，通常岩石试件做成圆柱体，要求圆柱体高径比2～3，试件端面光洁平整，两端面平行且垂直于轴线，岩石单轴压缩强度和弹性模量等力学参数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观裂隙等。虽然单轴压缩是很简单的强度试验，但岩石试件内的应力分布、破坏方式和强度值受许多因素影响[16]。这些因素包括：①压力试验机的刚性；②承压板与试件端面的摩擦；③试件的几何形态(形状、高径比和尺寸)：④加载速度；⑤环境因素(如试件的含水性、湿度等)；⑥岩石的弹性模量[17]；⑦视孔隙率等[18]。

    岩石试件从开始受压一直到接近丧失其强度的整个应力-应变曲线称为岩石的全应力-应变曲线[19]。大量岩石单轴压缩实验表明，岩石在破坏以前的应力-应变曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这三个阶段。但是根据岩石在开始破坏以后的不同形式，可分为稳定破裂型和非稳定破裂型，稳定破裂型破坏的特点在于即使当外力超过了岩石的优选承载力，仍保持一定的强度；非稳定破裂型的特点是当外力一旦超过了岩石的优选承载力，岩石的变形能就能够进一步导致岩石的破裂直到破坏，并迅速失去其承载能力，一定程度上可以认为此类破坏表现了更大的脆性。

    很多学者对岩石的尺寸效应进行了实验室研究[20]，早在20世纪60年代，Mogi即在大理岩试件中做过研究，随后Kostak等在砂岩中，Abou等在石英闪长岩中也均做过类似的研究。Hock和Brown求得的经验公式可适用于各类岩石，该公式为

    式中，σi为不同尺寸的试件所得的强度，MPa；Di为不同的试件尺寸，mm；为试验参数。

    通常，岩石在饱水状态下的单轴抗压强度和干燥状态下的单轴抗压强度相比要发生变化，岩石在饱水状态下的单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度之比值，称为岩石的软化系数。砂岩的单轴抗压强度浸水后强度比干样强度低[21]，遇水膨胀的岩石浸水后强度更低。

    岩石试件单轴受压时，由于受到多种因素的影响，真实的破坏形式不太明确，常常观察到的是剪切破坏、锥形破坏和劈裂破坏。对试件破坏形态影响优选的是端面摩擦约束效应，对于比较坚硬的脆性岩石，当采用减小端面摩擦约束的措施时，出现纵向劈裂破坏。

    1.1.3 岩石三轴压缩实验

    自从1911年Von. Karman首创三轴压力实验以来，岩石的常规三轴压缩实验得到了长足的发展，研究已经十分深入。岩体的自然状态必然包括多向应力状态，直接试验测量岩体的力学参数是很困难甚至不可能[18，22]，因此，三轴压缩实验一直是人们认识岩石在复杂应力状态下力学性质的主要手段，也是建立强度理论的主要实验依据。像莫尔-库仑强度理论的强度包络线就是由常规三轴实验成果绘出的。实际岩体工程中，特别是地下岩体工程中，岩石一般处于三向应力状态，另外，岩石与金属在力学性质上的一个重要区别就在于岩石对静水压力的敏感性，所以，三轴压缩岩石力学实验具有特别重要的意义。

    常规三轴压缩实验，就是岩石试件受三向压应力作用，而且σ1>σ2=σ3，即两个较小的主应力相等。与单轴压缩实验相比，常规三轴实验增加了围压σ2、σ3的作用。在σ2、σ3作用下，岩石的强度显著提高，所以进行岩石常规三轴实验，需要三轴室和大吨位的压力试验机。

    在岩石常规三轴压缩实验方面，靠前外学者均做了大量富有成果的研究，很典型的有Von. Karman做的大理岩三轴实验[16]。

    根据已有岩石三轴压缩实验结果，围压效应可总结如下：

    (1) 岩石随围压的增加，延性变形逐渐增大，对于一定的岩石，当围压达到一定值后，岩石由弹性材料转变为弹塑性材料。

    (2) 岩性越坚硬，由脆性向延性转变所需的围压值越高。

    (3) 随围压增加，岩石强度增大。

    (4) 岩石试件的破坏形态，由围压为零时的劈裂破坏，随围压的增加而逐渐转变为以剪切面形式的剪切破坏，以至演变为延性破坏。

    (5) 微观观测以及声发射和弹性波速等测试表明，在脆性－延性转变前后，岩石都有微破裂产生。

    1.2 煤岩强度及变形特征的实验研究

    1.2.1 煤岩的抗拉强度试验

    煤的拉伸特性与抗压特性、抗剪特性一样，是煤的物理力学性质的重要组成部分。在研究煤的拉伸特性时，实验方法与普通的岩石一样分为两大类，即一类是直接测定方法，也就是单轴拉伸试验；另一类为间接测定方法，包括弯曲试验法、压入试验法(圆柱形试件轴向挤裂法)和巴西试验。煤在直接单轴拉伸条件下的破坏强度仅为由压裂拉伸试验获得的单轴抗拉强度的1/2～1/3[23，24]；直接单轴拉伸条件下的弹性模量远小于单轴压缩时的弹性模量[24]。吴基文、樊成[25]通过套筒致裂法得到：①煤的抗拉强度值受煤体结构控制，各向异性明显，并导致煤的抗拉强度离散性较大；②不同煤层、同一煤层不同区域、同一地点不同层位，煤的抗拉强度均存在差异。

    1.2.2 煤岩单轴压缩实验研究

    煤岩单轴抗压强度是早期岩石力学研究者首先探讨的问题之一。早在1907年Daniels和Moore就指出[26]：小立方体的屈服强度高于大立方体，而且当底面积保持常数时，随着试块高度的增加，其屈服强度降低。1911年Bunting进而指出[27]，没有充分的煤柱支护而进行开采，将或迟或早引起煤柱屈服、顶板冒落和底板鼓起。通过测试不同尺寸和形状的无烟煤试块，Gaddy及其同事们清楚地得出两个结论[28，29]：即“尺寸效应”和“形状效应”，并建立了实验室样本强度与现场实际强度之间的关系。

    美国的Hirt和Shakoor对不同煤层和不同煤矿同一煤层取样进行了单轴抗压强度试验[30]，试验结果表明，不同煤层和不同煤矿同煤层的平均抗压强度差别较大，同时在同一地点所取煤样的抗压强度值离散性较大。Ｕnrug等认为同一层煤抗压强度差别较大的原因取决于煤分层的情况，这些煤分层在较近的距离内其厚度、强度特征及节理裂隙情况变化较大。Unrug等于1986年在Kentucky东部不同煤层性质的研究中发现，同一煤层中不同分层的强度值可以相差到5倍，所以他们建议采用考虑煤分层厚度及强度的加权平均强度值来代表整层煤的强度。

    澳大利亚的Medhurst和Brown对大煤样进行了较全面的单轴压缩试验[31]，试验采用四种尺寸煤样：直径61mm的煤样40个，101mm的煤样4个，146mm的煤样11个，300mm的煤样5个，煤样全部取自昆士兰州Moura矿的三层煤Du、D和BL。上述煤样在岩石伺服试验机上加载试验，结果表明，暗

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精彩内容
本书介绍了晋城矿区寺河煤矿3号煤的煤岩特征、煤岩的抗拉强度、单轴抗压强度、三轴抗压强度和单轴压缩条件下的声发射特征。根据寺河煤矿煤岩力学特征，用ANSYS有限元模拟软件进行了煤储层水力压裂模拟实验研究。根据模拟结果阐述了岩层无裂缝时的破裂特征，先存裂缝对压裂的影响，以及煤岩各向异性的力学特征对煤储层压裂的影响。

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