注氣過程中煤層裂紋擴展速度研究

陳德飛　康毅力　孟祥娟

（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒　841000；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都　610500）

注氣過程中煤層裂紋擴展速度研究

陳德飛1，2康毅力2孟祥娟1

（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

煤層中通常會通過注N2、CO2提高煤層氣采收率或實現CO2埋存，注入的氣體將使煤層中裂紋發生擴展，誘發煤層失穩。以寧武盆地9號煤層為研究對象，開展等溫吸附實驗定量研究了煤巖對N2、CO2的吸附量，并開展三軸壓縮力學實驗定量研究了N2、CO2吸附對煤巖力學強度的影響；分析了煤巖中裂紋擴展機理，根據斷裂力學理論推導出含氣煤巖中的裂紋擴展速度方程，并根據方程計算出注不同氣體時煤巖中的裂紋擴展速度。研究表明，在相同平衡壓力下，煤巖對CO2的吸附量是CH4的6倍；煤巖飽和CO2后的力學強度明顯低于飽和N2的力學強度；煤層注CO2比注N2引起的裂紋擴展速度更大，并且注氣壓力越高擴展速度越大。該理論成果能夠為優化注氣的比例及注氣壓力提供理論指導，并且對防止煤層失穩，保障順利注氣具有重要意義。

煤巖；氣體吸附；巖石力學；裂紋擴展；穩定性

煤層中發育有大量裂紋，均質鏡質體與細胞殘留孔隙的結構鏡質體所構成的條帶是裂紋產出的主要位置，裂紋長短并不一致，這些裂紋主要分布在面割理與端割理之間［1-3］。煤層注氣過程中，隨氣體不斷注入，煤層中孔隙壓力升高，導致煤巖發生拉剪破壞，引起裂紋發生擴展。隨裂紋的持續擴展，煤巖中割理溝通并形成更大的裂紋，導致煤巖發生破壞，引起煤層失穩［4-5］。煤巖發生破壞后將產生大量煤粉，隨著氣體的注入，煤粉向煤層深處運移，堵塞流動通道，導致滲透率降低，影響注氣效率。以往學者基于斷裂力學理論分析了煤層氣作用下裂紋擴展機理，認為當孔隙壓力達到一定數值時，煤層中的裂紋將發生擴展，并且裂紋的產生及擴展是煤層孔隙壓力與原有裂紋作用的結果［6-8］。而注入煤層的氣體主要以吸附態存在，嚴重影響煤巖力學強度以及煤層中裂紋擴展速度。因此，筆者針對現階段煤層中主要是通過注N2、CO2提高煤層氣采收率或CO2埋存的現狀，研究了兩種氣體吸附對煤巖力學強度的影響，并分析了含吸附氣煤巖裂紋擴展機理并完善煤層裂紋擴展速度方程。該研究對防止煤層失穩，保障順利注氣具有重要意義。

1　實驗研究

1.1實驗煤樣

研究所用煤樣均取自山西省寧武盆地石炭系太原組下部的9號煤層。該煤層主要發育中煤階煤，煤巖特征總體以半暗-半亮型為主。顯微組分中鏡質組反射率在0.92%~1.16%，鏡質組一般高于60%，惰質組通常在40%左右，主要為中低灰分煤。煤巖中發育有長短差異的裂紋（圖1），這些裂紋主要分布在面割理和端割理之間。

圖1　氬離子拋光煤樣FESEM圖像

煤巖樣品的實驗室制備較困難，對于三軸壓縮實驗的煤樣采用“水泥澆筑固定法”制?。?］，鉆取前將現場取回的煤巖用塑料保鮮膜進行密封，然后將煤塊放入大小適中的木箱內，放置煤塊時必須保證煤塊層理面與取心鉆頭軸線相平行，保證所取煤樣是平行層理面。煤塊四周用水泥砂漿進行澆筑，裸露上表面，以便取心。取心后將端面磨平并按照鉆取順序進行編號，在真空干燥箱中抽真空干燥處理48 h。為防止實驗過程中氣體溢出，實驗前將煤樣的環向均勻地涂抹一層厚度約為1 mm的硅膠保護層。用于三軸壓縮實驗的煤樣均取自同一塊煤巖，保證了煤樣的可對比性。

將開展煤巖力學實驗煤樣進行切割后的端面碎樣搜集用于開展等溫吸附試驗，按照GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》將煤樣進行粉碎后，篩選出粒徑在0.25~0.18 mm（60/80目）的煤樣待用［10］。

1.2實驗方法

1.2.1等溫吸附實驗稱取100 g處理好的煤樣并對其進行抽真空干燥24 h，隨后利用HKY-Ⅱ型全自動吸附氣含量測試系統測量該煤樣在不同壓力條件下對N2、CO2氣體的吸附量。整個實驗過程中測試系統的溫度保持恒定為38 ℃，并且在變換測試氣體時需對煤樣抽真空處理1 h。

1.2.2煤巖三軸力學實驗三軸壓縮狀態下煤巖力學實驗運用RTR-1000靜（動）態三軸巖石力學測試系統開展。實驗前將包裹好的煤樣置入氣體飽和裝置并對裝置進行密封，隨后抽真空處理2 h，向容器內部充入實驗氣體并實時監測壓力，在設定的壓力5 MPa下飽和72 h。將飽和好煤樣迅速取出裝入實驗系統，設定系統溫度及圍壓，采用0.2 mm/min的位移速度進行加載控制，直至煤樣發生完全破壞。

2　實驗結果分析

2.1等溫吸附實驗

根據吸附氣含量測試系統能夠測量出不同壓力下系統體積的變化。將得到的實驗數據利用系統自帶數據處理軟件可得到同一煤樣針對不同氣體的等溫吸附曲線（圖2）；將等溫吸附實驗所獲得的數據利用儀器自帶軟件運用Langmuir方程進行擬合分析計算可獲得煤樣對N2、CO2的Langmuir吸附常數VL和Langmuir壓力常數pL，VL反映了煤樣對實驗氣體的吸附能力，擬合結果見表1。

圖2　煤樣對不同氣體的等溫吸附實驗結果

表1　不同氣體等溫吸附實驗結果

從圖2可看出對于相同煤樣，實驗過程中隨著平衡壓力的增加，煤樣對N2、CO2的吸附量均呈現出非線性增加；在相同實驗室條件下，煤樣對CO2的吸附量明顯大于對N2的吸附量。據表1可看出在飽和吸附狀態下煤樣對CO2的吸附量也是明顯大于對N2的吸附量；在吸附平衡時，CO2的吸附量是CH4的6倍。

2.2三軸抗壓實驗

根據實驗測試結果，得到煤樣飽和N2和CO2后，在圍壓分別為15 MPa和10 MPa的情況下，煤巖三軸壓縮應力-應變曲線如圖3所示， 其中煤樣號NW-1、NW-2、NW-3和NW-4的含義見表2。

圖3　煤樣三軸抗壓實驗應力-應變曲線

三軸壓縮實驗過程中，煤樣的載荷隨軸向應變基本是呈線性變化。與飽和N2煤樣相比，CO2飽和后煤樣抗壓曲線的彈性階段持續時間有所增長，主要是由于壓縮過程為煤樣內部的細小顆粒發生局部膨脹以及變形，吸附性氣體的存在將增強顆粒的變形，增強了煤巖的塑性。

表2　煤樣三軸抗壓實驗結果

煤巖三軸力學參數測試結果見表2，在相同實驗條件下與飽和N2煤樣相比，煤樣飽和CO2后的彈性模量與抗壓強度均降低，泊松比增加；圍壓為15 MPa時，與飽和N2煤樣抗壓強度相比，飽和CO2后降低了13.80%；圍壓為10 MPa時，與飽和N2煤樣抗壓強度相比，飽和CO2后降低了15.14%；根據Mohr-Coulomb準則擬合煤樣力學強度數據得到的內聚力與內摩擦角可看出，與飽和N2煤樣內聚力相比，飽和CO2后降低了20.03%，內摩擦角的降低值不明顯。上述現象說明，注氣過程中注入的氣體類型不同，煤層的穩定性也具有差異，注CO2比注N2更容易導致煤層失穩，影響注氣效果。

3　煤層裂紋擴展分析

3.1裂紋擴展機理

煤層注氣過程中隨著注氣壓力的增加，煤巖中的裂紋將發生擴展。因此，在注氣過程中，煤巖中裂紋擴展問題屬于Ⅰ-Ⅱ型復合問題［11-13］?；跀嗔蚜W理論可得到裂紋發生擴展的臨界壓力為

式中，pc為裂紋擴展臨界壓力，MPa；σ1為最大水平主應力，MPa；σ3為最小水平主應力，MPa；α為裂紋傾角，°；KIC為Ⅰ型斷裂韌度，MPa·m0.5；c為裂紋擴展后長度的一半，mm。

根據式（1）可看出煤層中裂紋擴展臨界壓力受Ⅰ型斷裂韌度KIC大小影響，煤巖中吸附性氣體將弱化煤巖力學強度，使得Ⅰ型斷裂韌度數值降低，氣體吸附性越強，數值降低越大，這將導致煤巖裂紋發生擴展的臨界壓力值降低，煤層更易失穩。

3.2裂紋擴展速度

煤層注氣過程中，隨著氣體的不斷注入，當達到一定壓力值后，將誘發煤層中的裂紋失穩并發生擴展。通常情況下注氣過程主要包括注N2、CO2提高煤層氣采收率及實現CO2埋存，根據前文研究結果得出煤巖對CO2的吸附性明顯強于N2，并且在相同條件下煤巖吸附CO2時的力學強度明顯低于吸附N2。結合裂紋擴展速度方程可看出煤巖中裂紋失穩時的擴展速度受力學強度等因素的綜合影響，而煤巖的力學強度受吸附氣體類型的影響。因此，注氣壓力相等，注入氣體類型不同，裂紋擴展速度也不一致，該部分結合煤巖孔隙結構參數、等溫吸附擬合參數、力學強度參數等，定量研究煤層注氣過程中裂紋擴展速度，對研究注氣過程中煤層穩定性具有重要的意義。

筆者在前人研究的基礎上考慮氣體吸附對煤巖表面能的影響以及氣體吸附對煤巖力學強度的影響，分析氣體吸附前后煤巖中裂紋系統的表面能的變化，以及在恒定地應力條件下裂紋發生擴展的臨界應力。煤層在注氣過程中，在地應力恒定情況下，當氣體壓力由初始的p0變化到p，裂紋長度由初始的2c0變化到2c時，結合Mott理論［8］可得到優化后的煤巖中裂紋擴展速度方程

式中，Vc為裂紋擴展速度，m/s；σL為垂直于裂紋表面的張力，MPa；E為彈性模量，MPa；c為裂紋擴展后長度的一半，mm；c0為初始裂紋長度的一半，mm；γ0為煤巖表面自由能（不含吸附氣），J/mol；k為數值常數，取16.535；ρ為煤巖密度，t/m3；VL為吸附常數，cm3/g；R為氣體常數，J/（mol·K）；T為絕對溫度，K；V0為標準狀態下的氣體摩爾體積，cm3/mol；S為煤巖比表面積，m2/g；p0為初始壓力，MPa；p為注氣平衡壓力，MPa。

根據式（2）能夠計算出含吸附氣煤巖在恒定應力條件下裂紋擴展速度，據方程可看出，氣體壓力越高，裂紋擴展速度越快。

根據液氮吸附實驗得到煤巖孔隙比表面積S為1.085 7×106m2/t，密度ρ為1.33 t/m3，煤巖表面能γ0為10 N/m，絕對溫度T為311 K，氣體常數R為8.314 J/（mol·K），等溫吸附擬合參數及力學參數見表3。

表3　裂紋擴展速度計算參數

煤層注氣過程中若注氣壓力由6 MPa增至6.5 MPa，結合已知參數將裂紋擴展速度計算方程運用Matlab進行編程求解，得出注N2、CO2時，長度為2 mm的裂紋延伸2 μm過程中擴展速度分別為69.98 m/s、71.56 m/s，表明在相同注氣壓力情況下，注CO2時煤層中的裂紋擴展速度更快；若注氣壓力由6 MPa增至7 MPa，根據Matlab計算獲得注N2、CO2時，長度為2 mm的裂紋延伸2 μm過程中擴展速度分別為78.20 m/s、88.10 m/s，表明隨著注氣壓力的升高，將加快煤層中裂紋的擴展速度，煤層更易失穩，影響注氣效率。

煤層注氣提高采收率過程中，若注氣壓力較低將導致注氣困難，而隨著注氣壓力的升高，將加快煤層中裂紋的擴展速度，導致煤巖發生破壞，引起煤層失穩，影響注氣效率，因此該研究成果能夠為優化注氣壓力提供理論指導。

4　結論

（1）相同煤巖對CO2的吸附量明顯大于對N2的吸附量，寧武盆地9號煤巖對CO2的吸附量為35.70 cm3/g，N2為6.31 cm3/g。

（2）與飽和N2相比，煤巖飽和CO2后塑性軟化特性增強，強度降低，內聚力降低，但內摩擦角的降低不明顯。

（3）基于對裂紋擴展機理的研究，優化了裂紋擴展速度方程；相同注氣壓力時，注CO2比注N2引起的擴展速度更大，對同種氣體，注氣壓力越高擴展速度越大。該理論成果能夠為優化注氣的比例及注氣壓力提供理論指導。

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（修改稿收到日期2015-04-19）

〔編輯朱偉〕

Research on crack propagation speed in coal seam in the process of gas injection

CHEN Defei1,2, KANG Yili2, MENG Xiangjuan1
（1. Research Institute of Oil and Gas Engineering, Tarim Oilfield Company, CNPC, Korla 841000, China;
2.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China）

N2or CO2is commonly injected into coal seam to enhance CBM recovery or realize CO2storage. The injected gas will make crack growth occur in coal seam, which can induce instability. Taking the No. 9 coal seam in Ningwu basin as the research object, firstly, the isothermal adsorption experiment was carried out to study the adsorption capacity of coal rock for N2and CO2quantitatively and tri-axial compression mechanics experiment was carried out to study the influence of N2and CO2adsorption on the mechanical strength of coal rock. The mechanism of crack propagation was analyzed and the crack propagation speed equation of coal seam containing gas was deduced according to the theory of fracture mechanics and, according to the equation, the crack propagation speed was calculated when different gases were injected. Studies show that the adsorption of coal rock for CO2is six times larger than CH4under the same equilibrium pressure, the mechanical strength of coal rock saturated by CO2is significantly lower than that of N2, The crack propagation speed of coal with CO2injection is much bigger than that of N2, and the greater the gas injection pressure is, the higher the propagation speed will be. This theoretical result can not only provide a guidance for optimizing the proportion of gas injection and gas injection pressure, but also is of great significance to prevent the instability of coal bed and ensure gas injection smoothly.

coal rock; gas adsorption; rock mechanics; crack propagation; stability

TE37

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0080 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.018

國家科技重大專項子課題“復雜地層漏失診斷及完井方法研究”（編號：2011ZX05005-006-008HZ）。

陳德飛，1988年生。2014年畢業于西南石油大學油氣井工程專業，現從事儲層保護理論與技術及提高采收率相關研究工作。E-mail：dephey.chen@163.com。

引用格式：陳德飛，康毅力，孟祥娟．注氣過程中煤層裂紋擴展速度研究［J］．石油鉆采工藝，2015，37（3）：80-83．