2000m超深煤系储层力学及声发射特征的围压效应

郝宪杰，刘继山，魏英楠，陈泽宇，靳多祥，潘光耀，张谦

(1.中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京重点实验室，北京，100083；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京，100083；3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京，100083；4.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083；5.西澳大利亚大学工程学院，珀斯，6009)

深部储层中的天然气资源极为丰富，在世界范围内有体积超过47.6×1012m3的煤层气资源赋存在深部储层中，实践表明，深入探究深层天然气资源可以推动我国天然气勘探开发持续发展[1−4]。但目前天然气资源的开采主要集中在1 000 m 以内，由于深部储层处于高地应力环境中，开发仍处于试点阶段。为推进深部储层的大规模开采利用，亟需对深部储层的力学性质进行深入研究。

随着储层深度的增加，储层围压显著增大。在围压作用下，岩石储层处于三轴应力状态，其变形破坏特征与浅部岩石储层有明显差异[5−7]。围压对岩石破坏特征的影响引起了学者们的广泛关注。大量岩石三轴压缩实验表明，随着围压的增大，岩石的力学性能如强度、模量等都会不同程度增加[8]，如杨圣奇等[9−10]选择2种不同晶粒花岗岩进行高温后巴西劈裂及常规三轴压缩试验，结果表明在高围压下粗晶花岗岩峰后呈延性破坏；成伟等[11−12]进行了不同围压下高应力英安岩的常规三轴压缩试验，试验结果表明，与高应力下岩石的损伤累积过程相比，低围压的损伤累积更快，围压可能会抑制岩石损伤的累积扩展；李晓照等[13]建立了考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型，并解释了围压与轴向应变本构关系，表明随着裂纹扩展或应变增加，岩石压缩强度开始保持不变，当岩石达到一定损伤后压缩强度不断降低。YANG等[14−15]探讨了Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则对红砂岩、板岩的适用性，发现峰值强度、弹性模量与围压存在明显的非线性关系，而残余强度与围压呈线性关系。高亚楠等[16−17]开展了温度−饱水时间−围压作用下的红砂岩变形破坏试验，结果表明围压均对岩样弹性模量和峰值应力具有显著影响，且显著性水平在90%以上。卢运虎等[18]探讨了温度和围压对干热岩力学特性的影响，发现在相同温度条件下，岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比以及残余强度均随围压的升高而增大，且围压可以部分抵消高温对岩石力学性能造成的损伤。岩石的动力学性质同样会受到围压的影响，研究人员对不同围压下的岩石施加循环载荷，发现高围压下岩石的峰值强度、峰值轴向应变与破坏所需的循环次数均会增加[19−20]。蒋长宝[21−22]对天然状态页岩不同围压下进行三轴变上下限等幅循环加卸载试验，结果表明，在变上下限等幅循环荷载下，低围压时页岩达到能量弱化阶段的应力比高围压时的小，低围压时达到能量强化阶段的应力比高围压时的大；殷志强等[23]研究结果表明，仅改变围压卸载速度的条件下，当卸载速度在0.5～10 MPa/s范围内变化时，砂岩动态抗压强度、能耗密度随围压卸载速度增大而降低，但当卸载速度增大到200 MPa/s 时，其动态抗压强度、能耗密度反而增加。可以看出，在围压的作用下，与浅部岩石储层相比，深部岩石储层的力学特性和变形破坏特征具有明显差异，其动载响应也存在着本质上的区别，其破坏行为也由脆性转变为延性，力学行为也由弹性逐渐表现出塑性变形特征。

岩石破裂和破坏本质上是能量传递和交换的过程[24−26]，声发射可以有效反映岩石受载时内部裂纹萌生、扩展贯通岩样直至破坏的全过程，其时空演化过程与岩石应力应变曲线具有良好的对应关系[27]。单轴压缩时声发射峰值一般出现在峰值应力处，而围压会抑制声发射活性，三轴压缩时声发射峰值会表现出一定滞后性，在峰后应力显著跌落时出现声发射峰值[28−33]。刘俊新等[34]模拟页岩在不同围压作用下的破坏过程，结果表明围压为2 MPa 时，累计AE 表现为“平缓—非线性—激增—平缓—稳定”模式；当围压为6 MPa和10 MPa时，累计AE 表现为“平缓—非线性—稳定”模式。赵星光等[35]研究发现在低围压条件下，大量分散或沿轴向应力方向分布的声发射事件与岩石宏观上的高密度竖向破裂相对应，而随着围压增加，岩石逐渐从劈裂破坏向剪切破坏模式过渡。针对本文所研究的2 000 m超深煤系储层岩体，其岩体所处的真实环境通常为三向受力状态，研究其三轴压缩下的声发射演化规律，更具有实际意义。

综上可知，岩石储层的峰值强度、弹性模量、声发射特征都与围压密切相关，这表明随着储层开发深度的逐渐增加，围压逐渐增大，储层的力学性质也会发生显著改变。与浅部相比，深部岩石储层力学行为最重要的影响因素是围压。高围压下储层的力学参数特征是产气预测、水力压裂等不可或缺的基本依据。但深部高围压下煤系储层力学特征还有待研究。本文针对2 000 m以内煤系储层岩体，采用单轴压缩、三轴压缩并同时监测其声发射特征的方法对高围压下的深部煤系储层岩石峰值强度、弹性模量、声发射特性等进行研究。研究成果对于进一步理解深部煤系储层力学性质有重要意义，可以为2 000 m以内煤系储层煤层气开采和岩体压裂提供理论指导。

1 实验装置

1.1 现场取样

取样地点为鄂尔多斯盆地东缘，如图1所示，该区域煤层气整体含量丰富，尤其是古生界二叠系下统的山西组和太原组等煤系地层更为丰富，因此，将取样地点定为山西组和太原组，埋深为1 960～2 068 m。

图1 岩石采集点Fig.1 Sampling location

根据现场取样情况得知，该煤系地层岩性为深灰色、灰黑色泥质岩及灰白色中细砂岩夹煤层。对岩芯进行XRF 组分测试，结果如图2所示。主要氧化物为SiO2，CaO，Al2O3和Fe2O3等，X 射线衍射试验也获得了相同的结果。这4种氧化物均属于脆性矿物，其总质量分数达92.63%，可见该煤系地层脆性矿物质量分数较高，脆性较强。

图2 岩样的主要元素和氧化物质量分数Fig.2 Main elements and oxide mass fractionof rock sample

1.2 实验方案

经Kaiser法测试计算，该区域山西组、太原组煤系地层最大主应力为50.41 MPa，最小主应力为33.41 MPa，垂直主应力为55.84 MPa，水平两向应力差达到17 MPa，与同等深度其他区域相比，应力较高。现场煤系储层围压基本处于30～50 MPa之间，因此，本试验围压设定为0，30和50 MPa。

1.3 试样制备

该类岩样天然裂缝异常发育，因此，岩芯加工十分困难。经过多次实验，选定直径×高度为25 mm×50 mm 的圆柱状岩样进行试验。将大直径岩样固定在钻机上，保证在取样过程中岩样不发生偏移，先钻取直径为25 mm 的初始试件，再用切割机将所有试件切割成50 mm 高的圆柱。每种围压的岩样至少制备4个试件进行试验，共制备20个岩样。将切割完的试件用磨石机打磨，使其表面光滑，且试件规格都符合国际岩石力学实验规范的要求。

1.4 实验装置和步骤

试验装置包括加载系统和声发射测试系统，其中加载系统采用RTR-1000 高温高压岩石三轴力学测试系统，用于完成单轴全应力应变试验、三轴全应力应变试验等。

试验时，将声发射传感器布置于岩样侧面，在侧面布置轴向应变和环向应变探头，以采集岩样在受力过程中的变形情况。岩样及各传感器安装完后，设置加载系统和声发射系统各个参数，同时启动加载系统和声发射检测系统，实时采集试验全过程中的应力应变和声发射信息。

2 试验结果

2.1 单轴和三轴应力测试结果

不同围压下深部煤系储层典型岩样的应力−应变曲线如图3所示。

国内资料表明先天性听力损伤其发病率高达2‰～6‰，在目前可筛查的出生缺陷中其发病率最高［1］，轻中度听力障碍均能影响患儿的语言、认知及社交能力的发展［2］。目前自动耳声发射检查（otoacoustic emission，OAE）已广泛应用于新生儿听力筛查。本所从2006年起利用耳声发射检查对本县出生的3个月内婴儿进行听力筛查，现将2006－2011年开展的听力筛查情况进行总结分析，报道如下。

图3 不同围压下深部煤系储层岩样应力−应变曲线Fig.3 Stress−strain curves of deep coal-measure reservoir rock samples under different confining pressures

2.2 声发射测试结果

深部煤系储层典型岩样在不同围压下的声发射计数和累积能量曲线如图4所示。

图4 不同围压下深部煤系储层岩样的声发射计数和累积能量曲线Fig.4 Acoustic emission count and cumulative energy curve of deep coal measure reservoir rock samples under different confining pressures

3 深部煤系储层力学特征围压效应

3.1 峰值强度

不同围压下煤系储层的峰值强度如图5所示。从图5可见：在0 MPa围压作用下，岩石峰值强度介于56.086～407.994 MPa 之间；在30 MPa 围压作用下，岩石峰值强度介于111.905～558.753 MPa 之间；在50 MPa 围压作用下，岩石峰值强度介于188.442～672.055 MPa 之间。峰值强度随围压变化表现出很强正向相关性，即岩石峰值强度随围压的增大而增大，且增大幅度明显；峰值强度点的上包络线变化速率大于下包络线变化速率；当围压在0 MPa到50 MPa之间时，2 000 m以内煤系储层岩石黏聚力介于13.171 1～81.123 3 MPa之间，平均值为35.795 7 MPa，内摩擦角介于34.381 9°～46.501 2°之间，平均值为46.088 2°，受天然裂缝影响，岩石黏聚力与内摩擦角离散性均较大。

图5 煤系储层峰值强度随围压变化散点图Fig.5 Scatter plot of peak strength of coal measure reservoirs with confining pressure

3.2 弹性模量

煤系储层弹性模量随围压变化散点图如图6所示。从图6可见：在0 MPa围压作用下，岩石弹性模量介于17.654～42.849 GPa之间；在30 MPa围压作用下，岩石弹性模量介于20.522～42.373 GPa 之间；在50 MPa围压下，岩石弹性模量介于23.303～41.276 GPa之间。岩石弹性模量随围压的增加而增加，但增长速度极为缓慢。不同围压下岩石弹性模量的离散性也不相同，围压0 MPa下弹性模量离散性最大，随着围压的升高，离散性逐渐降低。上包络线弹性模量介于40.759～41.276 GPa 之间，下包络线弹性模量介于17.654～23.303 GPa 之间，且下包络线斜率明显大于上包络线斜率。说明围压对较低弹性模量的影响大于对较高弹性模量的影响。不同围压作用下弹性模量均值曲线也为正向相关，弹性模量均值介于33.080 8～35.927 GPa之间，表明围压从0 MPa 到50 MPa，平均弹性模量仅增加2 GPa。

图6 煤系储层弹性模量随围压变化散点图Fig.6 Scatter plot of peak strength of coal measure reservoirs with confining pressure

4 深部煤系储层声发射特征围压效应

煤系储层内部微裂纹的产生、扩展及其失稳破坏通常伴随着声发射现象。通过声发射监测系统对煤系储层破坏过程中的声发射参数(能量、计数、振幅)进行监测，可以进一步认识煤系储层的变形破坏过程与破裂机制。

图7所示为压缩条件下煤系储层岩石应力−时间关系及声发射计数能量变化规律。从图7可以看出，在单轴压缩条件下，因岩石内部存在部分微裂隙，在压密阶段，微裂隙闭合、内部晶体碰撞及摩擦会产生少量的声发射事件，声发射能量缓慢增加；σci为岩石的起裂强度，标志着岩石进入裂纹稳定扩展阶段，当应力达到σci时，岩石内部开始有微裂纹萌生，声发射事件较少，声发射能量几乎不变；σcd为岩石的损伤强度，当应力达到σcd时，岩石内部开始有大量宏观裂纹连接贯通，这是岩石裂纹非稳定扩展阶段的起点，此后，宏观裂纹贯通伴随着大量的声发射事件，声发射能量呈非线性增加；当荷载超过抗压强度σc后，岩石进入峰后变形阶段，岩样发生破坏，声发射事件计数及累计能量急剧增加，岩石逐渐失去承载能力，其声发射计数达到峰值。

图7 压缩条件下煤系储层岩石应力−时间关系及声发射计数能量变化规律Fig.7 Relationship between stress and time of coal−measure reservoir under compression and energy change law of acoustic emission count

在三轴压缩条件下，在初始裂隙压密阶段有大量的声发射事件发生，声发射累计能量急剧增加；荷载到达岩样的起裂强度后，进入裂纹稳定扩展阶段，岩石内部开始有微裂纹萌生，该阶段的声发射事件较压密阶段的少，声发射累计能量增长速率逐渐减慢；在裂纹非稳定扩展阶段，岩石由弹性变形转为塑性变形，裂纹逐渐贯通，但在高围压情况下，围压会抑制其内部裂纹扩展，故在该阶段声发射计数较少，累计能量几乎不变；在岩石达到峰值应力后进入峰后变形阶段，出现宏观裂纹，应力迅速下降，声发射时间开始活跃，但其振铃计数仍保持在1 000次以内，当荷载达到岩石残余强度σR后，岩石完全破坏，振铃计数达到峰值。

4.1 声发射能量特征

声发射能量可以反映煤系储层受载过程中能量释放特征。图8所示为不同围压下煤系储层岩样声发射累计能量随时间的变化规律。从图8可以看出，在单轴压缩和三轴压缩条件下，煤系储层声发射累计能量随时间变化规律存在相似性，均可以分为稳步增长阶段、平静段、加速增长阶段。稳步增长阶段通常是由于煤系储层内部初始裂纹压密、萌生引起，该阶段释放能量较少，初始声发射能量增长速率较快，之后增长速率逐渐降低。在平静段，累计能量−时间曲线近似为水平直线，该阶段内部岩样无裂纹产生，声发射活动较少；在加速增长阶段，岩样发生了不可恢复的变形，岩样内部大量裂纹逐渐扩展、贯通，岩样逐渐破坏。

图8 不同围压下声发射累计能量与时间关系Fig.8 Relationship between accumulative energy of acoustic emission and time under different confining pressures

4.2 声发射振铃计数

声发射计数可以反映煤系储层受载过程中声发射活动的剧烈程度。图9所示为不同围压下煤系储层岩样声发射累计计数随时间变化规律。可见：煤系储层岩样声发射累计计数随时间变化规律与累计能量随时间变化规律相似。同样地，随着围压的增加，其声发射平静段时长均有不同程度的增加，进一步说明了围压对煤系储层的裂纹扩展与破坏有抑制作用。

图9 不同围压下声发射累计计数与时间关系Fig.9 Relationship between accumulative count of acoustic emission and time under different confining pressures

图10所示为煤系储层岩样声发射累计计数与累计能量随围压变化关系。从图10可见，声发射累计释放能量与累计振铃计数均随着围压的增加而增加，说明随着围压的增加，煤系储层在受载时声发射活动水平更强，且能量释放更加剧烈。从声发射结果可以看出：在三轴压缩情况下，声发射计数和能量的峰值均出现在峰值应力之后，这是由于围压对岩石的约束导致其在峰值应力处裂纹扩展与裂隙滑移收到了限制，使其在峰值应力后仍具备较高的承载力，峰值后裂纹发生大量扩展，应力急剧减小至残余应力，发生大量的声发射事件并释放能量，导致声发射能量与计数峰值发生在峰值应力后。

图10 煤系储层声发射累计能量、累计计数与围压关系Fig.10 Relationship between accumulative energy,accumulative count and confining pressure of coal-measure reservoir acoustic emission

4.3 声发射幅值

声发射幅值表示单个声发射事件的最大振幅，可以用来表征声发射事件强弱。不同围压下声发射事件振幅占比分布规律如图11所示。从图11可以看出，在单轴压缩条件下，煤系储层声发射事件振幅占比主要分布在40～60 dB 内，而在三轴压缩条件下，声发射事件振幅主要分布在50～60 dB内，占比在90%以上。且随着围压的增加，高振幅事件逐渐减少，声发射振幅逐渐集中在50～60 dB 内，这主要是因为随着围压的增加，岩样受到的侧向约束越大，使岩样内部裂纹萌生，扩展更加缓慢，从而导致高振幅事件减少，较小振幅事件贯穿整个岩样的变形破坏过程中。

图11 煤系储层不同围压下声发射振幅分布规律Fig.11 Distribution of acoustic emission amplitude under different confining pressures in coal measures reservoir

5 深部煤系储层强度准则分析

岩石的强度准则可用来评估岩石在受载时岩石抵抗变形与破坏的极限能力。目前，国内外学者针对岩石已经提出了一系列的强度准则，其中应用最广泛的为线性摩尔−库仑强度准则、抛物线摩尔−库仑强度准则和虎克−布朗强度准则。

线性摩尔−库仑强度准则因其参数易获得、力学原理简单等特点广泛应用于岩石力学中。其认为岩石材料的强度由岩石材料自身的黏聚力与剪切面上法向应力产生的摩擦力组成，即

式中：τ为剪切强度；c为黏聚力；σ为剪切面上的法向正应力；φ为内摩擦角。

线性摩尔−库仑强度准则用主应力可以表示为

式中：σ1和σ3分别为煤系储层破坏时的最大、最小主应力；σc为单轴压缩时煤系储层抗压强度；K=tan2θ，θ=45°+φ/2。

抛物线摩尔−库仑强度准则认为岩石的剪切强度τ与剪切面上的法向正应力σ呈二次抛物线关系：

式中：a，b和c为常数。

虎克−布朗强度准则认为岩石强度与围压之间存在非线性关系，其具体形式为

式中：m为与岩石性质有关的常数；s为施加σ1和σ3之前岩石的破坏程度，完整岩石s取1。

采用上述3种强度准则对煤系储层破坏时最大主应力与围压之间关系进行拟合，拟合结果如图12和表1所示。从图12和表1可以看出：虽然煤系储层岩样受天然裂缝影响其破坏时的最大主应力较为离散，但煤系储层岩样破坏时的最大主应力仍随围压的增加而增大，即煤系储层岩样强度随着围压的增加而增大；比较3种强度准则的拟合精度可知：抛物线摩尔−库仑强度准则更适用于描述煤系储层围压与强度之间的关系。

图12 采用不同强度准则对煤系储层的拟合曲线Fig.12 Fitting curves of coal measure reservoirs with different strength criteria

表1 采用不同强度准则对煤系储层的拟合方程Table 1 Fitting equations of coal measure reservoirs with different strength criteria

6 结论

1)受天然裂缝影响，煤系储层强度离散性较大，但煤系储层峰值强度随围压变化仍表现出很强正向相关性。

2)煤系储层弹性模量随围压的增加而增加，但增长程度极为缓慢，当围压从0 MPa 增加到50 MPa时，平均弹性模量仅增加2 GPa。随着围压升高，岩石弹性模量的离散性逐渐降低。

3)煤系储层岩体在高围压下声发射平静期相比低围压时明显增加，说明围压对于煤系储层岩体的裂纹扩展与破坏有抑制作用。随着围压的增加，声发射累计计数与累积释放能量均增加，说明在高围压下，声发射活动水平更强，能量释放更加剧烈。随着围压增加，高振幅事件明显减少，较小振幅事件贯穿于整个岩样的变形破坏过程中。

4)抛物线摩尔库仑强度准则更适用于描述高围压下煤系储层峰值强度变化规律。