[发明专利]真三轴状态下煤岩水压致裂试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤样在真三轴状态下的煤岩水压致裂试验方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种极其复杂的动力现象，它能在极短时间内由煤体向采掘空间喷出大量的煤炭并涌出大量瓦斯，严重威胁我国煤矿的安全生产和矿工生命安全。因此，加强煤与瓦斯突出机理的研究十分重要。研究表明，煤与瓦斯突出是内、外应力的循环作用下使煤体产生剪切破坏的过程，即因采矿活动导致地应力场、煤岩结构和瓦斯状态与流动的变化而诱发的内、外营力作用下使煤体发生局部断裂破坏形成突出源时，产生一定强度的振动形成周期应力波反复作用于煤体上，最终诱发煤与瓦斯突出发生。综合作用假说认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯、煤的物理力学性质共同作用的结果，即地应力、瓦斯与煤岩体物理力学性质之间的相互耦合作用，但三者在煤与瓦斯突出过程中的贡献程度究竟如何尚不甚清楚，尤其是在真实三维地应力场、高温、高瓦斯渗透压力条件下的共同作用机理及贡献程度情况，知之甚少。

煤层瓦斯(煤层气)渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数，也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数。因此，煤层瓦斯渗透率或煤层透气系数的测算方法研究是瓦斯渗流力学发展之关键技术，也是煤矿安全工作者研究煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列矿山安全问题的关键入手点。

煤储层是一套由天然裂隙和基质孔隙组成的双重结构模型，裂隙系统为煤层气渗流运移的通道，储层渗透率除受自身裂隙发育特征控制外，地质构造、地应力状态、瓦斯压力、地温、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤体结构及电场等都不同程度地影响着煤层渗透率，渗透率的演化是上述诸多因素综合作用的结果。

现有技术中，对渗透率的测量一般通过渗流试验完成，但是，现有的渗流试验方法不能模拟真实三维地应力场条件下的渗流特性研究，围压承载力小，最大只能施加到几至十几兆帕，不能达到研究深部高应力和高构造应力条件下煤层瓦斯渗流特性及运移规律的目的，无法进行地层深部高渗透压条件下的煤层瓦斯渗流试验研究，不能准确研究高温条件下的煤岩体渗透性的演化规律，满足不了采深增加所致的高温环境下渗透性规律研究的目的。

随着开采规模和开采深度的变化，我国大部分煤矿将成为低透气性高瓦斯开采条件，此类条件瓦斯治理是世界性难题，长期以来没有解决，造成煤矿瓦斯事故多发，安全高效开采难以实现。发展和开发此类条件下煤层气开采技术，对于提高煤层气的开采效率，增加能源供给具有重要意义。

水力压裂模拟试验是认识裂缝扩展机制的重要手段，通过模拟地层条件下的压裂试验，可以对裂缝扩展的实际物理过程进行监测，并且对形成的裂缝进行直接观察。此外，能够将影响裂缝扩展的各种因素分离，进行参数研究。

水压致裂法已在石油开采中得到成功应用，但在煤层气开采中的应用研究尚属起步阶段，还存在很多问题需要深入研究。尽管对煤层气井进行水力压裂与油气井压裂存在很多相似之处，但二者还是存在很大差别。煤岩在成份、结构、构造以及力学物理性质上与油气储层有显著差异。石油储层一般为砂岩，可看作均质各向同性材料；而煤层包含大量天然裂隙，力学性质受层理、节理影响较大，严格讲，属于正交各向异性或横观各向同性材料，裂缝的起裂和扩展机理上存在本质差异。煤层中的裂缝扩展主要为原始裂隙在高压水作用下的扩展、贯通，形成裂隙网络；而砂岩被压裂时高压水使得均质岩层不断产生新的裂缝，因此两种岩层的研究方法也将有所不同。另外，煤层一般埋深在1000m以上，而油气储层一般埋深在1500m以下，由此导致二者在地应力构造上存在很大的差别。由于以上煤层和石油储层的巨大差异，使得进一步研究煤层水力压裂中的裂隙起裂和扩展延伸特征显得尤为重要。