電脈沖水壓致裂煤巖超聲波檢測評價方法

鮑先凱，曹嘉星，趙 剛，郭軍宇，劉 源，趙金昌，武晉文

（1.內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原030024；3.中北大學理學院，山西太原030051）

煤層氣作為21世紀重要能源受到世界各國廣泛關注，中國煤層氣儲藏量豐富，開采意義十分重大。我國煤層氣具有“四低一高”的賦存狀態(tài)特點，即滲透率低、儲層壓力低、飽和度低、資源豐度低及變質程度高，造成了我國煤層氣開采效率較低的局面，如何提高煤儲層滲透率和煤層氣的抽采效率成為解決該問題的當務之急。目前國內(nèi)外學者采取的主要方式是通過水力壓裂技術作用在煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生復雜的網(wǎng)狀裂縫，進而提高低滲透性煤巖體的滲透率，達到煤層氣增產(chǎn)的目的，該技術逐漸演變成煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)能源開發(fā)的關鍵技術之一[1-4]。???等[5]針對產(chǎn)層較多、水平井段長的情況提出了多級水力壓裂技術，該技術在實施過程中能夠充分優(yōu)化煤儲層的壓裂層位，減少不同含氣量儲層的層間干擾。王素兵等[6]針對含較多天然裂隙的煤體提出了清水壓裂技術，在技術應用過程中大幅節(jié)約了成本，但加入了減阻劑等對環(huán)境可能有影響的添加劑。TIAN 等[7]針對完井方式的限制提出了水力噴射壓裂技術，由于該技術服務不完善，壓裂成本較高，難以在國內(nèi)廣泛推廣。蔡峰等[8]針對深部低透氣性煤巖體提出了長時間、高透氣型的水力壓裂強化抽采技術，在驗證壓裂水運移軌跡的同時，提高了深部煤巖體透氣性。馬海峰等[9]提出了W-S-W（水-砂-水）水力壓裂強化增透技術，有效解決了千米深井高煤層氣含量煤層開采的難題。實踐證明，雖然傳統(tǒng)水力壓裂在煤層氣抽采和治理方面效果很好，但也存在一些問題，如常規(guī)水力壓裂設備體積龐大、結構復雜，所需注水流量大、壓力大，高壓封孔困難，這些問題導致煤體材料壓裂成功率較低。

為了進一步改進單純靜水壓力壓裂煤體效果，林柏泉等[10]對比分析了蒸餾水與不同溶液濃度的NaCl條件下，電脈沖致裂增透煤巖體技術對煤巖體孔隙結構的改善情況有效地解決了煤巖體致裂過程中的導電性問題，但由于致裂過程中存在熱膨脹現(xiàn)象，容易造成能量逸散。周曉亭[11]基于巖石學角度分析了重復電脈沖沖擊波作用于煤巖體致裂效果，發(fā)現(xiàn)小功率重復荷載作用于煤巖體致裂效果最好，為實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)，但由于加載時間緩慢，暫未得到大范圍推廣。因此，李義課題組[12-13]基于液電效應提出了電脈沖水力壓裂增透煤層技術。該技術原理是利用水中電脈沖放電在煤層裂隙尖端形成的水激波振動效應達到煤層氣減阻增透、抽采效率提高的目的，同時該技術具有耗能少、致裂充分、壓裂效果好、環(huán)保、易于工程推廣使用等優(yōu)點。

但如何定量評價電脈沖水壓致裂技術的壓裂效果一直是困擾國內(nèi)學者的難題。張金才等[14]提出基于孔隙壓力的煤巖體損傷模型，但其解決深部孔隙介質巖層與淺部巖層差異性較大，難以定量表征不同煤層的變化特征。侯冰等[15]深入研究了基于煤巖體裂縫擴展、裂縫溝通面積等評價指標的煤巖體水力壓裂損傷過程，由于其只適用于主應力較小的煤層，因此，具有一定局限性。孫四清等[16-17]針對不同應力煤層提出了基于煤巖體滲透能力、煤層滲透率等評價指標的煤巖體損傷模型，但其僅適用于碎軟低滲透性煤層，不適用于硬度較大的煤層。尹錦濤等[18]利用表皮系數(shù)、裂縫導流能力、裂隙半長等指標對水力壓裂效果進行了評價，這些指標從宏觀角度較好地描述了水力壓裂煤巖體致裂的效果。王曉冬等[19]提出可利用裂縫的導流能力和裂縫長度綜合評價水力壓裂效果，其中裂縫長度可以利用裂縫已知平均寬度求得，但研究并未給出二者所占比重的大小。

針對目前難以定量評價水力壓裂煤巖體效果這一難題，引入了基于超聲波波速變化的煤巖體宏觀損傷變量的概念[20]，并通過超聲波波速的本構方程推導出電脈沖水壓致裂過程中，煤巖體裂縫擴展寬度的計算公式，在宏細觀層面上分析了電脈沖水壓致裂煤巖體效果，證明了該技術的可行性以及評價方式的科學性。

1 評價指標

煤巖體遭破壞后，其細微觀損傷主要體現(xiàn)在微觀結構變化，如微裂隙的數(shù)目、長度、寬度、面積和體積等變化；宏觀損傷效果可以通過彈性模量、屈服應力、拉伸強度、密度、聲波速度等來評價。由于聲波速度的變化既可以反映出微裂隙寬度的變化又可以體現(xiàn)出損傷變量的變化，同時測試超聲波速的變化具有很強的技術操作性，所以在電脈沖水壓致裂效果評價過程中，選取裂紋損傷變量及裂縫寬度這兩個最能直觀反映煤體損傷情況和裂紋開裂程度的評價指標，分別從宏觀、細微觀兩個層面定量分析評價煤體在電脈沖水壓致裂后的煤體損傷破壞狀態(tài)及其相較于傳統(tǒng)水壓致裂的優(yōu)越性，可為工業(yè)實踐提供一定的參考意義。

1.1 基于超聲波波速的宏觀損傷變量評價指標

損傷變量是將材料內(nèi)部復雜、離散、抽象的損傷特征進行簡單、連續(xù)、具體化的轉變。其最早是由一組平行的微元素受力時產(chǎn)生的破壞的內(nèi)部單元而定義的，具體為：

式中：D為損傷變量；m為已經(jīng)破壞的微元素數(shù)量，個；M為微元素的總數(shù)，個。

通過超聲波波速變化也可以反映出煤巖體的損傷情況，根據(jù)可得基于超聲波波速變化的損傷變量，其定義式為：

式中：V為損傷狀態(tài)下超聲波在煤巖體的傳播速度，m/s；V0為無損狀態(tài)下超聲波在煤巖體中的傳播速度，m/s。

1.2 細微觀裂縫寬度評價指標

超聲波在煤巖體內(nèi)傳播過程中能充分反映介質內(nèi)部的信息。裂紋寬度的變化能顯著影響超聲導波信號的傳播，所以可以通過裂縫寬度的變化來定量描述電脈沖水壓壓裂煤巖體的效果，結合QASRAWI等[21]對煤巖體內(nèi)部裂縫寬度的研究，得出煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生的損傷裂縫寬度表達式為：

式中：w為裂縫寬度，m；Vw為超聲波在水中的波速，1 477 m/s，由算出，其中，K為一個標準大氣壓下，20℃水的體積彈性模量（2.18×109Pa），ρ為水的密度（1 g/cm3）；S為煤巖體試塊邊長，m，此處取0.3 m。

2 超聲波檢測煤巖體損傷試驗

2.1 試驗煤樣的制備

試驗煤樣取自晉煤集團藍焰公司寺河煤礦，為未受到擾動的、具有典型地質單元的無煙煤。采樣工作面所采煤層平均厚度2.36 m，煤層平均傾角為4°，煤層內(nèi)氣體平均壓力為0.29 MPa。煤體黑色，條帶狀結構，似金屬光澤。煤樣物理力學參數(shù)見表1。煤中的孔隙和裂隙是煤層氣賦存和運移的重要通道，煤體中的孔隙受到煤化程度、礦物含量以及斷裂的影響，煤體中的裂隙是由于在成煤過程中受到構造應力、圍巖應力等的作用而形成的開裂現(xiàn)象，受外界載荷作用的影響較大。煤樣結構特征如表2所示。

表1 煤巖體物理力學參數(shù)Table1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

表2 煤樣結構特征Table2 Structure characteristics of coal samples

取回煤樣后，用巖石切割機裁剪出邊長為270 mm的立方體試件，晾干后在其表面涂抹一層氯丁膠，然后在外表面澆筑一層30 mm 厚的混凝土，形成規(guī)格為300 mm×300 mm×300 mm的立方體試樣（圖1a），煤體試樣中間預留φ26 mm的圓形注水孔。

試驗前將試件每條邊的兩端各縮進25 mm后開始畫線，線間距為50 mm，最終以注水孔為中心組成“田”字型網(wǎng)格（圖1b）。標注出行與列，橫向最上面為第一行，豎向最左側為第一列，并用坐標軸平面與數(shù)字編號進行不同檢測點的區(qū)分，以XY 面為例，第一行第一列是XY1-1，第一行第二列是XY1-2，依此類推。

圖1 煤樣及超聲波掃描區(qū)域劃分Fig.1 Coal sample and ultrasound scanning area division

2.2 試驗方案的設計

試驗裝置采用課題組自主研發(fā)的電脈沖水力壓裂檢測系統(tǒng)（圖2）。選取合格煤樣，進行4組加載測試試驗。首先，對4組煤樣進行加載前超聲波波速測試；測試完畢后將煤樣裝入剛性三軸壓力室，對每組煤樣均施加與所處地層相同的地應力，即水平圍壓8.66 MPa，豎直軸壓7.28 MPa。1號煤樣裝填完畢后，向管道及煤樣內(nèi)加載3 MPa靜水壓力，并保持10 min，加載完畢吊出煤樣。按照上述步驟分別對2號、3號、4號煤樣實施3 MPa 靜水壓力作用下9、11、13 kV的脈沖放電，放電完畢后取出煤樣。然后利用超聲波檢測儀對4種加載條件下的煤巖體試塊波速進行檢測，具體試驗方案見表3。最后通過TST6250動態(tài)存儲數(shù)據(jù)檢測儀監(jiān)測試驗前后超聲波速度的變化來計算煤巖體的損傷變量和裂縫寬度，評價煤巖體的損傷、破壞情況，最終獲得煤巖體在水中電脈沖作用下的裂紋斷裂、擴展的演化規(guī)律。

圖2 試驗檢測系統(tǒng)Fig.2 Test detection system

表3 靜水壓力和不同電壓下的試驗加載方案Table3 Test loading scheme for hydrostatic pressure and different voltages

2.3 試驗結果分析

試驗結束后，利用超聲波檢測儀測得壓裂完成后4組試件的超聲波波速，選取每一個靠近鉆孔的XY4系列作為研究對象，然后依據(jù)式（2）—式（3）分別計算不同加載情況下，檢測區(qū)域煤巖體破裂后裂縫寬度及損傷變量，從而得出電脈沖水壓致裂煤巖體損傷破壞評價規(guī)律。其余2組面和各測試點的數(shù)據(jù)及規(guī)律與之相似。

2.3.1 試驗前后不同加載電壓下波速變化

試驗前后，不同加載電壓條件下煤體的波速如圖3所示。由于4組煤樣選自同一礦區(qū)原煤，試驗前在檢測區(qū)域內(nèi)超聲波波速相差不大。試驗后，相同檢測點在不同加載電壓條件下，隨著加載電壓的增加，波速不斷減小。同等電壓下，相同檢測點在試驗前后波速變化明顯。

圖3 不同電壓XY4系列波速Fig.3 Different voltage XY4 series wave speed

由于加載的電脈沖水激波傳播具有波動性，試驗后不同加載條件下均出現(xiàn)越靠近鉆孔中心檢測點3的波速數(shù)值越小（在檢測點3出現(xiàn)波谷），越靠近試塊邊緣波速數(shù)值越大的特點（在檢測點1、5出現(xiàn)波峰）。將檢測區(qū)域XY4系列的試驗前后波速數(shù)值代入公式2、3中，分別計算得出電脈沖水壓致裂后煤體不同加載電壓條件下?lián)p傷變量及裂縫寬度。

2.3.2 試驗后裂縫寬度及損傷變量

圖4為不同加載電壓下試塊產(chǎn)生的裂縫寬度檢測點圖，可以看出，相同檢測點煤體裂縫寬度隨著加載電壓的增加不斷增加，在3 MPa靜水壓力，13 kV煤體裂縫寬度達到了極值。選取靠近鉆孔中心XY4系列檢測點3作為參考點，靜水壓力（3 MPa）相同時，0、9、11、13 kV加載電壓條件下裂縫寬度選取兩位有效數(shù)字分別為0.0042、0.017、0.029、0.035 m，其同比增長分別為305%、70.59%、20.69%，增長率逐漸增大，11 kV之后改變電壓加載值，煤體裂縫寬度改變率較小。

圖4 不同電壓下XY4系列不同檢測點裂縫寬度變量Fig.4 Crack width variable of different detection points of different voltage XY4 series

由于加載電壓的波動性，不同加載電壓下，越靠近試塊鉆孔中心檢測點3，裂縫寬度越大，隨著傳播距離的增加，煤體裂縫寬度逐漸減小，在試塊邊緣致裂效果較弱。

圖5為不同加載電壓下試塊損傷變量檢測點圖，可以看出，相同檢測點煤體損傷變量隨著加載電壓的增加不斷增加，在3 MPa靜水壓力條件下，13 kV煤體損傷變量達到了最大值0.38。選取靠近鉆孔中心XY4檢測點3作為參考點，基于3 MPa靜水壓力，0、9、11、13 kV條件下煤體損傷變量分別取兩位有效數(shù)字為0.043、0.18、0.32、0.38，其同比增長分別為319%、77.78%、18.75%，增長率逐漸降低，在3 MPa靜水壓力，11 kV 加載電壓情況下，其損傷變量達到一定值，改變加載電壓，煤體破壞效率增長緩慢，損傷變量增長曲線趨于平滑。

圖5 不同電壓下XY4系列不同檢測點損傷變量Fig.5 Different detection points of different voltage XY4 series

3 損傷演化分析

選取靠近鉆孔且有代表性的煤體檢測區(qū)域XY4-3，在靜水壓力為3 MPa時，進行0、9、11、13 kV條件下的裂縫寬度及損傷變量檢測對比（圖6），分析電脈沖水壓致裂技術的優(yōu)越性及其存在的不足。

由圖6可知，隨著加載電壓的增加，檢測區(qū)域內(nèi)煤巖體裂縫寬度、損傷變量也隨之不斷增加，通過損傷變量及裂縫寬度這兩個指標可以清晰、定量地表示出電脈沖水壓致裂條件下煤體的損傷情況。相較于單純靜水壓裂技術，該技術條件下煤體裂縫寬度及損傷變量增加可達3～4倍。當電壓加載介于0～11 kV時，煤體損傷變量及裂縫寬度增加顯著；大于11 kV時，這兩個評價指標數(shù)值達到一定量，煤體致裂程度變化不明顯。

圖6 不同加載電壓下裂縫寬度及損傷變量變化Fig.6 Variation of crack width and damage variables of different loading voltages

目前電脈沖水壓致裂技術已經(jīng)成功應用于油氣田的增透開采，實踐證明，該技術增產(chǎn)效果明顯[22-24]。但是由于石油和煤層氣儲層的物理力學特性，地質構造（褶皺、斷層、節(jié)理等），地應力，埋藏深度等的差異性及工程實踐中存在的一些困難，目前將其應用于煤層氣開采過程還處于試驗階段。又由于煤體裂紋萌生、斷裂、發(fā)展的復雜性，其損傷效果的評價理論和方法還需進一步研究。

4 結論

1）脈動液電水壓力的作用效果隨著距離的增加逐漸減弱，反映在煤巖體上鉆孔周圍裂縫擴展損傷裂縫累計寬度最多可達0.035 m，而越靠近試件邊緣區(qū)域，其試驗前后超聲波波速變化幅度越小，其損傷程度較低，甚至不發(fā)生損傷。

2）相較單純靜水壓力的加載，脈沖放電條件下檢測區(qū)域內(nèi)煤巖體損傷變量及裂縫寬度增長近3～4倍，損傷程度明顯；隨著放電電壓的增加，損傷變量及裂縫寬度呈遞增趨勢，3 MPa靜水壓力，11 kV放電電壓之后改變增加電壓加載值，損傷變量及裂縫寬度增長率曲線逐漸趨于平滑。

3）超聲波波速及裂縫寬度這兩個評價指標可以清晰、定量地表征電脈沖水壓致裂煤巖體損傷的效果，為工程實踐應用提供一定的參考意義。