CN116359093A - 一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法 - Google Patents

一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：包括以下步骤：A.检测获得煤岩样品内部裂纹的数量N和所有裂纹的长度l，计算得到煤岩内部裂纹长度分形维数Df；B.通过煤岩样品内部裂纹长度计算总体积Vp；再通过裂纹孔隙的总体积Vp计算得到裂纹孔隙度φp；C.检测获得煤岩样品在温度T时的热膨胀系数αT(T)和力学参数；D.计算煤岩内部裂纹发育的临界裂纹长度L，并获得临界裂纹长度L与温度之间的关系；E.计算煤岩热力增透系数KT，并获得煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系。本发明通过对煤岩热力损伤开裂增透后的孔隙度计算，以确定热力增透系数，从而确定热损伤以及温度对于增透系数之间的关系，以达到更加方便的确定热力损伤对煤岩的影响的目的。

Description

一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法
技术领域
本发明涉及深部瓦斯抽采和煤层气开发领域，尤其涉及一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法。
背景技术
深部瓦斯热采、煤层超临界二氧化碳致裂和液氮致裂、地热开采等工程领域部涉及煤岩的热力耦合效应，尤其是高温或低温作用下煤岩裂隙结构和渗透能力均发生明显的变化。当温度变化时，煤岩内部失配热膨胀应力导致原生裂隙发育，致使煤岩渗透率增大，然而目前针对温度变化引起的煤岩内部裂纹发育、渗透率演化的定量表征方法仍然缺乏。目前国内外尚未有煤岩热力作用、裂隙发育和渗透率之间的定量计算方法，因此亟需一种可以量化煤岩温度变化与裂隙发育、渗透率变化之间关系的方法。
为此提供一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，该方法引入了细观断裂理论和热力损伤系数，可以最化煤岩温度变化与裂隙发育、渗透率变化之间的关系，具有现实意义和良好的前景。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，通过对煤岩热力损伤开裂增透后的孔隙度计算，以确定热力增透系数，从而确定热损伤以及温度对于增透系数之间的关系，以达到更加方便的确定热力损伤对煤岩的影响的目的。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，包括以下步骤：
A.检测获得煤岩样品内部裂纹的数量N，并测得所有裂纹的长度l，计算得到煤岩内部裂纹长度分形维数Df；
B.通过煤岩样品内部裂纹长度计算裂纹孔隙的体积，并计算得到煤岩样品内部裂纹孔隙的总体积Vp；再通过裂纹孔隙的总体积Vp计算得到裂纹孔隙度φp；
C.加热煤岩样品，检测获得煤岩样品在温度T时的热膨胀系数αT(T)和力学参数；
D.计算煤岩内部裂纹发育的临界裂纹长度L，并获得临界裂纹长度L与温度之间的关系；
E.计算煤岩热力增透系数KT，并获得煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系。
优选地，步骤A中将煤岩样品内部裂纹按照裂纹长度l的范围分为多个区间，并获得相应区间的裂纹数量Nl，按照以下公式计算得到每个裂纹长度区间的裂隙长度分形维数-Dfj：
Figure BDA0004156794940000023
其中Nj为第j个裂纹长度范围区间的裂纹数量，lj为第j个裂纹长度范围区间的裂纹长度中间值，lmax为最大裂纹长度，Nm为最大裂纹长度范围区间的裂纹数量；
将计算得到的所有裂纹长度范围区间的裂隙长度分形维数-Dfj取平均值即为煤岩内部裂隙长度分形维数Df。
优选地，步骤B中裂纹孔隙体积采用球体计算公式来计算：
Figure BDA0004156794940000021
其中，Vpi为煤岩样品中第i个裂纹孔隙的体积，li为第i个裂纹孔隙的裂纹长度；
裂纹孔隙总体积为单个裂纹体积之和或者单个裂纹体积的积分，采用如下公式计算得到：
Figure BDA0004156794940000022
其中，Vp为煤岩样品中裂纹孔隙的总体积，l为裂纹长度，Ni为裂纹数量，lmax为最大裂纹长度。
优选地，步骤B中裂纹孔隙度φp的计算公式为：
Figure BDA0004156794940000031
其中，κ为校准系数，Vm为煤岩样品的原始体积；
校准系数κ的计算公式为：
Figure BDA0004156794940000032
其中，φp测为通过CT扫描的方式获得的煤岩样品中裂纹孔隙度，φp算则通过公式/>
Figure BDA0004156794940000033
计算得到。
优选地，步骤C中力学参数包括弹性模量E(T)、抗压强度σ(T)以及泊松比v(T)，温度T为50℃～600℃之间的多个温度值，通过多个温度T测得相应的多个热膨胀系数αT(T)值和力学参数值，并分别通过函数拟合获得热膨胀系数αT(T)与温度T之间的定量关系、弹性模量E(T)与温度T之间的定量关系、抗压强度σ(T)与温度T之间的定量关系以及泊松比v(T)与温度T之间的定最关系。
优选地，步骤D中通过热膨胀系数αT(T)与力学参数计算失配热应力σRT，当裂纹尖端应力强度因子
Figure BDA0004156794940000036
和材料断裂韧度S0相等时裂纹发育，其计算公式表示为：
Figure BDA0004156794940000034
即可计算得到临界裂纹长度L。
优选地，步骤D中失配热应力σRT的计算公式如下：
Figure BDA0004156794940000035
其中，ΔT为温度增量，即温度T与室温25℃之差；ΔαT(T)为体积热膨胀系数离散性差值；
则
Figure BDA0004156794940000041
即临界裂纹长度L与温度之间的关系为：煤岩局部温差ΔT增大时，煤岩内部临界发育的裂纹长度减小，小裂纹继而发育。
优选地，步骤E中煤岩热力增透系数KT的计算公式为：
Figure BDA0004156794940000042
其中，φpT为热力作用下煤岩孔隙度，其计算公式为：
Figure BDA0004156794940000043
其中，DfT为热力作用下煤岩内部裂隙长度分形维数，其计算公式为：
DfT＝Df+λ(ΔT/Ta)；
其中，ΔT为温度增量，即温度T与室温25℃之差；Ta为绝对温度，即温度T；λ为热力作用下裂隙网络发育系数；
则
Figure BDA0004156794940000044
即煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系：局部温差ΔT越大，煤岩热力增透系数值越大，热力增透效果越明显。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过对煤岩热力损伤开裂增透后的孔隙度计算，以确定热力增透系数，从而确定热损伤以及温度对于增透系数之间的关系，以达到更加方便的确定热力损伤对煤岩的影响的目的。
(2)本发明提供了一种热力作用下煤岩裂隙发育的数学计算方法，能有效计算出温度变化下煤岩原生裂隙尺寸的发育尺寸。
(3)本发明提供了一种热力作用下煤岩增透效果评价方法，通过定义煤岩热力增透系数，量化了煤岩温度变化与渗透率之间的关系，可以有效评价煤岩热力增透效果。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图1所示，本发明的一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，包括以下步骤：
A.检测获得煤岩样品内部裂纹的数最N，并测得所有裂纹的长度l，计算得到煤岩内部裂纹长度分形维数Df，煤岩样品为直径50mm、高度100mm的标准圆柱形煤岩试样。本发明采用X射线工业CT检测***和动态实时SEM观测***对煤岩样品进行检测，并获得煤岩试样内部裂纹的形态、大小以及分布情况，由于煤岩样品内部的裂纹长度l不尽相同，本发明将煤岩样品内部裂纹按照裂纹长度范围分为多个区间，如l<0.001、0.001≤l<0.01、0.01≤l<0.1、0.1≤l<1、1≤l<5、5≤l<10以及10≤l，并利用统计学原理，统计获得煤岩中各裂纹长度区间内的裂纹数量，统计表如表一所示。
Figure BDA0004156794940000051
表一
步骤A中将煤岩样品内部裂纹按照裂纹长度l的范围分为多个区间，并获得相应区间的裂纹数量Nl，然后按照以下公式计算得到每个裂纹长度范围区间的裂隙长度分形维数-Dfj：
Figure BDA0004156794940000062
其中，j为划分区间的编号，Nj为第j个裂纹长度范围区间的裂纹数量，lj为第j个裂纹长度范围区间的裂纹长度中间值，lmax为最大裂纹长度，Nm为最大裂纹长度范围区间的裂纹数量。
本发明通过上述公式计算得到按照裂纹长度l范围划分的每一个区间的裂隙长度分形维数-Dfj，然后将所有裂纹长度范围区间的裂隙长度分形维数-Dfj取平均值即为煤岩内部裂隙长度分形维数Df，即将所有裂纹长度范围区间的裂隙长度分形维数-Dfj相加并除以所有裂纹长度范围区间的区间数量即为煤岩内部裂隙长度分形维数Df，表一中的区间数量即为7。本发明通过将煤岩样品内部裂纹按照裂纹长度范围分为多个区间，再通过计算每一个区间的裂隙长度分形维数-Dfj并取平均值得到煤岩内部裂隙长度分形维数Df的方法可确保获得的煤岩内部裂隙长度分形维数Df的准确性。
B.通过煤岩样品内部裂纹长度计算裂纹孔隙的体积，并计算得到煤岩样品内部裂纹孔隙的总体积Vp；再通过裂纹孔隙的总体积Vp计算得到裂纹孔隙度φp。具体的，本发明中的裂纹孔隙体积采用球体计算公式来计算：
Figure BDA0004156794940000061
其中，i为裂纹孔隙的编号，Vpi为煤岩样品中第i个裂纹孔隙的体积，li为第i个裂纹孔隙的裂纹长度。裂纹孔隙总体积为单个裂纹体积之和或者单个裂纹体积的积分，本发明中的裂纹孔隙总体积采用如下公式计算得到：/>
Figure BDA0004156794940000071
其中，Vp为煤岩样品中裂纹孔隙的总体积，l为裂纹长度，Ni为裂纹数量，lmax为最大裂纹长度。
裂纹孔隙度φp的计算公式为：
Figure BDA0004156794940000072
其中，κ为校准系数，Vm为煤岩样品的原始体积；校准系数κ的计算公式为：/>
Figure BDA0004156794940000073
其中，φp测为通过CT扫描的方式获得的煤岩样品中裂纹孔隙度，φp算则通过公式/>
Figure BDA0004156794940000074
计算得到。本发明通过引入校准系数κ的计算方式来计算得到裂纹孔隙度φp，可确保获得的裂纹孔隙度φp的准确性。
C.加热煤岩样品，检测获得煤岩样品在温度T时的热膨胀系数αT(T)和力学参数。本发明将煤岩样品从室温加热到50℃～600℃之间的多个温度值时保持该温度值恒温，并测得该温度值时的热膨胀系数αT(T)和力学参数，则可获得一系列温度值时对应的热膨胀系数αT(T)和力学参数。实施时，可将煤岩样品加热到50℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃或其他温度值时保持恒温，再通过激光导热分析仪测出煤岩样品在该对应温度值时的恒温状态下实时热膨胀系数αT(T)，并采用在MTS810岩石力学多场耦合测试***的高温压杆外侧套上马弗炉加热***的方式开展该对应温度值时的恒温状态下煤岩单轴压缩力学测试试验，获得该对应温度状态下的力学参数值。本发明中的力学参数包括弹性模量E(T)、抗压强度σ(T)以及泊松比v(T)，通过上述方法测得在多个温度T时对应的多个热膨胀系数αT(T)、弹性模量E(T)、抗压强度σ(T)以及泊松比v(T)，则可分别通过函数拟合获得热膨胀系数αT(T)与温度T之间的定量关系、弹性模量E(T)与温度T之间的定量关系、抗压强度σ(T)与温度T之间的定量关系以及泊松比v(T)与温度T之间的定量关系。
D.计算煤岩内部裂纹发育的临界裂纹长度L，并获得临界裂纹长度L与温度之间的关系。本发明通过热膨胀系数αT(T)与力学参数计算失配热应力σRT，失配热应力σRT的计算公式如下：
Figure BDA0004156794940000081
其中，ΔT为温度增量，即温度T与室温25℃之差；ΔαT(T)为体积热膨胀系数离散性差值，表示煤体基质在不同方向上热膨胀能力的差异性，可通过测量获得其参数值，也可采用行业内已知并通用的参数值。
当裂纹尖端应力强度因子
Figure BDA0004156794940000086
和材料断裂韧度S0相等时裂纹发育，其计算公式表示为：/>
Figure BDA0004156794940000082
则
Figure BDA0004156794940000083
即临界裂纹长度L与温度之间的关系为：煤岩局部温差ΔT增大时，煤岩内部临界发育的裂纹长度减小，小裂纹继而发育。
E.计算煤岩热力增透系数KT，并获得煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系。煤岩热力增透系数KT的计算公式为：
Figure BDA0004156794940000084
其中，φpf为热力作用下煤岩孔隙度，其计算公式为：
Figure BDA0004156794940000085
其中，DfT为热力作用下煤岩内部裂隙长度分形维数，其计算公式为：
DfT＝Df+λ(ΔT/Ta)；
其中，ΔT为温度增理，即温度T与室温25℃之差；Ta为绝对温度，即加热煤岩样品时保持恒温状态获取热膨胀系数αT(T)和力学参数时的温度T；λ为热力作用下裂隙网络发育系数，可以通过反复的CT试验测试获得。
则
Figure BDA0004156794940000091
即煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系：局部温差ΔT越大，煤岩热力增透系数值越大，热力增透效果越明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.检测获得煤岩样品内部裂纹的数量N，并测得所有裂纹的长度l，计算得到煤岩内部裂纹长度分形维数Df；
B.通过煤岩样品内部裂纹长度计算裂纹孔隙的体积，并计算得到煤岩样品内部裂纹孔隙的总体积Vp；再通过裂纹孔隙的总体积Vp计算得到裂纹孔隙度φp；
C.加热煤岩样品，检测获得煤岩样品在温度T时的热膨胀系数αT(T)和力学参数；
D.计算煤岩内部裂纹发育的临界裂纹长度L，并获得临界裂纹长度L与温度之间的关系；
E.计算煤岩热力增透系数KT，并获得煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系。
2.按照权利要求1所述的一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：步骤A中将煤岩样品内部裂纹按照裂纹长度l的范围分为多个区间，并获得相应区间的裂纹数量Nl，按照以下公式计算得到每个裂纹长度区间的裂隙长度分形维数-Dfj：
Figure QLYQS_1
其中Nj为第j个裂纹长度范围区间的裂纹数量，lj为第j个裂纹长度范围区间的裂纹长度中间值，lmax为最大裂纹长度，Nm为最大裂纹长度范围区间的裂纹数量；
将计算得到的所有裂纹长度范围区间的裂隙长度分形维数-Dfj取平均值即为煤岩内部裂隙长度分形维数Df。
3.按照权利要求1或2所述的一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：步骤B中裂纹孔隙体积采用球体计算公式来计算：
Figure QLYQS_2
其中，Vpi为煤岩样品中第i个裂纹孔隙的体积，li为第i个裂纹孔隙的裂纹长度；
裂纹孔隙总体积为单个裂纹体积之和或者单个裂纹体积的积分，采用如下公式计算得到：
Figure QLYQS_3
其中，Vp为煤岩样品中裂纹孔隙的总体积，l为裂纹长度，Ni为裂纹数量，lmax为最大裂纹长度。
4.按照权利要求3所述的一种煤岩热力破裂与增透效果最化方法，其特征在于：步骤B中裂纹孔隙度φp的计算公式为：
Figure QLYQS_4
其中，κ为校准系数，Vm为煤岩样品的原始体积；
校准系数κ的计算公式为：
Figure QLYQS_5
其中，φp测为通过CT扫描的方式获得的煤岩样品中裂纹孔隙度，φp算则通过公式/>
Figure QLYQS_6
计算得到。
5.按照权利要求2所述的一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：步骤C中力学参数包括弹性模量E(T)、抗压强度σ(T)以及泊松比ν(T)，温度T为50℃～600℃之间的多个温度值，通过多个温度T测得相应的多个热膨胀系数αT(T)值和力学参数值，并分别通过函数拟合获得热膨胀系数αT(T)与温度T之间的定量关系、弹性模量E(T)与温度T之间的定量关系、抗压强度σ(T)与温度T之间的定量关系以及泊松比v(T)与温度T之间的定量关系。
6.按照权利要求5所述的一种煤岩热力破裂与增透效果最化方法，其特征在于：步骤D中通过热膨胀系数αT(T)与力学参数计算失配热应力σRT，当裂纹尖端应力强度因子
Figure QLYQS_7
和材料断裂韧度S0相等时裂纹发育，其计算公式表示为：
Figure QLYQS_8
即可计算得到临界裂纹长度L。
7.按照权利要求6所述的一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：步骤D中失配热应力σRT的计算公式如下：
Figure QLYQS_9
其中，ΔT为温度增量，即温度T与室温25℃之差；ΔαT(T)为体积热膨胀系数离散性差值；
则
Figure QLYQS_10
即临界裂纹长度L与温度之间的关系为：煤岩局部温差ΔT增大时，煤岩内部临界发育的裂纹长度减小，小裂纹继而发育。
8.按照权利要求2所述的一种煤岩热力破裂与增透效果量化方法，其特征在于：步骤E中煤岩热力增透系数KT的计算公式为：
Figure QLYQS_11
其中，φpT为热力作用下煤岩孔隙度，其计算公式为：
Figure QLYQS_12
其中，DfT为热力作用下煤岩内部裂隙长度分形维数，其计算公式为：
DfT＝Df+λ(ΔT/Ta)；
其中，ΔT为温度增量，即温度T与室温25℃之差；Ta为绝对温度，即温度T；λ为热力作用下裂隙网络发育系数；
则
Figure QLYQS_13
即煤岩热力增透系数KT与温度之间的关系：局部温差ΔT越大，煤岩热力增透系数值越大，热力增透效果越明显。
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滕腾等: "煤体基质热开裂增透模型", 煤炭学报, pages 676 - 683 *

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