煤岩体积压裂脆性评价研究
煤岩体积压裂脆性评价研究路艳军;杨兆中;Shelepov V V;韩金轩;李小刚;韩威【摘要】水力压裂是煤层气开发的主要手段,通过压裂可以在煤层中形成有效的甲烷渗流通道,而体积压裂不仅能够在煤层中形成渗流通道,还能通过复杂裂缝的切割增大甲烷的解吸扩散面积,提高单井产量.脆性指数是体积压裂实施评价的关键参数,因此,基于煤岩和页岩的应力应变曲线,借助应变能密度的概念,分析了煤岩和页岩的脆性指数.页岩的应变能密度与脆性指数计算结果表明,页岩脆性指数越高,应变能密度越低.在页岩脆性指数的计算方法上,结合应变能密度与最小能量原理,提出了煤岩脆性指数的计算方法,并通过修正得到了用于表征煤岩脆性破坏能力和评价煤层压后产生多裂缝能力的煤岩脆性指数.最后,结合现场6口压裂井的数据进行了实例分析,结果表明,煤岩脆性指数与单位改造体积具有强相关性,即脆性指数越高,单位压裂液的煤层改造体积越大.该方法可以用于煤岩体积压裂设计,指导煤层气的开发.【期刊名称】《油气藏评价与开发》【年(卷),期】2018(008)001【总页数】7页(P64-70)【关键词】体积压裂;煤岩力学特征;应变能密度;脆性指数;多裂缝【作者】路艳军;杨兆中;Shelepov V V;韩金轩;李小刚;韩威【作者单位】莫斯科国立罗蒙诺索夫大学地质系,俄罗斯莫斯科119991;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;莫斯科国立罗蒙诺索夫大学地质系,俄罗斯莫斯科119991;莫斯科国立罗蒙诺索夫大学地质系,俄罗斯莫斯科119991;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;陕西海荔石油机械有限公司,陕西渭南715106【正文语种】中文【中图分类】TE357我国煤层气资源丰富，埋深2 000 m以浅煤层气地质资源量为36.81×1012m3[1]。
但我国煤层气藏具有低压、低饱和、低渗透、非均质性强、变质程度高以及储层构造复杂、临界解吸压力低[2-7]的特点。
因此，要实现我国煤层气工业开发，需采取一定有效的增产措施[8-9]。
水力压裂是目前煤层气开发的关键手段[10-13]，相对常规储层，煤层水力压裂后形成的裂缝不仅充当着渗流通道的作用，还承担着传递压降、增大煤层甲烷解吸面积的角色。
体积压裂（Stimulated Reservoir Volume）是从页岩气开发发展起来的一种新型压裂技术。
该技术在水力压裂时，借鉴微地震监测技术，通过大规模滑溜水压裂在地下形成人工裂缝与天然裂缝交织的复杂裂缝网络，进而提高“增产改造体积（SRV）”[14-17]。
若在煤层开展体积压裂，将井筒附近煤层压裂压成一个由大小不同裂缝构成的裂缝网络，把煤层“分割”成若干大小不等的煤块，可在一定程度上提高煤块中甲烷气体的解吸、扩散、渗流速度，从而提高煤层气单井产量。
但煤岩是一种特殊的沉积岩，其具有高泊松比、低杨氏模量，割理发育的特点[18]，完全不同于目前成功应用体积压裂的页岩。
因此，在煤层能否通过一定的压裂工艺产生复杂的裂缝网络，首先需要对煤岩脆性进行一定的评价。
通过煤岩脆性指数计算结果分析压后形成复杂裂缝的地质区域，优选能在压裂改造后提高储层泄流能力的增产“甜点”。
脆性既是一种变形特性又是一种材料特性。
岩土材料的脆性没有统一的概念。
脆性指数是度量材料脆性的一种方法[19]。
脆性指数的计算存在多种方法。
冯涛等人提出利用岩石的单抗拉和抗压强度，峰值前、后应变值来计算岩石的脆性系数[20]。
在页岩气开发中，研究人员根据脆性矿物在岩石总矿物中所占的比例计算岩石脆性指数[21-22]。
Grieser和Bray在地层脆性和气井产量的对比中发现，脆性越强其产量越高，预示着压裂将在脆性地层产生缝网[23]。
Rickman[24]以测井数据为基础，给出了杨氏模量和泊松比的脆性指数计算公式，认为脆性指数越高形成缝网的能力越强。
此外，Goktan[25]利用岩石的单轴抗压强度和单轴抗拉强度进行了脆性指数的计算，并对脆性等级进行了划分。
煤岩与页岩在岩石力学特征方面有着本质的不同，在脆性指数计算时，直接采用页岩脆性指数的方法显然不妥。
因此，以页岩脆性指数计算方法为基础，从岩石脆性的基础条件和煤岩的本身特征出发研究煤岩脆性指数，研究适合煤岩的脆性指数计算方法[26]。
1 岩石力学特征岩石力学特征是形成缝网的关键，直接影响着岩石在压裂过程后产生缝网的能力。
基于杨氏模量和泊松比表征的岩石脆性指数是页岩、砂岩脆性研究的主要方法。
在页岩脆性指数计算方法中，杨氏模量和泊松比是表征页岩脆性的主要岩石力学参数，其主要由室内岩石力学实验获取。
室内实验结果显示，页岩的单轴实验杨氏模量为23～49 GPa，泊松比为0.13～0.31，三轴实验杨氏模量一般为35～56 GPa，泊松比为0.18～0.31[27-28]。
同样在室内开展煤岩力学实验，求取煤岩杨氏模量和泊松比。
实验以沁水盆地3#煤岩为实验样品，通过力学实验获得煤岩单轴应力应变曲线图1。
图1 煤岩单轴抗压强度（试样A左，试样B右）Fig.1Uniaxial compressive strength of coal（left:sample A;right:sample B）由实验结果可知，相对于页岩应力应变曲线，煤岩发生破坏的应力峰值要小得多，发生破坏的应变差别较大。
页岩发生破坏的应变一般小于0.6%，而煤岩发生破坏时的轴向应变则超过了1%；其次，页岩与煤岩在初始压缩时，应变曲线虽然都存在一个上凹的区域，但煤岩向上凹得更加明显，说明煤岩中割理密度更大。
计算得出，煤岩的抗压强度为27.01 MPa，杨氏模量为2 903 MPa，泊松比为0.31。
随后对煤岩开展了三轴力学实验，其结果见图2。
图2 不同围压下煤岩的应力应变曲线（左边煤岩试样C，右边煤岩试样D）Fig.2 Stress strain curve of coal under different confining pressure（left:coal sample C;right:coal sample D）在三轴实验下，不同围压对应的杨氏模量与泊松比也存在差异。
随着围压的增加，煤岩发生破坏应力峰值并非线性增加，这体现了煤岩的非均质特征。
不同煤岩试样在加载过程中，其微裂隙的形态及密度也存在一定的差异。
通过对比页岩与煤岩不同围压下的应力应变曲线可以发现，页岩在较低的应变下发生破坏，而煤岩达到破碎点时所发生的应变较页岩要高得多。
2 煤岩脆性指数计算裂缝的形成，实际上是岩石的失稳破坏，而岩石失稳破坏的本质是岩石中能量突然释放的结果，这种释放是能量耗散在一定条件下的突变。
在岩石力学试验加载过程中，试验机液压源提供能量对试件做功，使其在单向压缩情况下变形直至破坏。
随着试件的变形，试验机机架、压盘等也将发生一定变形，从而储存一部分弹性能。
试验系统刚性越好，则这部分弹性能越少。
一般情况下，岩石力学实验中外部环境所作的功W转化为3部分[28-29]。
式中：F为载荷大小，kN；L为试验机作动器的行程，mm；ES为试验机存储的弹性能，J；Er为试验系统各种阻尼所耗散掉的能量，J；Eb则为传递给岩石试样的能量，J；Er很小可忽略不计。
另外，若假设试验机为理想意义的刚性系统，即试验机的弹性储能足够小，可忽略不计。
因此，根据式（1），对应每一载荷，外载所作的功全部转化为试样变形破坏吸收的能量。
试样变形破坏所吸收的能量也可近似由实测应力—应变曲线图下的面积确定，即：式中：V为试样体积，mm3；σ为作用在试样上的应力，MPa；称为应变能密度，即单位体积内储存的应变能，mJ/mm3。
当岩石发生破坏时所吸收的能量越高，即应变能密度越大，意味着该岩石不易发生破碎。
因此，在一定条件下，可从能量的观点描述岩石变形破坏的难易程度。
体积压裂，目的就是让岩石发生复杂的破坏，形成一定的裂缝网络。
为此，可借鉴应变能密度来表征岩石力学可压性。
将煤岩力学实验结果与页岩力学实验结果进行对比，对比结果见表1。
当岩石发生破碎时，煤岩与页岩所吸收的能量存在一定的差别，这一方面体现了不同岩样差异性，另一方面也体现了同种岩样的非均质性。
总体上，煤岩在破坏时的应变能密度要比页岩应变能密度低，可见煤岩在同等外部能量下更容易发生破坏。
结合常用的页岩脆性指数计算公式，计算页岩的脆性指数[24]，脆性指数的计算结果在表1中给出。
式中：YMs为测定的页岩杨氏模量，10 GPa；YMsmax为页岩的最大杨氏模量，10 GPa；YMsmin为页岩的最小杨氏模量，10 GPa；YMsBRIT为均一化后的页岩杨氏模量，无量纲；PRs为测定的页岩泊松比；PRsmax为页岩的最大泊松比，取值为0.4；PRsmin为页岩的最小泊松比，取值为0.15；PRsBRIT为页岩均一化后的泊松比，无量纲；BRITs为页岩的脆性指数，%。
实例应用表明，页岩的脆性指数越高，储层形成复杂的裂缝网络的概率越大。
将脆性指数的计算的结果与应变能密度建立关系见图3。
表1 页岩与煤岩力学实验数据对比注：单位体积吸收能量e的计算采用压缩破坏时的临界失稳点作为积分终点进行计算。
图3 页岩脆性指数与应变能密度关系Fig.3 Relation between shale brittleness index and strain energy density计算结果发现，随着应变能密度的增加，其脆性指数呈现降低的趋势。
结合前人对页岩压裂中脆性指数的研究表明，脆性指数越高，页岩压裂后越容易形成复杂裂缝。
从而可以得出脆性指数越高，应变能密度越低，页岩压裂后越容易形成缝网。
根据这一结论，按照页岩脆性指数计算方法对煤岩的脆性指数和应变能密度进行计算。
根据文献煤岩杨氏模量一般为2.38～5.6 GPa，少数地区煤岩超过10 GPa，泊松比为一般0.16～0.43，平均为0.26[30-31]。
因而，可根据页岩脆性指数计算方法得出煤岩脆性指数计算公式如下：式中：YMc为综合测定的煤岩杨氏模量，GPa；PRc为综合测定的煤岩泊松比；YMcBRIT为均一化后的杨氏模量，无量纲；PRcBRIT为均一化后的泊松比，无量纲；BRITc为煤岩脆性系数，%；YMcmin为煤岩最小杨氏模量，GPa（此处取1 GPa）；YMcmax为沁水盆地南煤岩最大杨氏模量，GPa（此处取值为11 GPa）；PRcmax为煤岩最大泊松比，此处取值为0.5；PRcmin为最小泊松比，此处取值为0.15。
计算结果在表1中给出。
根据计算结果得出煤岩脆性指数与应变能密度的关系见图4。
图4 煤岩的脆性指数与应变能密度关系Fig.4 Relation between coal brittleness index and strain energy density计算结果表明，随着应变能密度的增加，煤岩脆性指数呈增加的趋势，这与页岩计算结果恰好相反。
柿庄南煤层气井压裂效果评价及影响因素分析
第 １ 期
北 京石 油化 工学 院学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ
Ｐｅ ｔ ｒ ｏ — ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇｙ
Ｖｏ １ ． ２ ２ ＮＯ ． １
１ ． ２ ． １ 模型 选择 由于水 力压裂 施工 所压 开 的裂 缝在 储层 形
成 并延 伸 ， 直接 得到裂缝相关参 数难度很 大。
第 １ 期
刘海 龙 ．柿庄 南 煤层 气井 压裂 效 果评 价及 影 响 因素分 析
２ １
在 １ ９ ９ ５ ￣２ ０ １ ２年发 表 的 ７ ８篇 相 关 文 献 中 ， 涉 及 裂缝 模型 与 形 态 参 数 的文 章 共 １ ５篇 。 目前 公认 煤 层水 力裂 缝 主要有 以水 平裂 缝 为主 的裂 缝 系统 、 垂 向裂 缝 为 主 的裂 缝 系 统 和 复杂 裂 缝
图１ 柿庄南 ｗＬ 一 ０ ０ ５ 典 型 曲 线 法 产 量 预 测
∞
６
５
４
３
２
１
ｌ Ｏ ０ ０ ５ ０ ０ ｔ ｆ ｄ
（ ｂ ） 柿庄南井
由于 每个 裂 缝 模 型 的假 设 条 件不 同 ， 考虑 的侧重 点也 不 同 ， 几 种模 型 的计 算 公 式 如 表 ２
１ 压 裂效 果评 价 及 设 计优 化 方 案
１ ． １ 效 果 评 价
根据石 油天 然 气 行业 标 准《 油 井 压裂 效 果
表 １ 柿 庄 南部 分 单 井递 减 数 据 表
１ ． ２ 裂缝参 数解 释
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ６ ２ Ｏ 作 者 简介 ： 刘海龙（ １ ９ ８ ９ 一） ， 男， 研究生 ， 研 究 方 向 为 油 气 田 开发 ， Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ４ ７ ８ ２ ７ ７ ６ ０ ８ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｍ。
岩石脆性评价方法研究进展及适应性探讨
岩石脆性评价方法研究进展及适应性探讨
李邵军;匡智浩;邱士利;郑虹
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2022(30)1
【摘要】脆性是岩石材料最重要的力学性质之一,准确评价岩石脆性在水利水电、交通、能源勘探开发的地下工程与边坡稳定性、岩石可钻性及可切割性分析等方面起着非常重要的作用。
国内外研究人员从物理参数、力学参数、弹性参数等方面建立了大量的脆性评估指标,但目前仍缺乏统一的脆性认知和描述。
本文系统综述了国内外岩石脆性评价方法,对常用的数十种脆性评价指标进行了分类,总结了现有脆性指标的基本原理和应用状况,探讨了各类脆性指标的适应性、优势及存在的问题,最后探讨了岩石脆性评价方法未来的研究方向。
【总页数】12页(P59-70)
【作者】李邵军;匡智浩;邱士利;郑虹
【作者单位】中国科学院武汉岩土力学研究所;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】P313.1
【相关文献】
1.一种基于应力-应变特征的岩石脆性指数\r评价改进方法
2.一种基于统计损伤本构关系的岩石脆性评价新方法
3.岩石类脆性材料细观本构模型参数反演方法研究
进展4.基于矿物岩石力学特征差异的页岩储层脆性评价方法研究5.基于压缩形变特征的岩石脆性评价方法研究及应用
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岩石脆性评价方法进展
岩石脆性评价方法进展任岩;曹宏;姚逢昌;卢明辉;杨志芳;李晓明【摘要】脆性是岩石(尤其是深部岩石)的一种非常重要的性质,脆性研究对深部岩体工程建设和资源开发利用等具有重要意义.在页岩油气和致密油气储层“七性”评价中,脆性是地层可钻性分析、压裂选层及施工参数优选的重要指标.国内外学者针对岩石脆性开展了大量研究工作,但是关于岩石脆性的定义和评价方法仍存在分歧,岩石脆性的定量描述还没有一个统一的标准.本文总结了各种现有岩石脆性评价方法的基本原理和研究、应用现状,探讨了岩石脆性评价存在的问题及今后的发展趋势,以期为岩石脆性评价新方法的提出以及评价标准的建立提供参考.【期刊名称】《石油地球物理勘探》【年(卷),期】2018(053)004【总页数】12页(P875-886)【关键词】岩石脆性;脆性指数;压裂;非常规油气【作者】任岩;曹宏;姚逢昌;卢明辉;杨志芳;李晓明【作者单位】中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油勘探开发研究院,北京100083;中国石油勘探开发研究院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】P6311 引言致密油气、页岩气等非常规储层，由于具有强非均质性、低孔隙度、低渗透率和气流阻力大等特征，其有效开采面临巨大挑战。
当前，针对非常规油气开采的关键技术是水平井钻井和分段体积压裂，其中体积压裂即人工储层改造[1-3]。
影响压裂储层改造效果的因素很多，包括岩石脆性、天然和诱导裂缝、成岩作用、地应力等，而岩石脆性是影响地层可压裂性的最重要因素[4]。
与韧性岩石相比，脆性岩石具有易于形成天然裂缝、增加烃储藏和流动能力、容易压裂、低扭曲、低嵌入度、易于形成裂缝网络、储藏接触体积大等特点，因此脆性大的岩石有利于压裂改造[4]。
2 脆性的定义不同学科、不同领域对脆性的理解不同，目前还没有一个被广泛接受的脆性定义和准确的脆性指数计算方法[5]。
煤岩受载破裂实验加载方式
煤岩受载破裂实验加载方式
煤岩是一种常见的岩石类型，其在煤矿开采、地下工程建设等领域中具有重要的应用价值。
然而，煤岩的受载破裂特性对于工程设计和安全评估具有重要的影响。
因此，煤岩受载破裂实验是研究煤岩力学性质的重要手段之一。
煤岩受载破裂实验的加载方式有多种，其中常见的包括单轴压缩实验、剪切实验、三轴压缩实验等。
这些实验方法可以模拟不同的受载情况，从而研究煤岩的力学性质和破裂特性。
单轴压缩实验是最常见的煤岩受载破裂实验方法之一。
在这种实验中，煤岩样品被放置在压力机中，施加垂直于样品轴向的压力，从而模拟煤岩在地下深处受到的压力。
通过测量样品的应力-应变曲线和破裂强度等参数，可以研究煤岩的力学性质和破裂特性。
剪切实验是另一种常见的煤岩受载破裂实验方法。
在这种实验中，煤岩样品被放置在剪切试验机中，施加剪切力，从而模拟煤岩在地下深处受到的剪切力。
通过测量样品的剪切应力-剪切应变曲线和破裂强度等参数，可以研究煤岩的剪切性质和破裂特性。
三轴压缩实验是一种较为复杂的煤岩受载破裂实验方法。
在这种实验中，煤岩样品被放置在三轴压缩试验机中，施加三个方向的压力，从而模拟煤岩在地下深处受到的多向应力。
通过测量样品的应力-应变曲线和破裂强度等参数，可以研究煤岩的多向应力下的力学性质
和破裂特性。
煤岩受载破裂实验是研究煤岩力学性质和破裂特性的重要手段。
不同的实验方法可以模拟不同的受载情况，从而为煤矿开采、地下工程建设等领域的工程设计和安全评估提供重要的参考依据。
体积压裂
提出及概念
作用机理
滑溜水压裂
应用
改造对象
数值模拟研究表明，储层改造的体积越大（以页岩气为例）， 压后增产效果越明显，储层改造体积与增产效果具有显著的正相 关性。
SRV=106ft3
1ft3=0.028m3 1ft=30.48cm=12in
提出及概念
作用机理
滑溜水压裂
应用
作用机理 • 体积压裂具体作用方式为： 通过压裂的方式对储层实施改造，在形成一条或者多条主 裂缝的同时，通过分段多簇射孔、高排量、大液量、低粘 液体、以及转向材料及技术的应用，使天然裂缝不断扩张 和脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的 沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生 裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推。让主裂缝 与多级次生裂缝交织形成裂缝网络系统，将可以进行渗流 的有效储层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大， 使得油气从任意方向的基质向裂缝的渗流距离最短，极大 的提高储层的整体渗透率，实现对储层在长、宽、高三维 方向的全面改造，提高初始产量和最终采收率。
提出及概念
作用机理
滑溜水压裂
应用
几种压裂概念
体积压裂stimulated reservoir volume 缝网压裂Fracture network 同步压裂synchronous fracturing 整体压裂integral fracturing
提出及概念
作用机理
滑溜水压裂
应用
同步压裂
– “分段多簇”射孔技术 – 快速可钻式桥塞工具 – 大型滑溜水压裂技术
•
提出及概念 作用机理 滑溜水压裂
应 用
SRV的应用
分段多簇射孔的特点是：一次装弹+电缆传输+液体输送+桥 塞脱离+分级引爆，每级分4～6 簇射孔，每簇长度0.46～ 0.77m，簇间距20～30m，孔密16～20孔/m，孔径13mm，相 位角60°或者180°
体积压裂
体积压裂1体积压裂体积压裂是指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率。
1.1体积压裂机理体积压裂的作用机理：通过水力压裂对储层实施改造，在形成一条或者多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络。
从而将可以进行渗流的有效储层打碎，实现长、宽、高三维方向的全面改造，增大渗流面积及导流能力，提高初始产量和最终采收率。
1.2体积压裂的地层条件1)天然裂缝发育，且天然裂缝方位与最小主地应力方位一致。
在此情况下，压裂裂缝方位与天然裂缝方位垂直，容易形成相互交错的网络裂缝。
天然裂缝的开启所需要的净压力较岩石基质破裂压力低50%。
同样，有模型研究复杂天然裂缝与人工裂缝的关系，以及天然裂缝开启的应力变化等，建立了天然裂缝发育与扩展模型，研究表明，在体积改造中，天然裂缝系统会更容易先于基岩开启，原生和次生裂缝的存在能够增加复杂裂缝的可能性，从而极大地增大改造体积。
2)岩石硅质含量高(大于35%)，脆性系数高。
岩石硅质(石英和长石)含量高，使得岩石在压裂过程中产生剪切破坏，不是形成单一裂缝，而是有利于形成复杂的网状缝，从而大幅度提高了裂缝体积。
3)敏感性不强，适合大型滑溜水压裂。
弱水敏地层，有利于提高压裂液用液规模，同时使用滑溜水压裂，滑溜水黏度低，可以进入天然裂缝中，迫使天然裂缝扩展到更大范围，大大扩大改造体积。
2太沙基有效应力原理太沙基（K. Terzaghi）早在1923年就提出了有效应力原理的基本概念，阐明了粒材料与连续固体材料在应力--应变关系上的重大区别，从而使土力学成为一门独立学科的重要标志。
σσ+μ=’式中σ为平面上法向总应力, kPa; σ′为平面上有效法向应力, kPa; μ为孔隙水压力, kPa。
煤岩T型缝压裂实验及压力曲线分析
引 言
水 力 压裂技 术 可 以有效 提高 煤层 渗透 率 ， 增 大
煤 层气 井 产 能 ¨ Ｊ 。 由于 煤 层 的非 均 质 性 以及 煤
Ｍｏ ｈ ｒ —Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ准则 考 虑 了最大 、 最 小 主应 力 的影
响， 认 为岩 石 发 生剪 切 破 坏 ； Ｈ ｏ ｅ ｋ—Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ准 则 比
样， 利 用设 计的三轴可 变应力压裂 实验设备 对煤样进行 了室 内水力压裂模 拟 ， 实验 时分别设 定 了煤样 的三轴应 力， 实验后得到 了煤层 Ｔ型缝 ， 分析 了压裂压力曲线及 压裂后 的煤样。 实验 条
件 下 生成 Ｔ型 缝 的 压 裂 压 力 出现 了 ２个 峰 值 ， 其 后 裂 缝 开 始 延 伸 。分 析 认 为 ， 当压 裂 受煤 岩 原
裂 缝 的研 究大 多 集 中 于裂 缝 形 成 机 理及 裂 缝 形 态 分布 ， 而 实验 资 料 则 多 是 单 条 缝 的形 成 过 程 及 分
布， 鲜 有 复杂裂 缝 的实 验资 料 。而通 过实 验获 得 的 复杂 裂缝 形成 过 程对 于现 场 压 裂 作 业 有 十 分 重要 的指 导 意义 ， 也 是 对 复 杂 裂 缝 形 成 机 理 的 重 要 补 充 。笔者 在进 行 煤 岩压 裂 实 验 时 成 功 形成 了 明显
Ｈｏ ｅ ｋ—Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ准 则 和 Ｄ ｒ ｕ ｃ ｋ ｅ ｒ—Ｐ ｒ ａ ｇ ｅ ｒ准 则 ｊ 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ １ ０ ２ ５； 改 回 日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ３ １ ６
基金项 目： 国家科技重大专项“ 煤层气完井与高效增产技术及装备研制” 部分 内容 （ ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ３ ７— ０ ０ １ ） 作者简介 ： 陈添（ １ ９ ８ ５ 一） ， 男， ２ ０ ０ ４年毕业 于中国石油大学 （ 华 东） 石油工程专业 ， 现为 中国石油大学 （ 北京 ） 油气井工程专业在读博 士研 究生 ， 研究 方 向为 流体力学与工程 、 煤层气开发 。
第五章 煤的岩石学组成及煤岩学研究方法
80 70 有裂纹的印痕数 60 50 40 30 20 10 0
长 气 焰 煤 煤
肥 焦 瘦 贫 煤 煤 煤 煤
1
无 烟 煤
煤化程度
2
图 5-2
显微脆度与煤化程度的关系 1-弱 还 原 煤 (据 H． M． A 2-强 还 原 煤 MMOCOB, 196 3)
第五章 §1 煤的物理性质
（六）煤的压缩性 煤在恒温下加压，其体积变化的百分数， 煤在恒温下加压，其体积变化的百分数， 恒温下加压 称为煤的压缩性 压缩性与煤化程度有关， 压缩性。 煤化程度有关 称为煤的压缩性。压缩性与煤化程度有关，煤 化程度越高，压缩性越小。 化程度越高，压缩性越小。加压后丝质组体积 变化极少，镜质组有变化，稳定组分变化最大， 变化极少，镜质组有变化，稳定组分变化最大， 但到高煤级时，其压缩性比镜质组小。 但到高煤级时，其压缩性比镜质组小。显微组 分的压缩性随压力的增大而增加， 分的压缩性随压力的增大而增加，壳质组变化 最大，镜质组其次，惰性组最小。 最大，镜质组其次，惰性组最小。
第五章 §1 煤的物理性质
（十一）煤的导电性 十一）
煤的导电性是指煤传导电流的能力，通常以电阻 煤的导电性是指煤传导电流的能力，通常以电阻 传导电流的能力 表示。煤的导电性与煤化程度、煤中的水分、 率表示。煤的导电性与煤化程度、煤中的水分、煤中矿 物质的性质和含量、煤岩成分，以及煤的孔隙度、 物质的性质和含量、煤岩成分，以及煤的孔隙度、煤的 风化程度等有关。 风化程度等有关。
1.8 1.6 真比重d 丝炭 基质
镜煤
1.4
丝炭
化
1.2
孢子
1.0
95 无烟煤
90
85
80 气煤
C daf / %
低温冻融作用下煤岩体静力学特性研究
低温冻融作用下煤岩体静力学特性研究低温冻融作用是指在低温条件下，煤岩体受冻融过程影响而发生的物理和力学性质的变化。
煤岩体是含有一定比例煤层的岩石体，由煤和围岩构成。
在低温条件下，煤岩体中的水分会发生冻结和融化的过程，这种冻融过程会对煤岩体的静力学特性产生影响。
在低温冻融作用下，煤岩体的静力学特性会发生以下几方面的变化：1.抗压强度下降：低温冻融作用会导致煤岩体内部的冰融化，使得煤岩体内部产生空隙和裂缝，从而使煤岩体的抗压强度下降。
2.劈裂倾向增加：低温冻融作用会使得煤岩体内部产生应力集中现象，从而增加煤岩体的劈裂倾向。
冻融作用过程中，冰的体积膨胀会对煤岩体施加拉伸应力，从而使煤岩体发生劈裂。
3.比重增加：低温冻融作用会使煤岩体中的水分冻结为冰，从而使煤岩体的比重增加。
这种变化会对煤岩体的力学性能产生影响。
4.弹性模量减小：低温冻融作用会导致煤岩体内部发生变形，使得煤岩体的弹性模量减小。
为了研究低温冻融作用下煤岩体的静力学特性，可以进行以下的研究方法和实验：1.构建低温冻融实验系统：通过构建低温冻融实验系统，可以模拟低温条件下煤岩体的冻融作用。
可以利用冷冻设备控制系统的温度，使煤岩体在不同的温度条件下进行冻融实验。
2.实验室压裂试验：可以通过在低温条件下进行实验室压裂试验，研究冻融作用对煤岩体的劈裂倾向和抗压强度的影响。
通过测量试样的应力-应变曲线和破裂韧度等参数，可以评估冻融作用对煤岩体静力学特性的影响。
3.比重测定：可以通过比重测定实验，研究低温冻融作用对煤岩体比重的影响。
通过测量煤岩体在不同温度下的比重，可以评估冻融作用对煤岩体静力学特性的影响。
4.地下开采工冻融实验：在地下开采过程中，可以进行冻融实验，研究低温冻融作用对煤岩体的静力学特性的影响。
通过在现场模拟低温冻结条件，可以评估冻融作用对煤岩体的开采稳定性和岩层控制的影响。
综上所述，低温冻融作用对煤岩体的静力学特性有着显著的影响。
通过研究低温冻融作用下煤岩体的抗压强度、劈裂倾向、比重和弹性模量等静力学特性的变化，可以为煤岩体的力学行为研究和煤矿地下工程的安全控制提供理论参考和实验依据。
煤岩学研究方法
煤岩学研究方法宏观方法——用肉眼或放大镜观察煤，根据其颜色、条痕色、光泽、硬度、断口等特征，识别煤岩类型、判断煤的性质微观方法——在显微镜下依据煤的形态特征和光学性质研究显微煤岩组分、显微煤岩类型、显微物理性质等。
第四章煤的组成有机质矿物质煤的结构大分子结构物理空间结构化学结构一般以镜质组作为研究对象含量多组成均匀，变化平稳煤大分子结构的概念煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物组成多个相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的立体结构煤大分子结构的基本概念基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，分规则和不规则两部分规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核不规则部分是连接在核周围的烷基侧链和各种官能团随着煤化程度的提高，构成核的环数增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少含硫官能团硫醇（R—SH）硫醚（R—S—R’）二硫醚（R—S—S—R’）硫醌杂环硫含氮官能团主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在煤结构模型的分类1、化学结构模型Fuchs结构模型Given结构模型Wiser结构模型本田结构模型Shinn结构模型2、物理结构模型Hirsch模型交联模型两相模型缔合模型其它网络模型（Cody的刚性链模型、Painter 的离子聚合物模型）煤大分子结构的现代概念一、煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物二、结构单元的核心是缩合芳香核三、结构单元的周边有不规则部分四、结构单元之间由桥键连接五、氧、氮、硫的存在形式六、低分子化合物七、煤化程度对煤结构的影响第五章煤是由无机组分和有机组分组成。
有机组分是煤炭利用和加工的主要对象。
为指导煤炭综合利用和进行煤质分析，通常采用工业分析和元素分析方法。
工业分析——初步判断煤的性质、种类和工业用途。
该分析方法简便，应用较广，对煤炭贸易有直接指导作用。
元素分析——了解煤的主要元素组成。