煤岩抗压强度和弹性模量对不同煤阶区煤层气开发的影响

作者：田博凡; 康永尚; 邓泽; 曹明亮

来源：煤炭科学技术, 2022, 50(06): 245-253.

DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020-0372

• 煤岩
• 抗压强度
• 弹性模量
• 煤阶
• 水力压裂
• 排采
• 煤层气

为了分析煤阶控制下的煤岩抗压强度和弹性模量变化规律，提出不同煤阶区煤层气开发建议，通过岩石单轴压缩试验和煤质测试，获得了我国18个矿区20块煤岩样品的力学参数(抗压强度、弹性模量)和最大镜质体反射率Ro, max数据，综合前人部分测试数据，系统探讨了从低煤阶到高煤阶(Ro, max=0.33%～3.44%)煤岩抗压强度和弹性模量的变化规律及其对煤层气压裂和排采的影响。结果表明：煤阶显著影响煤岩割理和孔隙发育，褐煤、次烟煤(Ro, max≤0.50%)割理不甚发育，但是孔隙度最大且以大孔为主。演化到中煤阶的过程中，煤岩孔隙度降低，中煤阶(Ro, max≥0.65%)之后，煤岩孔隙度略有增加并趋于稳定，但是割理逐渐发育直至Ro, max=1.50%左右达到最大割理密度。当煤岩进一步演化至高煤阶(Ro, max≤1.9%),煤大分子官能团重新聚合导致割理融退。受到煤阶控制，煤岩抗压强度和弹性模量随煤阶升高呈“M”型变化规律。在Ro, max≤0.5%(主要为褐煤、次烟煤)、Ro, max≥3.0%(主要为无烟煤)和1.0%≤Ro, max≤2.0%(主要为焦煤、瘦煤)时，煤岩抗压强度和弹性模量较小，容易起裂，但是裂缝短宽不易延伸，导流能力较差。可以提高压裂规模，增加裂缝延伸长度，排采应该注意控制速度，防止产能衰减过快；在0.5%≤Ro, max≤1.0%(主要为气煤、肥煤)和2.0%≤Ro, max≤3.0%(主要为贫煤)范围内时，煤岩抗压强度和弹性模量较高，需要较高起裂压力，但压裂缝易延伸，压裂时要控制压裂规模，防止压穿煤层顶底板隔水层，排采可以适当提高排采速度。

• 单位
  油气资源与探测国家重点实验室; 中煤科工集团西安研究院有限公司; 中国石油勘探开发研究院; 中国石油大学（北京）; 中国石油天然气集团有限公司