超高压水射流作用下煤-砂岩-页岩冲蚀破坏特征的实验研究

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高压水射流作为一种高效的油气资源开采方法,已广泛应用于非常规天然气开采领域。几种典型的非常规储层岩(煤、砂岩、页岩)的结构特征和物理化学性质差异巨大,其中煤—非均质岩体,砂岩—均质性岩体,页岩—横观各向同性岩体,导致高压水射流在破岩时的作用机理并不相同,最终影响高压水射流在实际应用中的射流参数(靶距、压力等)的设定。目前,国内外学者针对低压水射流对岩体破坏方面的研究较多,但是缺乏超高压水射流(大于200MP)破岩机理的研究,同时现有研究较少考虑岩体结构(均质、非均质和各向同性)对破坏机理的影响。本文采用实验室实验与理论相结合的方法,利用CT扫描重构、SEM与NMR等手段,从宏观与微观两个方面揭示了超高压水射流不同压力冲击不同结构岩体的破坏模式和损伤机制。主要研究成果如下:(1)揭示了超高压水射流不同压力冲击三种典型结构岩体(煤、砂岩、页岩)的破坏形式。煤体破坏主要为水楔作用下的劈裂损伤;砂岩以射流的剥蚀作用占据主导地位;而页岩在达到200MPa的射流压力后出现两种破坏阶段,浅部为应力波作用下横向环状裂纹为主要破坏方式,底部以应力波和水楔效应联合作用下纵向拉伸破坏为主。(2)获得了超高压水射流冲击作用下岩体在立体空间的损伤分布及孔隙演化规律,定量表征了岩体的损伤程度及孔隙变化情况。研究发现,煤体各截面的损伤程度与水射流压力负相关,同时煤体内部分中孔在高压水的侵蚀作用下转化为大孔,并使总孔隙度增加约15%~40%;砂岩损伤量与其它两种岩体相比极其微小,但冲蚀后砂岩的微孔在射流的剥蚀作用下转化为中孔和大孔,并造成微孔孔隙的负增长与总孔隙14.34~24.77%的增长;而页岩在250MPa的水射流压力下出现总体损伤与各截面损伤程度的峰值,冲蚀后页岩在应力波作用下大孔及裂隙急剧增加。(3)揭示了超高压水射流冲蚀三种不同结构性质岩体的断裂机制。研究表明,煤体断口处晶体断裂呈现参差交错状,整体表现为脆性拉伸断裂;而砂岩断口处晶体断裂整齐,以剪切破坏为主;页岩断口处痕迹与煤体断口形貌类似,也表现为拉伸破坏。本文的研究成果对提高超高压水射流技术在实际工程中的应用效率与优化水利化参数具有指导意义。
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