高温煤岩液氮冷却后巴西劈裂破坏及声发射演化特征

摘要

采用压裂技术提升煤层气储层渗透性是强化煤层气开发的重要途径。对于深部高温煤层气储层，液氮压裂技术通过在煤层中注入低温液氮形成显著热应力，基于冷冲击作用可实现对煤层气储层的致裂增渗。为研究液氮作用对高温煤岩的力学特性及损伤破裂特征的影响机制，对加热至不同温度条件下的煤样进行液氮冷却处理，通过波速测试和巴西劈裂测试，研究液氮对高温煤样波速、强度、声发射和裂纹演化等特征及破裂模式的影响机制。结果表明：高温煤样在液氮冷却作用后，力学性能出现了显著劣化，P波波速降低，超声频率分化严重，主频由51.10 kHz降至40.88 kHz。煤样逐渐由脆性破坏向延性破坏转变，巴西劈裂模量和脆性指数降幅最高分别为67%和75%。在巴西劈裂荷载下，煤样内部声发射信号均表现为低RA值、高AF值；煤样内部破坏形式主要为拉伸破坏，其次为剪切破坏。随着煤样初始温度的增加，煤样断裂面上形成多个起伏区域，3维形貌扫描的最大波峰与最大波谷高度差最高可达37.60 mm。液氮冷却诱导的微裂隙交叉扩展形成复杂的裂纹网络，进而导致局部失效区域的形成和煤样断裂面复杂化。表观裂纹分形维数在初始加热温度为100℃时达到最大值，由初始20℃时的0.50增加到1.83。研究结果可为深部高温煤层液氮压裂设计提供理论参考。

关键词

液氮 / 煤岩 / 热应力 / 巴西劈裂 / 损伤