地球科学与测绘
岩石的力学性质是指岩石在各种静力、动力作用下所表现出的性质，主要指岩石的变形与强度特性，其中变形特性主要由弹性模量和泊松比2个参数反映，强度特性则主要由抗压强度和抗拉强度反映。其中，抗压强度和弹性模量是影响煤储层可压裂性的关键因素，在一定程度上控制着压裂缝在煤储层中的形态、方向以及延伸规模[1-2]，也是煤岩三维应力状态分析、压裂效果模拟和压裂施工优化设计必要的原始参数。此外，煤岩抗压强度(弹性模量)也对煤层气排采过程中煤储层渗透率动态变化起到一定控制作用[3]，因而深入分析煤岩的抗压强度和弹性模量及其规律性，能够为煤储层压裂和煤层气井排采工作制度的制定提供依据和支撑。
前人研究已表明，与常规油气储层(主要为砂岩和碳酸盐岩)相比，煤岩力学性质表现为低抗压强度和低弹性模量[2,4]。目前，国内外学者针对煤岩力学性质影响因素已开展大量研究工作，笔者、曹明亮等[5-6]基于全国多个区块煤岩样品综合分析，发现煤岩力学性质影响因素众多，可分为赋存环境和自身特质[5-6]。前者包括煤岩所处的温度和围压等环境因素，一般认为煤岩的抗压强度和弹性模量均随侧压的增大而增大，而高温(200～700 ℃)条件下对肥煤—无烟煤的三轴试验表明，煤岩抗压强度和弹性模量均随温度的升高而降低[7]，但煤层气开发深度范围内，温度范围为10～40 ℃，故其影响可以忽略。后者则包括受沉积影响的煤岩物质组成和受煤阶影响的孔隙、显微裂隙、割理、水分等。物质组成方面，文献[6，8-9]均得到了煤岩抗压强度和弹性模量随镜质组含量的增加而减小这一认识。水分方面，尽管注入水条件下，阳泉3号煤单轴抗压强度和弹性模量明显随水分含量(自由水)的增加而减小[10]，但是工业分析水分含量(束缚水)对煤岩力学性质影响较弱[6,9]。而煤化作用与构造运动过程中发育的孔隙、显微裂隙、割理等对煤岩抗压强度和弹性模量影响显著。前人[1，9，11]分别基于柳林区块、沁南和鄂东盆地、鸡西和张晨矿区研究发现煤岩割理发育使得煤岩抗压强度和弹性模量具有强烈的各向异性，且煤岩割理越发育，煤岩抗压强度和弹性模量越小[1,9,11]。
从目前认识来看，煤岩力学性质影响因素众多，但是主要因素基本受到煤化过程控制，与煤阶密切相关[12-13]，因此煤岩力学性质将随煤阶变化呈现不同特点。国外研究表明，煤岩抗压强度随煤阶升高呈“U”型变化规律[14]。国内这方面报道较少，傅雪海等[15]通过三轴压缩试验表明沁水盆地瘦煤和无烟煤样品与贫煤相比，抗压强度和弹性模量相对偏低。
从目前我国煤岩抗压强度和弹性模量研究现状来看，一方面，前人研究多集中于某一含煤盆地或区块，针对某一特定煤阶区，尚缺乏不同煤阶区系统性认识。另一方面，前人研究侧重于多因素分析，并未深入探讨因素背后的控制作用。通过岩石单轴压缩试验和煤质测试，获得了我国不同煤阶区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，并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，分析了煤阶控制下孔隙、裂隙、割理等对煤岩抗压强度和弹性模量的影响作用，并对煤层气井水力压裂优化以及排采工作制度优化提出建议。
笔者测试了来自我国二连盆地、海拉尔盆地、沁水盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地共18个矿区(图1)20块煤岩样品的抗压强度、弹性模量及Ro,max数据(表1)。
图1 本文研究涉及的18个矿区平面分布
Fig.1 The distribution map of 18 mines involved in this study
表1 单轴力学测试参数和Ro,max测试数据
Table 1 Data of uniaxial mechanical test and Ro,max test
样品来源Ro,max/%抗压强度/MPa弹性模量/GPa煤阶区二连盆地白音华煤矿0.3319.945.240海拉尔盆地伊敏煤矿0.371.3600.579神东天隆煤矿0.475.4702.178准噶尔盆地福蓝煤矿0.5617.946.370低煤阶鄂尔多斯盆地保德区块0.6612.654.469准噶尔盆地六运煤矿0.7220.116.135准噶尔盆地天富煤业煤矿0.7619.447.674准噶尔盆地呼图壁小西沟0.8411.644.229鄂尔多斯盆地临县区块0.8616.205.943鄂尔多斯盆地兴县区块0.8815.665.123鄂尔多斯盆地蒲县区块10.8911.043.78鄂尔多斯盆地蒲县区块21.0212.772.896鄂尔多斯盆地柳林煤矿1.349.0703.214中煤阶
续表
样品来源Ro,max/%抗压强度/MPa弹性模量/GPa煤阶区鄂尔多斯盆地韩城煤矿11.7213.344.35鄂尔多斯盆地韩城煤矿21.869.8003.879沁水盆地长治高河煤矿1.849.8803.148沁水盆地长冶小常煤矿1.857.5202.66中煤阶沁水盆地阳泉煤矿3.0416.375.427沁水盆地端氏煤矿3.1111.104.191沁水盆地寺河煤矿3.446.3402.085高煤阶
为了尽可能排除其他因素干扰，探讨煤岩抗压强度和弹性模量与煤阶关系，力学参数测试遵循以下原则：①选择裂隙不发育和相对完整的煤样，剔除了煤体结构因素对煤岩力学性质的影响；②统一采用ø25 mm×50 mm柱样并沿垂直层理方向单轴施压，剔除了样品尺寸、各向异性和围压等因素对煤岩力学性质的影响。另外，煤岩物质组成对煤岩力学性质存在影响，但是这种影响可以视作随机因素，虽会引起一定的统计误差，但不影响煤阶与煤岩抗压强度和弹性模量关系的基本统计规律。
制作垂直层理尺寸为ø25 mm×50 mm的柱样，部分柱状煤样如图2所示。表1所列数据之中，抗压强度和弹性模量通过单轴压缩试验测得，参照GB/T 23561—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》，Ro,max测试参照GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》。需要说明的是，煤阶划分采用业内广泛接受的方案，将Ro,max≤0.65%归为低煤阶，0.65%≤Ro,max≤1.90%归为中煤阶，Ro,max≥1.90%归为高煤阶。研究范围涉及到了我国内蒙古、华北、西北地区主要的煤层气勘探开发区和煤炭开采区，同时涵盖了低、中、高等不同煤阶区，数据对于煤岩抗压强度和弹性模量随煤阶的变化规律研究具有一定的代表性。
图2 部分矿区煤岩柱样照片
Fig.2 Photos of coal samples selected from several regions
煤阶是一个用来描述煤化程度的量，参考ISO11760,MT-T1158-2011及前人煤阶划分方案[16-21]，结合煤层气勘探开发实践，将Ro,max≤0.65%归为低煤阶，0.65%≤Ro,max≤1.90%归为中煤阶，Ro,max≥1.90%归为高煤阶(表1)，这也是业内广泛接受的方案。
受到煤化作用控制，煤岩孔隙、割理发育情况会随煤阶增加不断演变。但是割理形成机制或成因一直是煤地质学家争论的焦点，至今没有公认的、可验证的割理成因解释[22]。因此，主要阐述割理随煤阶的发育变化情况，而不深入探讨成因机制。
成煤初期(褐煤、次烟煤(Ro,max≤0.50%))，煤岩割理间距大、强度低[13,22-25]，以原生大孔为主，孔隙度最大(10%以上)[12,26]。从低煤阶演化到中煤阶的过程中，煤岩受到压力和热力共同作用，原生大孔急剧减少，小微孔逐渐增多，由于大孔减少占到绝对优势，因此孔隙度降低[26]。中煤阶(0.65%≤Ro,max)之后，在气煤-肥煤阶段(0.65%≤Ro,max≤1.20%)，生烃作用加强造成气体流失，中孔数量增加使得孔隙度略有增大[27]。而当煤岩演化到焦煤阶段(1.20%≤Ro,max)之后，尽管小微孔的增加逐渐占据优势，但是孔隙度不再明显变化[26-28]。国内外研究表明，从褐煤到焦煤的整个演化过程，割理处于不断生成的动态过程，并在焦煤、瘦煤过渡(Ro,max=1.50% 左右)阶段达到最小割理间距(最大割理密度)[13,22-25]。随着煤岩进一步演化至高煤阶(1.90%≤Ro,max)，煤岩割理密度、强度和尺度均大幅降低[13,22-25]，Laubach等(1998)将这种割理随着煤阶升高而消失的现象称为割理融退作用[24]。LEVINE等[29]指出这种融退作用主要是煤大分子官能团重新聚合造成的。
JONES等统计了美国15个煤岩样品的固定碳含量和单轴抗压强度，认为抗压强度在高挥发性烟煤A(即0.71%≤Ro,max≤1.10%[21])开始降低至中挥发性烟煤(即1.10%≤Ro,max≤1.50%[21])达到最低，随着煤阶升高，整体呈现“U”型规律[14]。但是样品主要集中在0.47%≤Ro,max≤1.50%，缺少超低煤阶、中高煤阶的数据，高煤阶和超高煤阶各仅有1个样品，因此认识并不全面。
傅雪海等[13]基于三轴压缩试验，在围压8 MPa条件下测试了4块煤岩样品。发现瘦煤、无烟煤抗压强度和弹性模量小，贫煤抗压强度和弹性模量大[13]。其在1.89%≤Ro,max≤2.87%的高煤阶范围内得到了抗压强度和弹性模量随煤阶先增大后减小的倒“U”型规律。同样地，这一认识也仅源自4块样品，具有一定局限性。另外，需要说明的是，虽然这一成果基于三轴压缩试验，但是其样品围压条件一致，剔除了围压影响，尽管测试数据不能同单轴压缩试验测试数据一起比较，但其在1.89%≤Ro,max≤2.87%的高煤阶范围内得到的倒“U”型规律可以成立，并可作为参考。
据表1数据，做出了煤岩抗压强度和弹性模量与Ro,max关系散点图(图3)。发现抗压强度分布在1.36～20.11 MPa，弹性模量分布在0.579～7.679 MPa，这与其他三轴压缩试验结果相比整体偏低，认为与试验方式有关。研究表明，单轴压缩试验测得的抗压强度和弹性模量一般较三轴压缩试验结果偏低[30-31]。总体来说，当0.33%≤Ro,max≤0.75%(主要为低煤阶)时，随煤阶升高，抗压强度(弹性模量)增大，基本在Ro,max=0.75%左右达到最大。随着煤化程度继续提高，抗压强度(弹性模量)逐渐变小，并在Ro,max=1.40%左右达到低值。进入中高煤阶之后，煤岩抗压强度(弹性模量)小幅增大，但在1.90%≤Ro,max≤3.00%(高煤阶)范围内，由于缺乏实测数据，因而参考傅雪海等的研究成果推测了变化趋势(虚线)，认为抗压强度(弹性模量)先增大至Ro,max=2.50%左右达到高值，之后持续减小。在3.00%≥Ro,max(超高煤阶)时，煤岩抗压强度(弹性模量)持续变小。整体变化规律近似不对称的“M”型(图4)。需要说明的是，得到的“M”型规律是“U”型规律在考虑低煤阶和高煤阶后的拓展，同时参考了傅雪海等在1.89%≤Ro,max≤2.87%范围内得到的倒“U”型规律，更系统全面地反映了抗压强度和弹性模量随煤阶的变化规律。
图3 煤岩抗压强度和弹性模量随煤阶变化规律
Fig.3 Compressive strength and Young′s modulus of coal rock with change of coal rank
这一现象可从煤化过程中的煤岩割理和孔隙发育变化得到合理解释。如前文所述，通常褐煤、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，因此抗压强度(弹性模量)最低。从低煤阶演化到中煤阶的过程中，煤岩孔隙度降低导致抗压强度(弹性模量)逐渐增大至最大值。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，造成煤岩抗压强度(弹性模量)在此范围达到低值。另外，气煤-肥煤阶段(0.65%≤Ro,max≤1.20%)生烃作用亦能造成气体流失，引起基质收缩效应，使得煤岩容易发育天然裂缝[21,27]，同样造成强度降低。随着煤岩进一步演化至高煤阶(Ro,max≥1.90%)，割理融退作用使得煤岩抗压强度(弹性模量)增大。但当Ro,max进一步增大，认为受到热源和构造作用影响，有机碳高分子的侧链和官能团逐步发生解离作用，同时分子结构逐渐有序化，出现石墨化趋势[32-34]。虽然3%≤Ro,max≤4%时，煤岩并不能完全石墨化，但是已有研究证实石墨化过程缓慢持久，属于微观结构持续变化[32-34]，因此认为部分微观结构的“石墨化”可能导致超高煤阶抗压强度(弹性模量)变低。
以上研究表明，煤岩抗压强度和弹性模量随煤阶升高呈“M”型变化规律，因而针对不同煤阶区讨论煤层气开发很有必要。
我国煤岩储层普遍具有低孔低渗的特点，必须采取一定的人工强化增产措施，水力压裂是目前最常用的储层增透技术。水压致裂在岩层中的造缝条件、裂缝的扩展及展布形态等均与岩层所处地应力状态、力学性质、压裂液性质及其注入方式等因素密切相关[1]，其中，煤岩抗压强度和弹性模量的影响不容小觑，原因有：
1)煤岩中压裂缝高度与弹性模量存在如下关系[35]：
(1)
式中:hf为压裂缝高度，m；Pnet为裂缝中的净压，MPa；E为弹性模量，MPa；μ为压裂液黏度，mPa·s；lf为压裂缝长度，m；Q为泵入排量，m3/min。
从式(1)可见，其他条件相同的前提下，垂直压裂缝高度随弹性模量的增大而增大。
2)根据兰姆方程理论[36]，煤岩中形成水力裂缝的宽度与其弹性模量成反比。
与常规储层相比，煤岩强度低，弹性模量低。在相同条件下，裂缝宽度增加，裂缝长度的增加将受到限制[2]，因此煤岩容易开裂，并易形成短宽裂缝。针对不同煤阶区，不同压裂策略如下：
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相对较小，相对容易起裂，但是裂缝短宽不易延伸，导流能力较差。开发中可以考虑适当提高压裂规模，增加裂缝延伸长度。
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)时，煤岩抗压强度和弹性模量相对较大，其他条件相同时，相对而言需要较高的起裂压力，但易获得导流能力好的长缝。此外，从式(1)可见，其他条件相同时，弹性模量越大，压裂高度也越大。因此，需要合理控制压裂规模，既要保证裂缝有效延伸，又要防止压穿煤层顶底板隔水层，导致压裂缝沟通含水层，在煤系地层含水层发育的地区，这一问题尤其重要[37]。
另外，煤层气排水—降压—产气这一开发过程存在有效应力负效应，即开发导致煤体本身承受的有效应力增加,煤体压实造成渗透率降低[12]。在煤层气开发初期，即单相排水阶段，这种有效应力负效应十分明显。因此，控制初始排水速度，减少渗透率损失，对于提高煤层气井产能至关重要[38]。
根据描述煤储层渗透率动态变化的经典模型P-M模型，即[39]：
(2)
(3)
式中，P、P0为分别为当前地层压力、原始地层压力，MPa；φ、φi为分别为有效孔隙度、初始有效孔隙度，%；k,ki为分别为渗透率、初始渗透率；P50为朗格缪尔压力常数，煤样达到最大应变量 1/2 时的压力，MPa；εmax为最大应变值，即无限压力下的渐进值；Cm为煤储层压缩系数，MPa-1，且有
其中，β为基质压缩系数，MPa-1；f为系数，0<f<1；γ为泊松比。
基于煤层气排采阶段划分，以临界解吸压力为节点，P-M模型[39]可进一步表示为：
(4)
可以发现，当煤层压力小于临界解吸压力，即处于单相排水阶段时，弹性模量大小直接决定了煤岩开发过程中的渗透率变化程度，弹性模量越大，其抵抗有效应力的能力越强，渗透率损失越少[39-40]。因此，针对不同煤阶区，采取不同排采策略很有必要。
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，煤岩弹性模量相对较小，有效应力负效应强，渗透率损失大，因此开发初期应该注意控制初始排水速度，减少煤储层渗透率伤害，尽可能扩大煤层气解吸面积，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)时，煤岩弹性模量相对较大，有效应力负效应相对较弱，渗透率损失较小，可适当加快排水速度，提高生产效率。
1)煤岩抗压强度和弹性模量随煤阶的升高呈不对称的“M”型变化规律，表现为随Ro,max增大，煤岩抗压强度(弹性模量)先增大(Ro,max=0.75%左右达到最大)后减小(Ro,max=1.40%左右达到低值)。之后随着煤阶继续升高，煤岩抗压强度(弹性模量)先增大，至Ro,max=2.50%左右出现下降拐点转而持续减小。
2)煤阶影响煤岩割理和孔隙发育，进而控制煤岩抗压强度和弹性模量变化。褐煤、次烟煤(Ro,max≤0.50%)虽然割理不发育，但以大孔为主，且孔隙度最大，因此抗压强度(弹性模量)最低。随着煤阶向中煤阶演化，孔隙度快速下降致使抗压强度(弹性模量)逐渐增大。中煤阶之后，割理逐渐发育，造成煤岩抗压强度(弹性模量)下降。随着煤岩进一步成熟，割理逐渐融退，推测煤岩抗压强度(弹性模量)增大，但当3.00%≤Ro,max后，高温、应力作用下的煤岩分子结构改变导致煤岩抗压强度(弹性模量)变低。
3)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。可以考虑提高压裂规模，增加裂缝延伸长度；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)时，煤岩抗压强度和弹性模量较大，需要较高起裂压力，但是容易获得长缝。压裂时要控制压裂规模，防止压穿煤层顶底板隔水层。
4)煤层气排采存在有效应力负效应，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，煤岩弹性模量较小，有效应力负效应强，渗透率损失大，开发初期应注意控制初始排水速度，减少煤储层渗透率伤害，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)时，煤岩弹性模量较大，有效应力负效应较弱，渗透率损失较小，可适当加快排水速度，提高生产效率。
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