[发明专利]基于本构关系和能量演化的含瓦斯煤岩脆性评价方法

说明书

本发明公开了基于本构关系和能量演化的含瓦斯煤岩脆性评价方法，具体为：采用统计损伤理论，建立基于Weibull分布的含瓦斯煤岩统计损伤本构模型，对损伤变量求导，计算煤岩损伤率参数，基于含瓦斯煤岩变形破坏过程中的能量演化规律，计算能量损伤演化特征参数；根据所获得的含瓦斯煤岩损伤率参数和能量损伤演化特征参数，利用乘法合成法构建基于本构关系和能量演化的脆性指标计算公式。通过建立Weibull分布的统计损伤本构模型，反映了煤岩的应力应变特点，并综合考虑了煤岩变形破坏过程中能量损伤的演化，避免了以往脆性评价依赖单一因素造成的误差，提高了脆性评价的适用性和准确性。

技术领域

本发明属于煤炭地下开采和煤层气勘探开发技术领域，具体涉及基于本构关系和能量演化的含瓦斯煤岩脆性评价方法。

背景技术

煤层气在煤层中以游离态或者吸附态的形式存在，因其低碳排放和经济效益而受到关注。通过对煤层气的开发，可以实现多重效益。在煤矿开采过程中，煤与瓦斯突出是一种常见的不稳定灾害，严重影响煤矿资源的安全高效开采，而通过煤层气的开采可以大大减少煤矿灾害的发生。煤层气的主要成分是甲烷，如果直接排放到大气中，其温室效应是二氧化碳的20倍。而如果将煤层气作为一种新能源加以利用，不仅可以改善能源结构，缓解能源紧张，还能带来巨大的环境保护效益。

水力压裂技术是煤层气开采的常用措施，可以有效提高煤层气井产能，但也经常出现压裂改造后储层中无法按照设计形成大面积的有效裂缝网络。其中极为重要的一个原因就是对目标储层的脆性评价不够准确。因此，准确评价煤岩的脆性特征对钻井技术和水力压裂工程等方面具有指导意义。

目前，各个领域和学科对岩石脆性并没有一个被普遍接受的定义。研究人员基于室内试验或现场试验，对岩石的脆性特征给出了自己的描述和评价标准。根据不同的评价标准，这些脆性指标大致可以分为6类：(a)基于矿物组成的岩石脆性指标；(b)基于强度参数的岩石脆性指标；(c)基于应力-应变曲线特征参数的岩石脆性指标；(d)基于硬度的岩石脆性指标；(e)基于冲击试验或贯入试验的岩石脆性指标；(f)从能量角度构建的岩石脆性指标。这些脆性指标在特定的条件下，可以反映出岩石的脆性特征，但是岩石脆性的影响因素较多，现有方法计算的脆性指标在某些特定条件下虽然具有较好的适用性，但也普遍存在一定的局限性。中国专利(公开号为CN108827774A)公开了一种煤岩脆性评价方法，该评价方法建立了幂函数分布的本构模型，并考虑煤岩力学特性和割理、裂隙系统分布特征，但却没有考虑煤层气对岩体的影响作用。此外，在现有的脆性评价中，脆性评价往往只考虑了岩石的应力应变特征或能量演化特征，而同时考虑岩石的损伤本构特征和能量损伤演化特征的脆性评价较少，导致脆性评价的适用性和准确性有一定程度的不足。

发明内容

本发明的目的是提供基于本构关系和能量演化的含瓦斯煤岩脆性评价方法，综合考虑了煤岩的本构特征以及变形破坏过程中能量损伤的演化，并且提高了脆性评价的准确性。

本发明所采用的技术方案是，基于本构关系和能量演化的含瓦斯煤岩脆性评价方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过考虑瓦斯压力，采用统计损伤理论，建立基于Weibull分布的含瓦斯煤岩统计损伤本构模型；

步骤2：根据所获得的含瓦斯煤岩统计损伤本构模型，对损伤变量求导，计算能反映脆性破坏特征的含瓦斯煤岩损伤率参数；

步骤3：基于含瓦斯煤岩变形破坏过程中的能量演化规律，计算能量损伤演化特征参数；

步骤4：根据所获得的含瓦斯煤岩损伤率参数和能量损伤演化特征参数，利用乘法合成法构建基于本构关系和能量演化的脆性指标计算公式。

本发明的特点还在于，

步骤1中，具体为：

煤岩的损伤变量D为受损破坏的微元数与无损时材料微元数的比值，如式(1)所示：