CN113390906B - 一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法 - Google Patents

一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法，利用裂纹扩展计(CPG)、超声波检测系统，结合CT扫描、图像处理软件、孔裂隙特征分析系统软件(PCAS)、空间三维立体重构软件，建立一套细观尺度下，直观、精准、定量评价煤岩体致裂增透效果的体系。本发明评价方法可以从不同角度对压裂后煤岩体内部裂隙做全面、整体、直观的三维观察，对煤岩体内部裂隙的形状、大小、位置和分布深入分析，使其透明化，进而分析煤岩体致裂后内部裂隙在空间上的分布形态和量化特征，进一步解决煤层压裂技术优选及施工参数优化问题。

Description

一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法
技术领域
本发明涉及一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法，属于煤岩体致裂增透效果的评价技术领域。
背景技术
中国煤层气资源丰富，居世界第三，但是我国煤层气抽采率很低。其中低渗透率是制约我国煤层气开采的首要技术难题，利用人工致裂的方法，如：水压致裂、水力割缝、水压喷射压裂技术、脉动水力压裂技术、高压电脉冲水压致裂技术等对煤岩体结构进行改造，使煤岩体产生大量、复杂的裂缝网络，进而疏通煤层气的渗流通道，达到提高煤层气抽采率的目的，但是利用人工致裂技术对煤体孔裂隙结构的精准化改造及致裂效果的评价仍处于初步的探索阶段，特别是对于裂缝的起裂扩展、演化及压裂效果的定量评价(如裂纹的开裂长度、起裂角度、损伤形态等)的研究还不够充分。
常规的压裂效果评价方法是从内外边界条件、瓦斯的流动状态和溢出效果或煤层气储层的导流能力等不同指标侧面对压裂效果进行评价。还可以直接通过测定压裂后的煤岩体裂缝半长、形态和方位进行评价，其评价方法有大地微地震法、电位法、井温法、放射性示踪法等。再有将人工智能的思想和技术应用到压裂工程中，如使用神经网络技术与遗传算法结合、模拟退火和遗传算法结合或模糊综合评价方法完成对压裂施工参数预测、优化以及压裂效果分析。但以上致裂增透效果的评价方法均为定性或半定性，并未得到定量的评价效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法，利用裂纹扩展计(CPG)、超声波检测系统，结合CT扫描、图像处理软件、孔裂隙特征分析系统软件(PCAS)、空间三维立体重构软件，建立一套细观尺度下，直观、精准、定量评价煤岩体致裂增透效果的体系。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法，包括以下步骤：
(1)利用裂纹扩展计监测，评判载荷下煤岩体裂纹尖端的起裂、扩展和止裂的动态全历程；
(2)利用超声波检测技术，定性表征试件的致裂损伤程度；
(3)利用CT图像分析技术，以煤岩体CT扫描图像为基础，经滤波重建，结合图像处理、孔裂隙特征分析及三维立体重构软件，从二维、三维角度分别对致裂后的煤岩体裂隙进行定量细观分析和研判。
所述步骤(1)的具体方法为：
①加载试验前，在煤岩体试件一面的中心处钻出直径为25～35mm的圆形贯穿孔洞，并预制一条沿着孔洞直径方向长度为8mm～12mm的裂纹，然后紧邻预制裂纹尖端、平行于裂纹扩展方向，采用固化或粘贴法将裂纹扩展计固定在试件上；
②将裂纹扩展计、0.01Ω电阻R2、20Ω保护电阻R1、3V的恒压电源及瞬态电压记录仪连接成测量电阻值变化的电路，裂纹扩展计通过A接线端口、B接线端口连接于线路中，并与瞬态电压记录仪并联，电阻R2与裂纹扩展计并联后与电阻R1形成串联电路；
③实验时，电路采用3V的恒定电压电源；裂纹扩展计采用矩形不锈钢片制成，裂纹扩展延伸方向与矩形不锈钢片长边L方向保持一致，短边l与裂纹扩展方向垂直，当试样受到载荷作用而起裂时，预制裂纹从不锈钢片短边l左侧开始扩展，随着裂纹的扩展，裂纹沿着不锈钢片长边L方向撕裂扩展，裂纹扩展计与电阻R2并联的总电阻R测就会增加，从而导致裂纹扩展计两端电压呈曲线变化，通过瞬态电压记录仪监测电压值，确定该时刻对应的裂纹扩展的具体长度，计算出裂纹扩展的平均速度；
设矩形不锈钢片长边为L，短边为l，裂纹扩展长度为LS，不锈钢片断裂过程中残余长度为L-LS，此时不锈钢片电阻有效断面面积为S＝d(L-LS)，其中d为不锈钢片厚度；设电路中电源电压为U，电源内阻为r，电源内阻r的电压为Ur，电阻R1的电压为U1，测量电压为U测，不锈钢片断裂过程中瞬时电阻为ΔR，R2与ΔR组成的并联电阻的阻值为R测，电路中总电流为I；
电路电压关系为：
U＝Ur+U1+U测 (1)
根据欧姆定律可得：
U＝I(r+R1+R测) (2)
Figure BDA0003112492020000031
电路电流关系为：
Figure BDA0003112492020000032
整理后可得测量电压U测与瞬时电阻ΔR之间的关系：
Figure BDA0003112492020000033
根据电阻的决定式可得，
Figure BDA0003112492020000034
由此得出测量电压U测和裂纹扩展长度Ls之间的关系：
Figure BDA0003112492020000035
推导出裂纹扩展长度Ls为：
Figure BDA0003112492020000036
当不锈钢片裂纹开始扩展时，此时电压表电位开始发生明显变化，记录裂纹起裂时刻T1，裂纹导致不锈钢片断裂时记录时刻为Tm，裂纹扩展的平均速度Va如下式：
Figure BDA0003112492020000037
所述裂纹扩展计采用胶液粘合不锈钢片制成，其中不锈钢片采用厚度为0.05mm的304不锈钢，不锈钢片的电阻率ρ为0.73×10-6Ω·m。
所述步骤(2)超声波检测的具体方法为：①在加载试验前，将试件每一面的各边缩进25mm后画线，线与线之间的距离为50mm，最终组成“田”字型网格，标注出行与列；
②将用于超声波检测的发射探头和接收探头分别在试件的对立面对应方格用黄油耦合后紧密贴合，从左往右、由上及下顺次进行检测，每检测一次，记录一次数据；记录完成后，对加载过程中波速变化和首波声时差值进行分析，从而计算煤岩体试件裂纹的宽度，判断裂缝的分布范围，定性表征试件的致裂损伤程度。
在进行超声波波速测量时，为提高信噪比及直达波速检测精度，需经过100次波形叠加处理后，再作为该加载压力下的波形数据；根据超声波波速的变化，将煤岩体的致裂损伤过程分成起裂、扩展、贯通三个阶段，以定性表征岩石损伤程度；根据不同测点的首波声时差，推测出贯通裂纹的扩展、贯通情况，首波声时差值越大，裂纹越宽或数量越多。
所述步骤(3)的具体方法为：
①煤岩体试件致裂完成后，利用万向工程钻机进行钻孔取样；取样时钻具套筒内外壁涂抹润滑油，取样时缓慢进行，同时不断浇水，尽量减少套筒对煤体的扰动；取样后为保证完整性和物理状态不发生变化，将样品装入一次性塑封袋中保存；
②采用高精度CT扫描仪对取样进行CT切片扫描，再经滤波重建获取煤样的CT图像，用于细观尺度下、直观地研究致裂后煤样裂隙的起裂、发展、贯通情况以及裂隙条数和裂隙开度参数；
③运用孔裂隙特征分析系统软件对CT图像进行二值化处理，获得裂隙几何形态参数，通过分析研究几何形态参数的变化，计算煤岩体的损伤变量、分形维数D、裂隙分布初值的对数值和裂隙的宽度概率密度函数，对煤岩体的致裂效果进行精准的定量评价分析；
④将原始的CT图像通过复制保存，然后运用区域分割法预处理后导入三维重建软件中进行三维立体重构，实现更高级的几何立体显示，获取裂隙面的三维评价指标：体分形维值D′、裂隙面的倾角β以及体密度t和连通率η，进而从不同角度对煤岩体试样的致裂增透效果做出全面、整体的研究分析；
所述裂隙面的倾角β，即裂隙面与水平面的夹角；连通率η，即裂隙面在沿该裂隙面发展的破坏面上所占的比率，表征裂隙在空间上的连通情况；体密度t，即裂隙面面积除以试件体积，表征煤岩体的整体致裂效果；
⑤结合以上裂纹扩展计技术、超声波检测技术与CT扫描图像分析技术，从二维、三维角度对裂纹开裂扩展过程进行分析，最后形成低渗透性煤岩体致裂增透效果的综合评价。
所述裂隙的几何形态参数包括裂隙条数、裂隙节点数、裂隙总长度、裂隙平均宽度及裂隙率；所述裂隙率为裂隙面积占煤样面积的百分比，从总体上反映致裂后煤体的开裂程度；裂隙节点数是交点与端点的个数之和，在一定程度上反映了煤体裂纹的复杂程度，其中交点为至少有3条裂隙相交的点，端点为孤立裂隙的末梢点；裂隙条数Nt反应裂隙分布的密度情况；裂隙总长度和裂隙平均宽度是裂隙的基本几何参数，反映裂隙的贯通程度。
所述损伤变量包括：
单个试件的裂隙总长度定义损伤变量DL：
Figure BDA0003112492020000051
单个试件的裂隙平均宽度定义损伤变量Dw：
Figure BDA0003112492020000052
单个试件的裂隙总条数定义损伤变量DN：
Figure BDA0003112492020000053
单个试件的裂隙率定义损伤变量DR
Figure BDA0003112492020000054
式(10)、(11)、(12)、(13)中，△L、△W、△N、△R分别为致裂后试件裂隙相比原始试件增加的长度、宽度、条数及裂隙率；L、W、N、R分别为原始试件裂隙的长度、宽度、条数及裂隙率。
所述分形维数D的数值计算采用裂隙长度-条数分形测量方法，即依次统计裂隙长度L大于等于l1，l2，l3，l4，……ln个像素的裂隙条数N(L)，记为n1，n2，n3，n4，……nn；若这个分布符合分形分布，则裂隙长度-条数服从N(L)∝L(-D)，写成等式为
N(L)＝A0L-D (14)
式(14)两端取对数，有
lnN(L)＝-DlnL+lnA0 (15)
式(15)中：A0为裂隙数量的分布初值；D为煤岩裂隙数量分布的分形维数；裂隙宽度概率密度函数f(w)：
Figure BDA0003112492020000055
式(16)中：ΔNi为裂隙宽度在wi和wi+Δw之间的裂隙数，
N0为裂隙总数，
f(w)为裂隙宽度在wi和wi+Δw之间的裂隙数占所有裂隙数的比例。
所述体分形维值D′的数值计算采用盒维数计算方法：设N(ε)是能够覆盖住一个点集F的直径为ε的小球或边长为ε的立方体盒子的最小数目，则定义这个点集的容量维数为
Figure BDA0003112492020000061
本发明细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法的原理：
本发明评价方法利用裂纹扩展计、超声波检测技术与CT图像分析技术(二维、三维)相结合的方式评价低渗透性煤岩体的致裂效果。其中裂纹扩展计主要监测、评判载荷下裂纹尖端的起裂、扩展和止裂的动态全历程；超声波检测技术主要是定性表征试件的致裂损伤程度；CT图像分析技术以煤岩体CT扫描图像为基础，经滤波重建，结合图像处理、孔裂隙特征分析及三维立体重构软件，从二维、三维角度下分别对致裂后的煤岩体裂隙进行定量细观分析、研判。继而综合三种技术形成一种低渗透性煤岩体起裂、致裂增透效果的系统评价体系，利用该体系可直观、定性、定量、综合分析评价煤岩体的致裂增透效果。
本发明评价方法首先对运用裂纹扩展计获取的电压阶跃变化时刻进行分析，计算裂纹的扩展平均速度和裂纹的起裂时间；对运用超声波检测技术获取的超声波波速变化和首波声时差值进行分析，判断煤体试件裂纹宽度和裂缝的分布范围；再对煤岩体试样进行CT扫描，直接观测与定性量分析裂隙形态；然后利用图像处理软件对CT扫描获取的图像进行二值化处理，采用孔裂隙特征分析软件获取裂隙的几何形态等具体参数，以此定义煤岩体的损伤变量，并计算分形维数、裂隙宽度概率密度函数等指标，对煤岩体二维平面裂隙的萌生、发育、延展规律进行研究；接着利用区域分割法对二值化处理过的图像设定多阈值和剔出噪声点后，根据序列图片的数字升序或降序依次导入三维重构软件进行煤岩体裂隙的三维重建，获取三维评价指标，在空间立体层面对裂隙的分布、连通情况进行分析；最后综合两种技术形成一套细观尺度下直观、定量、高效的低渗透性煤岩体致裂增透效果评价体系，可以较为全面地分析各种人工改造方式下的煤岩体致裂增透效果。
本发明有益效果：
本发明评价方法可以从裂纹开裂扩展过程、最后致裂成网络的整个过程以及二维和三维层面，定性、定量、全面地分析人工致裂技术下煤岩体裂纹的起裂、扩展、成网规律，进而评价致裂后煤层气储层裂纹的复杂程度、开裂程度、延展程度，可为煤岩体的损伤断裂机理研究奠定一定的理论基础。
本发明评价方法可准确、直观的分析人工致裂技术对煤岩体的压裂程度、作用范围和压裂效果，通过研究裂纹破裂过程和特征，为进一步改善压裂范围和效果提供理论支撑，为煤矿瓦斯抽放和煤层气开采提供更为安全有效的技术手段，减少煤矿的安全事故，提高煤层气的开采效率和抽采量，在一定程度上促进煤层气储层致裂增透技术的优化发展以及煤层气抽采行业的进步。
本发明评价方法可以从不同角度对压裂后煤岩体内部裂隙做全面、整体、直观的三维观察，对煤岩体内部裂隙的形状、大小、位置和分布深入分析，使其透明化，进而分析煤岩体致裂后内部裂隙在空间上的分布形态和量化特征，进一步解决煤层压裂技术优选及施工参数优化问题。
附图说明
图1裂纹扩展计粘接示意图。
图2裂纹扩展计示意图。
图3裂纹扩展计电路图。
图4超声波扫描区域划分的“田”字型网格示意图。
图5煤岩试样预制裂纹示意图
图6裂纹扩展长度Ls与电压表测量电压电压U测的关系图。
图7裂纹扩展长度Ls与变化时间Tm-T1的关系图。
图8超声波监测点布置图。
图9不同(电压)加载前、后状态下的波速示意图。
图10不同(电压)加载状态下的裂缝宽度示意图。
图11不同(电压)加载状态下的损伤变量示意图。
图12试样裂隙宽度的分布特征示意图。
其中，像素指裂隙在图片中所占的像素点的个数，即裂隙平均宽度的单位。
图13CT图像、二值化处理及三维重构示意图。
图14低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价体系示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明中的计算公式如没有特别说明，物理量均采用国际单位。
实施例1
一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法，包括以下步骤：
(1)利用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测、评判载荷下煤岩体裂纹尖端的起裂、扩展和止裂的动态全历程；
①加载试验前，在煤岩体试件一面的中心处钻出直径为25～35mm的圆形贯穿孔洞，并预制一条沿着孔洞直径方向长度为8mm～12mm的裂纹，其中预制裂纹的尺寸对于实验的成功与否有着关键作用，如果预制裂纹长度太短，则在实验中容易发生裂纹分叉扩展现象；如果其长度过长，则会导致裂纹起裂的时刻较晚；然后将裂纹扩展计紧邻预制裂纹尖端、平行于裂纹扩展方向，采用固化或粘贴技术固定在试件上(如图1)；
裂纹扩展计组成：采用502胶液粘合不锈钢片制成，其中不锈钢片采用厚度为0.05mm的矩形304不锈钢(其中短边l视为影响电阻的长度，如图2)，为确保不锈钢片在裂纹扩展过程中与煤岩裂纹保持一致，要将不锈钢片与煤岩侧的接触面用胶液涂抹均匀，胶液的覆盖区要略大于不锈钢片；其中L0为不锈钢片边缘到胶液覆盖区边缘的距离。
②将CPG、0.01Ω的电阻(R2)、20Ω的保护电阻(R1)、3V的恒压电源及瞬态电压记录仪连接成测量电阻值变化的电路，裂纹扩展计通过A接线端口、B接线端口连接于线路中，并与瞬态电压记录仪并联，电阻R2与裂纹扩展计并联后与电阻R1形成串联电路，即电阻R2与裂纹扩展计并联形成R测，电阻R1与R测形成串联电路(如图3)；
③实验时，采用两节5号干电池或充电电池串联组成的恒压源(C.V.source)为电路提供3V恒定电压。裂纹扩展计采用0.05mm厚的矩形304不锈钢片制成(该材料电阻率ρ为0.73×10-6Ω·m，长宽比控制在2:1以内时电阻值约为0.0073Ω)，将裂纹扩展延伸方向与矩形304不锈钢片较长边L方向保持一致，短边l与裂纹扩展方向垂直，当试样受到载荷作用而起裂时，预制裂纹从矩形不锈钢片短边l左侧开始扩展，随着裂纹的扩展，裂纹会沿着矩形钢片长边L方向撕裂扩展，CPG与电阻R2的并联总电阻R测就会增加，从而导致CPG两端电压呈曲线变化，通过瞬态电压记录仪监测到的电压值，确定该时刻裂纹扩展的具体长度，计算出裂纹扩展的速度历程。
设矩形不锈钢片长度(长边)为L，宽度(短边)为l，裂纹扩展长度(即裂缝长度)为LS，不锈钢片断裂过程中残余长度为L-LS(此时不锈钢片电阻有效断面面积为S＝d(L-LS)，其中d为不锈钢片厚度)，设电路中电源电压为U，电源内阻为r，电源内阻r的电压为Ur，电阻R1的电压为U1，测量电压为U测，不锈钢片断裂过程中瞬时电阻为ΔR，R2与ΔR组成的并联电阻的阻值为R测，电路中总电流为I；
电路电压关系：
U＝Ur+U1+U测 (1)
根据欧姆定律可得：
U＝I(r+R1+R测) (2)
Figure BDA0003112492020000091
电路中电流关系：
Figure BDA0003112492020000092
整理后可得测量电压U测与瞬时电阻ΔR之间的关系：
Figure BDA0003112492020000093
根据电阻的决定式可得，
Figure BDA0003112492020000094
由此得出测量电压U测和裂纹扩展长度Ls之间的关系：
Figure BDA0003112492020000095
推导出裂纹扩展长度Ls为：
Figure BDA0003112492020000096
当薄钢片裂纹开始扩展时(电压表电位开始发生明显变化时)记录裂纹起裂时刻T1，裂纹导致不锈钢片断裂时记录时刻为Tm，裂纹扩展的平均速度Va如下式：
Figure BDA0003112492020000097
通过加载过程中对裂纹扩展长度的测量，可计算出裂纹扩展的平均速度，从而实现对细观裂纹动态全程的研究。
(2)利用超声波检测技术定性表征试件的致裂损伤程度；
①在加载试验前，将试件每个面的各边缩进25mm后进行画线，线与线之间的距离为50mm，最终组成“田”字型网格，标注出行与列，如图4所示。
②将用于超声波检测的发射探头和接收探头分别在试件的对立面对应方格用黄油耦合后紧密贴合，从左往右，由上及下顺次进行检测，每检测一次，记录一次数据。记录完成后，对加载过程中波速变化和首波声时差值进行分析，从而计算煤岩体试件裂纹的宽度，判断裂缝的分布范围，定性表征试件的致裂损伤程度。
其中在进行超声波波速测量时，为提高信噪比及直达波速检测精度，需经过100次波形叠加处理后，再作为该加载压力下的波形数据。根据超声波波速的变化，将煤岩体的致裂损伤过程分成起裂、扩展、贯通三个阶段，较好地定性表征岩石损伤程度；根据不同测点的首波声时差，推测出贯通裂纹的扩展、贯通情况，且首波声时差值越大、裂纹越宽或数量越多。
(3)利用CT图像分析技术以煤岩体CT扫描图像为基础，经滤波重建，结合图像处理、孔裂隙特征分析及三维立体重构软件，从二维、三维角度分别对致裂后的煤岩体裂隙进行定量细观分析、研判。
①煤岩体试件致裂完成后，利用Z1Z(W)–200e型万向工程钻机进行钻孔取样；取样时钻具套筒内外壁涂抹润滑油，取样时极其缓慢进行，同时不断浇水，尽量减少套筒对煤体的扰动(以期最大限度的减少取样工作对煤体裂缝的影响)。取样后为保证完整性和物理状态不发生变化，将样品装入一次性塑封袋中保存。
②采用μCT 225KVFCB型高精度CT扫描仪对取样进行CT切片扫描，再经滤波重建获取煤样的CT图像，用于细观尺度下、直观地研究致裂后煤样裂隙的起裂、发展、贯通情况以及裂隙条数和裂隙开度等参数；
③运用孔裂隙特征分析系统软件(pores and cracks analysis system，PCAS)对CT图像进行二值化处理，获得裂隙几何形态参数，并通过分析研究几何形态参数(裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度、裂隙节点数及裂隙率)的变化，并计算煤岩体的损伤变量、分形维数D、裂隙分布初值的对数值和裂隙的宽度概率密度函数等，对煤岩体的致裂效果进行精准的定量评价分析；
其中裂隙的几何形态参数中裂隙率为裂隙面积占煤样面积的百分比，可以从总体上反映致裂后煤体的开裂程度；裂隙节点数是交点(至少有3条裂隙相交的点)与端点(孤立裂隙的末梢点)个数之和，在一定程度上反映了煤体裂纹的复杂程度；裂隙条数Nt反应了裂隙分布的密度情况；裂隙总长度和裂隙平均宽度是裂隙的基本几何参数，反映了裂隙的贯通程度。
损伤变量的定义：
单个试件的裂隙总长度定义损伤变量DL：
Figure BDA0003112492020000111
单个试件的裂隙平均宽度定义损伤变量DW：
Figure BDA0003112492020000112
单个试件的裂隙总条数定义损伤变量DN：
Figure BDA0003112492020000113
单个试件的裂隙率定义损伤变量DR
Figure BDA0003112492020000114
式(10)、(11)、(12)、(13)中，△L、△W、△N、△R分别为致裂后试件裂隙相比原始试件增加的长度、宽度、条数及裂隙率；L、W、N、R分别为原始试件裂隙的长度、宽度、条数以及裂隙率。
分形维数D的数值计算采用裂隙长度-条数分形测量方法，即依次统计裂隙长度L大于等于l1，l2，l3，l4，……ln个像素的裂隙条数N(L)，记为n1，n2，n3，n4，……nn。若这个分布符合分形分布，则裂隙长度-条数服从N(L)∝L(-D)，写成等式为
N(L)＝A0L-D (14)
式(14)两端取对数，有
lnN(L)＝-DlnL+lnA0 (15)
式(15)中：A0为裂隙数量的分布初值，其数值与各试件大裂隙所占比例密切相关，大裂隙占有比例越大，则A0越大；D为煤岩裂隙数量分布的分形维数，其能够定量的表征致裂后煤岩体内部裂隙图形的不规则性和复杂程度。
裂隙宽度概率密度函数f(w)：
Figure BDA0003112492020000115
式(16)中：ΔNi为裂隙宽度在wi和wi+Δw之间的裂隙数，
N0为裂隙总数，
f(w)为裂隙宽度在wi和wi+Δw之间的裂隙数占所有裂隙数的比例。
概率密度函数f(w)是运用统计学知识对裂隙的几何参数分布特征进行分析，使煤岩体致裂增透效果的定量评价更加可靠。
④将原始的CT图像通过复制保存，然后运用区域分割法预处理后导入三维重建软件(VGstudio Max)中进行三维立体重构，实现更高级的几何立体显示，获取裂隙面的三维评价指标：体分形维值D′、裂隙面的倾角β以及体密度t和连通率η，进而从不同角度对煤岩体试样的致裂增透效果做出全面的、整体的研究分析；
其中CT图像的预处理具体为应用数字图像处理技术：图像增强和图像分割，对复制的CT图像进行预处理，消除CT图像上的噪点以及解决图像不清晰的问题。将处理后CT图片导入三维重构软件时，为了防止图像错位，导致后续出现误差，需要根据序列图片的数字升序或降序依次导入。
体分形维值D′的数值计算采用盒维数计算方法：设N(ε)是能够覆盖住一个点集F的直径为ε的小球，或边长为ε的立方体盒子的最小数目，则定义这个点集的容量维数为
Figure BDA0003112492020000121
体分形维值D′能直接反映试件内部的破裂情况，D′值越小，煤岩内部破裂程度越大。
裂隙面的倾角β，即裂隙面与水平面的夹角；连通率η，即裂隙面在沿该裂隙面发展的破坏面上所占的比率，表征裂隙在空间上的连通情况；体密度t，即裂隙面面积除以试件体积，表征煤岩体的整体致裂效果。
⑤结合以上裂纹扩展计技术、超声波检测技术与CT扫描图像分析技术，从二维、三维角度对裂纹开裂扩展过程进行分析，最后形成具体、直观、定性、定量的低渗透性煤岩体致裂增透效果的综合评价方法。
应用例
采用本发明实施例1的评价方法，对细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果进行评价。
(1)利用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测、评判载荷下煤岩体裂纹尖端的起裂、扩展和止裂的动态全历程的操作步骤。
步骤1：利用切割机切出一个尺寸200mm*50mm*200mm的煤岩试件，将其中一面中心处钻出直径为30mm的圆形贯穿孔洞，用刀片割出一条沿着整个孔深、孔洞直径方向长为10mm的裂纹(详见图5)。
步骤2：选取0.05mm厚的304不锈钢卷，裁剪出尺寸为60*30mm的矩形薄板(该材料电阻率ρ为0.73×10-6Ω·m，长宽比控制在2:1以内时电阻值为0.0073Ω)，紧贴裂纹缝尖10mm处，保证裂纹扩展延伸方向与矩形304不锈钢片长边L方向保持一致，短边l与裂纹扩展方向垂直，并将矩形薄钢片用502胶液粘合，并确保胶液的覆盖区要大于不锈钢片1-2mm左右(见图1)。
步骤3：远离裂缝侧的薄板短边两端边角处，距两边各5mm处焊接上接线口A、B并接入导线，并将0.01Ω的电阻(R2)、20Ω的保护电阻(R1)、2节5号干电池串联组成的3V电源(默认内阻为r＝2Ω)以及瞬态电压记录仪连入电路中，其中裂缝扩展计与0.01Ω的电阻(R2)并联，电阻R2与裂纹扩展计并联后与电阻R1形成串联电路(见图2、3)。
步骤4：电路组装调试完毕后，将开关闭合，对试件进行加载。当试样受到载荷作用后，预制裂纹从矩形不锈钢片短边左侧开始起裂，随着裂纹的扩展，裂纹会沿着矩形钢片长边L方向撕裂扩展，CPG与电阻R2的并联总电阻R测就会增加，从而导致CPG两端电压呈曲线变化，通过瞬态电压记录仪监测到的电压值，确定该时刻裂纹扩展的具体长度，计算出裂纹扩展的速度历程。通过实施例1公式(1)-(8)推导可得出裂纹扩展长度Ls与瞬态电压U测之间的关系(详见图6)，记录出裂纹扩展长度，通过实施例1公式(9)计算出裂纹扩展的平均速度，其中
Figure BDA0003112492020000131
分别为5kV、7kV和10kV所对应加载后裂纹扩展的平均速度。裂纹扩展长度与变化时间之间的关系(详见图7)
Figure BDA0003112492020000132
Figure BDA0003112492020000133
Figure BDA0003112492020000134
Figure BDA0003112492020000135
本发明可实现加载过程中对裂纹扩展长度全过程的记录，相比于传统玛卡铜电阻丝扩展计有效避免数据监测过程中跳跃点的出现，从而计算出裂纹的扩展速度，从而实现对细观裂纹动态全历程的研究。
(2)利用超声波检测技术定性表征试件的致裂损伤程度的操作步骤。
步骤1：取(1)中的煤岩试样，将试件每一面的各边缩进25mm后进行画线，线与线之间的距离为50mm，最终组成“田”字型网格，标注出行与列(详见图4)。
步骤2：对加载后将的试件进行超声波检测，测得加载完成后试件的超声波波速，选取靠近钻孔的XY2中心区域作为超声波发射测点，选取超声波发射点对向侧的2点XY1、3点XY2、4点XY3以及临近面两侧1点XZ1、5点XZ1区域作为监测点(详见图7)，依据实施例1中评价指标进行评价，检测区域煤岩体不同电压(5kV、7kV、10kV)加载状态下的波速、破裂后裂缝宽度及损伤变量，从而得出煤岩体损伤破坏评价规律。检测结果见图9-11。
(3)以煤岩体CT扫描图像为基础对CT图像进行二值化处理，并对其三维重构，实现裂隙定量细观分析和研判。
步骤1：加载完成后进行取样采用高精度CT扫描仪进行CT切片扫描，再经滤波重建获取煤样的CT图像，如图13(a)所示。从图中可以看出加载后的煤岩体试件内部萌生了多条裂隙，并有一定的扩展、分叉，裂隙之间相互贯通，连接形成裂隙网络，为煤层气提供了足够的运移通道。
步骤2：对获取的CT图像采用孔裂隙特征分析软件进行二值化处理，如图13(b)所示，计算裂隙的几何形态参数(表1)。对比分析表中的原始煤样与致裂后煤样的裂隙几何形态参数可以发现，裂隙的总长度、平均宽度、裂隙率、条数及节点数分别大约增加了13～19倍、3～5倍、12～18倍、4～6倍、6～9倍。
表1裂隙的几何形态参数
试件 裂隙总长度 裂隙平均宽度 裂隙率 裂隙条数 裂隙节点数
原始煤样 197.83 0.61 0.1 7 8
5kV 2754.92 2.03 1.2 31 52
7kV 3276.74 2.55 1.7 36 63
10kV 3766.04 2.91 1.82 43 71
步骤3：以表1中的几何形态指标参数作为已知量计算致裂后煤岩体试样的损伤变量、分形维数以及大裂隙占所有裂隙的比例(表2)；计算裂隙的宽度概率密度函数，统计试样裂隙宽度分布情况，如图12所示。从图中可以看出，加载后的煤岩体试样内部裂隙的宽度较大，且裂隙平均宽度的分布范围相比未受加载的原始煤样明显增加，即煤样在水中高压脉冲放电作用下的致裂效果更加显著。
表2煤岩体试样的损伤变量、分形维数以及大裂隙占所有裂隙的比例
试件 D<sub>L</sub> D<sub>W</sub> D<sub>R</sub> D<sub>N</sub> D lnA<sub>0</sub>
原始煤样 \ \ \ \ 0.3356 1.176
5kV 20.894 4.623 23 6.75 0.8447 4.635
7kV 25.041 4.984 33 8 0.9391 5.1067
10kV 28.930 5.361 35.4 9.75 0.9568 5.2148
步骤4：将原始的CT图像运用区域分割法预处理后导入三维重建软件(VGstudioMax)中进行三维立体重构，重构结果如图13(c)所示，从图中可以更加直观立体的观察、分析裂隙在三维层面的连通情况及空间分布情况。
步骤5：运用重构后获得的三维试样模型计算裂隙面的评价指标：体分形维值D′、体密度t及连通率η等裂隙的三维评价指标，计算结果如表3所示。
表3裂隙面的评价指标
试件 D′ t(10-2/mm) η/％
原始煤样 0.7465 0.37 18.2
5kV 1.9325 0.98 38.1
7kV 2.1019 2.47 83.6
10kV 2.2925 3.16 92.5

Claims (9)

1.一种细观尺度下低渗透性煤岩体致裂增透效果的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用裂纹扩展计监测，评判载荷下煤岩体裂纹尖端的起裂、扩展和止裂的动态全历程；
具体方法为：
①加载试验前，在煤岩体试件一面的中心处钻出直径为25～35mm的圆形贯穿孔洞，并预制一条沿着孔洞直径方向长度为8mm～12mm的裂纹，然后紧邻预制裂纹尖端、平行于裂纹扩展方向，采用固化或粘贴法将裂纹扩展计固定在试件上；
②将裂纹扩展计、0.01Ω电阻R2、20Ω保护电阻R1、3V的恒压电源及瞬态电压记录仪连接成测量电阻值变化的电路，裂纹扩展计通过A接线端口、B接线端口连接于线路中，并与瞬态电压记录仪并联，电阻R2与裂纹扩展计并联后与电阻R1形成串联电路；
③实验时，电路采用3V的恒定电压电源；裂纹扩展计采用矩形不锈钢片制成，裂纹扩展延伸方向与矩形不锈钢片长边L方向保持一致，短边l与裂纹扩展方向垂直，当试样受到载荷作用而起裂时，预制裂纹从不锈钢片短边l左侧开始扩展，随着裂纹的扩展，裂纹沿着不锈钢片长边L方向撕裂扩展，裂纹扩展计与电阻R2并联的总电阻R测就会增加，从而导致裂纹扩展计两端电压呈曲线变化，通过瞬态电压记录仪监测电压值，确定该时刻对应的裂纹扩展的具体长度，计算出裂纹扩展的平均速度；
设矩形不锈钢片长边为L，短边为l，裂纹扩展长度为LS，不锈钢片断裂过程中残余长度为L-LS，此时不锈钢片电阻有效断面面积为S＝d(L-LS)，其中d为不锈钢片厚度；设电路中电源电压为U，电源内阻为r，电源内阻r的电压为Ur，电阻R1的电压为U1，测量电压为U测，不锈钢片断裂过程中瞬时电阻为ΔR，R2与ΔR组成的并联电阻的阻值为R测，电路中总电流为I；
电路电压关系为：
U＝Ur+U1+U测 (1)
根据欧姆定律可得：
U＝I(r+R1+R测) (2)
Figure FDA0003799463840000021
电路电流关系为：
Figure FDA0003799463840000022
整理后可得测量电压U测与瞬时电阻ΔR之间的关系：
Figure FDA0003799463840000023
根据电阻的决定式可得，
Figure FDA0003799463840000024
由此得出测量电压U测和裂纹扩展长度Ls之间的关系：
Figure FDA0003799463840000025
推导出裂纹扩展长度Ls为：
Figure FDA0003799463840000026
当不锈钢片裂纹开始扩展时，此时电压表电位开始发生明显变化，记录裂纹起裂时刻T1，裂纹导致不锈钢片断裂时记录时刻为Tm，裂纹扩展的平均速度Va如下式：
Figure FDA0003799463840000027
(2)利用超声波检测技术，定性表征试件的致裂损伤程度；
(3)利用CT图像分析技术，以煤岩体CT扫描图像为基础，经滤波重建，结合图像处理、孔裂隙特征分析及三维立体重构软件，从二维、三维角度分别对致裂后的煤岩体裂隙进行定量细观分析和研判。
2.如权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述裂纹扩展计采用胶液粘合不锈钢片制成，其中不锈钢片采用厚度为0.05mm的304不锈钢，不锈钢片的电阻率ρ为0.73×10-6Ω·m。
3.如权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述步骤(2)超声波检测的具体方法为：①在加载试验前，将试件每一面的各边缩进25mm后画线，线与线之间的距离为50mm，最终组成“田”字型网格，标注出行与列；
②将用于超声波检测的发射探头和接收探头分别在试件的对立面对应方格用黄油耦合后紧密贴合，从左往右、由上及下顺次进行检测，每检测一次，记录一次数据；记录完成后，对加载过程中波速变化和首波声时差值进行分析，从而计算煤岩体试件裂纹的宽度，判断裂缝的分布范围，定性表征试件的致裂损伤程度。
4.如权利要求3所述的评价方法，其特征在于，在进行超声波波速测量时，为提高信噪比及直达波速检测精度，需经过100次波形叠加处理后，再作为该加载压力下的波形数据；根据超声波波速的变化，将煤岩体的致裂损伤过程分成起裂、扩展、贯通三个阶段，以定性表征岩石损伤程度；根据不同测点的首波声时差，推测出贯通裂纹的扩展、贯通情况，首波声时差值越大，裂纹越宽或数量越多。
5.如权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方法为：
①煤岩体试件致裂完成后，利用万向工程钻机进行钻孔取样；取样时钻具套筒内外壁涂抹润滑油，取样时缓慢进行，同时不断浇水，尽量减少套筒对煤体的扰动；取样后为保证完整性和物理状态不发生变化，将样品装入一次性塑封袋中保存；
②采用高精度CT扫描仪对取样进行CT切片扫描，再经滤波重建获取煤样的CT图像，用于细观尺度下、直观地研究致裂后煤样裂隙的起裂、发展、贯通情况以及裂隙条数和裂隙开度参数；
③运用孔裂隙特征分析系统软件对CT图像进行二值化处理，获得裂隙几何形态参数，通过分析研究几何形态参数的变化，计算煤岩体的损伤变量、分形维数D、裂隙分布初值的对数值和裂隙的宽度概率密度函数，对煤岩体的致裂效果进行精准的定量评价分析；
④将原始的CT图像通过复制保存，然后运用区域分割法预处理后导入三维重建软件中进行三维立体重构，实现更高级的几何立体显示，获取裂隙面的三维评价指标：体分形维值D′、裂隙面的倾角β以及体密度t和连通率η，进而从不同角度对煤岩体试样的致裂增透效果做出全面、整体的研究分析；
所述裂隙面的倾角β，即裂隙面与水平面的夹角；连通率η，即裂隙面在沿该裂隙面发展的破坏面上所占的比率，表征裂隙在空间上的连通情况；体密度t，即裂隙面面积除以试件体积，表征煤岩体的整体致裂效果；
⑤结合以上裂纹扩展计技术、超声波检测技术与CT扫描图像分析技术，从二维、三维角度对裂纹开裂扩展过程进行分析，最后形成低渗透性煤岩体致裂增透效果的综合评价。
6.如权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述裂隙的几何形态参数包括裂隙条数、裂隙节点数、裂隙总长度、裂隙平均宽度及裂隙率；所述裂隙率为裂隙面积占煤样面积的百分比，从总体上反映致裂后煤体的开裂程度；裂隙节点数是交点与端点的个数之和，在一定程度上反映了煤体裂纹的复杂程度，其中交点为至少有3条裂隙相交的点，端点为孤立裂隙的末梢点；裂隙条数Nt反应裂隙分布的密度情况；裂隙总长度和裂隙平均宽度是裂隙的基本几何参数，反映裂隙的贯通程度。
7.如权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述损伤变量包括：
单个试件的裂隙总长度定义损伤变量DL：
Figure FDA0003799463840000041
单个试件的裂隙平均宽度定义损伤变量DW：
Figure FDA0003799463840000042
单个试件的裂隙总条数定义损伤变量DN：
Figure FDA0003799463840000043
单个试件的裂隙率定义损伤变量DR
Figure FDA0003799463840000044
式(10)、(11)、(12)、(13)中，△L、△W、△N、△R分别为致裂后试件裂隙相比原始试件增加的长度、宽度、条数及裂隙率；L、W、N、R分别为原始试件裂隙的长度、宽度、条数及裂隙率。
8.如权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述分形维数D的数值计算采用裂隙长度-条数分形测量方法，即依次统计裂隙长度L大于等于l1，l2，l3，l4，……ln个像素的裂隙条数N(L)，记为n1，n2，n3，n4，……nn；若这个分布符合分形分布，则裂隙长度-条数服从N(L)∝L(-D)，写成等式为
N(L)＝A0L-D (14)
式(14)两端取对数，有
lnN(L)＝-DlnL+lnA0 (15)
式(15)中：A0为裂隙数量的分布初值；D为煤岩裂隙数量分布的分形维数；
裂隙宽度概率密度函数f(w)：
Figure FDA0003799463840000051
式(16)中：ΔNi为裂隙宽度在wi和wi+Δw之间的裂隙数，
N0为裂隙总数，
f(w)为裂隙宽度在wi和wi+Δw之间的裂隙数占所有裂隙数的比例。
9.如权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述体分形维值D′的数值计算采用盒维数计算方法：设N(ε)是能够覆盖住一个点集F的直径为ε的小球或边长为ε的立方体盒子的最小数目，则定义这个点集的容量维数为
Figure FDA0003799463840000052
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