超臨界CO2致煤巖力學(xué)特性弱化與破裂機理

梁衛(wèi)國，賀 偉，閻紀(jì)偉

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

煤系氣包括煤層氣和煤系砂巖氣、頁巖氣以及煤系碳酸鹽巖氣等，據(jù)估算，我國2 000 m以淺的煤系氣資源總量約為82萬億m。而1 500～3 000 m埋深的煤層氣地質(zhì)資源量達(dá)到了30萬億m，大量具有工業(yè)價值的煤系氣藏賦存在埋深大于1 000 m的深部，而深部含煤地層具有高地應(yīng)力、高溫高壓、低滲透率和低含水率的特征，煤系氣規(guī)模化開發(fā)難度大。水力壓裂改造含煤地層是主要的煤系氣增滲增產(chǎn)技術(shù)，但水力壓裂面臨水資源消耗量大、環(huán)境污染和儲層傷害等系列問題。ScCO壓裂含煤地層能夠形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，尤其ScCO具有低黏度、零表面張力、強擴散、可萃取煤中有機物及較強的溫度、壓力敏感性，在改造含煤地層中具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)溫度超過31.1 ℃、壓力大于7.38 MPa，CO達(dá)到超臨界態(tài)，地下700～800 m以深的含煤地層即可達(dá)到甚至超過該臨界溫壓條件。研究ScCO致煤巖力學(xué)特性弱化與破裂機理，對CO致裂增滲開采煤系氣資源及CO地質(zhì)封存具有十分重要的意義與價值。

已有研究表明，頁巖試件經(jīng)過ScCO浸泡后其力學(xué)性能會發(fā)生改變，微觀上頁巖呈現(xiàn)微孔和中孔含量下降，而大孔含量增加，宏觀上頁巖表現(xiàn)出彈性模量下降和可壓縮性增強。CO與水生成碳酸會溶蝕頁巖中的鈣質(zhì)礦物，降低頁巖層理及天然裂縫的抗拉強度，誘導(dǎo)頁巖層理和天然裂縫的萌生。湯勇等采用數(shù)值模擬研究了CO在致密砂巖氣藏中注入、壓裂、返排的全過程，認(rèn)為CO經(jīng)歷了“液態(tài)—超臨界態(tài)—液態(tài)—氣態(tài)”的相變過程，在注入、造縫及裂縫延展階段，CO由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)，且密度和黏度發(fā)生明顯變化，提高了CO壓裂增產(chǎn)的效果。ScCO分子能夠滲入煤中納米尺度的孔裂隙中，甚至進入煤分子芳香烴之間的空隙，造成煤中芳香烴之間的作用力減小，同時ScCO萃取煤中部分有機物，導(dǎo)致煤基質(zhì)之間的結(jié)合力減弱，煤體強度降低。褐煤吸附CO后表面能下降，由于其對ScCO的吸附能力比氣態(tài)CO更強，煤基質(zhì)的膨脹量更大，造成ScCO處理后的煤體強度下降量相對更大。

含煤地層中煤體、巖體交互疊置發(fā)育，增加了儲層改造的難度。水力壓裂的滲流面積小，滲流阻力大，壓裂時在煤體、巖體中形成的裂縫相對單一，改造的儲層范圍有限。ScCO壓裂能夠減少使用大量水資源，且避免含煤地層中黏土水化膨脹帶來的儲層傷害。ISHIDA等研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖在ScCO作用下，更容易產(chǎn)生微裂縫，破裂壓力明顯下降。葉亮等發(fā)現(xiàn)液態(tài)CO和ScCO壓裂致密砂巖的起裂壓力相比于滑溜水壓裂分別降低22.1%和28.2%。李暢等研究發(fā)現(xiàn)ScCO壓裂煤層時會形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，裂縫數(shù)目更大、分叉更多、開度更小、裂紋面曲折度更高，有利于溝通顯微尺度的孔裂隙，增加CH解吸擴散速率。煤體經(jīng)過液態(tài)CO的循環(huán)凍融作用后，煤體孔隙率提高且孔隙的連通性增加，導(dǎo)致煤的滲透率增大。工程實踐也發(fā)現(xiàn)，CO壓裂改善了低滲透煤層的煤層氣抽采效果。ScCO能夠進入試樣的基質(zhì)孔隙中，導(dǎo)致基質(zhì)的有效應(yīng)力減小，從而降低試樣的起裂壓力。此外，不同相態(tài)的CO發(fā)生相變時伴隨著溫壓的改變，對試樣產(chǎn)生凍融作用，造成試樣中不同礦物的非均質(zhì)變形，試樣的抗拉強度減小，導(dǎo)致試樣更容易發(fā)生破壞。上述研究表明，ScCO不僅能夠降低花崗巖、致密砂巖和煤層等巖石的起裂壓力，而且能在煤體、巖體中形成相對復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)，增加了氣體的運移通道，提高了煤系氣的滲透性與產(chǎn)氣能力。

目前大多采用單一相態(tài)的CO壓裂砂巖、頁巖、煤層等，但對CO壓裂含煤地層時隨溫壓條件改變而發(fā)生相變，以及ScCO對含煤地層作用及煤巖破裂機理尚不夠清晰。為了深入認(rèn)識ScCO對含煤地層力學(xué)性質(zhì)的影響及煤巖破裂作用機理，在實驗室內(nèi)，筆者采用ScCO長時浸泡砂巖、煤體，研究了ScCO浸泡前后砂巖與煤體的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律及影響因素；進行了水力壓裂、液態(tài)CO壓裂與ScCO壓裂煤體實驗，筆者綜合對比分析3種不同介質(zhì)壓裂煤體時產(chǎn)生的裂縫分布特征及控制機理，討論了不同相態(tài)CO致裂煤體、砂巖的機理及優(yōu)勢，以期對未來煤系氣的多層聯(lián)合開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 含煤地層結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性

含煤巖系是一種在成因上有共生關(guān)系并含有煤層(或煤線)的沉積巖系，簡稱煤系。含煤地層的巖性主要包含煤層、砂巖、粉砂巖、泥巖和頁巖等，這些巖層相互交疊(圖1)，不同巖性的礦物組成及力學(xué)性質(zhì)相差較大，儲層物性具有明顯的非均質(zhì)性。含煤地層結(jié)構(gòu)控制煤系氣的生成、運移和賦存，對煤系氣的勘探與開發(fā)具有重要影響。含煤地層具有較強的旋回性，層序多樣，巖性變化較大，造成煤系氣內(nèi)部的氣-水關(guān)系復(fù)雜，層序地層格架、流體能量系統(tǒng)和煤巖體力學(xué)性質(zhì)是影響疊置含氣系統(tǒng)綜合開采的3個關(guān)鍵要素。

圖1 含煤地層的結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural characteristics of coal-bearing strata

含煤地層的煤體、巖體力學(xué)特性及其與儲層內(nèi)流體的耦合作用，影響并決定著含煤地層的壓裂裂紋擴展與煤系氣高效開采。而煤體、巖體力學(xué)特性又受巖性、物質(zhì)組成、地溫、地應(yīng)力、氣水含量等因素影響。常見的含煤地層中，粗砂巖的力學(xué)強度較高，粉砂巖次之，煤層的力學(xué)強度相對較低。巖層的力學(xué)特性與巖石的成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物及膠結(jié)類型密切相關(guān)，礦物成分對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響較大，例如泥巖的力學(xué)強度隨著SiO含量增大，其單軸抗壓強度和彈性模量總體呈增大趨勢。隨著碎屑顆粒粒度增大，巖石的力學(xué)強度不斷增大；隨著含水量增加，巖石的單軸抗壓強度和彈性模量均快速下降。

含煤地層中不同巖層的巖性、結(jié)構(gòu)、組分、厚度和力學(xué)性質(zhì)等具有明顯差異，從而為煤系氣的聯(lián)合開采增加了難度。煤系氣開采涉及不同層位之間的儲層改造，尤其是受含煤地層巖性和厚度的影響，需要穿層壓裂以增加儲層改造的效果，深入認(rèn)識ScCO作用下，含煤地層中煤體、巖體的力學(xué)特性變化及其對壓裂裂縫擴展的影響，是未來進行不同儲層聯(lián)合改造的必要條件。

2 超臨界CO2作用后含煤地層的力學(xué)特性

2.1 頂板砂巖力學(xué)特征變化

圖2 CO2相態(tài)圖Fig.2 CO2 phase diagram

從山西大同礦區(qū)塔山煤礦二疊系山西組、埋深400～450 m的地下鉆取煤層頂板砂巖，砂巖呈淺灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)。經(jīng)測試砂巖的主要礦物成分與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：長石(5%～10%)、石英(20%～25%)、高嶺石(1%)、巖屑(70%)。其中，礦物顆粒尺寸為0.05～0.10 mm。在實驗室加工成50 mm× 100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀巖石力學(xué)試件，鉆取方向垂直砂巖層理面，用端面磨石機打磨其平整度在0.02 mm以內(nèi)，然后將試件放于105 ℃的恒溫箱中干燥24 h。之后將試件放入高壓釜中，在壓力為10 MPa、溫度為40 ℃的ScCO中進行長時浸泡，CO的相態(tài)變化特征如圖2所示，浸泡時長分別為15，30和60 d，之后在微機伺服三軸試驗系統(tǒng)上進行單軸壓縮力學(xué)試驗(加載位移速率為0.002 mm/s)，獲得砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)。

圖3 ScCO2浸泡前后砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of sandstone before and after ScCO2 saturation

由圖3可見，隨著ScCO浸泡作用時間增長，砂巖的單軸抗壓強度和彈性模量均逐漸減小。ScCO作用15，30和60 d后，砂巖單軸抗壓強度平均值分別減小了9.10%，21.97%和48.93%，彈性模量平均值分別減小了12.78%，18.82%和27.19%，砂巖的泊松比平均值分別增加了17.02%，26.60%和44.15%(圖3)。ScCO浸泡砂巖15 d時，砂巖的單軸抗壓強度和應(yīng)變量變化較小(圖3(b))，而當(dāng)ScCO浸泡砂巖30，60 d時，砂巖的單軸抗壓強度和應(yīng)變量均發(fā)生了較大的改變(圖3(c),(d))。由于砂巖原生結(jié)構(gòu)致密，在單軸壓縮過程中，ScCO作用前后，孔裂隙壓密階段變形都不明顯(圖3)；但砂巖的塑性變形特征隨ScCO浸泡時間的增長而逐漸凸顯(圖3(c),(d))。未進行ScCO浸泡時，單軸壓縮破壞過程中，試件破壞呈顯著的脆性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線到達(dá)峰值后迅速下降；隨著ScCO浸泡時間的增加，砂巖的單軸抗壓強度不斷下降，且達(dá)到峰值強度后的應(yīng)變量增加越大，表明ScCO對砂巖具有軟化作用，導(dǎo)致砂巖由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?/p>

ScCO作用下，巖石力學(xué)特性變化的原因主要為巖石礦物組成與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變。ScCO進入砂巖微小孔裂隙中，砂巖的孔隙壓力增加，并產(chǎn)生一些新的微裂隙，造成礦物顆粒之間的黏聚力、甚至內(nèi)摩擦角減小，從而導(dǎo)致巖體破壞形式由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有浴４送猓捎贑O相變極具溫壓敏感性(圖2)，ScCO相變成液態(tài)CO或氣態(tài)CO過程中，氣體體積發(fā)生膨脹，且會引起溫度壓力的改變；而不同礦物的熱膨脹系數(shù)又存在差異，礦物晶體自身及晶體間會在不同方向上產(chǎn)生非均質(zhì)變形，導(dǎo)致巖石內(nèi)部變形開裂，微納米尺度的力學(xué)強度減小，引起巖石宏觀強度下降。當(dāng)巖石中含有部分自由水時，CO與孔裂隙中水反應(yīng)生成碳酸，碳酸釋放的H會溶解巖屑中的碳酸鹽、黃鐵礦等，從而改變巖石的細(xì)觀物理結(jié)構(gòu)，巖石顆粒之間的接觸面積減小，形成更多次生孔隙，引起孔隙結(jié)構(gòu)的結(jié)合能和巖石骨架的支撐力減弱，導(dǎo)致巖石單軸抗壓強度和彈性模量降低。

含煤地層的砂巖孔隙率小，結(jié)構(gòu)相對致密，在上覆巖層重力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下處于相對較高的應(yīng)力狀態(tài)，其破裂壓力也較高，增加了水力壓裂改造砂巖儲層的難度。ScCO浸泡砂巖后，能夠顯著降低砂巖的破裂壓力。在工程上壓裂砂巖儲層時，從井口注入CO，儲層內(nèi)CO壓力不斷增大，其相態(tài)首先轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；當(dāng)液態(tài)CO流動至砂巖層時，受地層溫度和壓力的影響，液態(tài)CO轉(zhuǎn)變成ScCO；當(dāng)壓力達(dá)到砂巖層斷裂韌度，ScCO致裂砂巖并隨著砂巖裂縫的擴展，ScCO迅速向地層擴散，持續(xù)注入CO下，裂縫不斷擴展、形成復(fù)雜縫網(wǎng)。在煤系氣開采返排階段，地層中的ScCO可能又會發(fā)生膨脹并自噴回地面，隨著儲層流體壓力減小，ScCO先后會轉(zhuǎn)變成液態(tài)和氣態(tài)。此即采用CO壓裂含煤地層過程中，受地層及CO溫度與壓力動態(tài)變化的影響，CO發(fā)生不同相態(tài)轉(zhuǎn)變，復(fù)合相態(tài)CO在滲透擴散作用下，對巖體物理力學(xué)特性進行改變?nèi)趸诮档蛢悠屏褟姸鹊耐瑫r，形成有利于氣體開采運移的理想、復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2.2 煤體力學(xué)特性變化

從山西不同礦區(qū)采煤工作面采集弱黏煤、1/3焦煤、貧瘦煤和無煙煤4種不同變質(zhì)程度的樣品。其中，弱黏煤取自山西大同煤田東周窯煤礦12號煤層，1/3焦煤取自寧武煤田軒崗礦區(qū)劉家梁煤礦2號煤層，貧瘦煤取自山西沁水煤田東緣左權(quán)縣境內(nèi)15號煤層，無煙煤取自沁水煤田寺河礦3號煤層。在實驗室加工成25 mm×50 mm的試件，試件高度方向平行層理，并在ScCO中浸泡5～20 d，之后測量試件的單軸抗壓強度與變形特征(圖 4)。圖 4顯示隨著ScCO浸泡時間的增加，4個煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即ScCO浸泡時間越長，4種煤樣的單軸抗壓強度越低，且在單軸抗壓強度峰值后的應(yīng)變量也呈增大趨勢。

圖4 ScCO2浸泡不同時間后煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal after ScCO2 saturation

ScCO浸泡作用20 d后，弱黏煤、1/3焦煤、貧瘦煤和無煙煤的單軸抗壓強度分別由12.69，8.29，11.8，15.5 MPa降至4.41，4.54，5.19，4.97 MPa，分別降低65.25%，45.24%，56.02%和67.94%，彈性模量分別由1.26，1.6，1.26，1.76 GPa降至0.43，0.76，0.54，0.6 GPa，分別降低65.87%，52.50%，57.14%和65.91%(圖4)。隨著ScCO浸泡時間增加，弱黏煤的單軸抗壓強度和彈性模量持續(xù)緩慢下降，表明ScCO對弱黏煤的力學(xué)弱化作用持續(xù)時間較長(圖4(a)，圖5)。ScCO浸泡作用的前10 d，1/3焦煤的單軸抗壓強度和彈性模量下降較為迅速，10 d后其力學(xué)強度下降變緩(圖4(b)，圖5)。ScCO浸泡5 d時貧瘦煤和無煙煤的單軸抗壓強度和彈性模量大幅降低，之后兩者的單軸抗壓強度和彈性模量均緩慢下降(圖4(c),(d),圖5)。不同煤樣力學(xué)特性弱化的差異性，表明ScCO作用程度與力學(xué)特性弱化效果對不同煤樣具有差異性。

圖5 不同煤階煤體單軸抗壓強度和彈性模量 隨ScCO2作用時間的變化特征Fig.5 Variation characteristics of uniaxial compressive strength and elastic modulus of different rank coals with ScCO2 saturation time

弱黏煤和1/3焦煤中含有較多的脂肪烴和芳香烴化合物，ScCO容易萃取這些小分子化合物(圖6)，萃取產(chǎn)物中脂肪烴主要為碳分子量從10～24的烴類物質(zhì)，芳香烴主要為含有數(shù)量不等的苯環(huán)的烴類物質(zhì)。除此以外，還有一些含氧的脂肪族和芳香族化合物，如醛類、酮類、醇類和羧酸酯類，當(dāng)脂肪烴和芳香烴被ScCO從煤中萃取出來時，導(dǎo)致煤中分子骨架間的鏈接強度減弱，即隨著ScCO作用時間增加，弱黏煤和1/3焦煤的力學(xué)特性持續(xù)降低。而貧廋煤和無煙煤中含碳的大分子物質(zhì)較多，低分子化合物含量相對較少，造成貧廋煤和無煙煤的萃取產(chǎn)物中脂肪烴含量少于弱黏煤，ScCO進入貧廋煤和無煙煤的前5 d對其有較強的萃取能力，造成貧廋煤和無煙煤的力學(xué)強度下降較快，隨后ScCO對貧廋煤和無煙煤的萃取能力降低，對煤體的力學(xué)特性弱化減小，因此ScCO作用5 d后貧瘦煤和無煙煤的單軸抗壓強度和彈性模量下降緩慢。

圖6 ScCO2對煤中物質(zhì)的萃取示意Fig.6 Schematic diagram of ScCO2 extraction

ScCO在煤體中具有吸附與有機物萃取雙重特性，對煤體的物理和化學(xué)特性均產(chǎn)生影響。主要表現(xiàn)在：①CO吸附在煤體表面引起煤基質(zhì)膨脹變形，煤體表面能減小，煤基質(zhì)之間的鏈接作用變?nèi)酰虎?煤體中部分有機物被ScCO萃取出來，煤中孔隙的連通性增加，煤基質(zhì)結(jié)構(gòu)的接觸面減小；③ ScCO與煤體中的水分形成碳酸，碳酸會溶解煤體中的部分礦物，造成煤基質(zhì)骨架與礦物質(zhì)間的黏聚力下降。因此，ScCO注入煤體后，CO吸附膨脹、有機質(zhì)萃取以及礦物質(zhì)溶解等綜合作用，導(dǎo)致煤體力學(xué)強度下降。

3 煤巖體內(nèi)裂紋起裂擴展機理

3.1 煤體內(nèi)裂紋的擴展特征

為了對比ScCO壓裂、液態(tài)CO壓裂和水力壓裂在煤體中的改造效果，采用50 mm×100 mm的無煙煤標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，在軸壓10 MPa、圍壓8 MPa條件下進行了壓裂試驗，壓裂過程中ScCO、液態(tài)CO和水的注入速率均為20 mL/min，ScCO及其試件保持恒定溫度40 ℃，液態(tài)CO、水與壓裂試件保持室溫，利用高頻傳感器實時監(jiān)測壓裂過程中壓裂流體的壓力變化(圖7)。

圖7 不同壓裂介質(zhì)壓裂過程壓力與時間關(guān)系曲線[34]Fig.7 Relationship between pressure and time in different fracturing media[34]

圖7顯示水力壓裂時前30 s水壓增加緩慢，主要是由于連接高壓柱塞泵與煤樣之間的連接管線及煤樣上的壓裂管線內(nèi)有一定體積的空隙，水由高壓柱塞泵注滿連接管線與壓裂管線的空間需要一段時間，此階段壓力增加緩慢。當(dāng)水注滿連接管線與壓裂管線后，繼續(xù)注水時煤體內(nèi)水壓力急劇增大，當(dāng)水的壓力達(dá)到煤的破裂壓力后，煤體破裂并產(chǎn)生新生裂縫，隨后水進入新生裂縫中，導(dǎo)致水的壓力快速下降。而液態(tài)CO與ScCO壓裂煤體時，打開試件前端閥門后，入口壓力很快上升到CO儲氣罐初始壓力3 MPa左右，之后由于CO具有較強的壓縮性，隨著高壓柱塞泵恒定速率增壓，煤體內(nèi)流體壓力緩慢上升。當(dāng)注入液態(tài)CO的壓力大于7 MPa后，煤體內(nèi)的CO流體壓力開始快速上升。注ScCO過程中，2個試件樣品的壓力曲線均呈緩慢上升的趨勢，與液態(tài)CO小于7 MPa時的壓力曲線增加速率基本一致，壓力曲線整體平穩(wěn)上升，且在煤體破裂后液態(tài)CO和ScCO的壓力曲線均呈緩慢下降的特征。

與水力壓裂相比，ScCO與液態(tài)CO壓裂煤體的破裂壓力明顯降低，煤中水力壓裂、液態(tài)CO壓裂和ScCO壓裂的平均起裂壓力分別是17.88，14.54和12.35 MPa。同時，水力壓裂的起裂時間最短，相比于水力壓裂，液態(tài)CO和ScCO的起裂時間分別增加了47.02%與102.62%(圖7)。ScCO壓裂與液態(tài)CO壓裂的起裂時間增加，主要是由于CO的可壓縮性高于水，且CO在煤體中的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于水的滲透系數(shù)，使得CO在煤體中的濾失遠(yuǎn)高于水的濾失，即CO分子比水分子能夠進入煤基質(zhì)中更微小的孔裂隙，煤基質(zhì)中的孔隙壓力增大而有效應(yīng)力減小，造成ScCO與液態(tài)CO的最終起裂時間遠(yuǎn)大于水力壓裂的起裂時間，但起裂壓力相對較小，且ScCO、液態(tài)CO在煤體破裂后仍能保持較長時間的高壓力，有利于增加裂縫的擴展空間。

圖8顯示不同壓裂介質(zhì)壓裂后無煙煤的表面裂縫形態(tài)存在明顯差異，水力壓裂后煤體表面裂縫形態(tài)較為簡單，僅有一條貫穿裂縫，且裂縫開度較大。而液態(tài)CO壓裂、ScCO壓裂后煤體的表面裂縫明顯增加，并出現(xiàn)了許多顯著的次生裂縫，裂縫開度也相對較小，且ScCO壓裂煤體表面產(chǎn)生的裂縫比液態(tài)CO和水力壓裂產(chǎn)生的裂縫更復(fù)雜、連通性更好，有助于溝通不同尺度的孔裂隙結(jié)構(gòu)，對煤體壓裂增滲作用的效果更好。ScCO具有很強的滲透能力，極易進入煤體微孔隙、微裂隙中，在ScCO壓裂裂縫擴展過程中遇到微裂隙、層理等天然弱面時，會轉(zhuǎn)移到這些天然弱面中擴展，在煤體中更容易形成復(fù)雜的裂縫。

圖8 不同壓裂介質(zhì)壓裂后煤體表面裂縫形態(tài)[35]Fig.8 Fracture morphology of coal surface after fracturing with different fracturing media[35]

ScCO的性質(zhì)對溫度和壓力具有較強的敏感性，溫度和壓力的微弱變化就會引起ScCO性質(zhì)的劇烈變化，如密度、黏度、擴散能力等。ScCO壓裂裂縫擴展過程中溫度與壓力的變化會使ScCO發(fā)生相變，由超臨界態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)；相變過程中，CO的體積在極短時間內(nèi)迅速膨脹，進一步增加了裂縫的寬度、影響范圍及復(fù)雜程度。當(dāng)向含煤地層持續(xù)注入氣態(tài)CO時，地層中氣態(tài)CO壓力及溫度上升并轉(zhuǎn)變成液態(tài)或超臨界態(tài)，當(dāng)液態(tài)CO或ScCO壓力大于地層破裂壓力后，地層破裂裂縫擴展，液態(tài)CO或ScCO進入新的裂縫后其壓力下降并轉(zhuǎn)變成氣態(tài)CO。CO壓裂地層的過程中，伴隨著CO持續(xù)注入及地層裂縫的擴展，CO的相態(tài)會不斷轉(zhuǎn)變，在含煤地層中產(chǎn)生了復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)。

為進一步對比分析ScCO壓裂與水力壓裂改造后的煤體滲透效果，選取尺寸為50 mm×70 mm的無煙煤在軸壓16 MPa、圍壓10 MPa條件下，分別進行ScCO壓裂與水力壓裂試驗(圖9)。壓裂試驗完成后，采用N測量壓裂試驗后軸壓12 MPa、圍壓10 MPa的煤樣滲透率，之后利用顯微CT掃描分析斷面裂縫信息，綜合評價ScCO壓裂與水力壓裂改造效果(表1)。

圖9 壓裂試驗試件Fig.9 Fracturing experimental specimens

表1 煤體壓裂前后滲透率變化[35]Table 1 Changes of coal permeability before and after fracturing[35]

表1為相同應(yīng)力條件下，采用ScCO壓裂與水力壓裂的增滲效果比較，壓裂后試件滲透率幾乎提高1～2個數(shù)量級，其中ScCO壓裂后，滲透率提高461倍，遠(yuǎn)高于水力壓裂的增滲效果。為進一步分析不同介質(zhì)壓裂后煤體內(nèi)部裂縫分布形態(tài)，選取壓裂后孔底以下10 mm處的橫斷面細(xì)觀結(jié)構(gòu)進行對比分析(圖10)，表2為該剖面CT圖中裂紋統(tǒng)計信息。與水力壓裂相比，ScCO壓裂煤體產(chǎn)生的裂紋開度更小，平均裂紋開度與水力壓裂的裂紋開度相差一倍多，但產(chǎn)生的裂紋條數(shù)更多、總長度更長(圖10)，ScCO改造后煤體的孔裂隙率大于水力壓裂作用，雖然ScCO壓裂后的裂縫開度小于水力壓裂形成的裂縫開度，但ScCO壓裂后的裂縫網(wǎng)絡(luò)分布范圍增大，即ScCO擴大了煤體中的原有裂縫網(wǎng)絡(luò)，同時形成新的裂縫并增加了連通孔隙的數(shù)量，構(gòu)成了流體運移通暢的網(wǎng)絡(luò)，能夠提高流體的運移速率，表明ScCO壓裂比水力壓裂對該無煙煤的改造效果更好。

3.2 煤體、巖體內(nèi)裂紋起裂擴展機理

3.2.1 煤體、巖體致裂破裂機理

含煤地層中的煤體、巖體受地應(yīng)力的作用，處于三向受壓狀態(tài)，壓裂時高壓流體最初沿著煤體、巖體的原生裂隙滲流，在持續(xù)注入流體的作用下，流體壓力達(dá)到煤體、巖體的臨界破裂壓力(或強度)后，煤體、巖體破裂并形成新的裂縫，隨后流體進入新生成的裂縫，并通過以上循環(huán)過程持續(xù)形成新的裂縫。不同的壓裂液對煤體、巖體表現(xiàn)出不同的壓裂特性，ScCO黏度小易濾失使其對煤體、巖體的破裂與在裂縫擴展中有較好表現(xiàn)。根據(jù)彈性理論，煤體、巖體破裂與壓裂孔周邊的應(yīng)力狀態(tài)和孔壁圍巖強度有關(guān)。

圖10 壓裂后試件孔底下10 mm處CT圖像[35]Fig.10 CT image of 10 mm below the fractured hole of the fractured specimen[35]

表2 基于顯微CT得到的裂紋參數(shù)[35]Table 2 Crack parameters based on CT[35]

壓裂孔圍巖內(nèi)任一點由三向壓力作用引起的應(yīng)力表達(dá)式為

(1)

壓裂孔圍巖內(nèi)任一點由孔壁內(nèi)流體作用于孔壁引起的應(yīng)力分布表達(dá)式為

(2)

當(dāng)壓裂液為ScCO時，隨著流體壓力增大，一部分流體將滲入孔壁周圍。由流體在壓裂孔內(nèi)徑向滲流產(chǎn)生的附加應(yīng)力場表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

根據(jù)巖石破壞準(zhǔn)則，當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到孔壁巖石的抗拉強度時，即≥時，孔壁巖石起裂破壞。其中：

(6)

因此，煤體、巖體起裂壓力是地應(yīng)力、孔壁流體壓力、濾失引起的附加壓力共同作用的結(jié)果。ScCO具有較強的滲流和吸附特性，能夠進入煤體、巖體的微小裂隙中，增加了煤體和巖體中的孔隙壓力，導(dǎo)致煤體、巖體骨架的有效應(yīng)力減小，改變了煤體與巖體的抗拉強度。此外CO在煤孔裂隙表面的吸附作用，導(dǎo)致煤體中產(chǎn)生相同的拉應(yīng)力，同時ScCO對煤中有機物的萃取導(dǎo)致煤體強度下降，引起煤體、巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，導(dǎo)致煤體、巖體的抗剪強度下降(圖11)，因此ScCO壓裂煤體時起裂壓力明顯小于水力壓裂的起裂壓力。

圖11 注入CO2后煤體力學(xué)強度變化示意Fig.11 Schematic diagram of mechanical strength change of coal after CO2 injection

圖11中，ScCO作用過程煤體狀態(tài)經(jīng)歷了Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ變化，其中，為剪應(yīng)力；，′，″，，′3，″3，，′，″分別為狀態(tài)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所對應(yīng)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、黏聚力;為內(nèi)摩擦角。

3.2.2 裂縫擴展機理

壓裂過程中主裂縫一般沿著最大主應(yīng)力方向擴展，將壓裂的裂縫擴展問題視為含Ⅰ型裂縫的平面裂縫問題，根據(jù)Irwin脆性斷裂準(zhǔn)則，當(dāng)應(yīng)力強度因子大于斷裂韌度時，裂縫擴展。以理想的無限大彈性體內(nèi)的圓盤形(半徑為)水力裂縫為例，應(yīng)力強度因子為

(7)

其中，為應(yīng)力強度因子，MPa·m；為裂縫內(nèi)流體壓力，MPa；為裂縫長度，m。

圖12 煤體斷裂韌度與ScCO2浸泡時間的關(guān)系[38]Fig.12 Relationship between coal fracture toughness and ScCO2 saturation time[38]

4 分析與討論

4.1 ScCO2壓裂與水力壓裂對煤巖體的作用差異

ScCO壓裂形成的裂縫數(shù)量與增滲效果是水力壓裂的數(shù)十倍(表1)，且裂縫以羽狀形式擴展，相比水力壓裂形成的單一裂隙，ScCO壓裂煤巖體能夠形成多分叉、高曲折度、擴展距離遠(yuǎn)的裂縫，從而促進了不同尺度孔裂隙的連通。CO或水飽和作用后，煤巖試件的力學(xué)強度均不同程度下降。ScCO還會與煤中礦物發(fā)生反應(yīng)，造成煤基質(zhì)骨架與礦物的接觸部分減小，導(dǎo)致煤體的破裂壓力下降。煤對CO氣體具有較強的吸附作用力，且煤的孔裂隙越小對CO的吸附力越強，CO容易擴散到煤中微小孔裂隙內(nèi)，并使得其在煤基質(zhì)中的分布相對均勻。相比水進入煤體后主要在較大的孔裂隙賦存，CO能夠擴散到煤基質(zhì)中的微小孔、裂隙中，深入到煤體的微觀結(jié)構(gòu)中，分布范圍更廣，增加了煤體的孔隙壓力，導(dǎo)致煤基質(zhì)間的有效應(yīng)力和聚合力下降范圍更大。ScCO萃取煤中的脂肪族和芳香烴類物質(zhì)后，導(dǎo)致煤體強度降低，即ScCO能夠從多方面降低煤體的強度，促進煤體破裂及裂縫擴展，并形成較復(fù)雜的體積裂縫。

水力壓裂時，由于水分子的黏度大，且與煤中孔隙、裂隙之間產(chǎn)生較強的毛細(xì)作用力，尤其在較小孔喉處產(chǎn)生了較強的阻力，導(dǎo)致水分子無法向微孔隙、微裂隙運移，并造成煤中裂隙尖端存在真空區(qū)(圖13(a))。而ScCO的分子黏聚力較弱，并與煤具有較強的吸附作用力，CO分子能夠深入到煤中裂隙的尖端(圖13(b))，改變煤體的強度與力學(xué)特性，降低了煤體的起裂壓力。同時在煤體起裂的瞬時低壓期間，裂縫尖端的高溫?zé)崃磕苎杆贁U散到低溫流體中，從而在裂縫尖端產(chǎn)生的熱應(yīng)力加速煤巖體的損傷破壞，有利于煤體破裂與裂縫擴展。由于CO的強吸附作用，導(dǎo)致煤體發(fā)生膨脹變形并引起部分裂隙閉合，與此同時在煤體內(nèi)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，相當(dāng)于對裂隙產(chǎn)生了等強度的拉應(yīng)力，導(dǎo)致煤體的抗拉強度下降并更容易發(fā)生破壞。當(dāng)向含煤地層中注入CO后，CO氣體極易達(dá)到液態(tài)或超臨界態(tài)。ScCO注入煤體的過程中，其壓力曲線變化的斜率小于注水壓力曲線的斜率，表明ScCO更容易注入巖石且導(dǎo)致巖石的破裂壓力減小。此外，再加上復(fù)合相態(tài)CO對煤體、巖體的弱化作用，導(dǎo)致煤體、巖體的破裂壓力進一步減小。

圖13 水力壓裂與CO2壓裂煤層時裂縫尖端的特征Fig.13 Characteristics of crack tip during hydraulic fracturing and CO2 fracturing of coal seams

4.2 ScCO2壓裂待解決的問題

ScCO壓裂增滲、提高含煤地層煤系氣開采效率，是典型的地質(zhì)學(xué)、煤巖體力學(xué)、流體力學(xué)、吸附科學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科交叉的固流熱傳質(zhì)多場耦合問題，其基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系研究還需要持續(xù)深入進行，作者認(rèn)為包括但并不限于如下幾點：

(1)研究與含煤地層相匹配的ScCO壓裂液體系，使其適用于低滲致密煤巖儲層，能夠改善含煤地層的孔裂隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)，提高壓裂液進入低滲透儲層微觀孔裂隙的能力，增加微觀裂隙與微米、納米尺度孔隙的連通性；研制與ScCO匹配的低密度、高強度、低成本的支撐劑，以提高ScCO的支撐劑攜帶能力，并形成煤巖體儲層內(nèi)跨尺度縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增強復(fù)雜縫網(wǎng)的張開性，增加氣體運移的通道。

(2)針對含煤地層中不同巖性地層的交叉互層分布特征，研究ScCO穿層壓裂機理及控制技術(shù)，結(jié)合不同煤巖體ScCO壓裂時的斷裂條件與裂縫擴展機理特征，揭示ScCO壓裂時裂縫垂向穿層擴展機理，精準(zhǔn)控制ScCO合層壓裂、分層壓裂與穿層壓裂，從而形成含煤地層煤系氣高效綜合開采的復(fù)雜裂縫導(dǎo)流系統(tǒng)。

(3)建立ScCO壓裂時煤體、巖體破裂與裂縫擴展的理論模型，研究ScCO壓裂不同巖性地層的數(shù)值模擬方法，開展ScCO致裂機理的物理仿真實驗研究，提出適合于深部含煤地層特殊地質(zhì)條件控制致裂技術(shù)，為深部含煤地層煤系氣的開采提供理論技術(shù)支撐。

(4)針對含煤地層多層疊置分布的特征，建立含煤地層ScCO壓裂效果評價技術(shù)體系，查明不同巖層ScCO壓裂的影響因素及控制機理；研發(fā)ScCO壓裂與驅(qū)替CH開發(fā)地質(zhì)工程一體化技術(shù)，減少工程施工程序，提高煤系氣開采效率。

5 結(jié) 論

(1)隨著ScCO對砂巖和煤的浸泡時間增加，砂巖和煤體的力學(xué)強度均呈下降趨勢，且煤體的力學(xué)強度降幅高于頂板砂巖。對頂板砂巖而言，ScCO滲入巖體內(nèi)部，不僅增大了礦物晶間距離，而且通過酸化作用改變了礦物的結(jié)構(gòu)與組分，從而降低砂巖的力學(xué)強度。而ScCO對煤體力學(xué)性質(zhì)的弱化則主要為有機質(zhì)萃取、吸附膨脹與礦物酸化反應(yīng)綜合作用，且發(fā)現(xiàn)ScCO有機質(zhì)萃取作用對低階煤力學(xué)特性弱化影響要大于高階煤。

(2)由于CO分子、特別是ScCO分子具有極強的滲透性，能夠進入煤體的微孔隙和微裂隙，并由于其在煤體內(nèi)較強的吸附性而產(chǎn)生吸附所致膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致煤體發(fā)生膨脹變形，相當(dāng)于對煤體裂隙產(chǎn)生了等強度的拉應(yīng)力作用；疊加ScCO對煤體內(nèi)有機物的萃取作用，使煤基質(zhì)固體骨架上的有效應(yīng)力與煤體的斷裂韌度或抗拉強度均大幅降低，最終降低了ScCO壓裂煤體時的破裂壓力，有利于煤體壓裂破裂與裂紋擴展并在煤體中形成復(fù)雜縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

(3)與水力壓裂相比，ScCO壓裂煤體、巖體效果更佳。其根本在于CO特別是ScCO的強擴散性、強吸附性和強萃取性，使其能夠最大限度地進入煤體、巖體微裂縫的尖端，弱化降低煤體、巖體強度與力學(xué)特性，促進裂紋快速破裂擴展。利用含煤地層的高溫高壓條件及CO壓裂過程中復(fù)合相態(tài)不斷轉(zhuǎn)變，有利于增加含煤地層微觀裂隙的擴展尺度與范圍，提高含煤地層煤系氣的開采效率。