煤系地層超臨界CO2壓裂現(xiàn)狀及研究進展

梁衛(wèi)國，武鵬飛，王磊，姜玉龍

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

1 引言

煤層氣是二十一世紀在國際上崛起的潔凈、優(yōu)質能源和化工原料。我國的煤層氣資源十分豐富，是世界上繼俄羅斯、加拿大之后的第三大煤層氣儲藏國[1]，占世界排名前12位國家資源總量的13%[2]。我國45個聚煤盆地埋深2 000 m 以淺的煤層氣資源儲量約為36.8萬億m3[3-6]。

煤層的透氣性是影響煤層氣抽采效果的決定性因素，而國內95%的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的煤層透氣性系數(shù)為0.04 m2/(MPa2·d)～0.004 m2/(MPa2·d)，遠低于可抽采的0.1 m2/(MPa2·d)的要求，煤層氣抽采效果差，目前用于煤層增滲的主要技術手段之一為壓裂技術。自1947年美國Kansas第一次水壓致裂試驗成功，壓裂技術迅速發(fā)展，壓裂增滲從理論到應用都取得了豐碩的成果，采用壓裂技術進行增滲已成為石油井、天然氣井、非常規(guī)天然氣井等增滲的主要技術。

20世紀90年代起，我國開始了煤層水力壓裂工藝的相關研究，此后，以各種壓裂介質（清水、CO2、超臨界CO2、泡沫等）為媒介的煤層壓裂技術在我國快速發(fā)展。近年來，超臨界二氧化碳（SC-CO2）因為兼具無水壓裂和傳統(tǒng)水力壓裂的優(yōu)點，近年來倍受關注。

SC-CO2是指CO2在溫度和壓強均處于臨界點之上(溫度31.4℃，壓力7.38 MPa)的一種狀態(tài)。SC-CO2不僅容易制備，而且具有一些獨特的物理化學性質：密度接近于液體，黏度接近于氣體，擴散系數(shù)遠大于液體，表面張力接近于零，對甲烷兼具置換驅替的效果，對煤中的烴類化合物具有較高的溶解度。

2 國內外ScCO2壓裂研究現(xiàn)狀及存在問題

2.1 關于壓裂起裂擴展理論研究

目前，關于壓裂裂紋起裂及擴展理論，國內外學者進行了大量研究，Gidley[7]（1989）、馮彥軍[8]（2002）、鄧廣哲[9]（2014）、Sampath[10]（2019）等都曾對該技術的發(fā)展作了總結與研究，其理論體系主要建立在彈性力學及線彈性斷裂力學理論基礎之上，即假設煤巖材料為脆性、線彈性，均質且各向同性材料。裂縫起裂準則一般基于：巖石的抗拉強度準則、斷裂力學破壞準則、亦或Mohr-Coulomb準則，即認為當煤系地層中裂紋起裂時，煤巖體中的有效拉應力超過煤巖的抗拉強度與最小地應力，煤巖起裂，發(fā)生脆性破裂。

由上所述，目前裂紋起裂擴展的研究主要是針對理想線彈性材料、單裂紋的起裂擴展，而在非均質多孔介質的煤巖體內，由于SC-CO2具有更為復雜的流動特性，黏度低，密度高，慣性項作用顯著，會呈現(xiàn)出明顯的湍流，相較于傳統(tǒng)的水壓致裂，更易于出現(xiàn)多裂縫結構，傳統(tǒng)的單裂縫擴展理論已經(jīng)不足以用來描述ScCO2壓裂裂紋擴展。

2.2 關于SC-CO2壓裂研究

鑒于SC-CO2特有的物理化學性質，其壓裂效果相較于水力壓裂呈現(xiàn)出特有的優(yōu)越性，近年來國內外學者對SC-CO2及水力壓裂進行了許多試驗研究。Tsuy?oshi Ishida 等[11]采用花崗巖試件，對比分析了SC-CO2、液態(tài)CO2與水三種壓裂介質壓裂的裂縫擴展規(guī)律，研究表明SC-CO2產(chǎn)生的壓裂裂縫形態(tài)更為復雜，而清水產(chǎn)生的裂縫較為單一，并且超臨界狀態(tài)下的破裂壓力較低，本團隊在實驗過程中也初步揭示類似現(xiàn)象。Yushi Zou[12]采用SC-CO2對砂巖進行了壓裂實驗，實驗證明SC-CO2促進了層理面和天然裂縫的擴張或剪切，即使在高水平差分應力的情況下也會形成復雜的裂縫網(wǎng)絡。Zhang[13]等考慮到頁巖在不同層理方位影響下的各向異性，對不同SC-CO2注入速率條件下的破裂壓力進行了實驗研究。Jiang[14]等研究了不同三軸壓力條件下SC-CO2壓裂過程中頁巖的起裂壓力和裂縫擴展規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)原巖應力的增加會引起起裂壓力的增大，預制裂紋會影響裂紋擴展的方向。Wang[15]、Chen[16]等對SCCO2壓裂進行了數(shù)值分析，對相關壓裂參數(shù)進行了優(yōu)化。賀偉[17]等對SC-CO2作用下不同煤階煤體吸附儲存CO2膨脹變形特性進行了試驗研究。

超臨界態(tài)CO2壓裂造縫增滲效果優(yōu)勢明顯，但在壓裂煤層實際工程中還處于試驗探索開發(fā)研究階段，關于SC-CO2壓裂裂紋在煤層過程中裂縫起裂條件、擴展規(guī)律，以及符合軟弱低強度煤體的損傷斷裂模型，需要通過實驗與理論相結合的辦法，進行深入研究。

從研究內容學術方面看，SC-CO2壓裂屬于斷裂力學、彈塑性力學及損傷力學交叉研究范疇，關鍵問題是研究煤巖的物理力學特性與SC-CO2壓裂條件下裂縫起裂、擴展的關系，揭示裂紋起裂、擴展機理及裂縫形態(tài)特征規(guī)律。

上述這些研究成果從理論、室內實驗與現(xiàn)場工程方面對SC-CO2致裂裂縫的起裂、擴展進行了分析研究，取得了較為豐碩的成果。但從現(xiàn)有的研究可以看出，僅僅針對硬度較高、滲透性較好的煤層，在本煤層中實施壓裂可以起到較好的增滲效果?？傮w來說，目前壓裂技術工藝及措施等方面的研究仍有待于進一步改進與完善。由于我國瓦斯儲層地質條件復雜，鑒于SC-CO2致裂造縫的優(yōu)越性，SC-CO2壓裂煤層技術在未來發(fā)展空間廣闊。

3 SC-CO2及清水壓裂煤巖體對比實驗研究

為了對比研究超臨界CO2與清水兩種壓裂介質壓裂煤體后的造縫效果，綜合考慮實際煤系地層應力條件，基于大尺寸真三軸實驗模擬裝置，本文進行了垂直井壓裂煤層實驗模擬。實驗樣品選自山西沁水煤田左權縣鑫順煤業(yè)15#煤層貧瘦煤種，采用線切割對6個立方體煤試樣（100 mm×100 mm×100 mm）分別進行SC-CO2壓裂和清水壓裂。整個壓裂試驗過程中溫度統(tǒng)一設置為50°C，SC-CO2壓裂與清水壓裂的注入速率都恒定設為20 ml/min。實驗方案及參數(shù)見表1。

表1 壓裂實驗設置參數(shù)

在100 mm煤巖立方體試樣上表面中心處，垂直于層理方位鉆深60 mm，直徑φ5 mm 的壓裂孔。將外徑3 mm壓裂管插入50 mm深，底部留有10 mm的裸孔自由段。壓裂管與煤體孔內壁之間的空隙用高強度、耐高溫、耐CO2腐蝕膠封堵并靜置48 h，保障封孔段強度。

圖1 TCHFSM-Ⅰ型真三軸壓裂滲流裝置及壓裂示意圖

圖2 清水及SC-CO2壓裂壓力-時間曲線

從圖2 中可看出三軸應力加載條件為10/12/14 MPa 時，清水壓裂經(jīng)歷38.758 s 達到起裂壓力值16.80 MPa；SC-CO2壓裂經(jīng)歷90 s 達到起裂壓力值12.05 MPa。在三軸壓力條件為10/14/16 MPa 時，清水壓裂經(jīng)歷34.918 s 達到起裂壓力值14.34 MPa；SC-CO2壓裂經(jīng)歷54.8 s 達到起裂壓力值10.33 MPa。在三軸壓力條件為12/14/16 MPa時，清水壓裂經(jīng)歷35.7 s達到起裂壓力值20.07 MPa；SC-CO2壓裂經(jīng)歷64.2 s達到起裂壓力值14.57 MPa。對比可明顯看出相同三軸應力條件下，SC-CO2的起裂壓力值明顯低于水力壓力值。究其原因與SC-CO2擴散系數(shù)遠大于液體的物理性質有關，在其特定相態(tài)滲流作用下可擴散到煤體壓裂自由段周邊較大的范圍，對煤巖體細觀結構損傷的同時，隨著孔隙壓的增大，影響范圍內的有效應力減小，從而影響裂縫起裂條件與擴展規(guī)律。

圖3 試件表面裂紋形態(tài)

圖3 所示為清水和SC-CO2兩種壓裂介質壓裂煤體試件后的表面裂縫形態(tài)，對產(chǎn)生裂紋的試件側面及上、下面分別進行表面形態(tài)分析。其中(a)、(b)、(c)和(g)、(h)、(i)為試件上（下）表面裂縫形態(tài)；(d)、(e)、(f)和(j)、(k)、(l)、(m)、(n)、(o)為試件側面裂縫形態(tài)。從圖中可看出，主裂縫的擴展方向與傳統(tǒng)壓裂理論裂紋擴展結果相吻合，裂縫沿最大水平主應力方向擴展，由于天然層理弱面及裂隙的存在，導致主裂紋在擴展過程中會產(chǎn)生次生裂紋，其中由于SC-CO2由于其獨特的物理性質，致使其滲透性更強，可有效改變主裂縫周邊一定范圍內有孔隙壓力，導致有效應力的改變明顯，從未引起壓裂過程中產(chǎn)生更多的復雜裂紋。

4 結論

上述分析可見，SC-CO2具有極強的滲透性，加之煤巖體獨特的層理發(fā)育且多孔裂隙結構特征，SC-CO2對煤巖體的致裂并非局限于單一裂紋尖端，而是在其獨特相態(tài)滲流作用下可擴散到周邊較大的范圍，對煤巖體細觀結構損傷改變的同時，對有效應力場產(chǎn)生較大影響，從而影響裂縫起裂條件與擴展規(guī)律，與傳統(tǒng)水壓致裂有顯著差異。SC-CO2壓裂造縫效果顯著，在未來應用發(fā)展空間廣闊，對推動我國煤層氣資源的開發(fā)具有積極意義。