干熱巖熱儲(chǔ)建造的二氧化碳爆破致裂器優(yōu)化設(shè)計(jì)

夏杰勤，竇斌，徐超，田紅，鄭君，崔國(guó)棟，谷俊廷，陳勁*

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2.地球深部鉆探與深地資源開發(fā)國(guó)際聯(lián)合研究中心，湖北武漢430074；3.河北省地礦局第一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邯鄲056001）

0 引言

隨著全球化石燃料的加速減少及開發(fā)利用所帶來的環(huán)境污染日益加劇，藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、北方冬季清潔供暖工作向縱深推進(jìn)［1］，以干熱巖型地?zé)豳Y源為代表的新型清潔能源愈發(fā)受到廣泛關(guān)注［2］。干熱巖地?zé)崮苁且环N儲(chǔ)藏在地殼深處巖石中的熱能，具有資源量大、分布廣、熱能持續(xù)穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，是未來新能源利用的一個(gè)重要方向［3-6］。

溫度與深度雙重因素導(dǎo)致干熱巖型地?zé)豳Y源開發(fā)難度大，并且熱儲(chǔ)巖體中沒有良好的流體介質(zhì)換熱通道，無法達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化開采要求，因此熱儲(chǔ)層建造成為干熱巖熱能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。目前干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層建造基本沿用油氣行業(yè)水力壓裂技術(shù)［7］，但水力致裂技術(shù)只能在垂直于最小主應(yīng)力方向上形成一條主裂縫且受地應(yīng)力場(chǎng)的影響較大。氣體致裂技術(shù)可由單一主裂隙向鉆孔多方向擴(kuò)展延伸，裂隙破裂面增大，表現(xiàn)為曲折復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)［8］，改造效果顯著。二氧化碳高壓氣體爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓氣體瞬間釋放沖擊儲(chǔ)層巖石的動(dòng)態(tài)致裂［9-10］，具有爆破壓力大且可控、爆破作業(yè)時(shí)間短、爆破裝置簡(jiǎn)易、適用性強(qiáng)并可重復(fù)利用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠等眾多優(yōu)勢(shì)。二氧化碳爆破從理論研究、設(shè)備研制到實(shí)際應(yīng)用［11-12］已經(jīng)建立了一套成熟的體系，但都只能用于淺層巖體開采，尚不能用于深井高溫高壓環(huán)境。

大井深、高溫高壓的開采環(huán)境給二氧化碳爆破壓裂干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層帶來了一定的技術(shù)難題；同時(shí)干熱巖儲(chǔ)層多為花崗巖這類致密堅(jiān)硬的巖石，所需爆破壓力極高。二氧化碳高壓氣體爆破要想成功建造商業(yè)化干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層，致裂器爆破成功的基礎(chǔ)上還需滿足其釋放的能量大于巖體的屈服強(qiáng)度。前期徐超等［13］分析了二氧化碳爆破用于干熱巖儲(chǔ)層建造的可行性，從理論角度對(duì)二氧化碳致裂器的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單改進(jìn)。李艷麗［14］等分別從密封性、可連接性、材質(zhì)的選擇及制造的工藝流程等方面對(duì)二氧化碳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了具體的要求。黃園月等［15］研制并設(shè)計(jì)出了二氧化碳致裂器快速充裝系統(tǒng)，自動(dòng)化控制充裝管路的液態(tài)二氧化碳的壓力、充裝質(zhì)量以及充裝泵的環(huán)境溫度。Chen等［16］設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測(cè)液態(tài)二氧化碳爆破過程沖擊波壓力的試驗(yàn)裝備，便于深入研討二氧化碳爆破作用機(jī)理。Hu等［17］深入研究氣體爆破基礎(chǔ)上提出了一種新的二氧化碳靜態(tài)氣動(dòng)壓裂技術(shù)。想要成功在干熱巖儲(chǔ)層壓裂出貫通的體積裂隙網(wǎng)絡(luò)，還需對(duì)二氧化碳致裂器內(nèi)部參數(shù)重新設(shè)計(jì)以及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，才能夠用于干熱巖地?zé)衢_發(fā)。

1 二氧化碳爆破致裂技術(shù)

二氧化碳爆破是一個(gè)物理相變氣體膨脹做功的過程，液態(tài)二氧化碳吸收活化器產(chǎn)生的大量熱能后，可在20～40 ms內(nèi)迅速氣化，體積瞬間膨脹600多倍并產(chǎn)生高壓，當(dāng)氣體壓力達(dá)到定壓剪切片極限強(qiáng)度，定壓片發(fā)生破壞，高能二氧化碳?xì)怏w瞬間從前端泄能口釋放，作用于巖體，進(jìn)而產(chǎn)生裂隙。常用的致裂器爆破壓力為200～250 MPa，換算后，相當(dāng)于0.15～0.18 kg的TNT爆炸當(dāng)量，釋放能量達(dá)622～782 kJ，爆破壓力及爆破能量可觀。

完成二氧化碳高壓氣體爆破技術(shù)的設(shè)備主要由充裝系統(tǒng)、爆破系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。充裝系統(tǒng)包括二氧化碳儲(chǔ)藏罐、二氧化碳充裝機(jī)、二氧化碳旋緊機(jī)等；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要為溫度、壓力監(jiān)測(cè)儀器；爆破系統(tǒng)是關(guān)系到實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，包括致裂器與高能脈沖起爆器。其中適用于干熱巖儲(chǔ)層建造的致裂器改造是本文研究的重點(diǎn)，僅對(duì)致裂器結(jié)構(gòu)等做詳細(xì)介紹。

致裂器由充能頭、活化器、儲(chǔ)液管、定壓片、墊片及泄能頭等組成（見圖1）。充能頭、儲(chǔ)液管與泄能頭以螺紋相連，材質(zhì)均為42鉻鉬鋼，整體長(zhǎng)度910 mm，外徑95 mm，俗稱為95型致裂器。

充能頭負(fù)責(zé)充入液態(tài)二氧化碳；泄能頭為裝置激發(fā)后高能二氧化碳?xì)怏w的出口通道；活化器是為儲(chǔ)液管內(nèi)液體二氧化碳提供熱能的一個(gè)復(fù)合裝置；定壓片的目的是控制管內(nèi)二氧化碳?xì)怏w壓力，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，且高于定壓片破裂壓力時(shí)使其破裂，氣體沖出。圖2為活化器與定壓片實(shí)物圖。

圖1 二氧化碳致裂器實(shí)物與結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Photo and structure of the carbon dioxide initiator

圖2 活化器與定壓片實(shí)物Fig.2 Activator and rupture disc

2 用于干熱巖開采的二氧化碳致裂器

在滿足爆破成功的基礎(chǔ)上，爆破力的設(shè)計(jì)是成功建造干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層的前提，因此理清二氧化碳爆破機(jī)理，確定合適的致裂器內(nèi)部爆破參數(shù)至關(guān)重要。同時(shí)還要保證致裂器能夠抵達(dá)爆破點(diǎn)，在高溫高壓的工作環(huán)境成功開展爆破作業(yè)，其外部結(jié)構(gòu)必將不同于常規(guī)致裂器。

基于上述要求，根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研后，設(shè)定致裂器的最大爆破力為深部圍壓環(huán)境下儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度500 MPa；根據(jù)氣體狀態(tài)方程VHL的變量相互關(guān)系［12］，確定利于實(shí)現(xiàn)的溫度范圍；依據(jù)溫度、壓力數(shù)值，求解出Vm=V/n。調(diào)研目前石油鉆探行業(yè)的鉆桿常用尺寸，設(shè)計(jì)致裂器的外觀尺寸：內(nèi)外徑、長(zhǎng)度、容積等；結(jié)合二氧化碳爆破機(jī)理確定定壓片厚度及二氧化碳充裝量；計(jì)算所設(shè)溫度及充裝量下，活化器所需釋放的熱量，通過類比確定所設(shè)計(jì)的致裂器活化器的質(zhì)量。再依次對(duì)保溫隔熱環(huán)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防爆通道及末端螺紋進(jìn)行優(yōu)化。最終形成可用于深井下爆破的致裂系統(tǒng)。相關(guān)步驟見圖3。

圖3 適用于干熱巖儲(chǔ)層改造的致裂器設(shè)計(jì)步驟Fig.3 Design steps for the fracturing device suitable for hot dry rock reservoir reconstruction

2.1 二氧化碳爆破因素研究

二氧化碳致裂器是否成功爆破取決于活化劑用量、定壓片厚度以及二氧化碳充裝量，研究三者變量和爆破情況相關(guān)規(guī)律，對(duì)合理確定組合參數(shù)，提高致裂器工作效率，優(yōu)化致裂器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

基于上述目的，開展了系列室外爆破試驗(yàn)（地表常溫下），以活化劑用量、定壓片厚度、二氧化碳充裝量為實(shí)驗(yàn)變量測(cè)試了95型致裂器的爆破效果。

控制定壓片厚度4.0 mm和二氧化碳充裝量1.31 kg，活化劑用量從250 g增至300 g，致裂器從無法引爆至引爆成功。控制定壓片厚度4.5 mm和活化劑用量250 g，二氧化碳充裝量從1.40 kg增至1.51 kg，致裂器從無法引爆至引爆成功。以4.0、4.5、5.0 mm為梯度增加定壓片厚度，控制活化劑用量為250 g，能夠成功引爆所需的二氧化碳充裝量分別為1.49、1.51、1.59 kg?？梢钥闯龌罨瘎┯昧亢投趸汲溲b量一定程度上對(duì)引爆情況表現(xiàn)為正向積極作用，且兩者相互影響爆破結(jié)果；定壓片厚度則表現(xiàn)為負(fù)向消極作用。

2.2 二氧化碳致裂器內(nèi)部參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 預(yù)設(shè)爆破力

干熱巖儲(chǔ)層多為花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖及黑云母片麻巖等，巖石堅(jiān)硬、完整性好、滲透率極低。同時(shí)儲(chǔ)層巖體的抗壓強(qiáng)度還受到所處環(huán)境的影響，選取花崗巖巖樣不同圍壓和強(qiáng)度之間的關(guān)系為：

強(qiáng)度隨溫度的增加先增加后減少，400℃是巖樣三軸抗壓強(qiáng)度的一個(gè)拐點(diǎn)，此后隨著溫度的升高，巖樣的抗壓強(qiáng)度不斷下降。由于深埋地下的干熱巖體在結(jié)晶時(shí)就處于高溫狀態(tài)，溫度對(duì)巖石強(qiáng)度的劣化顯得微弱。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)探究的規(guī)律，將二氧化碳致裂器的爆破力設(shè)為500 MPa。

2.2.2 二氧化碳充裝量和活化劑用量

二氧化碳爆破時(shí)，活化器瞬間被點(diǎn)燃產(chǎn)生大量的熱量，液態(tài)二氧化碳吸收能量相變，管體內(nèi)的壓力急劇升高，液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為超臨界狀態(tài)?；罨髦饕怯糜谙到y(tǒng)供能，提供激發(fā)熱能，溫度指標(biāo)可以直接反映活化器作用效果。采用真實(shí)氣體狀態(tài)方程即Pen-Robinson方程，簡(jiǎn)稱P-R方程，確定液態(tài)二氧化碳激發(fā)溫度為400 K。

再通過研究高溫高壓狀態(tài)下的氣體VHL方程［18］準(zhǔn)確描述二氧化碳爆破過程中氣體組分高溫高壓熱力學(xué)狀態(tài)，確定爆轟環(huán)境下氣體的壓力、體積和溫度（PVT）熱力學(xué)關(guān)系（圖4）。通過matlab得到適合的二氧化碳?xì)怏w體積，最后計(jì)算出滿足干熱巖儲(chǔ)層爆破壓力的二氧化碳充裝量為4 kg。

圖4 氣體狀態(tài)方程VHL的變量相互關(guān)系Fig.4 Relationship between the variables of the gas state equation VHL

活化器釋放的熱量Q主要用于液態(tài)二氧化碳?xì)饣疩l和氣體二氧化碳?xì)怏w升溫Qv，其中滿足Q=Ql+Qv。通過以前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（活化劑用量/定壓片厚度/二氧化碳充裝量）（250/5.0/1.50）為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中達(dá)到的最高溫度為405.8 K，二氧化碳充裝量為1.50 kg，計(jì)算得到250 g的活化器釋放的熱量為565.272 kJ，預(yù)設(shè)的4 kg二氧化碳，升高溫度至400 K所需熱量為1482.51 kJ，相當(dāng)于前者的2.62倍，需要655.66 g的活化器藥量。

2.2.3 定壓片厚度

干熱巖儲(chǔ)藏于地層深部，二氧化碳致裂器上下提取、實(shí)施精準(zhǔn)爆破需要依靠鉆桿配合運(yùn)輸。故調(diào)研了目前國(guó)內(nèi)常用鉆桿的技術(shù)參數(shù)（見表1）。為給保溫隔熱環(huán)的厚度設(shè)計(jì)留下足夠尺寸，選取公稱直徑為5 in（1 in=25.4 mm，下同）的鉆桿，確定外徑為127 mm，厚度至少為9.5 mm，長(zhǎng)度9.6 m。

表1 常用鉆桿技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of common drill pipes

定壓片的設(shè)計(jì)需要根據(jù)爆破力與內(nèi)壓作用面的直徑來確定，在500 MPa條件下，定壓片厚度與內(nèi)壓作用面直徑成正比。圖5中陰影區(qū)域表示定壓片厚度超過設(shè)計(jì)范圍，不能完成爆破的情況。為防止井下作業(yè)時(shí)鉆井液對(duì)致裂器的腐蝕破壞，出現(xiàn)定壓片厚度減小或定壓片結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終影響爆破效果，特設(shè)計(jì)雙定壓片結(jié)構(gòu)，靠外側(cè)定壓片直徑與內(nèi)側(cè)定壓片的相同，僅在厚度及材質(zhì)方面有所不同，使得外側(cè)定壓片強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)側(cè)定壓片強(qiáng)度。外側(cè)定壓片材質(zhì)以防酸化、輕便及低強(qiáng)度為主。

為保證管體的強(qiáng)度達(dá)到要求，預(yù)設(shè)壁厚為20 mm，保溫隔熱環(huán)厚度為20 mm，那么內(nèi)直徑為47 mm。根據(jù)計(jì)算，定壓片厚度應(yīng)在19.0 mm左右。

2.3 二氧化碳致裂器外部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 定壓片厚度范圍Fig.5 Thickness range of the rupture disc

2.3.1 保溫隔熱材料選取

保溫隔熱環(huán)外部為鋼制材料，加上環(huán)體本身具有一定的厚度，可有效減緩致裂器下放深井過程中與套管和井壁的碰撞，使二氧化碳致裂器安全完好的到達(dá)預(yù)定起爆位置。

根據(jù)傅立葉定律，一維徑向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下，管狀結(jié)構(gòu)絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)見公式（2），按照爆破所需熱量，反推保溫隔熱層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而選擇保溫隔熱材料。

式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)；Q——通過絕熱材料的總熱量，W；r2——絕熱材料外表面半徑，m；r1——絕熱材料內(nèi)表面半徑，m；t2——絕熱材料外表面溫度，℃；t1——絕熱材料內(nèi)表面溫度，℃；l——絕熱材料有效長(zhǎng)度，m。

設(shè)計(jì)尺寸規(guī)格為：致裂器管體的外表面半徑r2=0.0635 m，保溫環(huán)的厚度為0.020 m；致裂器外側(cè)溫度參考干熱巖的開采溫度t2=300℃，不包含保溫隔熱層管體外部溫度t1=25℃；致裂器的長(zhǎng)度l=4 m。依據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算可得所用致裂器保溫隔熱層材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.04 W/(m·K)。調(diào)研相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，最終選用導(dǎo)熱系數(shù)為0.006 W/(m·K)的TDD真空絕熱保溫板。

2.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)

致裂器管壁內(nèi)外側(cè)設(shè)有溫度、壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深井破巖二氧化碳致裂器的內(nèi)部狀態(tài)，且與中心控制器相連，輸出結(jié)果通過無線發(fā)射傳輸信息至遠(yuǎn)程控制終端，地面操控人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深井中的致裂器內(nèi)部狀態(tài)并對(duì)緊急情況做出及時(shí)的處理。

2.3.2.1壓力傳感器

經(jīng)過篩選，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終可選擇OMEGA公司生產(chǎn)的PX91N0-10KSV型壓力傳感器，OMEGA的PX91系列是堅(jiān)固的超高溫壓力傳感器系列，完全密封，具有全不銹鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用于高溫的試驗(yàn)箱。

2.3.2.2溫度傳感器

溫度傳感器最終選擇K型熱電偶，是一種廣泛應(yīng)用的溫度傳感器，具有熱電動(dòng)勢(shì)較大、測(cè)量精度高、靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性和均勻性較好等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量范圍-200～1300℃，符合本實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)試要求。

2.3.3 防爆系統(tǒng)

為防止致裂器運(yùn)輸過程中高溫和碰撞導(dǎo)致液態(tài)二氧化碳局部受熱膨脹，發(fā)生自爆等不安全現(xiàn)象，在充能頭內(nèi)設(shè)置了啟閉閥門與防爆通道組成防爆系統(tǒng)，可小范圍調(diào)節(jié)管體內(nèi)壓力。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到管體內(nèi)壓力小范圍上升時(shí)，中心控制器開啟指令啟閉閥門，通過泄去小部分二氧化碳平衡管體內(nèi)溫度和壓力，當(dāng)管內(nèi)溫壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)啟閉閥門接受指令關(guān)閉。部件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意Fig.6 Design of the explosion-proof system

2.3.4 連接設(shè)計(jì)

通過在充能頭外設(shè)置有可與母頭鉆桿相連接的螺紋，二氧化碳致裂器可置于鉆桿前端，隨鉆桿下放到深井預(yù)定位置，解決了二氧化碳致裂器井下運(yùn)輸問題。因總體為圓柱螺紋，外螺紋牙型選擇三角形細(xì)螺紋，細(xì)牙的螺距小，升角小，自鎖性能更好，可用于細(xì)小零件薄壁管中，有振動(dòng)或變載荷的聯(lián)接，以及微調(diào)裝置等，可以很好地連接致裂器和鉆桿。

3 結(jié)論

（1）揭示了活化劑用量、定壓片厚度、二氧化碳充裝量為影響二氧化碳致裂器爆破的主要因素?；罨瘎┯昧亢投趸汲溲b量越多，定壓片厚度越小，致裂器爆破的可能性越大。

（2）設(shè)計(jì)了用于干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層建造的二氧化碳致裂器內(nèi)部參數(shù)。氣體爆破力500 MPa、激發(fā)溫度400 K、活化器質(zhì)量655.66 g、內(nèi)腔直徑47 mm、定壓片厚度19 mm，且二氧化碳成功引爆的基礎(chǔ)上滿足致裂建造干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層的爆破壓力。

（3）優(yōu)化了用于干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層建造的二氧化碳致裂器外部結(jié)構(gòu)。選取導(dǎo)熱系數(shù)為0.006 W/(m·K)的TDD真空絕熱保溫板為保溫隔熱材料；分別選用PX91N0-10KSV型壓力傳感器、K型熱電偶為壓力、溫度傳感器監(jiān)控管內(nèi)溫壓；設(shè)置啟閉閥門與防爆通道組成防爆系統(tǒng)，根據(jù)溫壓傳感器數(shù)據(jù)智能控制與調(diào)節(jié)管體內(nèi)壓力。

（4）研制了一種可用于干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層建造的二氧化碳致裂器，為干熱巖儲(chǔ)層建造提供有效的技術(shù)手段，填補(bǔ)了耐高溫高壓的井下二氧化碳致裂器領(lǐng)域的空白。