高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析*

王海東，高佳慧，陳學(xué)習(xí)，梁忠秋，管永明，甄康哲

(1.華北科技學(xué)院，北京 101601；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，撫順 113122)

我國(guó)煤層氣(煤層瓦斯)資源豐富，開(kāi)發(fā)和利用潛力巨大，但煤層滲透率普遍偏低，一般在0.001～1.8×10-3μm2范圍內(nèi)[1],致使瓦斯抽采困難，不僅商業(yè)開(kāi)采面臨挑戰(zhàn)，而且制約煤礦安全高效生產(chǎn)[2,3]。我國(guó)的煤炭工作者對(duì)提高煤層滲透性進(jìn)行了長(zhǎng)期探索和實(shí)踐[4-8]，目前提高煤層滲透性的方法主要有開(kāi)采解放層、水力壓裂、水力割縫、深孔爆破、液態(tài)CO2(L-CO2)爆破等為代表的孔裂隙重構(gòu)技術(shù)以及注熱、微波、聲波等為代表的瓦斯強(qiáng)化解吸技術(shù)。

與以上眾多壓裂增透技術(shù)相比，L-CO2壓裂具有壓裂增透和驅(qū)替置換的雙重瓦斯強(qiáng)化抽采作用，是目前低透氣性煤層壓裂改造方法的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段關(guān)于CO2壓裂增透的研究主要集中在物理相似模擬和油氣增產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方面：盧義玉等[9]、JIANG 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了L-CO2和超臨界CO2(SC-CO2)壓裂花崗巖和頁(yè)巖試件過(guò)程起裂壓力特征[10]，發(fā)現(xiàn)CO2壓裂的起裂壓力要低于水力壓裂。樊世星等建立了L-CO2壓裂煤巖起裂壓力計(jì)算模型[11]，推導(dǎo)了水和L-CO2壓裂注液量的量化表。趙胤翔等[12]、鮑先凱等運(yùn)用高壓脈沖放電系統(tǒng)對(duì)不同強(qiáng)度的相似材料進(jìn)行水中放電致裂實(shí)驗(yàn)得出[13]：試樣強(qiáng)度越大，形成貫通裂紋所需脈沖放電次數(shù)越多，所需要的能量也就越大；同時(shí)放電電壓越高，煤樣內(nèi)部裂隙的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多、總長(zhǎng)度越長(zhǎng)、平均寬度越寬以及裂隙率越大；放電電壓越高，分形維數(shù)和裂隙分布初值的對(duì)數(shù)值越大紋后的試樣鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育越豐富。

綜上所述，目前L-CO2壓裂技術(shù)、電脈沖沖擊致裂技術(shù)的應(yīng)用仍主要集中在非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)行業(yè)，其在井下煤層增透方面的研究仍處于理論和實(shí)驗(yàn)探索階段，相關(guān)工業(yè)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，筆者類比液態(tài)CO2相變氣化的機(jī)理，提出利用電脈沖放電過(guò)程的熱效應(yīng)直接氣化液態(tài)CO2為超臨界態(tài)CO2壓裂煤體的思路，并根據(jù)自制的高壓脈沖放電激勵(lì)液態(tài)CO2壓力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)高壓脈沖放電激勵(lì)液態(tài)CO2相變過(guò)程電、熱、力多場(chǎng)耦合的復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行定量研究，為該技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下應(yīng)用提供理論支撐。

1 高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2試驗(yàn)?zāi)芰糠治?/h2>

1.1 高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2放電能量計(jì)算

高壓電脈沖放電過(guò)程，主要原理是將電容中儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換為熱能，形成高溫高壓沖擊波；C為脈沖電源的電容，U為電容充電電壓，則脈沖電源中電容存儲(chǔ)的能量WC可表示為

(1)

本次實(shí)驗(yàn)組合128個(gè)10 000 UF/400 V電容，得出容量為0.02 F/2500 V的起爆容量。通過(guò)改變起爆電壓等級(jí)分別為1500 V、2000 V、2500 V實(shí)現(xiàn)三個(gè)等級(jí)放電能量實(shí)驗(yàn)，放電能量分別為20 kJ、40 kJ、50 kJ。

1.2 超臨界態(tài)CO2反應(yīng)能量計(jì)算

CO2的物性狀態(tài)與溫度、壓力密切相關(guān)，當(dāng)溫度超過(guò)31.1℃且壓力大于7.38 MPa時(shí)，處于超臨界狀態(tài)。該狀態(tài)具有與其液態(tài)時(shí)相近的密度，粘度卻與其氣態(tài)時(shí)相似，氣爆過(guò)程的CO2各狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力、密度等可利用其物態(tài)方程計(jì)算，該物態(tài)方程是科研工作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐而總結(jié)出的較為準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式。

1996年Span和Wagner針對(duì)CO2的P-V-T數(shù)據(jù)分析研究后，共同提出了一種適用于CO2物性參數(shù)計(jì)算的基于亥姆霍茲自由能的狀態(tài)方程，簡(jiǎn)稱SW方程，其溫度適用范圍為216.59～1100 K，壓力最高可達(dá)800 MPa，計(jì)算CO2熱力學(xué)參數(shù)具有很高的精度，為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)所推薦。CO2的物性參數(shù)計(jì)算方程的具體形式如下

A(ρ,T)/(RgT)=φ(δ,τ)=φ0(δ,τ)+φr(δ,τ)

(2)

(3)

(4)

式中

Δ={(1-τ)+Ai[(δ-1)2]1/(2βi)}2+

Bi[(δ-1)2]αi

式中：A為亥姆霍茲自由能；φ為無(wú)量綱亥姆霍茲自由能；φ0為理想部分無(wú)量綱亥姆霍茲自由能；φr為殘余部分無(wú)量綱亥姆霍茲自由能；Rg為氣體常數(shù)，0.188924 kJ/(kg·K)；δ為折算密度，δ=ρ/ρc；τ為反折算溫度，τ=Tc/T；CO2臨界溫度Tc=304.1282 K，臨界密度ρc=467.6 kg/m3。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式(5)為p-v-T關(guān)系式；式(6)～式(11)分別為熵s、內(nèi)能u、焓h、定容熱容cv、定壓熱容cp、聲速w的計(jì)算式，內(nèi)能單位為J/kg，熵、焓、定容熱容、定壓熱容的單位均為J/(kg·K)，聲速單位為m/s。

根據(jù)上述計(jì)算公式，計(jì)算使用refprop軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，為方便將反應(yīng)釜內(nèi)0.6 kg液態(tài)CO2換算為1 kg標(biāo)準(zhǔn)情況下進(jìn)行計(jì)算。表1為20 kJ、30 kJ、50 kJ能量氣化后內(nèi)能變化表。SW方程計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表 1 液態(tài)CO2氣化內(nèi)能計(jì)算參數(shù)表

表 2 SW方程計(jì)算參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)研究

研究高壓放電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，根據(jù)放電能量E與儲(chǔ)能電容C、和充電電壓U之間關(guān)系，調(diào)整放電能量；同時(shí)考察電極間距對(duì)放電能量的相關(guān)性。針對(duì)超臨界CO2相變過(guò)程符合熱力學(xué)理論、Span & Wagner和等熵方程狀態(tài)方程，分析計(jì)算各因素對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)超臨界CO2壓力變化的影響，建立主要影響因素與超臨界CO2壓力反應(yīng)特征參數(shù)(相變壓力峰值、升壓時(shí)間、降壓時(shí)間)間的關(guān)系，確定高壓放電激勵(lì)超臨界CO2反應(yīng)數(shù)學(xué)模型。

2.1 高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2相變壓力響應(yīng)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2壓力響應(yīng)測(cè)試裝置壓力測(cè)試部分由加注裝置、放電裝置、監(jiān)測(cè)裝置、反應(yīng)釜等組成，如圖1、圖2所示。

圖 1 高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2放電系統(tǒng)Fig. 1 Measurement circuit supercritical CO2 phase-transition test system under high voltage electrical pulses discharge

圖 2 高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2壓力響應(yīng)測(cè)試裝置Fig. 2 Supercritical CO2 phase-transition pressure response testing device under high voltage electrical pulses discharge

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)接通220V交流電通過(guò)升壓變壓器將電壓升高，升高后的交流電通過(guò)可控整流裝置變成直流電給儲(chǔ)能裝置充電，達(dá)到預(yù)設(shè)值。

(2)啟動(dòng)液態(tài)CO2加注系統(tǒng)，將液態(tài)CO2加注進(jìn)超臨界CO2相變反應(yīng)釜。

(3)調(diào)試壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢查各系統(tǒng)連接線路。

(4)閉合點(diǎn)火開(kāi)關(guān)使電路導(dǎo)通，電能經(jīng)過(guò)放電參數(shù)調(diào)節(jié)模塊后在放電電極處釋放，通過(guò)控制平臺(tái)的按鍵對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制，信號(hào)采集則是通過(guò)示波器與系統(tǒng)中的電壓傳感器和電流傳感器進(jìn)行收集。該系統(tǒng)由成都泰斯特電子信息有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TST6200瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試儀、信號(hào)連接線、筆記本電腦和TST6200瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試儀自帶軟件DAP7.10，主要采集液態(tài)CO2相變?nèi)讨蟹磻?yīng)低釜內(nèi)的超臨界CO2壓力變化。見(jiàn)圖3。

圖 3 超臨界CO2相變?cè)囼?yàn)裝置Fig. 3 Supercritical CO2 phase-transition testing device

為得到高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2相變壓力，將高頻壓力傳感器固定于反應(yīng)釜壁上，通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)超臨界CO2相變壓力變化時(shí)程曲線。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

高壓點(diǎn)火開(kāi)關(guān)通電后，瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試儀記錄壓力傳感器A的數(shù)據(jù)，得到液態(tài)CO2相變?yōu)槌R界態(tài)CO2后反應(yīng)釜內(nèi)的壓力變化情況，如圖4所示。通電時(shí)，電極放電產(chǎn)生熱量，使得液態(tài)CO2瞬時(shí)加熱，部分液態(tài)CO2吸熱氣化，此時(shí)CO2分子運(yùn)動(dòng)速度加快,分子間間距增大，液態(tài)CO2迅速氣化，放電結(jié)束后試驗(yàn)結(jié)束，整個(gè)液態(tài)CO2氣化時(shí)間約為0～1.8 ms之間。為分析電極放電后反應(yīng)釜內(nèi)壓力曲線變化特征，將試驗(yàn)曲線提取出來(lái)如圖4所示。

(1)從圖中可以看出，在三種放電能量下反應(yīng)釜內(nèi)超臨界態(tài)CO2壓力變化狀態(tài)，在0～0.3 ms范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)曲線為脈沖波形曲線，該范圍內(nèi)電脈沖快速振動(dòng)，壓力波動(dòng)較大，主要是因?yàn)殡娒}沖波影響所致。

(2)在0.3～1.8 ms范圍壓力曲線接近直線，該階段表明電脈沖放電階段結(jié)束，部分液態(tài)CO2快速吸熱氣化的過(guò)程，壓力上升并穩(wěn)定。

(3)在20 kJ、40 kJ、50 kJ放電能量下壓力監(jiān)測(cè)曲線顯示的壓力值與計(jì)算得出數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，說(shuō)明采用電脈放電產(chǎn)生的能量對(duì)激勵(lì)液態(tài)CO2相變具有良好的促進(jìn)作用。

圖 4 反應(yīng)釜內(nèi)超臨界態(tài)CO2壓力監(jiān)測(cè)曲線Fig. 4 Supercritical carbon dioxide autoclave pressure monitoring curve

3 結(jié)論

(1)采用Span&Wagner狀態(tài)方程，從熱力學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合refprop數(shù)值計(jì)算軟件分析計(jì)算，得出理論氣化壓力與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相符，說(shuō)明高壓電脈沖放電熱效應(yīng)對(duì)液態(tài)CO2有氣化作用。

(2)通過(guò)改變起爆電壓，測(cè)得反應(yīng)釜內(nèi)超臨界CO2壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)壓力值隨電脈沖能量增大而增大，同時(shí)沖擊壓大也呈增大趨勢(shì)。結(jié)果表明理論計(jì)算反應(yīng)釜?dú)饣芰康臏?zhǔn)確性，結(jié)果顯示反應(yīng)釜內(nèi)的壓力與放電能量相關(guān)性較好。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，采用高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2過(guò)程中，既有高壓脈沖波作用，同時(shí)由于脈沖放電熱效應(yīng)使反應(yīng)釜內(nèi)部分液態(tài)CO2氣化產(chǎn)生相變壓力，說(shuō)明高壓脈沖放電激勵(lì)超臨界CO2應(yīng)用于低滲透煤層增透是可行的。