煤系地层超临界CO2压裂现状及研究进展

梁卫国，武鹏飞，王磊，姜玉龙

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024；2.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西太原 030024)

1 引言

煤层气是二十一世纪在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。我国的煤层气资源十分丰富，是世界上继俄罗斯、加拿大之后的第三大煤层气储藏国[1]，占世界排名前12位国家资源总量的13%[2]。我国45个聚煤盆地埋深2 000 m 以浅的煤层气资源储量约为36.8万亿m3[3-6]。

煤层的透气性是影响煤层气抽采效果的决定性因素，而国内95%的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的煤层透气性系数为0.04 m2/(MPa2·d)～0.004 m2/(MPa2·d)，远低于可抽采的0.1 m2/(MPa2·d)的要求，煤层气抽采效果差，目前用于煤层增渗的主要技术手段之一为压裂技术。自1947年美国Kansas第一次水压致裂试验成功，压裂技术迅速发展，压裂增渗从理论到应用都取得了丰硕的成果，采用压裂技术进行增渗已成为石油井、天然气井、非常规天然气井等增渗的主要技术。

20世纪90年代起，我国开始了煤层水力压裂工艺的相关研究，此后，以各种压裂介质（清水、CO2、超临界CO2、泡沫等）为媒介的煤层压裂技术在我国快速发展。近年来，超临界二氧化碳（SC-CO2）因为兼具无水压裂和传统水力压裂的优点，近年来倍受关注。

SC-CO2是指CO2在温度和压强均处于临界点之上(温度31.4℃，压力7.38 MPa)的一种状态。SC-CO2不仅容易制备，而且具有一些独特的物理化学性质：密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数远大于液体，表面张力接近于零，对甲烷兼具置换驱替的效果，对煤中的烃类化合物具有较高的溶解度。

2 国内外ScCO2压裂研究现状及存在问题

2.1 关于压裂起裂扩展理论研究

目前，关于压裂裂纹起裂及扩展理论，国内外学者进行了大量研究，Gidley[7]（1989）、冯彦军[8]（2002）、邓广哲[9]（2014）、Sampath[10]（2019）等都曾对该技术的发展作了总结与研究，其理论体系主要建立在弹性力学及线弹性断裂力学理论基础之上，即假设煤岩材料为脆性、线弹性，均质且各向同性材料。裂缝起裂准则一般基于：岩石的抗拉强度准则、断裂力学破坏准则、亦或Mohr-Coulomb准则，即认为当煤系地层中裂纹起裂时，煤岩体中的有效拉应力超过煤岩的抗拉强度与最小地应力，煤岩起裂，发生脆性破裂。

由上所述，目前裂纹起裂扩展的研究主要是针对理想线弹性材料、单裂纹的起裂扩展，而在非均质多孔介质的煤岩体内，由于SC-CO2具有更为复杂的流动特性，黏度低，密度高，惯性项作用显著，会呈现出明显的湍流，相较于传统的水压致裂，更易于出现多裂缝结构，传统的单裂缝扩展理论已经不足以用来描述ScCO2压裂裂纹扩展。

2.2 关于SC-CO2压裂研究

鉴于SC-CO2特有的物理化学性质，其压裂效果相较于水力压裂呈现出特有的优越性，近年来国内外学者对SC-CO2及水力压裂进行了许多试验研究。Tsuy⁃oshi Ishida 等[11]采用花岗岩试件，对比分析了SC-CO2、液态CO2与水三种压裂介质压裂的裂缝扩展规律，研究表明SC-CO2产生的压裂裂缝形态更为复杂，而清水产生的裂缝较为单一，并且超临界状态下的破裂压力较低，本团队在实验过程中也初步揭示类似现象。Yushi Zou[12]采用SC-CO2对砂岩进行了压裂实验，实验证明SC-CO2促进了层理面和天然裂缝的扩张或剪切，即使在高水平差分应力的情况下也会形成复杂的裂缝网络。Zhang[13]等考虑到页岩在不同层理方位影响下的各向异性，对不同SC-CO2注入速率条件下的破裂压力进行了实验研究。Jiang[14]等研究了不同三轴压力条件下SC-CO2压裂过程中页岩的起裂压力和裂缝扩展规律，研究发现原岩应力的增加会引起起裂压力的增大，预制裂纹会影响裂纹扩展的方向。Wang[15]、Chen[16]等对SCCO2压裂进行了数值分析，对相关压裂参数进行了优化。贺伟[17]等对SC-CO2作用下不同煤阶煤体吸附储存CO2膨胀变形特性进行了试验研究。

超临界态CO2压裂造缝增渗效果优势明显，但在压裂煤层实际工程中还处于试验探索开发研究阶段，关于SC-CO2压裂裂纹在煤层过程中裂缝起裂条件、扩展规律，以及符合软弱低强度煤体的损伤断裂模型，需要通过实验与理论相结合的办法，进行深入研究。

从研究内容学术方面看，SC-CO2压裂属于断裂力学、弹塑性力学及损伤力学交叉研究范畴，关键问题是研究煤岩的物理力学特性与SC-CO2压裂条件下裂缝起裂、扩展的关系，揭示裂纹起裂、扩展机理及裂缝形态特征规律。

上述这些研究成果从理论、室内实验与现场工程方面对SC-CO2致裂裂缝的起裂、扩展进行了分析研究，取得了较为丰硕的成果。但从现有的研究可以看出，仅仅针对硬度较高、渗透性较好的煤层，在本煤层中实施压裂可以起到较好的增渗效果。总体来说，目前压裂技术工艺及措施等方面的研究仍有待于进一步改进与完善。由于我国瓦斯储层地质条件复杂，鉴于SC-CO2致裂造缝的优越性，SC-CO2压裂煤层技术在未来发展空间广阔。

3 SC-CO2及清水压裂煤岩体对比实验研究

为了对比研究超临界CO2与清水两种压裂介质压裂煤体后的造缝效果，综合考虑实际煤系地层应力条件，基于大尺寸真三轴实验模拟装置，本文进行了垂直井压裂煤层实验模拟。实验样品选自山西沁水煤田左权县鑫顺煤业15#煤层贫瘦煤种，采用线切割对6个立方体煤试样（100 mm×100 mm×100 mm）分别进行SC-CO2压裂和清水压裂。整个压裂试验过程中温度统一设置为50°C，SC-CO2压裂与清水压裂的注入速率都恒定设为20 ml/min。实验方案及参数见表1。

表1 压裂实验设置参数

在100 mm煤岩立方体试样上表面中心处，垂直于层理方位钻深60 mm，直径φ5 mm 的压裂孔。将外径3 mm压裂管插入50 mm深，底部留有10 mm的裸孔自由段。压裂管与煤体孔内壁之间的空隙用高强度、耐高温、耐CO2腐蚀胶封堵并静置48 h，保障封孔段强度。

图1 TCHFSM-Ⅰ型真三轴压裂渗流装置及压裂示意图

图2 清水及SC-CO2压裂压力-时间曲线

从图2 中可看出三轴应力加载条件为10/12/14 MPa 时，清水压裂经历38.758 s 达到起裂压力值16.80 MPa；SC-CO2压裂经历90 s 达到起裂压力值12.05 MPa。在三轴压力条件为10/14/16 MPa 时，清水压裂经历34.918 s 达到起裂压力值14.34 MPa；SC-CO2压裂经历54.8 s 达到起裂压力值10.33 MPa。在三轴压力条件为12/14/16 MPa时，清水压裂经历35.7 s达到起裂压力值20.07 MPa；SC-CO2压裂经历64.2 s达到起裂压力值14.57 MPa。对比可明显看出相同三轴应力条件下，SC-CO2的起裂压力值明显低于水力压力值。究其原因与SC-CO2扩散系数远大于液体的物理性质有关，在其特定相态渗流作用下可扩散到煤体压裂自由段周边较大的范围，对煤岩体细观结构损伤的同时，随着孔隙压的增大，影响范围内的有效应力减小，从而影响裂缝起裂条件与扩展规律。

图3 试件表面裂纹形态

图3 所示为清水和SC-CO2两种压裂介质压裂煤体试件后的表面裂缝形态，对产生裂纹的试件侧面及上、下面分别进行表面形态分析。其中(a)、(b)、(c)和(g)、(h)、(i)为试件上（下）表面裂缝形态；(d)、(e)、(f)和(j)、(k)、(l)、(m)、(n)、(o)为试件侧面裂缝形态。从图中可看出，主裂缝的扩展方向与传统压裂理论裂纹扩展结果相吻合，裂缝沿最大水平主应力方向扩展，由于天然层理弱面及裂隙的存在，导致主裂纹在扩展过程中会产生次生裂纹，其中由于SC-CO2由于其独特的物理性质，致使其渗透性更强，可有效改变主裂缝周边一定范围内有孔隙压力，导致有效应力的改变明显，从未引起压裂过程中产生更多的复杂裂纹。

4 结论

上述分析可见，SC-CO2具有极强的渗透性，加之煤岩体独特的层理发育且多孔裂隙结构特征，SC-CO2对煤岩体的致裂并非局限于单一裂纹尖端，而是在其独特相态渗流作用下可扩散到周边较大的范围，对煤岩体细观结构损伤改变的同时，对有效应力场产生较大影响，从而影响裂缝起裂条件与扩展规律，与传统水压致裂有显著差异。SC-CO2压裂造缝效果显著，在未来应用发展空间广阔，对推动我国煤层气资源的开发具有积极意义。