李 暢，梁衛(wèi)國，侯東升，姚宏波，宋曉夏

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

我國埋深小于2 000 m的煤層中蘊藏著約2.982×1013m3的煤層氣資源[1]。煤層氣資源的開發(fā)與利用對調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)、保障煤礦安全生產(chǎn)、降低溫室效應(yīng)等具有重要意義。與其他國家相比，我國煤層滲透率普遍較低[2]，煤層氣的抽采較為困難。水力壓裂作為一種增滲手段，近年來被廣泛應(yīng)用于煤層氣的開發(fā)中；但是從工業(yè)應(yīng)用來看，水力壓裂技術(shù)具有一定的局限性[3-5]。為實現(xiàn)煤層氣的高效開采，學(xué)者們提出了許多增滲方法[6]。

二氧化碳(CO2)壓裂是近年來提出的一種非常規(guī)能源增產(chǎn)手段，具有儲層傷害小、返排徹底、用水量較少等優(yōu)點[7]。此外，CO2壓裂在促進CH4解吸的同時，實現(xiàn)了CO2的封存[8]，因此具有良好的應(yīng)用前景。國內(nèi)外學(xué)者對CO2壓裂、特別是超臨界CO2(supercritical CO2，Sc-CO2)壓裂進行了一些初步研究，前期的研究主要集中于花崗巖、頁巖、砂巖等脆性巖石。ISHIDA et al[9-10]采用3種壓裂介質(zhì)(Sc-CO2、液態(tài)CO2、水)對花崗巖進行壓裂，對比了3種壓裂介質(zhì)下起裂壓力、裂紋形貌和聲發(fā)射特征，結(jié)果表明CO2壓裂更易于驅(qū)動裂紋起裂、擴展。盧義玉等[11]對頁巖與砂巖進行了真三軸條件下水力壓裂與Sc-CO2壓裂試驗，并采用CT掃描對裂紋形態(tài)進行了表征，認為Sc-CO2壓裂能形成類似體積壓裂的網(wǎng)狀裂紋。DENG et al[12]通過壓裂試驗從力學(xué)機理上說明了在液態(tài)CO2壓裂過程中，巖石本身的缺陷會發(fā)生張開和剪切滑移。此外，也有學(xué)者對CO2致裂煤巖體進行了試驗。文虎等[13]在煤層中進行了液態(tài)CO2壓裂的現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明該技術(shù)在煤體中具有良好的應(yīng)用效果；王磊等[14]對100 mm×100 mm ×100 mm的方形煤樣進行了水力壓裂與Sc-CO2壓裂，對比了兩種壓裂介質(zhì)下所形成的裂紋形態(tài)，發(fā)現(xiàn)Sc-CO2壓裂產(chǎn)生的表面裂紋開度更小、裂紋形態(tài)更為復(fù)雜。

壓裂能夠?qū)崿F(xiàn)對儲層的改造，提升儲層的滲透率。JIA et al[15]對水力壓裂與Sc-CO2壓裂后的頁巖進行了滲透率測量，結(jié)合對裂紋的粗糙度與曲折度的定量化表征，對比分析了水和Sc-CO2壓裂頁巖的增滲效果。ZHOU et al[16]研究了頁巖經(jīng)Sc-CO2壓裂后對不同吸附性氣體的滲透率，認為有效應(yīng)力、基質(zhì)膨脹、吸附氣體導(dǎo)致的力學(xué)性能變化是影響滲透率的主要因素。劉國軍等[17]研究了頁巖經(jīng)Sc-CO2壓裂后在不同溫度、體積應(yīng)力條件下的滲透率變化規(guī)律，指出壓裂后頁巖的滲透率受地溫、地應(yīng)力及其自身孔隙結(jié)構(gòu)的共同影響。王兆豐等[18]在現(xiàn)場利用液體CO2相變致裂煤體來提高瓦斯的抽采效果，結(jié)果表明：平均抽采流量有一定幅度的提高；壓裂所形成的裂紋形態(tài)對滲透率具有重要影響。WANG et al[19]采用脈沖瞬態(tài)法研究了在干燥與飽和水條件下具有3種裂紋形態(tài)(原生割理、縱向裂紋、橫向裂紋)的無煙煤試件的滲透率，結(jié)果表明裂紋形態(tài)與水鎖效應(yīng)對滲透率具有重要影響。

上述研究表明，目前國內(nèi)外學(xué)者對Sc-CO2壓裂煤體的研究仍處于探索階段，對于Sc-CO2作用下煤體的壓裂特征與增滲效果的研究鮮有報道?；诖耍P者采用自主研發(fā)的試驗裝置在兩種應(yīng)力條件下對已測得滲透率的煤樣進行水和Sc-CO2壓裂試驗，獲取了具有不同裂紋形態(tài)的試件，在原位條件下測量了壓裂后裂隙煤體的滲透率。在此基礎(chǔ)上比較了不同壓裂條件下的壓裂曲線與裂紋形貌，探討了壓裂介質(zhì)與應(yīng)力條件對增滲效果的影響。試驗結(jié)果可以為研究煤層氣藏無水壓裂提供參考。

1 試驗方案

1.1 試件制備

試驗所用煤樣取自山西晉城寺河煤礦3號煤層，煤階為無煙煤。為保證試件的均質(zhì)性，試件均由同一塊煤體垂直層理鉆取，從中選取表面無明顯裂隙的進行試驗。

1.2 試驗儀器

試驗儀器為太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點實驗室自主研發(fā)的煤層氣儲層壓裂-滲流裝置，如圖1所示。有關(guān)該儀器的詳細介紹見文獻[14，20].

圖1 自主研發(fā)煤層氣儲層壓裂-滲流裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-developed coalbed methane reservoir fracturing-seepage device

1.3 試驗參數(shù)設(shè)置

與其他壓裂試驗不同，本試驗所選用的試件尺寸為d50 mm×70 mm，試件的尺寸偏小如圖2所示，這是因為煤體強度較低，且存在較多弱面，裂紋更易導(dǎo)通層理面擴展；對于尺寸過大的試件，壓裂時難以形成縱向裂紋。在制備試件時，壓裂孔內(nèi)放有直徑為3 mm的鋼管，鋼管與煤壁間采用高強度膠固定，以保證壓裂試驗的成功。需要注意的是，該鋼管不僅在壓裂過程中作為高壓水、氣的注入通道，也在滲流試驗中為氣體提供導(dǎo)流通道。

在壓裂試驗中，應(yīng)力狀態(tài)(特別是垂直應(yīng)力與最大水平應(yīng)力的差值)對壓裂效果具有重要影響，故在相同圍壓(10 MPa)、不同軸壓(12 MPa和16 MPa)下，對煤體進行水和Sc-CO2壓裂試驗，如表1所示。為保證數(shù)據(jù)可靠性，每種試驗條件下進行2次壓裂試驗。

圖2 試件示意圖及照片F(xiàn)ig.2 Schematical and physical model of coal sample

試件編號試件長度/mm壓裂介質(zhì)軸壓/MPa1號70.02Sc-CO2162號69.99Sc-CO2163號69.99水164號70.01水165號70.01Sc-CO2126號70.02Sc-CO2127號70.01水128號70.00水12注:圍壓均為10 MPa,溫度為40 ℃,以下同

1.4 試驗方法與步驟

1) 考慮到水分對煤樣滲透率的影響，對煤體進行干燥處理。在真空干燥箱中加熱試件至60 ℃，并于真空狀態(tài)保溫24 h，直至試件質(zhì)量不再變化。

2) 將試件放入夾持器中，采取先加軸壓、再加圍壓的順序，交替加載至軸壓、圍壓均為10 MPa，再增大軸壓至設(shè)定值(12 MPa或16 MPa)。

3) 在軸壓×圍壓為12 MPa×10 MPa下試件變形達到穩(wěn)態(tài)后，采用氮氣在孔隙壓力為1 MPa時測量試件壓裂前的滲透率。

4) 在軸壓×圍壓分別為12 MPa×10 MPa、16 MPa×10 MPa這兩種應(yīng)力條件下進行水和Sc-CO2的壓裂，壓裂介質(zhì)注入流量均為30 mL/s.在泵內(nèi)壓力穩(wěn)定一段時間后，停泵并記錄壓降曲線。需要注意的是：在進行Sc-CO2壓裂時，為保證CO2達到超臨界態(tài)(臨界溫度31.26 ℃、臨界壓力7.38 MPa)，壓裂前將夾持器與CO2氣源加熱至40 ℃，同時在夾持器前端設(shè)有10 MPa的背壓閥。此外，在水力壓裂前，先進行預(yù)加熱使環(huán)境溫度達到40 ℃，以便保證兩種介質(zhì)壓裂時的溫度條件相同。

5) 壓裂結(jié)束后，為避免測量煤體滲透率時存在非穩(wěn)態(tài)滲流，采用抽真空和注氣的方式使氣體流速達到穩(wěn)定。

6) 調(diào)整軸壓至12 MPa，重復(fù)步驟3)，測量壓裂后試件的滲透率。

1.5 滲透率的測量與計算

測量滲透率的常用方法有穩(wěn)態(tài)法和脈沖衰減法[21]。結(jié)合前人研究[15-17]，本試驗采用穩(wěn)態(tài)法對煤體壓裂前后的滲透率進行測量。滲透率計算公式如下：

(1)

式中：kg為氣體滲透率，cm2；Q0為氣體流量，cm3/s；p0為大氣壓強，MPa；μ為氣體粘度，MPa·s；L為滲流長度(試件完整段長度)，mm；S為試件橫截面積，mm2；p1、p2分別為試件的入口和出口壓力，MPa.

在試驗中，夾持器出口端為大氣壓強，試件孔底到下端面長度為35 mm，故p0=p2=0.1 MPa，L=35 mm.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水與Sc-CO2致裂煤體的壓裂特征對比

2.1.1壓裂曲線

圖3為水與Sc-CO2致裂煤體的典型壓裂曲線?？傮w而言，Sc-CO2壓裂過程中的壓力波動比水力壓裂的要小。兩種壓裂介質(zhì)下的壓裂曲線均可以起裂點和停泵點分為三個階段：壓力升高段、起裂擴展段、壓力降低段。

圖3 不同壓裂條件下泵壓曲線Fig.3 Curves of pump pressure-time under different fracturing conditions

在軸壓、圍壓分別為16 MPa和10 MPa下，以Sc-CO2壓裂的泵壓曲線(試件1)為例，對水和Sc-CO2致裂煤體的過程進行分析，具體如下：

1) 在壓力升高段(t=0～487 s)，壓裂介質(zhì)在壓裂孔內(nèi)發(fā)生聚集，壓力升起。由于Sc-CO2具有較強的可壓縮性、滲透性與吸附性，在其注入過程中，壓力升高至峰值的耗時更長(長達300 s以上)，而水力壓裂過程中壓力的升高時間僅為幾十s.需要說明的是，Sc-CO2壓裂曲線在該階段存在一段近似水平段(壓力保持在10 MPa左右)；這是由于壓裂孔前端存在一個設(shè)置為10 MPa的背壓閥，當Sc-CO2壓力超過10 MPa時才能通過背壓閥，在壓裂孔內(nèi)憋起壓力。

2) 在起裂擴展段(t=487～556 s)，當壓裂孔內(nèi)的壓力升至某一個方向上的極限強度時，煤體上發(fā)生裂紋的起裂和擴展。在起裂擴展階段，Sc-CO2壓裂與水力壓裂的不同之處為：達到起裂壓力后，Sc-CO2壓裂過程中壓力緩慢下降，而水力壓裂中則伴有明顯的壓力波動。由于Sc-CO2具有獨特性質(zhì)(較小的粘度和零表面張力)以及較強的參數(shù)敏感性，Sc-CO2壓裂在裂紋起裂、裂紋擴展、穩(wěn)定滲流通道的形成等方面表現(xiàn)出與水力壓裂不同的特點：首先，高壓的Sc-CO2能誘發(fā)煤體內(nèi)部缺陷發(fā)生起裂[22]，同時由于氣體的壓縮性較大，隨裂紋起裂擴展的壓降較小，起裂后裂紋在高壓氣體作用下可持續(xù)擴展；其次，Sc-CO2隨著裂紋的擴展而出現(xiàn)壓力的降低，從而發(fā)生復(fù)雜的相態(tài)變化，由此帶來的應(yīng)力、溫度擾動將有助于裂紋的延伸、貫通[23-24]，Sc-CO2壓裂下裂紋網(wǎng)絡(luò)更易一次形成；最后，在Sc-CO2壓裂形成裂紋網(wǎng)絡(luò)后，裂隙煤體便能很快對氣體形成較為穩(wěn)定的滲流通道，裂紋反復(fù)張開、閉合的情況較為少見。上述三個原因?qū)е耂c-CO2壓裂中伴有較少的壓力波動。而在水力壓裂過程中，裂紋的起裂、擴展難以一次性完成：當水壓隨著裂紋的擴展而快速釋放(水的壓縮性較小)時，裂紋尖端將發(fā)生閉合甚至止裂；只有繼續(xù)升高水壓，才能使得裂紋再次打開或起裂。在此期間，水力壓裂中裂紋的多次開合或起裂、止裂，將導(dǎo)致壓力出現(xiàn)較多波動。

3) 在壓力降低段(t>556 s)，停泵后，由于失去了壓裂介質(zhì)的補給，壓裂介質(zhì)的流出使得壓裂孔內(nèi)的壓力逐漸降低。由于Sc-CO2氣體具有較大的壓縮性，大量氣體聚集在壓裂孔及其前端管線內(nèi)，壓力釋放較為緩慢。

表2為不同應(yīng)力和壓裂介質(zhì)條件下煤體的起裂壓力。由表2可以看出，同一應(yīng)力條件下，Sc-CO2壓裂煤體的起裂壓力比水力壓裂煤體的更低，這與有關(guān)文獻的壓裂結(jié)果相近[11，14，25]。Sc-CO2因其低粘度、零表面張力和高擴散系數(shù)等特性更容易進入煤體的孔裂隙，從而將注入的流體壓力傳遞至煤體深部。通過降低有效應(yīng)力、誘導(dǎo)煤體中預(yù)先存在的缺陷剪切滑移，Sc-CO2壓裂更易于促進裂紋的起裂和擴展。

表2 水、Sc-CO2致裂煤體的起裂壓力Table 2 Initiation pressure of water/Sc-CO2 fracturing

2.1.2裂紋表面形貌

壓裂前后試件的表面裂紋特征如圖4所示。在軸壓為16 MPa的條件下采用Sc-CO2壓裂后，試件1的中部存在一些間斷的、不明顯的縱向裂隙，中下部存在一條細小的主裂紋；該裂紋垂直于層理面向下端面曲折擴展，在靠近下端面處發(fā)生了分叉，產(chǎn)生一條橫向裂紋，裂紋整體形態(tài)為“T”字型。在相同應(yīng)力條件下，試件3經(jīng)水力壓裂后形成了一條開度較大的縱向主裂紋，表現(xiàn)為劈裂破壞。在軸壓為12 MPa的應(yīng)力條件下壓裂試件5，產(chǎn)生了2條較為細小的橫向主裂紋，且主裂紋擴展中存在較多細小分叉，表明在此條件下Sc-CO2驅(qū)動了多條裂紋沿層理面、弱面起裂擴展；水力壓裂后的試件7則產(chǎn)生了一條沿層理面擴展、開度較大的主裂紋。

綜上所述，與水力壓裂類似[26-28]，對煤體進行Sc-CO2壓裂時，裂紋的起裂、擴展方向受到三維應(yīng)力狀態(tài)及層理面、原生裂隙等弱面的影響。當煤體受到的垂直應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力相差不大(本試驗中小于6 MPa)時，主裂紋更加傾向于沿層理面擴展；而在應(yīng)力差值(垂直應(yīng)力減去最小水平主應(yīng)力)較大的情況下，主裂紋往往沿垂直方向擴展。

圖4 壓裂前后試件表面裂紋對比Fig.4 Comparison of apparent cracks before and after fracturing

比較圖4中(a)和(b)、(c)和(d)可以發(fā)現(xiàn)，兩種介質(zhì)下試件的裂紋形態(tài)有一定差異：水力壓裂的裂紋開度較大、數(shù)目較少、曲折度較低，裂紋形態(tài)較為單一；而Sc-CO2壓裂所產(chǎn)生的裂紋開度較小、數(shù)目較多、曲折度較高，形態(tài)也較為復(fù)雜。Sc-CO2因其低粘度、零表面張力、高擴散系數(shù)等特性更容易進入煤巖體的微孔隙、微裂隙中，誘發(fā)次生裂紋，進而導(dǎo)致主裂紋在擴展過程中發(fā)生多次偏轉(zhuǎn)、分叉，所形成的裂紋數(shù)目更多，裂紋網(wǎng)絡(luò)也更為復(fù)雜、曲折。同時，由Sc-CO2誘發(fā)的裂紋大多由原生缺陷剪切滑移產(chǎn)生，其開度較水力壓裂產(chǎn)生的張拉裂紋要小。

2.2 水與Sc-CO2致裂煤體的增滲效果對比

表3為不同壓裂條件下試件的增滲效果。

由表3可以看出，與壓裂前(原煤對氮氣的滲透率為10-6～10-7μm2)相比，在軸壓為16 MPa下采用Sc-CO2和水壓裂后，滲透率分別平均提高了472倍、34倍；在軸壓為12 MPa下采用Sc-CO2和水壓裂后，滲透率分別平均提高了47倍、19倍。從上述增滲效果可以看出，同一應(yīng)力條件下，Sc-CO2壓裂煤體的增滲效果要好于水力壓裂。一方面，水力壓裂煤體后，有一部分水將殘留在煤層的孔裂隙中，由此造成的水鎖效應(yīng)使得壓裂后煤體的滲透率有較大降低。另一方面，結(jié)合壓裂曲線和裂紋形態(tài)分析，Sc-CO2壓裂能夠溝通煤體深部的微缺陷，從而產(chǎn)生更多的裂紋和更大范圍的裂紋網(wǎng)絡(luò)，對煤體的改造更為徹底，有助于提高整個煤體的滲透率。

表3 壓裂條件對增滲效果的影響Table 3 Permeability enhancement under various fracturing condition

由表3還可看出，應(yīng)力條件對Sc-CO2壓裂和水力壓裂的增滲效果均具有重要影響。結(jié)合表面裂紋形態(tài)分析，對于Sc-CO2壓裂而言，在軸壓為16 MPa下壓裂(形成了縱向主裂紋)，煤體滲透率是軸壓為12 MPa下壓裂(形成橫向主裂紋)的煤體滲透率10.2倍。而對于水力壓裂而言，在軸壓為16 MPa下壓裂煤體的滲透率為軸壓為12 MPa下壓裂的1.8倍。這表明，壓裂形成了沿滲流方向的通道，更加有利于滲透率的提升。

2.3 水鎖效應(yīng)對增滲效果的影響

本試驗對比了兩種壓裂介質(zhì)(水、Sc-CO2)的增滲效果，結(jié)果表明，相同應(yīng)力條件下Sc-CO2壓裂的增滲效果要好于水力壓裂。這一方面是因為Sc-CO2壓裂比水力壓裂形成的裂紋數(shù)量更多、壓裂的影響范圍更大；另一方面，Sc-CO2壓裂煤體后殘留物質(zhì)較少，而水力壓裂后殘留的水分將帶來水鎖效應(yīng)，導(dǎo)致煤體滲透率降低。由于本試驗條件下無法將殘留在煤體中的水分完全去除，這里采用盧義玉的研究成果[29]對水鎖效應(yīng)進行定性分析。

高壓水的注入將導(dǎo)致煤體產(chǎn)生裂隙，進而提高煤體滲透率。但是由于煤基質(zhì)中存在親水表面，注入的一部分水緊緊吸附于壓裂產(chǎn)生的裂隙通道上，造成滲流通道變窄，如圖5所示。

圖5 滲流通道剖面示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of flow channel section

運用流體力學(xué)與多孔介質(zhì)等理論可以建立氣體流量θ與壓裂液占據(jù)滲流通道的高度之間的關(guān)系[29]：

(2)

式中：v為氣體流速，R為滲流通道的半徑，L為滲流通道的長度，p為氣體壓力，γ1g為氣液的表面張力。

由式2可知，對于給定的滲流通道，壓裂液的殘留將會導(dǎo)致氣體流量的降低，從而使得滲透率下降。水力壓裂的殘留液不易通過注氣、抽真空完全排除，所以壓裂后的煤體滲透率存在一定程度的降低。本試驗條件下，水鎖效應(yīng)同樣影響著水力壓裂的增滲效果。

3 結(jié)論

1) 與水力壓裂相比，同一應(yīng)力條件下，Sc-CO2壓裂煤體的起裂壓力更低、壓裂曲線波動更小、所形成的裂紋數(shù)量更多、裂紋形態(tài)更為復(fù)雜。此外，與水力壓裂一致的是，Sc-CO2壓裂中裂紋起裂、擴展方向受到三維應(yīng)力狀態(tài)和層理面、原生裂隙等弱面的影響。

2) 與壓裂前相比，在軸壓×圍壓為16 MPa×10 MPa下采用Sc-CO2和水壓裂后的煤體滲透率分別提高了472倍、34倍，而軸壓×圍壓為12 MPa×10 MPa下采用Sc-CO2和水壓裂后的煤體滲透率分別提高了47倍、19倍。這說明相同應(yīng)力條件下，Sc-CO2壓裂增滲效果比水力壓裂更好。

3) 裂紋形態(tài)和水鎖效應(yīng)共同決定了壓裂產(chǎn)生的增滲效果。