水與超臨界CO2致裂煤體的壓裂特征與增滲效果對比

李 暢，梁衛國，侯東升，姚宏波，宋曉夏

(太原理工大學 a.礦業工程學院，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]。煤層氣資源的開發與利用對調整我國能源結構、保障煤礦安全生產、降低溫室效應等具有重要意義。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，近年來被廣泛應用于煤層氣的開發中；但是從工業應用來看，水力壓裂技術具有一定的局限性[3-5]。為實現煤層氣的高效開采，學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能源增產手段，具有儲層傷害小、返排徹底、用水量較少等優點[7]。此外，CO2壓裂在促進CH4解吸的同時，實現了CO2的封存[8]，因此具有良好的應用前景。國內外學者對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(Sc-CO2、液態CO2、水)對花崗巖進行壓裂，對比了3種壓裂介質下起裂壓力、裂紋形貌和聲發射特征，結果表明CO2壓裂更易于驅動裂紋起裂、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掃描對裂紋形態進行了表征，認為Sc-CO2壓裂能形成類似體積壓裂的網狀裂紋。DENG et al[12]通過壓裂試驗從力學機理上說明了在液態CO2壓裂過程中，巖石本身的缺陷會發生張開和剪切滑移。此外，也有學者對CO2致裂煤巖體進行了試驗。文虎等[13]在煤層中進行了液態CO2壓裂的現場試驗，結果表明該技術在煤體中具有良好的應用效果；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下所形成的裂紋形態，發現Sc-CO2壓裂產生的表面裂紋開度更小、裂紋形態更為復雜。

壓裂能夠實現對儲層的改造，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Sc-CO2壓裂后對不同吸附性氣體的滲透率，認為有效應力、基質膨脹、吸附氣體導致的力學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Sc-CO2壓裂后在不同溫度、體積應力條件下的滲透率變化規律，指出壓裂后頁巖的滲透率受地溫、地應力及其自身孔隙結構的共同影響。王兆豐等[18]在現場利用液體CO2相變致裂煤體來提高瓦斯的抽采效果，結果表明：平均抽采流量有一定幅度的提高；壓裂所形成的裂紋形態對滲透率具有重要影響。WANG et al[19]采用脈沖瞬態法研究了在干燥與飽和水條件下具有3種裂紋形態(原生割理、縱向裂紋、橫向裂紋)的無煙煤試件的滲透率，結果表明裂紋形態與水鎖效應對滲透率具有重要影響。

上述研究表明，目前國內外學者對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。基于此，筆者采用自主研發的試驗裝置在兩種應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，探討了壓裂介質與應力條件對增滲效果的影響。試驗結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原位改性采礦教育部重點實驗室自主研發的煤層氣儲層壓裂-滲流裝置，如圖1所示。有關該儀器的詳細介紹見文獻[14，20].

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

1.3 試驗參數設置

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流通道。

在壓裂試驗中，應力狀態(特別是垂直應力與最大水平應力的差值)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。為保證數據可靠性，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Fig.2 Schematical and physical model of coal sample

試件編號試件長度/mm壓裂介質軸壓/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 ℃，并于真空狀態保溫24 h，直至試件質量不再變化。

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下試件變形達到穩態后，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這兩種應力條件下進行水和Sc-CO2的壓裂，壓裂介質注入流量均為30 mL/s.在泵內壓力穩定一段時間后，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(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有10 MPa的背壓閥。此外，在水力壓裂前，先進行預加熱使環境溫度達到40 ℃，以便保證兩種介質壓裂時的溫度條件相同。

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

6) 調整軸壓至12 MPa，重復步驟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態法和脈沖衰減法[21]。結合前人研究[15-17]，本試驗采用穩態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。總體而言，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)，壓裂介質在壓裂孔內發生聚集，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，在壓裂孔內憋起壓力。

2) 在起裂擴展段(t=487～556 s)，當壓裂孔內的壓力升至某一個方向上的極限強度時，煤體上發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(較小的粘度和零表面張力)以及較強的參數敏感性，Sc-CO2壓裂在裂紋起裂、裂紋擴展、穩定滲流通道的形成等方面表現出與水力壓裂不同的特點：首先，高壓的Sc-CO2能誘發煤體內部缺陷發生起裂[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擴展；其次，Sc-CO2隨著裂紋的擴展而出現壓力的降低，從而發生復雜的相態變化，由此帶來的應力、溫度擾動將有助于裂紋的延伸、貫通[23-24]，Sc-CO2壓裂下裂紋網絡更易一次形成；最后，在Sc-CO2壓裂形成裂紋網絡后，裂隙煤體便能很快對氣體形成較為穩定的滲流通道，裂紋反復張開、閉合的情況較為少見。上述三個原因導致Sc-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，裂紋尖端將發生閉合甚至止裂；只有繼續升高水壓，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，將導致壓力出現較多波動。

3) 在壓力降低段(t>556 s)，停泵后，由于失去了壓裂介質的補給，壓裂介質的流出使得壓裂孔內的壓力逐漸降低。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，壓力釋放較為緩慢。

表2為不同應力和壓裂介質條件下煤體的起裂壓力。由表2可以看出，同一應力條件下，Sc-CO2壓裂煤體的起裂壓力比水力壓裂煤體的更低，這與有關文獻的壓裂結果相近[11，14，25]。Sc-CO2因其低粘度、零表面張力和高擴散系數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。通過降低有效應力、誘導煤體中預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，在靠近下端面處發生了分叉，產生一條橫向裂紋，裂紋整體形態為“T”字型。在相同應力條件下，試件3經水力壓裂后形成了一條開度較大的縱向主裂紋，表現為劈裂破壞。在軸壓為12 MPa的應力條件下壓裂試件5，產生了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力狀態及層理面、原生裂隙等弱面的影響。當煤體受到的垂直應力與最小水平主應力相差不大(本試驗中小于6 MPa)時，主裂紋更加傾向于沿層理面擴展；而在應力差值(垂直應力減去最小水平主應力)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)可以發現，兩種介質下試件的裂紋形態有一定差異：水力壓裂的裂紋開度較大、數目較少、曲折度較低，裂紋形態較為單一；而Sc-CO2壓裂所產生的裂紋開度較小、數目較多、曲折度較高，形態也較為復雜。Sc-CO2因其低粘度、零表面張力、高擴散系數等特性更容易進入煤巖體的微孔隙、微裂隙中，誘發次生裂紋，進而導致主裂紋在擴展過程中發生多次偏轉、分叉，所形成的裂紋數目更多，裂紋網絡也更為復雜、曲折。同時，由Sc-CO2誘發的裂紋大多由原生缺陷剪切滑移產生，其開度較水力壓裂產生的張拉裂紋要小。

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使得壓裂后煤體的滲透率有較大降低。另一方面，結合壓裂曲線和裂紋形態分析，Sc-CO2壓裂能夠溝通煤體深部的微缺陷，從而產生更多的裂紋和更大范圍的裂紋網絡，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。結合表面裂紋形態分析，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 水鎖效應對增滲效果的影響

本試驗對比了兩種壓裂介質(水、Sc-CO2)的增滲效果，結果表明，相同應力條件下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較少，而水力壓裂后殘留的水分將帶來水鎖效應，導致煤體滲透率降低。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]對水鎖效應進行定性分析。

高壓水的注入將導致煤體產生裂隙，進而提高煤體滲透率。但是由于煤基質中存在親水表面，注入的一部分水緊緊吸附于壓裂產生的裂隙通道上，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

運用流體力學與多孔介質等理論可以建立氣體流量θ與壓裂液占據滲流通道的高度之間的關系[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，水鎖效應同樣影響著水力壓裂的增滲效果。

3 結論

1) 與水力壓裂相比，同一應力條件下，Sc-CO2壓裂煤體的起裂壓力更低、壓裂曲線波動更小、所形成的裂紋數量更多、裂紋形態更為復雜。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力狀態和層理面、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。這說明相同應力條件下，Sc-CO2壓裂增滲效果比水力壓裂更好。

3) 裂紋形態和水鎖效應共同決定了壓裂產生的增滲效果。