CO2聚能劑燃燒與沖壓實驗研究

蔡余康，胡少斌，龐爍鋼，鄒柳宗，湯 旋，顏正勇

(河海大學土木與交通學院，南京 210098)

近年來，CO2相變膨脹壓裂技術作為一種環保、安全、高效的開采技術在煤層開采、地層壓裂等領域得到了諸多的應用[1-3]。通過CO2在高溫下的快速相變，產生巨大的壓強達到破裂巖石的目的，該技術相比于傳統炸藥破巖，在地層損傷、避免飛石等工程事故、減少環境污染、減塵降噪方面有著更良好的效果[4-9]。

然而，目前許多人主要對壓裂過程中的卸壓增透進行研究，而對CO2快速膨脹產生的爆燃沖壓的熱力學機理研究不足，對CO2爆燃特性認識不足。因此在使用CO2相變破巖過程中容易出現失敗率較高、效率偏低以及成本較高等問題。爆破效果與傳統炸藥爆破尚存在明顯的客觀差距。因此有必要開展對于CO2爆燃沖壓的熱力學過程的實驗研究，揭示CO2在吸熱升壓過程中的內在機理，優化爆破參數以提高可行性和效率、降低成本。

1 爆燃沖壓實驗系統與方案

1.1 實驗原理

CO2爆燃沖壓實驗主要為CO2聚能劑在高濃度CO2環境中通過電阻絲加熱，迅速燃燒并釋放熱量從而使CO2迅速氣化，在重復性爆破筒的密閉環境中形成瞬態高壓。CO2聚能劑(CO2-EA)由江蘇中控能源科技有限公司(CENE)提供。CO2聚能劑具有密度低、燃燒熱高、導熱系數低等特點，CO2聚能劑物理化學參數如表1所示。

表1 CO2聚能劑的基本物理化學性質

1.2 實驗步驟

CO2爆燃沖壓實驗裝置由干冰粉、CO2聚能劑、電阻絲激發裝置、氣壓傳感裝置、溫度傳感裝置、加熱帶、重復性爆破筒、空氣流通系統組成。將預制好的CO2聚能劑放入重復性爆破筒內，并將一定量的干冰粉快速放入爆破筒中，隨后密封，當電熱帶將爆破筒加熱到固定溫度后，啟動電起爆器點燃CO2聚能混相流體。使用數據采集儀進行壓強變化數據的顯示與記錄。CO2爆燃沖壓實驗系統如圖1所示。

圖1 CO2爆燃沖壓實驗系統Fig.1 Experimental system of CO2 deflagration impact fracturing

1.3 實驗方案設計

為研究CO2在密閉空間內的密度與起爆溫度對壓強變化率的影響情況，實驗設計聚能劑質量26 g，設計CO2密度分別為0.3、0.4、0.5 g/ml(添加的CO2質量分別為286、381.5、476.9 g)，起爆溫度為10、30、50 ℃(見表2)。

表2 干冰粉靜態氣動壓裂質效比實驗方案設計

2 CO2爆燃沖壓實驗結果及機理分析

2.1 實驗結果

通過記錄不同CO2密度和起爆溫度下的壓強-時間曲線，并通過NIST給出的CO2特性數據來判斷CO2物質狀態與實驗的準確性，同時進行實驗結果(見表2)的處理與研究。在本實驗中，CO2密度:

(1)

式中：m為添加到爆破筒內的干冰粉的質量；V為爆破筒的容積，V=953.784 cm3。

通過八通道數據采集儀來進行每次實驗的壓強-時間曲線數據采集，獲得CO2聚能混相流體爆燃過程中壓強-時間曲線。

表3 不同情況下的CO2爆燃沖壓實驗結果

對比圖2c和圖2e，可以推測在起爆溫度較高的情況下，爆破桶內氣壓的上升速率較快，對比圖2d和圖2f兩組曲線，可知CO2密度同樣能提高氣壓的上升速率，對比A、B、D組可知流體是否能被點燃受起爆溫度和CO2密度的影響。實驗數據初步表明在其他條件相同的情況下，起爆溫度和CO2密度與壓強上升速率呈正相關，且對CO2聚能混相流體能否被點燃起關鍵性作用，但兩者均對最大壓強無明顯影響。

圖2 壓強時間Fig.2 Pressure time

2.2 實驗結果分析

為便于數值分析，對壓強-時間曲線進行高階回歸多項式擬合從而得到擬合曲線，同時通過計算擬合曲線導數零點，求得CO2爆燃沖壓實驗中壓強達到峰值的時間和壓強參數。首先通過擬合波形曲線分析壓強變化率，然后參照NIST中CO2同密度下定容壓強-焓值的性質曲線來進行焓值峰值的確定。以此進行焓值變化的研究，最終求出各實驗中的焓值平均變化率，不同情況下CO2爆燃沖壓實驗壓力及焓值變化如表4所示。

表4 不同情況下的CO2爆燃沖壓實驗的壓力變化率及焓值情況

圖3 壓強-時間高階回歸對照Fig.3 Pressure-time high-order regression control

通過對比不同工況下CO2爆燃沖壓實驗的壓強-時間回歸對比(見圖3)可知：

1)CO2密度和起爆溫度與壓力上升速率呈正相關，當其他條件相同時，起爆溫度越高，壓力上升速率也越快，這是由于較高溫度下，分子熱運動更劇烈，引起CO2以更快的速度相變。而CO2密度較大，同樣會使壓力上升速率增加，是由于相變物質增加，與熱空氣接觸的表面積增加，從量上直接增加了相變速率。另外，CO2密度較大導致反應速率較快，溫度隨之上升較快，加快整體反應。

2)關于實驗中，起爆溫度和CO2密度較高導致焓值峰值較高的現象分析，由于該容器非絕熱容器，在燃燒過程中通過器壁與外界進行熱交換，導致焓值降低，根據傅里葉導熱定律：

(2)

可知傳熱速率正比于溫度梯度，當x不變時，傳熱速率正比于溫差ΔT，因此起爆溫度較高會導致熱量的快速流失，但同時也導致達到峰值的時間更短，綜合考慮，由于實驗時正處冬季，室內溫度約6 ℃，分析B、C對比組，D、E對比組可知起爆溫度越高，在CO2聚能劑質量不變并皆已反應完全的條件下所達到的峰值焓值更低。而對于CO2密度不同引起的焓值不同，可考慮為CO2密度較大導致反應溫度較高，散熱更多。

3)關于實驗中，起爆溫度和CO2密度較高導致峰值壓力較高的現象和CO2密度較高導致最后溫度較低的分析，此處使用焓值變化間接分析，在定容環境下，由于聚能劑質量不變，因此產生的焓值ΔH不變，根據吸熱公式Q=CmΔT可知，當比熱容C確定，即可分析溫度和吸收熱量的關系，此處使用BWRS方程計算CO2比熱容為[10-12]

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：A0=2.573×105；B0=0.044；C0=1.642×1010；D0=4.802×1011；E0=8.909×1012；a=1.473×104；b=5.403×10-3；c=1.676×109；d=1.218×106；α=5.078×10-5；γ=4.306×10-3；R=8.314 J/(mol·K-1)。

在使用該方程，得到的比熱容與溫度壓力關系中使用三維圖(見圖4)進行表示。

圖4 比熱容隨壓力-溫度變化關系Fig 4 Relationship of specific heat capacity with pressure and temperature

通過圖4可知，CO2在遠離臨界點時比熱容幾乎不隨壓力和起爆溫度的變化而變化，CO2的臨界溫度為30.978 ℃，臨界壓強為7.377 3 MPa，因此將實驗過程中CO2比熱容視為不變，根據公式Q=CmΔT，由于Q和C不變，CO2密度的增加使得m增加，ΔT隨之降低，溫度變化減小。根據理想氣體狀態方程：ΔP=nRT，可得：

(8)

式中：ΔQ為熱量變化量；ΔP為壓力變化量；M為摩爾質量；R為氣體常數，由此可知熱量變化與壓力變化成正比，實驗中因熱交換造成焓值降低，同時導致峰值氣壓降低，由數據可知，壓力結果與焓值結果一致。

3 結論

1)CO2密度、CO2和聚能劑質量比以及實驗起爆溫度均會對筒內化學反應速率和壓力上升速率產生影響，并且在聚能劑質量不變，容器體積不變的條件下呈正相關關系。

2)在聚能劑質量不變，容器體積不變的條件下，CO2密度、CO2和聚能劑質量比以及實驗起爆溫度對理論上的壓力總變化量和焓值變化量無影響。

3)在實驗中，被點燃需要溫度和CO2密度達到一定值，但未得到具體所需的最低起爆溫度及最低CO2密度。