二氧化碳壓裂液對煤體力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究

鄭銳, 楊綺凡, 鄧廣哲, 潘甜, 陳立, 趙世振,4

(1.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院, 邯鄲 056038; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院, 西安 710054;3.蘭州空間技術(shù)物理研究所, 蘭州 730000; 4.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 西安 710100)

中國西部煤炭資源豐富,占全國煤炭資源總量的70%以上[1],特別是陜西、甘肅、寧夏、新疆分布著大量的堅(jiān)硬特厚煤層。堅(jiān)硬特厚煤層開采過程中,存在頂煤破碎不佳、綜合機(jī)械化生產(chǎn)比能耗高,煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理等問題,嚴(yán)重制約了煤炭成為清潔能源的步伐[2]。

煤層壓裂軟化,是實(shí)現(xiàn)硬厚煤層清潔安全高效開采的有效方法,其中壓裂液至關(guān)重要。水壓致裂技術(shù)作為一種煤巖體破碎的有效手段,在煤炭開采中應(yīng)用于硬煤軟化破碎[3]、應(yīng)力定性轉(zhuǎn)移[4]、堅(jiān)硬頂板控制[5]、沖擊地壓防治[6-7]、強(qiáng)度弱化減沖[8]、瓦斯增透[9]以及煤炭清潔開采[10]等方面,顯示出廣泛地工業(yè)價(jià)值。但受煤層滲透性低與潤濕性差的影響,導(dǎo)致煤層水壓致裂軟化效果不佳,急需探索一種提高低滲硬厚煤層致裂軟化效果的新技術(shù)。

CO2以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),可以進(jìn)入儲層較小的微孔裂隙中,在儲層發(fā)生破裂時(shí)有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成,在石油[11-12]、頁巖氣[13-14]、煤層氣(瓦斯)[15-18]等資源開發(fā)方面受到廣泛關(guān)注。基于煤層水壓致裂技術(shù)優(yōu)勢與CO2特性,提出CO2/H2O耦合致裂軟化技術(shù)方法。CO2/H2O耦合致裂能否實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬煤體的軟化破碎,研究CO2壓裂液對煤體力學(xué)特性的影響規(guī)律尤為重要。

目前,中外學(xué)者針對CO2對煤巖體力學(xué)特性的影響進(jìn)行了諸多研究。焦子曦等[19]開展不同壓裂液黏度作用下砂巖室內(nèi)水力壓裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,低黏度壓裂液有利于形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[20-25]通過CO2浸泡(壓裂)頁巖試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)CO2對頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、起裂壓力、壓裂裂縫形態(tài)與壓裂效果具有顯著影響。文虎等[26]、周西華等[27]通過液態(tài)CO2溶浸煤體試驗(yàn),液態(tài)CO2溶浸可有效促進(jìn)煤體裂隙發(fā)育,有利于提高煤體的滲透性。梁衛(wèi)國等[28]、肖暢等[29]通過開展超臨界CO2浸泡煤體試驗(yàn),結(jié)果表明,超臨界CO2對煤體抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比具有明顯的損傷劣化效應(yīng),其中CO2與水結(jié)合形成碳酸對煤中礦物的溶解是導(dǎo)致煤體力學(xué)強(qiáng)度降低的主要因素。綜上可知,前人研究主要集中在飽和CO2對頁巖、砂巖與煤體礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性、力學(xué)響應(yīng)等方面,然而,以開發(fā)CO2/H2O耦合致裂技術(shù)為目標(biāo),開展CO2壓裂液對煤體力學(xué)特性影響規(guī)律的研究較少。

鑒于此,通過設(shè)計(jì)不同CO2壓裂液不同條件下靜態(tài)加壓浸泡煤樣試驗(yàn),通過單軸壓縮、巴西劈裂試驗(yàn)得到CO2壓裂液對煤體強(qiáng)度與變形特征的影響規(guī)律,同時(shí)結(jié)合X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)等煤樣微觀測試試驗(yàn),分析CO2壓裂液對煤體力學(xué)特性的影響規(guī)律與作用機(jī)制,研究成果為建立CO2壓裂液作用下煤巖的力學(xué)本構(gòu)方程提供試驗(yàn)基礎(chǔ),為低滲硬厚煤巖CO2耦合壓裂軟化破碎的施工參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置與試樣制備

試驗(yàn)主要包含CO2壓裂液靜態(tài)加壓浸泡煤樣試驗(yàn)、煤樣單軸壓縮與巴西劈裂試驗(yàn)以及煤樣微觀測試試驗(yàn)。

CO2壓裂液靜態(tài)加壓浸泡試驗(yàn)選用課題組自主研發(fā)的煤巖體多場多相壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1),該試驗(yàn)系統(tǒng)由應(yīng)力加載系統(tǒng)、壓力室、CO2供應(yīng)系統(tǒng)、注液控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,其中壓力室:結(jié)構(gòu)方式為下開口,最大圍壓10.0 MPa;CO2供應(yīng)系統(tǒng):控制CO2壓力與流量,最大氣壓為6.0 MPa,最大流量為24.0 L/min;注液控制系統(tǒng):動態(tài)調(diào)控壓力范圍0～40.0 MPa;溫度控制系統(tǒng):采用室外加熱,控制范圍0～100 ℃;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):由傳感器、數(shù)據(jù)采集軟件與電腦組成。

圖1 煤巖多場多相耦合壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Multi-field multiphase coupled fracturing test system for coal rock

煤樣單軸壓縮與巴西劈裂試驗(yàn)分別選用MTS815電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)、HCT605A電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。采用X射線衍射儀(D8 ADVANCE)與JSM-6460LV高分辨率掃描電子顯微鏡進(jìn)行煤樣微觀測試試驗(yàn)。

煤巖巖芯取自陜北侏羅紀(jì)煤田3號煤層。試樣制備要求:①為測試CO2壓裂液浸泡前后煤樣力學(xué)參數(shù)變化,將巖芯加工成Φ50 mm×100 mm與Φ50 mm×25 mm兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣;②為使掃描圖片接近孔隙的真實(shí)形態(tài),將煤樣折斷到自然斷面;③為測試CO2壓裂液浸泡前后煤樣礦物組分的變化,選取10～20 mm的樣品20 g,并在真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理。

CO2壓裂液配置中選取陰離子K-12與非離子OP-10復(fù)配表面活性劑,配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%和5%的CO2活性水基溶液(CO2壓裂液),對應(yīng)編號分別為CH-1、CH-3和CH-5。

1.2 試驗(yàn)方案與方法

CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、作用時(shí)間與浸泡壓力對CO2壓裂液性質(zhì)具有顯著影響。開展不同CO2壓裂液(CH-1、CH-3與CH-5)、不同條件(作用時(shí)間、溫度與浸泡壓力)下的煤體浸泡試驗(yàn),通過單軸壓縮與巴西劈裂力學(xué)試驗(yàn),以及X射線衍射、電鏡掃描等微觀測試試驗(yàn),分析CO2壓裂液對煤體力學(xué)特性的影響規(guī)律與作用機(jī)制。設(shè)計(jì)5組試驗(yàn)方案,每種條件下測試煤樣≥3個(gè),取其平均值,具體試驗(yàn)方案如表1所示。

試驗(yàn)步驟:①配置不同CO2壓裂液;②試驗(yàn)前將巖芯、煤樣自然斷面、顆粒放在25 ℃的恒溫烘箱干燥48 h,留取原始對比煤樣,將試驗(yàn)煤樣放入壓力室,安裝固定壓力室與底座,并檢查密封情況;③開啟加熱系統(tǒng),控制壓力室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值;④溫度穩(wěn)定后,注液控制系統(tǒng)將試驗(yàn)CO2壓裂液注入壓力室,增壓至設(shè)定值,保持恒壓,開始記錄靜壓作用時(shí)間;⑤CO2壓裂液浸泡煤樣至設(shè)定時(shí)間后,取出煤樣,對其表觀特征進(jìn)行觀察記錄,用保鮮膜包裹備用;⑥對未浸泡與浸泡后煤樣進(jìn)行單軸壓縮、巴西劈裂試驗(yàn),并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù);⑦對未浸泡與浸泡后煤樣進(jìn)行X射線衍射、電鏡掃描試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2為CO2壓裂液作用前后煤樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。圖2不同條件下煤樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)煤樣破壞過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,計(jì)算得彈性模量,彈性模量變化值反映壓裂液對煤體的軟化程度。對比不同方案的試驗(yàn)結(jié)果,CO2壓裂液作用后煤樣的峰值強(qiáng)度與彈性模量均出現(xiàn)不同程度降低,降幅分別為11.07%～47.91%、7.28%～56.85%。結(jié)果表明,煤體力學(xué)特性的弱化程度與流體性質(zhì)、作用時(shí)間、溫度以及浸泡壓力均有關(guān)。

表2 CO2壓裂液作用前后煤樣的力學(xué)參數(shù)

A、A1為壓密變形終點(diǎn);B、B1為彈性變形終點(diǎn);C、C1為屈服變形終點(diǎn);D、D1為破壞終點(diǎn)圖2 CO2壓裂液作用前后煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain relationship curve of coal samples before and after the action of CO2 fracturing fluid

由圖2可知,CO2壓裂液作用后煤樣的單軸壓縮變形破壞過程為:壓密、彈性變形、屈服變形、破壞4個(gè)階段。與原煤(未浸泡煤樣)相比:①壓密階段(OA1):CO2壓裂液作用后煤樣的壓密過程約為原煤的2倍,其孔隙度有顯著提高,有利于改善煤樣的滲透性;②彈性變形(A1B1):CO2壓裂液作用后煤樣的彈性變形階段縮短,彈性變形性能降低;③屈服變形(B1C1):CO2壓裂液作用后煤樣峰值強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變基本大于1.5%(原煤為1.34%),最大為1.98%,說明作用后煤樣基質(zhì)的塑性變形增強(qiáng);④破壞階段(C1D1):CO2壓裂液作用后煤樣在應(yīng)力峰值后產(chǎn)生多個(gè)峰值點(diǎn),生成更多的裂隙。

2.1.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

CO2壓裂液作用前后煤樣劈裂過程中的加載與時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示,CO2壓裂液作用前后載荷變化整體趨勢基本一致:初期載荷緩慢增加,之后載荷快速增加,直到試件破壞的極限載荷,載荷瞬間降到零;與原煤(未浸泡煤樣)相比,CO2壓裂液作用后煤樣的載荷增速階段與峰值載荷時(shí)間提前,加載曲線光滑,發(fā)生塑性變形至拉伸破壞(原煤荷載曲線前期波動,發(fā)生脆性破壞)。

圖3 CO2壓裂液作用前后煤樣劈裂載荷-時(shí)間特征曲線Fig.3 Split load-time characteristic curve of coal samples before and after CO2 fracturing fluid

CO2壓裂液作用前后煤樣的巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,分析可知,CO2壓裂液作用后煤樣的載荷峰值、峰值應(yīng)變、抗拉強(qiáng)度與峰值能率均減小,降幅為25.2%～30.3%,驗(yàn)證了CO2壓裂液對煤樣損傷弱化效果。

表3 CO2壓裂液作用前后煤樣的巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 影響因素分析

2.2.1 CO2壓裂液對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響

CO2壓裂液對煤體力學(xué)參數(shù)的影響結(jié)果如表2和圖4所示,分析可知:CO2壓裂液作用后,煤體的峰值強(qiáng)度與彈性模量均下降,CH-1、CH-3與CH-5作用后煤體峰值強(qiáng)度降幅分別為20.48%、26.82%與40.96%,彈性模量降幅分別為35.04%、41.89%與56.85%,煤體力學(xué)參數(shù)受劣化影響程度彈性模量大于峰值強(qiáng)度,隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,CO2壓裂液對煤體力學(xué)性質(zhì)的劣化程度加劇,CH-5作用后煤體的軟化效果顯著。選用CO2壓裂液(CH-5),研究作用時(shí)間、溫度與浸泡壓力等因素對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

圖4 CO2壓裂液對煤樣力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律Fig.4 Effect law of CO2 fracturing fluid on the mechanical parameters of coal samples

2.2.2 作用時(shí)間對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響

CO2壓裂液作用過程中作用時(shí)間對煤體力學(xué)參數(shù)的影響結(jié)果如表2和圖5所示,分析可知:① 隨作用時(shí)間增加,煤體的峰值強(qiáng)度與彈性模量總體呈現(xiàn)遞減的變化趨勢;② 隨著作用時(shí)間的增加,煤體峰值強(qiáng)度的下降速率增大;③ 隨著作用時(shí)間的增加,煤體彈性模量的下降速率呈現(xiàn)“增大-減小-增大”的變化趨勢;④ 當(dāng)作用時(shí)間超過某一特定值時(shí),CO2壓裂液對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的改造趨于穩(wěn)定,對煤體的軟化作用減弱。結(jié)合現(xiàn)場情況,硬煤壓裂軟化時(shí)間應(yīng)不少于8.0 h。

圖5 作用時(shí)間對煤體力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律Fig.5 Influence of action time on the mechanical parameters of coal body in the process of CO2 fracturing fluid

2.2.3 溫度對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響

CO2壓裂液作用過程中溫度對煤體力學(xué)參數(shù)的影響結(jié)果如表2和圖6所示,分析可知:① 不同溫度(25～35 ℃)影響下,煤體的峰值強(qiáng)度與彈性模量呈現(xiàn)下降的變化趨勢;② 隨溫度(25～35 ℃)升高,峰值強(qiáng)度增大;③ 隨溫度(25～35 ℃)升高,彈性模量先升高后降低,這與CO2對溫度很敏感,溫度升高CO2在水溶液中的溶解度降低,影響CO2-水-煤體之間的相互作用;④ 隨著溫度升高,煤體的軟化效果降低,常溫(25 ℃)狀態(tài)下CO2水耦合壓裂煤體軟化效果最佳。

2.2.4 浸泡壓力對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響

CO2壓裂液作用過程中浸泡壓力對煤體力學(xué)參數(shù)的影響結(jié)果如表2與圖7所示,分析可知:①隨著浸泡壓力增大,煤體的峰值強(qiáng)度呈下降的變化趨勢,彈性模量呈現(xiàn)“先降后升”的變化趨勢;②浸泡壓力為7.0 MPa時(shí),煤體的峰值強(qiáng)度下降速率減小,且彈性模量存在增大的趨勢,這與CO2壓裂液密度增大,進(jìn)入煤體內(nèi)部的CO2壓裂液減少有關(guān);③隨浸泡壓力增大,煤體的軟化系數(shù)降低,但降幅減小。

圖7 浸泡壓力對煤體力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律Fig.7 Effect of immersion pressure on the physical parameters of coal mechanics

2.3 CO2壓裂液與煤體相互作用機(jī)制分析

在CO2壓裂液浸泡煤樣的試驗(yàn)過程中,首先,浸泡壓力對煤體產(chǎn)生初始損傷;其次,煤體是多孔介質(zhì),在滲吸與毛細(xì)管的作用下,CO2壓裂液進(jìn)入煤體內(nèi)部,在煤體內(nèi)部形成一定的孔隙壓力,在孔隙壓力作用下顆粒間的壓應(yīng)力減小,對微孔隙產(chǎn)生劈裂作用,微孔隙自身擴(kuò)展與周邊孔隙連通,改變煤體的微觀孔隙結(jié)構(gòu),從而影響煤體力學(xué)性質(zhì);隨著浸泡時(shí)間的延長,CO2壓裂液與煤體中礦物與膠結(jié)物成分相互作用,碳酸鹽礦物發(fā)生溶蝕反應(yīng),黏土礦物膨脹或部分晶體脫落,使得煤體的礦物組分發(fā)生變化,礦物顆粒間聯(lián)結(jié)力減小。

為了進(jìn)一步分析CO2壓裂液與煤體的作用機(jī)制,對浸泡前后煤樣進(jìn)行X射線衍射與電鏡掃描試測。CO2壓裂液浸泡前后煤樣的XRD分析結(jié)果如圖8所示,分析可知:與未浸泡煤樣相比,CO2壓裂液中CO2含量對方解石有顯著影響,CH-1作用后方解石相對含量增加3.77%,溶蝕作用小于沉淀作用;CH-5作用后方解石相對含量減小43.41%,溶蝕作用大于沉淀作用,說明CO2壓裂液與煤體中礦物組分發(fā)生了溶蝕、溶解等物理化學(xué)作用。進(jìn)一步闡述了CH-1作用后煤樣的峰值強(qiáng)度、彈性模量大于CH-3、CH-5作用后煤樣,但其對應(yīng)峰值應(yīng)變量卻最大的原因,CO2壓裂液中CO2含量影響其與煤體的物理化學(xué)作用,從而影響煤體的力學(xué)特性。

圖8 XRD分析結(jié)果Fig.8 XRD results

CO2壓裂液作用前后煤樣的SEM結(jié)果如圖9所示,分析可知:與未浸泡煤樣相比,CO2壓裂液作用后煤樣表面形態(tài)發(fā)生變化,孔隙顆粒被溶蝕,孔隙表面變的更為平滑,且出現(xiàn)新的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明在CO2壓裂液作用下,煤體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。

圖9 煤樣的表面形態(tài)Fig.9 Surface morphology of coal samples

分析可知:CO2壓裂液與煤體在物理化學(xué)作用下,一方面煤體顆粒骨架與孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,弱化了煤體強(qiáng)度;另一方面煤體中的礦物與膠結(jié)物成分發(fā)生改變,礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)力減小,弱化了顆粒間的黏聚力。不僅揭示了CO2壓裂液與煤體之間的相互作用機(jī)制,同時(shí)解釋了CO2壓裂液對煤體力學(xué)特性影響的原因。

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

選擇陜北常家梁煤礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),該煤層埋深約158 m,煤層平均可采厚度5.40 m,傾角1°～3°,煤體硬度系數(shù)為2.3,煤體抗壓強(qiáng)度為17.97 MPa,選用綜采一次采全高采煤方法。因煤體硬度大,引發(fā)采煤機(jī)割煤速度慢、材料消耗大、產(chǎn)量低等問題。依據(jù)前文研究結(jié)果,分別選用活性水溶液與CO2壓裂液進(jìn)行超前壓裂。為了對比分析CO2壓裂液、活性水溶液壓裂之間的作用效果,將回風(fēng)順槽距開切眼0～200 m區(qū)段作為對照區(qū),200～250 m、250～300 m區(qū)段分別為活性水溶液壓裂與CO2壓裂液壓裂試驗(yàn)區(qū),其壓裂瞬間壓力監(jiān)測曲線如圖10、圖11所示。CO2壓裂液的起裂壓力為14～16 MPa,比活性水溶液的起裂壓力為18～20 MPa顯著降低。與前文CO2壓裂液作用后煤體強(qiáng)度降低的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖10 活性水溶液壓裂瞬間壓力監(jiān)測曲線Fig.10 Instantaneous pressure monitoring curve of active aqueous solution fracturing

圖11 CO2壓裂液壓裂瞬間壓力監(jiān)測曲線Fig.11 Instantaneous pressure monitoring curve of CO2 fracturing fluid

根據(jù)工作面裂隙分布觀測,非來壓期間各階段裂隙情況如圖12所示,分析可知:與正?；夭呻A段相比,CO2壓裂液壓裂、活性水溶液壓裂階段裂隙度分別提高了4.8倍與2.1倍,裂隙平均間距分別減小0.51 m與0.21 m。進(jìn)一步說明CO2壓裂液能有效軟化破碎煤體。

圖12 裂隙分布情況Fig.12 Split distribution

對試驗(yàn)工作面各階段采煤機(jī)截齒、油脂與電量消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖13所示,分析可知:與常規(guī)回采相比,CO2壓裂液壓裂、活性水溶液壓裂階段截齒消耗分別減小30%與8.9%;電量消耗分別減小42.8%與32.1%;油脂消耗減小49.1%與30.6%。說明煤層壓裂后,煤體中的裂隙發(fā)育,采煤機(jī)材料消耗減小,其中CO2壓裂液壓裂材料節(jié)支效果比活性水溶液壓裂提高了10.7%～21.1%,進(jìn)一步驗(yàn)證了CO2壓裂液弱化煤體力學(xué)特性的優(yōu)勢。

圖13 采煤機(jī)材料消耗情況Fig.13 Material consumption of the coal shearer

4 結(jié)論

(1)CO2壓裂液作用后煤樣的峰值強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量與軟化系數(shù)均出現(xiàn)不同程度減小;隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,CO2壓裂液對煤體力學(xué)性質(zhì)的劣化程度加劇,強(qiáng)度降幅超過30%。

(2)CO2壓裂液作用煤體過程中,隨著溫度升高,煤體的峰值強(qiáng)度與彈性模量降幅減小,軟化效果減弱;隨著作用時(shí)間、浸泡壓力的增加,煤體的彈性模量與抗壓強(qiáng)度降幅增大,軟化效果增強(qiáng)。

(3)CO2壓裂液與煤體相互作用機(jī)制,通過物理化學(xué)作用,一方面改變煤體顆粒骨架與孔隙結(jié)構(gòu),一方面改變煤體中的礦物組分,降低礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)力,從而弱化煤體的力學(xué)特性。

(4)工程實(shí)踐表明,煤層CO2壓裂液壓裂能有效降低起裂壓力,增加裂隙度,減少材料消耗,為類似礦井煤炭清潔高效開采提供參考。