蔡余康，胡少斌，龐爍鋼，鄒柳宗，湯 旋，顏正勇

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098)

近年來，CO2相變膨脹壓裂技術(shù)作為一種環(huán)保、安全、高效的開采技術(shù)在煤層開采、地層壓裂等領(lǐng)域得到了諸多的應(yīng)用[1-3]。通過CO2在高溫下的快速相變，產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)達(dá)到破裂巖石的目的，該技術(shù)相比于傳統(tǒng)炸藥破巖，在地層損傷、避免飛石等工程事故、減少環(huán)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(jìn)行研究，而對CO2快速膨脹產(chǎn)生的爆燃沖壓的熱力學(xué)機(jī)理研究不足，對CO2爆燃特性認(rèn)識不足。因此在使用CO2相變破巖過程中容易出現(xiàn)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(tǒng)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(xué)過程的實驗研究，揭示CO2在吸熱升壓過程中的內(nèi)在機(jī)理，優(yōu)化爆破參數(shù)以提高可行性和效率、降低成本。

1 爆燃沖壓實驗系統(tǒng)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(huán)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(fù)性爆破筒的密閉環(huán)境中形成瞬態(tài)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(dǎo)熱系數(shù)低等特點，CO2聚能劑物理化學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 CO2聚能劑的基本物理化學(xué)性質(zhì)

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(fā)裝置、氣壓傳感裝置、溫度傳感裝置、加熱帶、重復(fù)性爆破筒、空氣流通系統(tǒng)組成。將預(yù)制好的CO2聚能劑放入重復(fù)性爆破筒內(nèi)，并將一定量的干冰粉快速放入爆破筒中，隨后密封，當(dāng)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(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行壓強(qiáng)變化數(shù)據(jù)的顯示與記錄。CO2爆燃沖壓實驗系統(tǒng)如圖1所示。

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

1.3 實驗方案設(shè)計

為研究CO2在密閉空間內(nèi)的密度與起爆溫度對壓強(qiáng)變化率的影響情況，實驗設(shè)計聚能劑質(zhì)量26 g，設(shè)計CO2密度分別為0.3、0.4、0.5 g/ml(添加的CO2質(zhì)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(tài)氣動壓裂質(zhì)效比實驗方案設(shè)計

2 CO2爆燃沖壓實驗結(jié)果及機(jī)理分析

2.1 實驗結(jié)果

通過記錄不同CO2密度和起爆溫度下的壓強(qiáng)-時間曲線，并通過NIST給出的CO2特性數(shù)據(jù)來判斷CO2物質(zhì)狀態(tài)與實驗的準(zhǔn)確性，同時進(jìn)行實驗結(jié)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(nèi)的干冰粉的質(zhì)量；V為爆破筒的容積，V=953.784 cm3。

通過八通道數(shù)據(jù)采集儀來進(jìn)行每次實驗的壓強(qiáng)-時間曲線數(shù)據(jù)采集，獲得CO2聚能混相流體爆燃過程中壓強(qiáng)-時間曲線。

表3 不同情況下的CO2爆燃沖壓實驗結(jié)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(nèi)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(shù)據(jù)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(qiáng)上升速率呈正相關(guān)，且對CO2聚能混相流體能否被點燃起關(guān)鍵性作用，但兩者均對最大壓強(qiáng)無明顯影響。

圖2 壓強(qiáng)時間Fig.2 Pressure time

2.2 實驗結(jié)果分析

為便于數(shù)值分析，對壓強(qiáng)-時間曲線進(jìn)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(dǎo)數(shù)零點，求得CO2爆燃沖壓實驗中壓強(qiáng)達(dá)到峰值的時間和壓強(qiáng)參數(shù)。首先通過擬合波形曲線分析壓強(qiáng)變化率，然后參照NIST中CO2同密度下定容壓強(qiáng)-焓值的性質(zhì)曲線來進(jìn)行焓值峰值的確定。以此進(jìn)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(qiáng)-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(qiáng)-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(guān)，當(dāng)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(zhì)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(dǎo)致反應(yīng)速率較快，溫度隨之上升較快，加快整體反應(yīng)。

2)關(guān)于實驗中，起爆溫度和CO2密度較高導(dǎo)致焓值峰值較高的現(xiàn)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(jìn)行熱交換，導(dǎo)致焓值降低，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律：

(2)

可知傳熱速率正比于溫度梯度，當(dāng)x不變時，傳熱速率正比于溫差ΔT，因此起爆溫度較高會導(dǎo)致熱量的快速流失，但同時也導(dǎo)致達(dá)到峰值的時間更短，綜合考慮，由于實驗時正處冬季，室內(nèi)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(zhì)量不變并皆已反應(yīng)完全的條件下所達(dá)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(dǎo)致反應(yīng)溫度較高，散熱更多。

3)關(guān)于實驗中，起爆溫度和CO2密度較高導(dǎo)致峰值壓力較高的現(xiàn)象和CO2密度較高導(dǎo)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(huán)境下，由于聚能劑質(zhì)量不變，因此產(chǎn)生的焓值ΔH不變，根據(jù)吸熱公式Q=CmΔT可知，當(dāng)比熱容C確定，即可分析溫度和吸收熱量的關(guān)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(guān)系中使用三維圖(見圖4)進(jìn)行表示。

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

通過圖4可知，CO2在遠(yuǎn)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(qiáng)為7.377 3 MPa，因此將實驗過程中CO2比熱容視為不變，根據(jù)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(jù)理想氣體狀態(tài)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(zhì)量；R為氣體常數(shù)，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(dǎo)致峰值氣壓降低，由數(shù)據(jù)可知，壓力結(jié)果與焓值結(jié)果一致。

3 結(jié)論

1)CO2密度、CO2和聚能劑質(zhì)量比以及實驗起爆溫度均會對筒內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率和壓力上升速率產(chǎn)生影響，并且在聚能劑質(zhì)量不變，容器體積不變的條件下呈正相關(guān)關(guān)系。

2)在聚能劑質(zhì)量不變，容器體積不變的條件下，CO2密度、CO2和聚能劑質(zhì)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(dá)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。