王海東，高佳慧，陳學習，梁忠秋，管永明，甄康哲

(1.華北科技學院，北京 101601；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，撫順 113122)

我國煤層氣(煤層瓦斯)資源豐富，開發(fā)和利用潛力巨大，但煤層滲透率普遍偏低，一般在0.001～1.8×10-3μm2范圍內[1],致使瓦斯抽采困難，不僅商業(yè)開采面臨挑戰(zhàn)，而且制約煤礦安全高效生產(chǎn)[2,3]。我國的煤炭工作者對提高煤層滲透性進行了長期探索和實踐[4-8]，目前提高煤層滲透性的方法主要有開采解放層、水力壓裂、水力割縫、深孔爆破、液態(tài)CO2(L-CO2)爆破等為代表的孔裂隙重構技術以及注熱、微波、聲波等為代表的瓦斯強化解吸技術。

與以上眾多壓裂增透技術相比，L-CO2壓裂具有壓裂增透和驅替置換的雙重瓦斯強化抽采作用，是目前低透氣性煤層壓裂改造方法的研究熱點。國內外現(xiàn)階段關于CO2壓裂增透的研究主要集中在物理相似模擬和油氣增產(chǎn)現(xiàn)場試驗。物理相似模擬實驗方面：盧義玉等[9]、JIANG 等通過實驗研究了L-CO2和超臨界CO2(SC-CO2)壓裂花崗巖和頁巖試件過程起裂壓力特征[10]，發(fā)現(xiàn)CO2壓裂的起裂壓力要低于水力壓裂。樊世星等建立了L-CO2壓裂煤巖起裂壓力計算模型[11]，推導了水和L-CO2壓裂注液量的量化表。趙胤翔等[12]、鮑先凱等運用高壓脈沖放電系統(tǒng)對不同強度的相似材料進行水中放電致裂實驗得出[13]：試樣強度越大，形成貫通裂紋所需脈沖放電次數(shù)越多，所需要的能量也就越大；同時放電電壓越高，煤樣內部裂隙的數(shù)量和節(jié)點數(shù)量越多、總長度越長、平均寬度越寬以及裂隙率越大；放電電壓越高，分形維數(shù)和裂隙分布初值的對數(shù)值越大紋后的試樣鉆孔內部裂隙發(fā)育越豐富。

綜上所述，目前L-CO2壓裂技術、電脈沖沖擊致裂技術的應用仍主要集中在非常規(guī)油氣資源開發(fā)行業(yè)，其在井下煤層增透方面的研究仍處于理論和實驗探索階段，相關工業(yè)試驗在國內鮮見報道。鑒于此，筆者類比液態(tài)CO2相變氣化的機理，提出利用電脈沖放電過程的熱效應直接氣化液態(tài)CO2為超臨界態(tài)CO2壓裂煤體的思路，并根據(jù)自制的高壓脈沖放電激勵液態(tài)CO2壓力響應實驗裝置對高壓脈沖放電激勵液態(tài)CO2相變過程電、熱、力多場耦合的復雜過程進行定量研究，為該技術實現(xiàn)井下應用提供理論支撐。

1 高壓脈沖放電激勵超臨界CO2試驗能量分析

1.1 高壓脈沖放電激勵超臨界CO2放電能量計算

高壓電脈沖放電過程，主要原理是將電容中儲存的電能轉換為熱能，形成高溫高壓沖擊波；C為脈沖電源的電容，U為電容充電電壓，則脈沖電源中電容存儲的能量WC可表示為

(1)

本次實驗組合128個10 000 UF/400 V電容，得出容量為0.02 F/2500 V的起爆容量。通過改變起爆電壓等級分別為1500 V、2000 V、2500 V實現(xiàn)三個等級放電能量實驗，放電能量分別為20 kJ、40 kJ、50 kJ。

1.2 超臨界態(tài)CO2反應能量計算

CO2的物性狀態(tài)與溫度、壓力密切相關，當溫度超過31.1℃且壓力大于7.38 MPa時，處于超臨界狀態(tài)。該狀態(tài)具有與其液態(tài)時相近的密度，粘度卻與其氣態(tài)時相似，氣爆過程的CO2各狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力、密度等可利用其物態(tài)方程計算，該物態(tài)方程是科研工作者經(jīng)過長期實踐而總結出的較為準確的經(jīng)驗公式。

1996年Span和Wagner針對CO2的P-V-T數(shù)據(jù)分析研究后，共同提出了一種適用于CO2物性參數(shù)計算的基于亥姆霍茲自由能的狀態(tài)方程，簡稱SW方程，其溫度適用范圍為216.59～1100 K，壓力最高可達800 MPa，計算CO2熱力學參數(shù)具有很高的精度，為美國國家標準與技術研究院(NIST)所推薦。CO2的物性參數(shù)計算方程的具體形式如下

A(ρ,T)/(RgT)=φ(δ,τ)=φ0(δ,τ)+φr(δ,τ)

(2)

(3)

(4)

式中

Δ={(1-τ)+Ai[(δ-1)2]1/(2βi)}2+

Bi[(δ-1)2]αi

式中：A為亥姆霍茲自由能；φ為無量綱亥姆霍茲自由能；φ0為理想部分無量綱亥姆霍茲自由能；φr為殘余部分無量綱亥姆霍茲自由能；Rg為氣體常數(shù)，0.188924 kJ/(kg·K)；δ為折算密度，δ=ρ/ρc；τ為反折算溫度，τ=Tc/T；CO2臨界溫度Tc=304.1282 K，臨界密度ρc=467.6 kg/m3。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式(5)為p-v-T關系式；式(6)～式(11)分別為熵s、內能u、焓h、定容熱容cv、定壓熱容cp、聲速w的計算式，內能單位為J/kg，熵、焓、定容熱容、定壓熱容的單位均為J/(kg·K)，聲速單位為m/s。

根據(jù)上述計算公式，計算使用refprop軟件進行數(shù)據(jù)計算，為方便將反應釜內0.6 kg液態(tài)CO2換算為1 kg標準情況下進行計算。表1為20 kJ、30 kJ、50 kJ能量氣化后內能變化表。SW方程計算參數(shù)見表2。

表 1 液態(tài)CO2氣化內能計算參數(shù)表

表 2 SW方程計算參數(shù)表

2 實驗研究

研究高壓放電過程中的能量轉換關系，根據(jù)放電能量E與儲能電容C、和充電電壓U之間關系，調整放電能量；同時考察電極間距對放電能量的相關性。針對超臨界CO2相變過程符合熱力學理論、Span & Wagner和等熵方程狀態(tài)方程，分析計算各因素對反應釜內超臨界CO2壓力變化的影響，建立主要影響因素與超臨界CO2壓力反應特征參數(shù)(相變壓力峰值、升壓時間、降壓時間)間的關系，確定高壓放電激勵超臨界CO2反應數(shù)學模型。

2.1 高壓脈沖放電激勵超臨界CO2相變壓力響應測試裝置設計

高壓脈沖放電激勵超臨界CO2壓力響應測試裝置壓力測試部分由加注裝置、放電裝置、監(jiān)測裝置、反應釜等組成，如圖1、圖2所示。

圖 1 高壓脈沖放電激勵超臨界CO2放電系統(tǒng)Fig. 1 Measurement circuit supercritical CO2 phase-transition test system under high voltage electrical pulses discharge

圖 2 高壓脈沖放電激勵超臨界CO2壓力響應測試裝置Fig. 2 Supercritical CO2 phase-transition pressure response testing device under high voltage electrical pulses discharge

2.2 實驗過程

(1)接通220V交流電通過升壓變壓器將電壓升高，升高后的交流電通過可控整流裝置變成直流電給儲能裝置充電，達到預設值。

(2)啟動液態(tài)CO2加注系統(tǒng)，將液態(tài)CO2加注進超臨界CO2相變反應釜。

(3)調試壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢查各系統(tǒng)連接線路。

(4)閉合點火開關使電路導通，電能經(jīng)過放電參數(shù)調節(jié)模塊后在放電電極處釋放，通過控制平臺的按鍵對整個過程進行控制，信號采集則是通過示波器與系統(tǒng)中的電壓傳感器和電流傳感器進行收集。該系統(tǒng)由成都泰斯特電子信息有限責任公司生產(chǎn)的TST6200瞬態(tài)信號測試儀、信號連接線、筆記本電腦和TST6200瞬態(tài)信號測試儀自帶軟件DAP7.10，主要采集液態(tài)CO2相變全程中反應低釜內的超臨界CO2壓力變化。見圖3。

圖 3 超臨界CO2相變試驗裝置Fig. 3 Supercritical CO2 phase-transition testing device

為得到高壓脈沖放電激勵超臨界CO2相變壓力，將高頻壓力傳感器固定于反應釜壁上，通過示波器監(jiān)測超臨界CO2相變壓力變化時程曲線。

2.3 試驗結果與分析

高壓點火開關通電后，瞬態(tài)信號測試儀記錄壓力傳感器A的數(shù)據(jù)，得到液態(tài)CO2相變?yōu)槌R界態(tài)CO2后反應釜內的壓力變化情況，如圖4所示。通電時，電極放電產(chǎn)生熱量，使得液態(tài)CO2瞬時加熱，部分液態(tài)CO2吸熱氣化，此時CO2分子運動速度加快,分子間間距增大，液態(tài)CO2迅速氣化，放電結束后試驗結束，整個液態(tài)CO2氣化時間約為0～1.8 ms之間。為分析電極放電后反應釜內壓力曲線變化特征，將試驗曲線提取出來如圖4所示。

(1)從圖中可以看出，在三種放電能量下反應釜內超臨界態(tài)CO2壓力變化狀態(tài)，在0～0.3 ms范圍內監(jiān)測曲線為脈沖波形曲線，該范圍內電脈沖快速振動，壓力波動較大，主要是因為電脈沖波影響所致。

(2)在0.3～1.8 ms范圍壓力曲線接近直線，該階段表明電脈沖放電階段結束，部分液態(tài)CO2快速吸熱氣化的過程，壓力上升并穩(wěn)定。

(3)在20 kJ、40 kJ、50 kJ放電能量下壓力監(jiān)測曲線顯示的壓力值與計算得出數(shù)據(jù)相關性較好，說明采用電脈放電產(chǎn)生的能量對激勵液態(tài)CO2相變具有良好的促進作用。

圖 4 反應釜內超臨界態(tài)CO2壓力監(jiān)測曲線Fig. 4 Supercritical carbon dioxide autoclave pressure monitoring curve

3 結論

(1)采用Span&Wagner狀態(tài)方程，從熱力學角度出發(fā)，結合refprop數(shù)值計算軟件分析計算，得出理論氣化壓力與實驗測試數(shù)據(jù)相符，說明高壓電脈沖放電熱效應對液態(tài)CO2有氣化作用。

(2)通過改變起爆電壓，測得反應釜內超臨界CO2壓力動態(tài)響應壓力值隨電脈沖能量增大而增大，同時沖擊壓大也呈增大趨勢。結果表明理論計算反應釜氣化能量的準確性，結果顯示反應釜內的壓力與放電能量相關性較好。

(3)通過實驗研究表明，采用高壓脈沖放電激勵超臨界CO2過程中，既有高壓脈沖波作用，同時由于脈沖放電熱效應使反應釜內部分液態(tài)CO2氣化產(chǎn)生相變壓力，說明高壓脈沖放電激勵超臨界CO2應用于低滲透煤層增透是可行的。