劉 勇，張東鑫 ，張宏圖 ，魏建平 ，司磊磊

(1.河南理工大學 瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

煤層氣的高效開采能有效緩解我國能源緊張、推動能源結(jié)構轉(zhuǎn)型，同時減少煤層氣排空，能夠大力推動我國“雙碳”戰(zhàn)略的實施。鉆井效率及井壁穩(wěn)定性是煤層氣高效開采的重要前提。超臨界二氧化碳(SC-CO)作為極具應用潛力的鉆井液，在提高鉆井效率及維持井壁穩(wěn)定性方面具有獨特優(yōu)勢。SC-CO對煤體的溶解萃取和吸附膨脹作用是提高破煤效率和鉆井效率的關鍵。但在鉆井過程中，由于煤體處于動態(tài)揭露狀態(tài)，SC-CO與煤體接觸時間短。而接觸時間是SC-CO溶解萃取和吸附膨脹充分發(fā)揮作用的基礎。在鉆井時間尺度下，明確SC-CO射流是否能夠提高破煤效率及其原因?qū)ζ涔I(yè)化應用具有重要意義。

由于SC-CO具有低黏度和高滲透性，容易進入煤巖體微觀裂隙和孔隙內(nèi)，溶解和萃取煤中的礦物質(zhì)和有機物，改變煤體物理和力學性質(zhì)。浸泡時間是SC-CO發(fā)揮作用最重要的因素之一，其影響權重大于浸泡溫度和壓力。目前對于浸泡時間的研究多集中在長時浸泡條件下。張倍寧等浸泡煤體24 h后，CO吸附引起的煤基質(zhì)膨脹和外部應力的壓縮的耦合作用，部分孔隙變得狹窄。溶蝕的碳氫化合物和礦物被困在孔隙和裂縫中，導致煤巖體的孔隙體積和比表面積分別下降了24%和12%。何立國等對浸泡7 h后的煤體進行力學強度測試，由于吸附在煤體表面的超臨界CO會改變煤體表面的化學勢，煤體表面能會發(fā)生改變，表面能的改變直接影響煤體孔裂隙的改變，弱化了煤體的力學強度,單軸抗壓強度和彈性模量分別降低72.28%和68.04%。姜仁霞等對浸泡30 d的煤體進行X射線衍射實驗，發(fā)現(xiàn)在超臨界CO與水中，煤中礦物發(fā)生溶解和溶解元素的遷移現(xiàn)象，石英含量增加，高嶺石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦含量下降，導致煤體孔隙結(jié)構改變。杜玉昆等發(fā)現(xiàn)超臨界CO浸泡時間越長，巖心不斷膨脹，其強度越低，浸泡較長時間后抗壓強度降低的趨勢減緩。煤體處于SC-CO長時浸泡條件下，SC-CO與煤體充分發(fā)生反應，溶解礦物質(zhì)并萃取有機物，使煤體孔隙結(jié)構和力學強度發(fā)生變化，能夠較大程度提高超臨界二氧化碳射流沖擊破煤效率。但在鉆井時間尺度下，SC-CO是否能夠改變煤體的孔隙結(jié)構和力學強度，從而提高沖擊破碎效率和鉆井效率尚不得而知。為此，筆者開展了超臨界氧化碳沖擊破碎短時浸泡煤樣研究，分析了不同浸泡條件下煤體沖擊破碎特征，通過對比分析浸泡前后孔隙結(jié)構、礦物含量和力學性質(zhì)的變化，明確短時浸泡對煤體沖擊破碎特征的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原理

為研究超臨界二氧化碳射流沖擊浸泡煤體破壞特征，采用超臨界二氧化碳射流對不同浸泡溫度、浸泡壓力、浸泡時間條件下的煤柱進行沖擊，分析不同浸泡條件下煤體破碎特征。通過低溫氮氣吸附實驗、X射線衍射實驗研究浸泡前后煤孔隙結(jié)構和煤樣礦物的變化規(guī)律，結(jié)合浸泡前后煤體力學性質(zhì)對比實驗，綜合分析浸泡對煤體沖擊破碎特征形成原因及規(guī)律。

1.2 實驗樣品制作

試樣取自九里山煤礦無煙煤，基礎物性參數(shù)為：水分1.11%、灰分18.20%、揮發(fā)分8.92%、硫分0.45%。將試樣加工成圓柱原煤和顆粒煤樣，分別用于力學性質(zhì)測試實驗和低溫氮氣吸附實驗。鉆取直徑50 mm的柱狀煤樣，打磨成高度(100±2) mm的圓柱原煤煤樣，兩端面的不平行度不超過0.05 mm，且顆粒煤樣研磨至0.177～0.250 mm(60～80目)。將制備的煤樣放入干燥箱中，設置干燥溫度80 ℃，干燥48 h后備用。

1.3 實驗系統(tǒng)

采用自主研制的超臨界二氧化碳破煤實驗系統(tǒng)進行沖擊破煤實驗和浸泡實驗，該系統(tǒng)主要由超臨界二氧化碳制備系統(tǒng)和萃取系統(tǒng)組成，如圖1所示。超臨界二氧化碳制備系統(tǒng)可制備壓力為100 MPa和溫度為473 K的超臨界二氧化碳。萃取釜承壓為200 MPa，溫度最高可調(diào)節(jié)至473 K；破巖釜最大工作壓力為200 MPa，靶距調(diào)節(jié)范圍為0～100 mm。超臨界二氧化碳參數(shù)通過控制與監(jiān)測系統(tǒng)自動化控制。低溫氮氣吸附實驗所用儀器為V-sorb 2800tp比表面積及孔徑分析測試儀；力學性質(zhì)測試實驗所用儀器為RMT-150B電液伺服巖石實驗系統(tǒng)；X射線衍射實驗所用儀器為Smart Lab X 射線衍射儀。

圖1 超臨界二氧化碳萃取實驗系統(tǒng)流程

1.4 實驗方案

(1)選取部分圓柱煤樣進行力學強度測試和超臨界二氧化碳射流沖擊破壞實驗，明確未浸泡煤體力學參數(shù)和沖擊破壞特征。取7份顆粒煤樣進行低溫氮氣吸附實驗，取孔隙分布平均值，避免煤樣離散性，明確原始孔隙結(jié)構特征。取7份顆粒煤樣進行X射線衍射實驗，明確原始礦物含量。

(2)對剩余圓柱煤樣進行浸泡，浸泡實驗方案見表1，同一浸泡條件下同時浸泡2個煤樣。對步驟(1)中的煤顆粒在孔隙結(jié)構測試實驗和X射線衍射實驗后進行浸泡，浸泡方案見表2。浸泡溫度、壓力和時間范圍的選取均根據(jù)煤層埋深和實際鉆井過程確定。

表1 超臨界二氧化碳浸泡煤樣實驗方案

表2 浸泡煤樣低溫氮氣吸附實驗方案

(3)對同一浸泡條件下的2個圓柱煤樣分別進行力學強度測試和沖擊破碎實驗。所有煤樣的浸泡條件相同，壓力為50 MPa，溫度363 K，靶距12 mm。

(4)對浸泡后的顆粒煤試樣分別進行低溫氮氣吸附實驗和X射線衍射實驗，明確不同浸泡條件對煤孔隙結(jié)構、礦物含量的影響。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 沖擊破煤特征實驗結(jié)果

2.1.1 浸泡時間對沖擊破煤特征影響

浸泡溫度為313 K、浸泡壓力為8 MPa、浸泡時間為3～120 min的煤體沖擊破碎特征如圖2所示，煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布如圖3(a)所示。

圖2 不同浸泡時間下射流沖擊破煤效果

圖3 沖擊煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布

不浸泡煤體沖擊破碎后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)超過78.8%，粒徑小于1 mm煤屑僅占4.59%。浸泡3 min后的煤體沖擊破碎特征如圖2第2列所示，從煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布可以看出，在浸泡3 min后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)為72.47%，粒徑小于1 mm煤屑為10.35%。對比原始煤樣，分別降低了6.33%和增加了5.76%。隨著浸泡時間的增長，這一變化特征總體上保持不變，即破碎煤屑粒徑逐漸降低。但在浸泡時間小于30 min時，粒徑降低的趨勢并不明顯。在浸泡時間達到1 h后，粒徑的降低發(fā)生階躍性變化。相比浸泡時間為30 min時，粒徑小于1 mm煤屑占比由16.01%增加到20.64%。

2.1.2 浸泡溫度對沖擊破煤特征影響

浸泡壓力為8 MPa、浸泡時間為30 min、浸泡溫度為308～323 K的煤體沖擊破碎特征如圖4所示，煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布如圖3(b)所示。不浸泡煤體沖擊破碎后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)超過57.44%，粒徑小于1 mm煤屑僅占4.59%。浸泡308 K后的煤體沖擊破碎特征如圖4第2列所示，從煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布可以看出，在浸泡313 K后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)為69.16%，粒徑小于1 mm煤屑為16.01%。對比原始煤樣，分別降低了9.64%和增加了5.82%。在浸泡323 K后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)為38.92%，粒徑小于1 mm煤屑為20.23%。相比313 K浸泡后的煤樣，分別降低了43.72%和增加了78.3%。隨著浸泡溫度的增加，這一變化特征總體上保持不變，即破碎煤屑粒徑逐漸降低。

圖4 不同浸泡溫度下射流沖擊破煤效果

2.1.3 浸泡壓力對沖擊破煤特征影響

浸泡溫度為313 K、浸泡時間為30 min、浸泡壓力為8～20 MPa的煤體沖擊破碎特征如圖5所示，煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布如圖3(c)所示。不浸泡煤體沖擊破碎后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)超過78.80%，粒徑小于1 mm煤屑僅占4.59%。浸泡8 MPa后的煤體沖擊破碎特征如圖5第2列所示，從煤屑質(zhì)量分數(shù)累積分布可以看出，在浸泡8 MPa后，粒徑大于20 mm煤屑質(zhì)量分數(shù)為57.44%，粒徑小于1 mm煤屑為16.01%。對比原始煤樣，分別降低了21.36%和增加了11.42%。隨著浸泡壓力的增加，這一變化特征總體上保持不變，破碎煤屑粒徑逐漸降低。但在浸泡壓力小于12 MPa時，煤屑粒徑降低趨勢并不明顯。在浸泡壓力達到16 MPa后，粒徑的降低發(fā)生大幅度變化。

圖5 不同浸泡壓力下射流沖擊破煤效果

相比浸泡壓力為12 MPa時，粒徑小于1 mm煤屑占比由22.33%增加到31.36%。

2.2 沖擊破煤特征原理分析

基于低溫氮氣吸附實驗，分析不同浸泡時間、不同浸泡溫度以及不同浸泡壓力條件下，超臨界二氧化碳浸泡煤體前后煤體孔隙結(jié)構變化規(guī)律。結(jié)合力學性質(zhì)測試實驗，分析超臨界二氧化碳浸泡煤體抗壓強度變化規(guī)律，得出超臨界二氧化碳射流沖擊浸泡煤體破壞特征機理。

2.2.1 浸泡時間對破煤特征的影響分析

浸泡溫度為313 K、浸泡壓力為8 MPa、浸泡時間為3～60 min的煤樣累積孔體積和孔徑分布如圖6所示，煤樣的單軸抗壓強度如圖7(a)所示，浸泡前后煤樣XRD圖譜如圖8所示，礦物變化見表3。

表3 不同浸泡時間下煤樣礦物質(zhì)量分數(shù)變化

圖6 不同浸泡時間下煤樣的孔徑分布和累積孔體積

圖7 煤樣單軸抗壓強度

圖8 不同浸泡時間下煤樣XRD圖譜

觀察XRD圖譜發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳浸泡30 min前，煤樣內(nèi)礦物含量變化甚微。通過 BJH法分析其煤樣的平均孔徑變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，不浸泡煤體的累計孔體積為0.023 085 cm/g。在浸泡3 min后，由于超臨界二氧化碳作用時間較短，并未完全滲入煤體孔隙，煤基質(zhì)與二氧化碳接觸不充分，膨脹量較小，煤樣的孔徑小幅度降低，累積孔體積為0.021 807 cm/g，對比原始煤樣，降低了5.54%。煤基質(zhì)膨脹后，煤顆粒間的膠結(jié)強度降低，黏聚力變差，致使煤體的單軸抗壓強度由17.33 MPa降低至15.06 MPa，降低了13.10%，射流沖擊后，小粒徑煤屑增加了5.76%。隨著浸泡時間的增長，煤基質(zhì)持續(xù)吸附二氧化碳，膨脹量不斷增加，致使以上變化特征總體上保持不變。觀察浸泡60 min XRD衍射圖譜發(fā)現(xiàn)，為26.6°(石英)的峰強度降低，其質(zhì)量分數(shù)降低了1.4%。浸泡時間為30～60 min，超臨界二氧化碳充分浸入煤體內(nèi)部，與煤層中的水(HO)結(jié)合形成碳酸(HCO)，在弱酸環(huán)境中，煤中碳酸鹽礦物(方解石和白云石等)易發(fā)生溶解、沉淀及碳酸化反應。礦物溶蝕脫落后沉積在較大孔隙內(nèi)，煤體內(nèi)的被溶蝕的礦物受限于孔口變窄的孔隙結(jié)構內(nèi)，進而填充孔隙導致其孔徑減小，礦物溶蝕和煤基質(zhì)膨脹共同作用，煤樣的累計孔體積由0.019 382 cm/g降低至0.013 531 cm/g，降低了30.19%。一方面，煤基質(zhì)膨脹后其膠結(jié)程度降低，黏聚力變差；另一方面，礦物溶蝕脫落促進微裂隙的生成，使煤體力學性質(zhì)劣化，煤體單軸抗壓強度大幅降低，由13.11 MPa降低至11.54 MPa，對比30 min浸泡煤體，單軸抗壓強度由降低24.35%減小到降低33.41%。因此，隨著浸泡時間的增長破碎煤屑粒徑逐漸降低。但在浸泡時間30～60 min時，粒徑的降低發(fā)生階躍性變化，粒徑小于1 mm煤屑占比由16.01%增加到20.64%。

2.2.2 浸泡溫度對破煤特征的影響分析

浸泡壓力為8 MPa、浸泡時間為30 min、浸泡溫度為313～323 K的煤樣累積孔體積和孔徑分布如圖9所示，煤樣的單軸抗壓強度如圖7(b)所示。通過BJH法分析其煤樣的平均孔徑變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，不浸泡煤體的累計孔體積為0.023 085 cm/g。通過XRD圖譜發(fā)現(xiàn)，323 K浸泡前后礦物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對含量無明顯變化，在313 K浸泡條件下，煤樣累積孔體積為0.019 382 cm/g，對比原始煤樣，降低了16.04%。表明超臨界二氧化碳吸附煤體使煤基質(zhì)膨脹引發(fā)煤樣孔隙結(jié)構發(fā)生局部變形，部分孔隙體積變小，導致孔徑及累積孔體積下降。煤基質(zhì)膨脹后，煤顆粒間的膠結(jié)強度降低，其黏聚力降低，煤體的單軸抗壓強度由17.33 MPa降低至13.11 MPa，降低了24.35%，故射流沖擊后，對比原始浸泡煤樣的破壞特征，小粒徑煤屑增加了5.82%。在323 K浸泡條件下，煤樣累積孔體積為0.016 408 cm/g，對比313 K浸泡煤樣，降低了18.50%。隨著浸泡溫度增加，CO分子活躍性增大，其擴散能力增強、滲透能力增強，單位時間內(nèi)煤基質(zhì)吸附二氧化碳量增大，致使煤基質(zhì)膨脹速率增大，煤樣孔隙結(jié)構發(fā)生局部變形，孔體積變??；煤基質(zhì)的膨脹量增大，膠結(jié)程度和黏聚力降低，使煤體力學性質(zhì)劣化，單軸抗壓強度由13.11 MPa降低至11.53 MPa，由降低24.35%減小到降低33.48%，故對比313 K浸泡煤樣的破壞特征，小粒徑煤屑增加了78.3%。因此，隨著浸泡溫度的升高，破碎煤屑粒徑逐漸降低。

圖9 不同浸泡溫度下煤樣的孔徑分布和累積孔體積

2.2.3 浸泡壓力對破煤特征的影響分析

浸泡溫度為313 K、浸泡時間為30 min、浸泡壓力為8～20 MPa的煤樣累積孔體積和孔徑分布如圖10所示，煤樣的單軸抗壓強度如圖7(c)所示。通過XRD圖譜發(fā)現(xiàn)，20 MPa浸泡前后礦物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對含量無明顯變化。通過BJH法分析其煤樣的平均孔徑變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，8 MPa浸泡條件下，煤樣累積孔體積為0.021 937 cm/g，對比原始煤樣，降低了4.973%。在12 MPa浸泡條件下，煤樣的累積孔體積為0.019 382 cm/g，對比8 MPa浸泡條件的煤樣，降低了11.65%。由于壓力的增大，煤基質(zhì)內(nèi)部與外部的超臨界二氧化碳壓力梯度增大，其滲透率增大，故隨著浸泡壓力的升高煤基質(zhì)膨脹速率逐漸增大，煤基質(zhì)膨脹擠壓煤體孔隙，孔體積不斷降低。煤基質(zhì)的膨脹量增大，煤顆粒間的膠結(jié)強度降低，煤體內(nèi)部黏聚力降低，使煤體力學性質(zhì)劣化，單軸抗壓強度由13.11 MPa降低至11.98 MPa，由降低24.35%減小到降低30.87%，射流沖擊后，相比8 MPa浸泡煤樣的破壞特征，小粒徑煤屑增加了56.7%。隨著浸泡壓力的增大，煤基質(zhì)單位時間內(nèi)吸附二氧化碳量增加，其膨脹量增加，致使以上變化特征總體保持不變。當浸泡壓力為12～16 MPa，浸泡壓力的增大使煤基質(zhì)表面出現(xiàn)擾動，微裂隙增多，吸附膨脹能力增大，致使煤樣的累計孔體積由0.019 382 cm/g降低至0.015 357 cm/g，降低了20.767%。煤基質(zhì)膨脹后其膠結(jié)程度降低，黏聚力變差，使煤體力學性質(zhì)劣化，煤體單軸抗壓強度大幅降低，由11.98 MPa降低至10.67 MPa，對比12 MPa浸泡煤體，單軸抗壓強度由降低30.87%增大到降低38.43%。因此，隨著浸泡壓力的增大破碎煤屑粒徑逐漸降低。但在浸泡壓力12～16 MPa時，粒徑的降低發(fā)生階躍性變化，粒徑小于1 mm煤屑占比由22.33%增加到31.36%。

圖10 不同浸泡壓力下煤樣的孔徑分布和累積孔體積

3 結(jié) 論

(1)在短時浸泡條件下，超臨界二氧化碳射流對浸泡煤體的沖擊破壞特征具有重要影響。在浸泡3 min后，煤體沖擊破碎粒徑小于1 mm煤屑增加了5.76%。延長浸泡時間，煤體沖擊破碎程度繼續(xù)提高，浸泡60 min后，破碎粒徑的降低發(fā)生階躍性變化。提高浸泡溫度，使破碎程度規(guī)律性提高；但當浸泡壓力大于16 MPa時，破碎程度明顯提升。

(2)即使在短時浸泡條件下(如3 min)，超臨界二氧化碳仍然能夠影響煤體的孔隙結(jié)構和力學強度，煤體力學強度降低13.10%，使超臨界二氧化碳射流沖擊破碎程度提高。在浸泡60 min時，煤體依然處于吸附膨脹階段，礦物溶蝕現(xiàn)象同時出現(xiàn)，石英質(zhì)量分數(shù)減少1.4%，但孔體積降低幅度發(fā)生較大程度變化，降低了30.19%，單軸抗壓強度降低33.41%，使煤體的破碎程度發(fā)生了大幅提高。在實驗條件下，提高溫度和壓力使煤體吸附膨脹作用增強，孔體積增大，抗壓強度降低。當浸泡壓力超過16 MPa后，抗壓強度降低了38.43%，沖擊破壞程度顯著提升。

(3)超臨界二氧化碳射流輔助鉆井過程中，其吸附膨脹作用是影響煤體物理和力學性質(zhì)主要形式，有效降低了煤體孔體積和抗壓強度，提高了破碎程度，有利于鉆進。