超临界二氧化碳射流冲击短时浸泡煤体破坏特征分析

刘 勇，张东鑫 ，张宏图 ，魏建平 ，司磊磊

(1.河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；
2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000)

煤层气的高效开采能有效缓解我国能源紧张、推动能源结构转型，同时减少煤层气排空，能够大力推动我国“双碳”战略的实施。钻井效率及井壁稳定性是煤层气高效开采的重要前提。超临界二氧化碳(SC-CO)作为极具应用潜力的钻井液，在提高钻井效率及维持井壁稳定性方面具有独特优势。SC-CO对煤体的溶解萃取和吸附膨胀作用是提高破煤效率和钻井效率的关键。但在钻井过程中，由于煤体处于动态揭露状态，SC-CO与煤体接触时间短。而接触时间是SC-CO溶解萃取和吸附膨胀充分发挥作用的基础。在钻井时间尺度下，明确SC-CO射流是否能够提高破煤效率及其原因对其工业化应用具有重要意义。

由于SC-CO具有低黏度和高渗透性，容易进入煤岩体微观裂隙和孔隙内，溶解和萃取煤中的矿物质和有机物，改变煤体物理和力学性质。浸泡时间是SC-CO发挥作用最重要的因素之一，其影响权重大于浸泡温度和压力。目前对于浸泡时间的研究多集中在长时浸泡条件下。张倍宁等浸泡煤体24 h后，CO吸附引起的煤基质膨胀和外部应力的压缩的耦合作用，部分孔隙变得狭窄。溶蚀的碳氢化合物和矿物被困在孔隙和裂缝中，导致煤岩体的孔隙体积和比表面积分别下降了24%和12%。何立国等对浸泡7 h后的煤体进行力学强度测试，由于吸附在煤体表面的超临界CO会改变煤体表面的化学势，煤体表面能会发生改变，表面能的改变直接影响煤体孔裂隙的改变，弱化了煤体的力学强度,单轴抗压强度和弹性模量分别降低72.28%和68.04%。姜仁霞等对浸泡30 d的煤体进行X射线衍射实验，发现在超临界CO与水中，煤中矿物发生溶解和溶解元素的迁移现象，石英含量增加，高岭石、碳酸盐矿物和黄铁矿含量下降，导致煤体孔隙结构改变。杜玉昆等发现超临界CO浸泡时间越长，岩心不断膨胀，其强度越低，浸泡较长时间后抗压强度降低的趋势减缓。煤体处于SC-CO长时浸泡条件下，SC-CO与煤体充分发生反应，溶解矿物质并萃取有机物，使煤体孔隙结构和力学强度发生变化，能够较大程度提高超临界二氧化碳射流冲击破煤效率。但在钻井时间尺度下，SC-CO是否能够改变煤体的孔隙结构和力学强度，从而提高冲击破碎效率和钻井效率尚不得而知。为此，笔者开展了超临界氧化碳冲击破碎短时浸泡煤样研究，分析了不同浸泡条件下煤体冲击破碎特征，通过对比分析浸泡前后孔隙结构、矿物含量和力学性质的变化，明确短时浸泡对煤体冲击破碎特征的影响。

1.1 实验原理

为研究超临界二氧化碳射流冲击浸泡煤体破坏特征，采用超临界二氧化碳射流对不同浸泡温度、浸泡压力、浸泡时间条件下的煤柱进行冲击，分析不同浸泡条件下煤体破碎特征。通过低温氮气吸附实验、X射线衍射实验研究浸泡前后煤孔隙结构和煤样矿物的变化规律，结合浸泡前后煤体力学性质对比实验，综合分析浸泡对煤体冲击破碎特征形成原因及规律。

1.2 实验样品制作

试样取自九里山煤矿无烟煤，基础物性参数为：水分1.11%、灰分18.20%、挥发分8.92%、硫分0.45%。将试样加工成圆柱原煤和颗粒煤样，分别用于力学性质测试实验和低温氮气吸附实验。钻取直径50 mm的柱状煤样，打磨成高度(100±2) mm的圆柱原煤煤样，两端面的不平行度不超过0.05 mm，且颗粒煤样研磨至0.177～0.250 mm(60～80目)。将制备的煤样放入干燥箱中，设置干燥温度80 ℃，干燥48 h后备用。

1.3 实验系统

采用自主研制的超临界二氧化碳破煤实验系统进行冲击破煤实验和浸泡实验，该系统主要由超临界二氧化碳制备系统和萃取系统组成，如图1所示。超临界二氧化碳制备系统可制备压力为100 MPa和温度为473 K的超临界二氧化碳。萃取釜承压为200 MPa，温度最高可调节至473 K；
破岩釜最大工作压力为200 MPa，靶距调节范围为0～100 mm。超临界二氧化碳参数通过控制与监测系统自动化控制。低温氮气吸附实验所用仪器为V-sorb 2800tp比表面积及孔径分析测试仪；
力学性质测试实验所用仪器为RMT-150B电液伺服岩石实验系统；
X射线衍射实验所用仪器为Smart Lab X 射线衍射仪。

图1 超临界二氧化碳萃取实验系统流程

1.4 实验方案

(1)选取部分圆柱煤样进行力学强度测试和超临界二氧化碳射流冲击破坏实验，明确未浸泡煤体力学参数和冲击破坏特征。取7份颗粒煤样进行低温氮气吸附实验，取孔隙分布平均值，避免煤样离散性，明确原始孔隙结构特征。取7份颗粒煤样进行X射线衍射实验，明确原始矿物含量。

(2)对剩余圆柱煤样进行浸泡，浸泡实验方案见表1，同一浸泡条件下同时浸泡2个煤样。对步骤(1)中的煤颗粒在孔隙结构测试实验和X射线衍射实验后进行浸泡，浸泡方案见表2。浸泡温度、压力和时间范围的选取均根据煤层埋深和实际钻井过程确定。

表1 超临界二氧化碳浸泡煤样实验方案

表2 浸泡煤样低温氮气吸附实验方案

(3)对同一浸泡条件下的2个圆柱煤样分别进行力学强度测试和冲击破碎实验。所有煤样的浸泡条件相同，压力为50 MPa，温度363 K，靶距12 mm。

(4)对浸泡后的颗粒煤试样分别进行低温氮气吸附实验和X射线衍射实验，明确不同浸泡条件对煤孔隙结构、矿物含量的影响。

2.1 冲击破煤特征实验结果

2.1.1 浸泡时间对冲击破煤特征影响

浸泡温度为313 K、浸泡压力为8 MPa、浸泡时间为3～120 min的煤体冲击破碎特征如图2所示，煤屑质量分数累积分布如图3(a)所示。

图2 不同浸泡时间下射流冲击破煤效果

图3 冲击煤屑质量分数累积分布

不浸泡煤体冲击破碎后，粒径大于20 mm煤屑质量分数超过78.8%，粒径小于1 mm煤屑仅占4.59%。浸泡3 min后的煤体冲击破碎特征如图2第2列所示，从煤屑质量分数累积分布可以看出，在浸泡3 min后，粒径大于20 mm煤屑质量分数为72.47%，粒径小于1 mm煤屑为10.35%。对比原始煤样，分别降低了6.33%和增加了5.76%。随着浸泡时间的增长，这一变化特征总体上保持不变，即破碎煤屑粒径逐渐降低。但在浸泡时间小于30 min时，粒径降低的趋势并不明显。在浸泡时间达到1 h后，粒径的降低发生阶跃性变化。相比浸泡时间为30 min时，粒径小于1 mm煤屑占比由16.01%增加到20.64%。

2.1.2 浸泡温度对冲击破煤特征影响

浸泡压力为8 MPa、浸泡时间为30 min、浸泡温度为308～323 K的煤体冲击破碎特征如图4所示，煤屑质量分数累积分布如图3(b)所示。不浸泡煤体冲击破碎后，粒径大于20 mm煤屑质量分数超过57.44%，粒径小于1 mm煤屑仅占4.59%。浸泡308 K后的煤体冲击破碎特征如图4第2列所示，从煤屑质量分数累积分布可以看出，在浸泡313 K后，粒径大于20 mm煤屑质量分数为69.16%，粒径小于1 mm煤屑为16.01%。对比原始煤样，分别降低了9.64%和增加了5.82%。在浸泡323 K后，粒径大于20 mm煤屑质量分数为38.92%，粒径小于1 mm煤屑为20.23%。相比313 K浸泡后的煤样，分别降低了43.72%和增加了78.3%。随着浸泡温度的增加，这一变化特征总体上保持不变，即破碎煤屑粒径逐渐降低。

图4 不同浸泡温度下射流冲击破煤效果

2.1.3 浸泡压力对冲击破煤特征影响

浸泡温度为313 K、浸泡时间为30 min、浸泡压力为8～20 MPa的煤体冲击破碎特征如图5所示，煤屑质量分数累积分布如图3(c)所示。不浸泡煤体冲击破碎后，粒径大于20 mm煤屑质量分数超过78.80%，粒径小于1 mm煤屑仅占4.59%。浸泡8 MPa后的煤体冲击破碎特征如图5第2列所示，从煤屑质量分数累积分布可以看出，在浸泡8 MPa后，粒径大于20 mm煤屑质量分数为57.44%，粒径小于1 mm煤屑为16.01%。对比原始煤样，分别降低了21.36%和增加了11.42%。随着浸泡压力的增加，这一变化特征总体上保持不变，破碎煤屑粒径逐渐降低。但在浸泡压力小于12 MPa时，煤屑粒径降低趋势并不明显。在浸泡压力达到16 MPa后，粒径的降低发生大幅度变化。

图5 不同浸泡压力下射流冲击破煤效果

相比浸泡压力为12 MPa时，粒径小于1 mm煤屑占比由22.33%增加到31.36%。

2.2 冲击破煤特征原理分析

基于低温氮气吸附实验，分析不同浸泡时间、不同浸泡温度以及不同浸泡压力条件下，超临界二氧化碳浸泡煤体前后煤体孔隙结构变化规律。结合力学性质测试实验，分析超临界二氧化碳浸泡煤体抗压强度变化规律，得出超临界二氧化碳射流冲击浸泡煤体破坏特征机理。

2.2.1 浸泡时间对破煤特征的影响分析

浸泡温度为313 K、浸泡压力为8 MPa、浸泡时间为3～60 min的煤样累积孔体积和孔径分布如图6所示，煤样的单轴抗压强度如图7(a)所示，浸泡前后煤样XRD图谱如图8所示，矿物变化见表3。

表3 不同浸泡时间下煤样矿物质量分数变化

图6 不同浸泡时间下煤样的孔径分布和累积孔体积

图7 煤样单轴抗压强度

图8 不同浸泡时间下煤样XRD图谱

观察XRD图谱发现，超临界二氧化碳浸泡30 min前，煤样内矿物含量变化甚微。通过 BJH法分析其煤样的平均孔径变化规律发现，不浸泡煤体的累计孔体积为0.023 085 cm/g。在浸泡3 min后，由于超临界二氧化碳作用时间较短，并未完全渗入煤体孔隙，煤基质与二氧化碳接触不充分，膨胀量较小，煤样的孔径小幅度降低，累积孔体积为0.021 807 cm/g，对比原始煤样，降低了5.54%。煤基质膨胀后，煤颗粒间的胶结强度降低，黏聚力变差，致使煤体的单轴抗压强度由17.33 MPa降低至15.06 MPa，降低了13.10%，射流冲击后，小粒径煤屑增加了5.76%。随着浸泡时间的增长，煤基质持续吸附二氧化碳，膨胀量不断增加，致使以上变化特征总体上保持不变。观察浸泡60 min XRD衍射图谱发现，为26.6°(石英)的峰强度降低，其质量分数降低了1.4%。浸泡时间为30～60 min，超临界二氧化碳充分浸入煤体内部，与煤层中的水(HO)结合形成碳酸(HCO)，在弱酸环境中，煤中碳酸盐矿物(方解石和白云石等)易发生溶解、沉淀及碳酸化反应。矿物溶蚀脱落后沉积在较大孔隙内，煤体内的被溶蚀的矿物受限于孔口变窄的孔隙结构内，进而填充孔隙导致其孔径减小，矿物溶蚀和煤基质膨胀共同作用，煤样的累计孔体积由0.019 382 cm/g降低至0.013 531 cm/g，降低了30.19%。一方面，煤基质膨胀后其胶结程度降低，黏聚力变差；
另一方面，矿物溶蚀脱落促进微裂隙的生成，使煤体力学性质劣化，煤体单轴抗压强度大幅降低，由13.11 MPa降低至11.54 MPa，对比30 min浸泡煤体，单轴抗压强度由降低24.35%减小到降低33.41%。因此，随着浸泡时间的增长破碎煤屑粒径逐渐降低。但在浸泡时间30～60 min时，粒径的降低发生阶跃性变化，粒径小于1 mm煤屑占比由16.01%增加到20.64%。

2.2.2 浸泡温度对破煤特征的影响分析

浸泡压力为8 MPa、浸泡时间为30 min、浸泡温度为313～323 K的煤样累积孔体积和孔径分布如图9所示，煤样的单轴抗压强度如图7(b)所示。通过BJH法分析其煤样的平均孔径变化规律发现，不浸泡煤体的累计孔体积为0.023 085 cm/g。通过XRD图谱发现，323 K浸泡前后矿物质质量分数相对含量无明显变化，在313 K浸泡条件下，煤样累积孔体积为0.019 382 cm/g，对比原始煤样，降低了16.04%。表明超临界二氧化碳吸附煤体使煤基质膨胀引发煤样孔隙结构发生局部变形，部分孔隙体积变小，导致孔径及累积孔体积下降。煤基质膨胀后，煤颗粒间的胶结强度降低，其黏聚力降低，煤体的单轴抗压强度由17.33 MPa降低至13.11 MPa，降低了24.35%，故射流冲击后，对比原始浸泡煤样的破坏特征，小粒径煤屑增加了5.82%。在323 K浸泡条件下，煤样累积孔体积为0.016 408 cm/g，对比313 K浸泡煤样，降低了18.50%。随着浸泡温度增加，CO分子活跃性增大，其扩散能力增强、渗透能力增强，单位时间内煤基质吸附二氧化碳量增大，致使煤基质膨胀速率增大，煤样孔隙结构发生局部变形，孔体积变小；
煤基质的膨胀量增大，胶结程度和黏聚力降低，使煤体力学性质劣化，单轴抗压强度由13.11 MPa降低至11.53 MPa，由降低24.35%减小到降低33.48%，故对比313 K浸泡煤样的破坏特征，小粒径煤屑增加了78.3%。因此，随着浸泡温度的升高，破碎煤屑粒径逐渐降低。

图9 不同浸泡温度下煤样的孔径分布和累积孔体积

2.2.3 浸泡压力对破煤特征的影响分析

浸泡温度为313 K、浸泡时间为30 min、浸泡压力为8～20 MPa的煤样累积孔体积和孔径分布如图10所示，煤样的单轴抗压强度如图7(c)所示。通过XRD图谱发现，20 MPa浸泡前后矿物质质量分数相对含量无明显变化。通过BJH法分析其煤样的平均孔径变化规律发现，8 MPa浸泡条件下，煤样累积孔体积为0.021 937 cm/g，对比原始煤样，降低了4.973%。在12 MPa浸泡条件下，煤样的累积孔体积为0.019 382 cm/g，对比8 MPa浸泡条件的煤样，降低了11.65%。由于压力的增大，煤基质内部与外部的超临界二氧化碳压力梯度增大，其渗透率增大，故随着浸泡压力的升高煤基质膨胀速率逐渐增大，煤基质膨胀挤压煤体孔隙，孔体积不断降低。煤基质的膨胀量增大，煤颗粒间的胶结强度降低，煤体内部黏聚力降低，使煤体力学性质劣化，单轴抗压强度由13.11 MPa降低至11.98 MPa，由降低24.35%减小到降低30.87%，射流冲击后，相比8 MPa浸泡煤样的破坏特征，小粒径煤屑增加了56.7%。随着浸泡压力的增大，煤基质单位时间内吸附二氧化碳量增加，其膨胀量增加，致使以上变化特征总体保持不变。当浸泡压力为12～16 MPa，浸泡压力的增大使煤基质表面出现扰动，微裂隙增多，吸附膨胀能力增大，致使煤样的累计孔体积由0.019 382 cm/g降低至0.015 357 cm/g，降低了20.767%。煤基质膨胀后其胶结程度降低，黏聚力变差，使煤体力学性质劣化，煤体单轴抗压强度大幅降低，由11.98 MPa降低至10.67 MPa，对比12 MPa浸泡煤体，单轴抗压强度由降低30.87%增大到降低38.43%。因此，随着浸泡压力的增大破碎煤屑粒径逐渐降低。但在浸泡压力12～16 MPa时，粒径的降低发生阶跃性变化，粒径小于1 mm煤屑占比由22.33%增加到31.36%。

图10 不同浸泡压力下煤样的孔径分布和累积孔体积

(1)在短时浸泡条件下，超临界二氧化碳射流对浸泡煤体的冲击破坏特征具有重要影响。在浸泡3 min后，煤体冲击破碎粒径小于1 mm煤屑增加了5.76%。延长浸泡时间，煤体冲击破碎程度继续提高，浸泡60 min后，破碎粒径的降低发生阶跃性变化。提高浸泡温度，使破碎程度规律性提高；
但当浸泡压力大于16 MPa时，破碎程度明显提升。

(2)即使在短时浸泡条件下(如3 min)，超临界二氧化碳仍然能够影响煤体的孔隙结构和力学强度，煤体力学强度降低13.10%，使超临界二氧化碳射流冲击破碎程度提高。在浸泡60 min时，煤体依然处于吸附膨胀阶段，矿物溶蚀现象同时出现，石英质量分数减少1.4%，但孔体积降低幅度发生较大程度变化，降低了30.19%，单轴抗压强度降低33.41%，使煤体的破碎程度发生了大幅提高。在实验条件下，提高温度和压力使煤体吸附膨胀作用增强，孔体积增大，抗压强度降低。当浸泡压力超过16 MPa后，抗压强度降低了38.43%，冲击破坏程度显著提升。

(3)超临界二氧化碳射流辅助钻井过程中，其吸附膨胀作用是影响煤体物理和力学性质主要形式，有效降低了煤体孔体积和抗压强度，提高了破碎程度，有利于钻进。