超临界CO2致煤岩力学特性弱化与破裂机理

作者：梁卫国; 贺伟; 阎纪伟

来源：煤炭学报, 2022, 47(07): 2557-2568.

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.yg21.1899

• 含煤地层
• 力学特性
• CO2致裂
• 裂纹扩展
• 超临界CO2

含煤地层中含有大量的煤系气资源，高效开采煤系气资源对非常规油气资源开发利用与能源革命具有重要意义与价值。含煤地层中煤层与其他岩层叠置发育，增加了煤系气开采的难度。在实验室进行了超临界CO2(ScCO2)对含煤地层中的砂岩、煤样长时浸泡作用实验及其力学变化特征的研究，并结合显微CT扫描，研究了水力压裂、液态CO2压裂和ScCO2压裂煤体后的裂缝分布特征，揭示了煤样、砂岩在液态CO2与ScCO2压裂时的破裂特征及裂纹扩展控制机理。研究结果表明：(1) ScCO2浸泡对煤体力学特性弱化作用强于其对顶板砂岩力学特性的弱化。ScCO2浸泡15,30到60 d后，砂岩单轴抗压强度分别降低了9.10%,21.97%和48.93%,砂岩的弹性模量分别减小了12.70%,18.82%和27.19%。ScCO2浸泡作用20 d后，弱黏煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤的单轴抗压强度分别降低65.25%,45.24%,56.02%和67.94%,弹性模量分别降低65.87%,52.50%,57.14%和65.91%。(2)煤体吸附CO2后膨胀变形导致其表面能减小，ScCO2对煤中有机物的萃取及其进入煤体微小孔裂隙内部导致煤体的孔隙压力增大，CO2与水结合形成碳酸对煤中矿物的溶解是导致煤体力学强度降低的主要因素。(3)含煤地层中ScCO2压裂优于水力压裂。ScCO2能够大幅降低煤体、岩体的力学强度，减小煤体、岩体的破裂压力；CO2分子能够进入到煤体、岩体的裂隙尖端，加速煤岩体的损伤破坏，并形成多分叉、高曲折度、扩展距离远的复杂裂缝网络结构。

• 单位
  太原理工大学