CO_2相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应_张震.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220424；修回日期：修回日期：20220623 基金项目：基金项目：国家科技重大专项资助项目(2016ZX05067006002)Supported by the Major National Science and Technology Projects(Grant No.2016ZX05067006002)作者简介：作者简介：张 震(1996)，男，2021 年于河南理工大学地质资源与地质工程专业获硕士学位，现为博士研究生，主要从事煤地质与煤层气地质等方面的研究工作。E-mail：。通讯作者：刘高峰(1982)，男，博士，现任副教授、博士生导师。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0408 CO2相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应 张 震1，刘高峰1，2，3，李宝林1，刘 欢1，司 念1，关文博1(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003；2.河南理工大学 中原经济区煤层气(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454003；3.河南理工大学 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 454003)摘要：摘要：为探讨不同 CO2相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响，开展 120，150，185 MPa 作用下的 CO2相变致裂煤体实验，综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温 CO2吸附孔隙结构参数测试方法，分析 CO2相变致裂后煤的大孔(50 nm)介孔(250 nm)微孔(2 nm)结构演化特征。结果表明：CO2相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应；致裂后，大孔平均孔径与孔容大幅度增大，孔表面积降低；介孔平均孔径增大，孔表面积明显降低；孔隙连通性明显增强。CO2相变致裂过程时间极短，高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展，延伸至微孔时，衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO2相变致裂在大孔介孔尺度的扩孔效应，随致裂压力的增大而增强；不同变质、变形程度煤的大孔介孔微孔发育存在差异；因此，研发“高致裂压力长作用时效大能量”的 CO2相变致裂器，有助于进一步增强 CO2相变致裂的扩孔效应、改善纳米尺度瓦斯运移通道、提高瓦斯抽采效率。研究成果为 CO2相变致裂技术优化和改进提供了科学依据。关键词：关键词：矿井瓦斯；CO2相变致裂；孔隙结构；致裂压力；尺度效应 中图分类号：中图分类号：TD 712 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03067213 Transformed effect of nano-pores in coal by CO2 phase transition fracturing ZHANG Zhen1，LIU Gaofeng1，2，3，LI Baolin1，LIU Huan1，SI Nian1，GUAN Wenbo1(1.School of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China；2.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China；3.Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean High Efficiency Utilization，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China)Abstract：To investigate the transformed effect of nano-pores structure and its control on gas transport in coal under different pressures of CO2 phase transition fracturing(CO2-PTF)，the experiments of coal induced with CO2-PTF were carried out under the fracturing pressures of 120，150 and 185 MPa.The structure evolution characteristics of macro-pores(50 nm)，meso-pores(250 nm)and micro-pores(2 nm)were analyzed by the comprehensive measurements of high-pressure mercury injection，low-temperature liquid nitrogen adsorption and low-temperature CO2 adsorption.The results show that CO2-PTF has pore-enlarging effect for macro-pores and meso-pores.The average pore size and pore volume of macro-pores increase significantly，while the pore surface area decreases.The average pore size of meso-pores increases，while the pore surface area decreases obviously.The pore connectivity improves greatly.It is hard to transform the micro-pores with chemical properties by the declined fracturing pressure of CO2-PTF due to the fracturing pressure expanding preferentially from fractures and large-scale pores in the short 第 42 卷 第 3 期 张 震等：CO2相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应 673 duration.The pore enlarging effect of CO2-PTF for macro-pores and meso-pores enhanced with the fracturing pressure.The distribution of macro-pores，meso-pores and micro-pores is obvious differences in coals with different metamorphic and deformation degrees.Therefore，the research of“high fracturing pressure-long action duration-high energy”CO2-PTF device will contribute to further enhance the pore enlarging effect，improve the gas transport channel with nano-scale and promote the gas drainage efficiency.The research results provide a scientific basis for the optimization and improvement of CO2-PTF technology.Key words：coalmine gas；CO2 phase transition fracturing；pore structure；fracturing pressure；scale effect 1 引引 言言 我国煤层渗透率普遍偏低，渗透率大于1 mD 的仅占 28%，小于 1 mD 占 72%，严重制约了瓦斯(煤层气)的抽采效率1，因此，研发安全、有效、经济和适用性强的煤层改造增渗技术，是我国瓦斯灾害治理和煤层气开发等领域的重大需求2-4。CO2相变致裂，作为一种新兴的煤层改造增渗技术，得到了广泛关注，相关学者开展了一系列的现场应用研究。王兆丰等5开展了河南焦作九里山矿 CO2相变致裂实验，致裂后，平均瓦斯抽采流量提高 4.3 倍。曹运兴等6在山西潞安矿区实施 CO2相变致裂煤层卸压和增渗实验，煤层渗透率提高12 个数量级，瓦斯抽采浓度和流量提高 1 个数量级。张东明等7-8揭示了地应力条件下 CO2相变定向射孔致裂煤层的裂隙扩展力学机制，在四川白皎煤矿的现场实验表明，瓦斯抽采纯流量提高 912 倍，瓦斯抽采流量衰减系数平均降低 92%。H.D.Chen等9在河南平顶山矿区进行了 CO2相变致裂现场应用，煤层渗透率明显提高，瓦斯抽采流量提高了 1.64倍。最近的研究显示，CO2相变致裂技术应用于山西、贵州等相关煤矿的煤层增渗、卸压和瓦斯治理，确保了超过 250 km 巷道的安全快速掘进10。现场应用结果表明，CO2相变致裂煤层增渗技术具有原料来源稳定、成本低，安全性能高，不产生破碎压实圈层，裂隙扩展范围大等优势11-12。与水力化措施相比，CO2相变致裂避免了压裂液对煤层的伤害、水锁现象，相变致裂过程不产生抑制瓦斯运移的负面效应。综上所述，CO2相变致裂现场应用研究集中在瓦斯抽采效果的评价，但是，煤作为多孔介质，含有数量众多、大小悬殊、形态各异的孔隙，直接影响瓦斯的解吸扩散渗流多阶段运移能力13-18，因此，CO2相变致裂后煤中孔裂隙(瓦斯运移通道)的变化，将直接影响瓦斯的运移和抽采效率，基于此，大量研究致力于查明 CO2相变致裂对煤的微观结构改造特征及其对瓦斯运移的影响。Y.X.Cao 等19现场观测发现 CO2相变致裂煤层产生了宏观放射状裂隙，长度达到 13 m；并通过扫描电子显微镜观察致裂后的煤样，产生了大量微米级裂隙10。白 鑫等20利用扫描电子显微镜、高压压汞测试，发现 CO2相变致裂后，煤样内部产生大量的微裂隙与孔隙，微裂隙开度集中在数十微米，大孔与可见孔数量明显增加。X.Bai 等21研究表明，CO2相变致裂后，煤样中孔径大于 1 m 的孔容明显增加。B.W.Xia 等22通过高压压汞测试，发现孔径大于 1 000 nm 的大孔受 CO2相变致裂影响最大。X.F.Liu 等23的压汞实验结果表明，距 CO2相变致裂孔 1.5 m 范围内煤样1001 000 m 孔隙的孔容降低，孔径大于 1 000 nm 的孔容明显增大。Z.W.Liao 等24对 CO2相变致裂后的煤样进行高压压汞测试，孔径大于 100 nm的孔容明显增加。但是，根据 IUPAC 的孔隙分类，煤中孔隙根据孔径大小可分为微孔(2 nm)、介孔(250 nm)、大孔(50 nm)25；高压压汞理论上可以获取 3 nm 以上的孔隙参数，但是，孔径与进汞压力成反比，当进汞压力大于 1040 MPa 时，会导致煤基质压缩变形和孔隙破坏，因此，该方法通常适用于大孔(50 nm)26-29；而借助低温液氮吸附和低温 CO2吸附法可以分别有效表