CO2聚能剂燃烧与冲压实验研究

2022-07-26蔡余康胡少斌庞烁钢邹柳宗颜正勇

工程爆破 2022年3期

蔡余康，胡少斌，庞烁钢，邹柳宗，汤旋，颜正勇

(河海大学土木与交通学院，南京 210098)

近年来，CO2相变膨胀压裂技术作为一种环保、安全、高效的开采技术在煤层开采、地层压裂等领域得到了诸多的应用[1-3]。通过CO2在高温下的快速相变，产生巨大的压强达到破裂岩石的目的，该技术相比于传统炸药破岩，在地层损伤、避免飞石等工程事故、减少环境污染、减尘降噪方面有着更良好的效果[4-9]。

然而，目前许多人主要对压裂过程中的卸压增透进行研究，而对CO2快速膨胀产生的爆燃冲压的热力学机理研究不足，对CO2爆燃特性认识不足。因此在使用CO2相变破岩过程中容易出现失败率较高、效率偏低以及成本较高等问题。爆破效果与传统炸药爆破尚存在明显的客观差距。因此有必要开展对于CO2爆燃冲压的热力学过程的实验研究，揭示CO2在吸热升压过程中的内在机理，优化爆破参数以提高可行性和效率、降低成本。

1 爆燃冲压实验系统与方案

1.1 实验原理

CO2爆燃冲压实验主要为CO2聚能剂在高浓度CO2环境中通过电阻丝加热，迅速燃烧并释放热量从而使CO2迅速气化，在重复性爆破筒的密闭环境中形成瞬态高压。CO2聚能剂(CO2-EA)由江苏中控能源科技有限公司(CENE)提供。CO2聚能剂具有密度低、燃烧热高、导热系数低等特点，CO2聚能剂物理化学参数如表1所示。

表1 CO2聚能剂的基本物理化学性质

1.2 实验步骤

CO2爆燃冲压实验装置由干冰粉、CO2聚能剂、电阻丝激发装置、气压传感装置、温度传感装置、加热带、重复性爆破筒、空气流通系统组成。将预制好的CO2聚能剂放入重复性爆破筒内，并将一定量的干冰粉快速放入爆破筒中，随后密封，当电热带将爆破筒加热到固定温度后，启动电起爆器点燃CO2聚能混相流体。使用数据采集仪进行压强变化数据的显示与记录。CO2爆燃冲压实验系统如图1所示。

图1 CO2爆燃冲压实验系统Fig.1 Experimental system of CO2 deflagration impact fracturing

1.3 实验方案设计

为研究CO2在密闭空间内的密度与起爆温度对压强变化率的影响情况，实验设计聚能剂质量26 g，设计CO2密度分别为0.3、0.4、0.5 g/ml(添加的CO2质量分别为286、381.5、476.9 g)，起爆温度为10、30、50 ℃(见表2)。

表2 干冰粉静态气动压裂质效比实验方案设计

2 CO2爆燃冲压实验结果及机理分析

2.1 实验结果

通过记录不同CO2密度和起爆温度下的压强-时间曲线，并通过NIST给出的CO2特性数据来判断CO2物质状态与实验的准确性，同时进行实验结果(见表2)的处理与研究。在本实验中，CO2密度:

(1)

式中：m为添加到爆破筒内的干冰粉的质量；V为爆破筒的容积，V=953.784 cm3。

通过八通道数据采集仪来进行每次实验的压强-时间曲线数据采集，获得CO2聚能混相流体爆燃过程中压强-时间曲线。

表3 不同情况下的CO2爆燃冲压实验结果

对比图2c和图2e，可以推测在起爆温度较高的情况下，爆破桶内气压的上升速率较快，对比图2d和图2f两组曲线，可知CO2密度同样能提高气压的上升速率，对比A、B、D组可知流体是否能被点燃受起爆温度和CO2密度的影响。实验数据初步表明在其他条件相同的情况下，起爆温度和CO2密度与压强上升速率呈正相关，且对CO2聚能混相流体能否被点燃起关键性作用，但两者均对最大压强无明显影响。

图2 压强时间Fig.2 Pressure time

2.2 实验结果分析

为便于数值分析，对压强-时间曲线进行高阶回归多项式拟合从而得到拟合曲线，同时通过计算拟合曲线导数零点，求得CO2爆燃冲压实验中压强达到峰值的时间和压强参数。首先通过拟合波形曲线分析压强变化率，然后参照NIST中CO2同密度下定容压强-焓值的性质曲线来进行焓值峰值的确定。以此进行焓值变化的研究，最终求出各实验中的焓值平均变化率，不同情况下CO2爆燃冲压实验压力及焓值变化如表4所示。

表4 不同情况下的CO2爆燃冲压实验的压力变化率及焓值情况

图3 压强-时间高阶回归对照Fig.3 Pressure-time high-order regression control

通过对比不同工况下CO2爆燃冲压实验的压强-时间回归对比(见图3)可知：

1)CO2密度和起爆温度与压力上升速率呈正相关，当其他条件相同时，起爆温度越高，压力上升速率也越快，这是由于较高温度下，分子热运动更剧烈，引起CO2以更快的速度相变。而CO2密度较大，同样会使压力上升速率增加，是由于相变物质增加，与热空气接触的表面积增加，从量上直接增加了相变速率。另外，CO2密度较大导致反应速率较快，温度随之上升较快，加快整体反应。

2)关于实验中，起爆温度和CO2密度较高导致焓值峰值较高的现象分析，由于该容器非绝热容器，在燃烧过程中通过器壁与外界进行热交换，导致焓值降低，根据傅里叶导热定律：

(2)

可知传热速率正比于温度梯度，当x不变时，传热速率正比于温差ΔT，因此起爆温度较高会导致热量的快速流失，但同时也导致达到峰值的时间更短，综合考虑，由于实验时正处冬季，室内温度约6 ℃，分析B、C对比组，D、E对比组可知起爆温度越高，在CO2聚能剂质量不变并皆已反应完全的条件下所达到的峰值焓值更低。而对于CO2密度不同引起的焓值不同，可考虑为CO2密度较大导致反应温度较高，散热更多。

3)关于实验中，起爆温度和CO2密度较高导致峰值压力较高的现象和CO2密度较高导致最后温度较低的分析，此处使用焓值变化间接分析，在定容环境下，由于聚能剂质量不变，因此产生的焓值ΔH不变，根据吸热公式Q=CmΔT可知，当比热容C确定，即可分析温度和吸收热量的关系，此处使用BWRS方程计算CO2比热容为[10-12]

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：A0=2.573×105；B0=0.044；C0=1.642×1010；D0=4.802×1011；E0=8.909×1012；a=1.473×104；b=5.403×10-3；c=1.676×109；d=1.218×106；α=5.078×10-5；γ=4.306×10-3；R=8.314 J/(mol·K-1)。

在使用该方程，得到的比热容与温度压力关系中使用三维图(见图4)进行表示。

图4 比热容随压力-温度变化关系Fig 4 Relationship of specific heat capacity with pressure and temperature

通过图4可知，CO2在远离临界点时比热容几乎不随压力和起爆温度的变化而变化，CO2的临界温度为30.978 ℃，临界压强为7.377 3 MPa，因此将实验过程中CO2比热容视为不变，根据公式Q=CmΔT，由于Q和C不变，CO2密度的增加使得m增加，ΔT随之降低，温度变化减小。根据理想气体状态方程：ΔP=nRT，可得：

(8)

式中：ΔQ为热量变化量；ΔP为压力变化量；M为摩尔质量；R为气体常数，由此可知热量变化与压力变化成正比，实验中因热交换造成焓值降低，同时导致峰值气压降低，由数据可知，压力结果与焓值结果一致。