超临界CO2致煤岩力学特性弱化与破裂机理

梁卫国，贺 伟，阎纪伟

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024)

煤系气包括煤层气和煤系砂岩气、页岩气以及煤系碳酸盐岩气等，据估算，我国2 000 m以浅的煤系气资源总量约为82万亿m。而1 500～3 000 m埋深的煤层气地质资源量达到了30万亿m，大量具有工业价值的煤系气藏赋存在埋深大于1 000 m的深部，而深部含煤地层具有高地应力、高温高压、低渗透率和低含水率的特征，煤系气规模化开发难度大。水力压裂改造含煤地层是主要的煤系气增渗增产技术，但水力压裂面临水资源消耗量大、环境污染和储层伤害等系列问题。ScCO压裂含煤地层能够形成复杂的裂缝网络，尤其ScCO具有低黏度、零表面张力、强扩散、可萃取煤中有机物及较强的温度、压力敏感性，在改造含煤地层中具有明显优势。当温度超过31.1 ℃、压力大于7.38 MPa，CO达到超临界态，地下700～800 m以深的含煤地层即可达到甚至超过该临界温压条件。研究ScCO致煤岩力学特性弱化与破裂机理，对CO致裂增渗开采煤系气资源及CO地质封存具有十分重要的意义与价值。

已有研究表明，页岩试件经过ScCO浸泡后其力学性能会发生改变，微观上页岩呈现微孔和中孔含量下降，而大孔含量增加，宏观上页岩表现出弹性模量下降和可压缩性增强。CO与水生成碳酸会溶蚀页岩中的钙质矿物，降低页岩层理及天然裂缝的抗拉强度，诱导页岩层理和天然裂缝的萌生。汤勇等采用数值模拟研究了CO在致密砂岩气藏中注入、压裂、返排的全过程，认为CO经历了“液态—超临界态—液态—气态”的相变过程，在注入、造缝及裂缝延展阶段，CO由液态转变为超临界态，且密度和黏度发生明显变化，提高了CO压裂增产的效果。ScCO分子能够渗入煤中纳米尺度的孔裂隙中，甚至进入煤分子芳香烃之间的空隙，造成煤中芳香烃之间的作用力减小，同时ScCO萃取煤中部分有机物，导致煤基质之间的结合力减弱，煤体强度降低。褐煤吸附CO后表面能下降，由于其对ScCO的吸附能力比气态CO更强，煤基质的膨胀量更大，造成ScCO处理后的煤体强度下降量相对更大。

含煤地层中煤体、岩体交互叠置发育，增加了储层改造的难度。水力压裂的渗流面积小，渗流阻力大，压裂时在煤体、岩体中形成的裂缝相对单一，改造的储层范围有限。ScCO压裂能够减少使用大量水资源，且避免含煤地层中黏土水化膨胀带来的储层伤害。ISHIDA等研究发现，花岗岩在ScCO作用下，更容易产生微裂缝，破裂压力明显下降。叶亮等发现液态CO和ScCO压裂致密砂岩的起裂压力相比于滑溜水压裂分别降低22.1%和28.2%。李畅等研究发现ScCO压裂煤层时会形成复杂的裂缝网络，裂缝数目更大、分叉更多、开度更小、裂纹面曲折度更高，有利于沟通显微尺度的孔裂隙，增加CH解吸扩散速率。煤体经过液态CO的循环冻融作用后，煤体孔隙率提高且孔隙的连通性增加，导致煤的渗透率增大。工程实践也发现，CO压裂改善了低渗透煤层的煤层气抽采效果。ScCO能够进入试样的基质孔隙中，导致基质的有效应力减小，从而降低试样的起裂压力。此外，不同相态的CO发生相变时伴随着温压的改变，对试样产生冻融作用，造成试样中不同矿物的非均质变形，试样的抗拉强度减小，导致试样更容易发生破坏。上述研究表明，ScCO不仅能够降低花岗岩、致密砂岩和煤层等岩石的起裂压力，而且能在煤体、岩体中形成相对复杂的缝网系统，增加了气体的运移通道，提高了煤系气的渗透性与产气能力。

目前大多采用单一相态的CO压裂砂岩、页岩、煤层等，但对CO压裂含煤地层时随温压条件改变而发生相变，以及ScCO对含煤地层作用及煤岩破裂机理尚不够清晰。为了深入认识ScCO对含煤地层力学性质的影响及煤岩破裂作用机理，在实验室内，笔者采用ScCO长时浸泡砂岩、煤体，研究了ScCO浸泡前后砂岩与煤体的力学性质变化规律及影响因素；进行了水力压裂、液态CO压裂与ScCO压裂煤体实验，笔者综合对比分析3种不同介质压裂煤体时产生的裂缝分布特征及控制机理，讨论了不同相态CO致裂煤体、砂岩的机理及优势，以期对未来煤系气的多层联合开发提供指导。

1 含煤地层结构与力学特性

含煤岩系是一种在成因上有共生关系并含有煤层(或煤线)的沉积岩系，简称煤系。含煤地层的岩性主要包含煤层、砂岩、粉砂岩、泥岩和页岩等，这些岩层相互交叠(图1)，不同岩性的矿物组成及力学性质相差较大，储层物性具有明显的非均质性。含煤地层结构控制煤系气的生成、运移和赋存，对煤系气的勘探与开发具有重要影响。含煤地层具有较强的旋回性，层序多样，岩性变化较大，造成煤系气内部的气-水关系复杂，层序地层格架、流体能量系统和煤岩体力学性质是影响叠置含气系统综合开采的3个关键要素。

图1 含煤地层的结构特征Fig.1 Structural characteristics of coal-bearing strata

含煤地层的煤体、岩体力学特性及其与储层内流体的耦合作用，影响并决定着含煤地层的压裂裂纹扩展与煤系气高效开采。而煤体、岩体力学特性又受岩性、物质组成、地温、地应力、气水含量等因素影响。常见的含煤地层中，粗砂岩的力学强度较高，粉砂岩次之，煤层的力学强度相对较低。岩层的力学特性与岩石的成分、结构、胶结物及胶结类型密切相关，矿物成分对岩石力学性质的影响较大，例如泥岩的力学强度随着SiO含量增大，其单轴抗压强度和弹性模量总体呈增大趋势。随着碎屑颗粒粒度增大，岩石的力学强度不断增大；随着含水量增加，岩石的单轴抗压强度和弹性模量均快速下降。

含煤地层中不同岩层的岩性、结构、组分、厚度和力学性质等具有明显差异，从而为煤系气的联合开采增加了难度。煤系气开采涉及不同层位之间的储层改造，尤其是受含煤地层岩性和厚度的影响，需要穿层压裂以增加储层改造的效果，深入认识ScCO作用下，含煤地层中煤体、岩体的力学特性变化及其对压裂裂缝扩展的影响，是未来进行不同储层联合改造的必要条件。

2 超临界CO2作用后含煤地层的力学特性

2.1 顶板砂岩力学特征变化

图2 CO2相态图Fig.2 CO2 phase diagram

从山西大同矿区塔山煤矿二叠系山西组、埋深400～450 m的地下钻取煤层顶板砂岩，砂岩呈浅灰色，细粒结构。经测试砂岩的主要矿物成分与质量分数为：长石(5%～10%)、石英(20%～25%)、高岭石(1%)、岩屑(70%)。其中，矿物颗粒尺寸为0.05～0.10 mm。在实验室加工成50 mm× 100 mm的标准圆柱状岩石力学试件，钻取方向垂直砂岩层理面，用端面磨石机打磨其平整度在0.02 mm以内，然后将试件放于105 ℃的恒温箱中干燥24 h。之后将试件放入高压釜中，在压力为10 MPa、温度为40 ℃的ScCO中进行长时浸泡，CO的相态变化特征如图2所示，浸泡时长分别为15，30和60 d，之后在微机伺服三轴试验系统上进行单轴压缩力学试验(加载位移速率为0.002 mm/s)，获得砂岩的应力-应变曲线(图3)。

图3 ScCO2浸泡前后砂岩的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of sandstone before and after ScCO2 saturation

由图3可见，随着ScCO浸泡作用时间增长，砂岩的单轴抗压强度和弹性模量均逐渐减小。ScCO作用15，30和60 d后，砂岩单轴抗压强度平均值分别减小了9.10%，21.97%和48.93%，弹性模量平均值分别减小了12.78%，18.82%和27.19%，砂岩的泊松比平均值分别增加了17.02%，26.60%和44.15%(图3)。ScCO浸泡砂岩15 d时，砂岩的单轴抗压强度和应变量变化较小(图3(b))，而当ScCO浸泡砂岩30，60 d时，砂岩的单轴抗压强度和应变量均发生了较大的改变(图3(c),(d))。由于砂岩原生结构致密，在单轴压缩过程中，ScCO作用前后，孔裂隙压密阶段变形都不明显(图3)；但砂岩的塑性变形特征随ScCO浸泡时间的增长而逐渐凸显(图3(c),(d))。未进行ScCO浸泡时，单轴压缩破坏过程中，试件破坏呈显著的脆性，应力-应变曲线到达峰值后迅速下降；随着ScCO浸泡时间的增加，砂岩的单轴抗压强度不断下降，且达到峰值强度后的应变量增加越大，表明ScCO对砂岩具有软化作用，导致砂岩由脆性破坏变为延性破坏。

ScCO作用下，岩石力学特性变化的原因主要为岩石矿物组成与细观结构的改变。ScCO进入砂岩微小孔裂隙中，砂岩的孔隙压力增加，并产生一些新的微裂隙，造成矿物颗粒之间的黏聚力、甚至内摩擦角减小，从而导致岩体破坏形式由脆性转变为延性。此外，由于CO相变极具温压敏感性(图2)，ScCO相变成液态CO或气态CO过程中，气体体积发生膨胀，且会引起温度压力的改变；而不同矿物的热膨胀系数又存在差异，矿物晶体自身及晶体间会在不同方向上产生非均质变形，导致岩石内部变形开裂，微纳米尺度的力学强度减小，引起岩石宏观强度下降。当岩石中含有部分自由水时，CO与孔裂隙中水反应生成碳酸，碳酸释放的H会溶解岩屑中的碳酸盐、黄铁矿等，从而改变岩石的细观物理结构，岩石颗粒之间的接触面积减小，形成更多次生孔隙，引起孔隙结构的结合能和岩石骨架的支撑力减弱，导致岩石单轴抗压强度和弹性模量降低。

含煤地层的砂岩孔隙率小，结构相对致密，在上覆岩层重力和构造应力的作用下处于相对较高的应力状态，其破裂压力也较高，增加了水力压裂改造砂岩储层的难度。ScCO浸泡砂岩后，能够显著降低砂岩的破裂压力。在工程上压裂砂岩储层时，从井口注入CO，储层内CO压力不断增大，其相态首先转变为液态；当液态CO流动至砂岩层时，受地层温度和压力的影响，液态CO转变成ScCO；当压力达到砂岩层断裂韧度，ScCO致裂砂岩并随着砂岩裂缝的扩展，ScCO迅速向地层扩散，持续注入CO下，裂缝不断扩展、形成复杂缝网。在煤系气开采返排阶段，地层中的ScCO可能又会发生膨胀并自喷回地面，随着储层流体压力减小，ScCO先后会转变成液态和气态。此即采用CO压裂含煤地层过程中，受地层及CO温度与压力动态变化的影响，CO发生不同相态转变，复合相态CO在渗透扩散作用下，对岩体物理力学特性进行改变弱化，在降低储层破裂强度的同时，形成有利于气体开采运移的理想、复杂缝网结构。

2.2 煤体力学特性变化

从山西不同矿区采煤工作面采集弱黏煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤4种不同变质程度的样品。其中，弱黏煤取自山西大同煤田东周窑煤矿12号煤层，1/3焦煤取自宁武煤田轩岗矿区刘家梁煤矿2号煤层，贫瘦煤取自山西沁水煤田东缘左权县境内15号煤层，无烟煤取自沁水煤田寺河矿3号煤层。在实验室加工成25 mm×50 mm的试件，试件高度方向平行层理，并在ScCO中浸泡5～20 d，之后测量试件的单轴抗压强度与变形特征(图 4)。图 4显示随着ScCO浸泡时间的增加，4个煤样的应力-应变曲线均呈现相似的变化规律，即ScCO浸泡时间越长，4种煤样的单轴抗压强度越低，且在单轴抗压强度峰值后的应变量也呈增大趋势。

图4 ScCO2浸泡不同时间后煤的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of coal after ScCO2 saturation

ScCO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由12.69，8.29，11.8，15.5 MPa降至4.41，4.54，5.19，4.97 MPa，分别降低65.25%，45.24%，56.02%和67.94%，弹性模量分别由1.26，1.6，1.26，1.76 GPa降至0.43，0.76，0.54，0.6 GPa，分别降低65.87%，52.50%，57.14%和65.91%(图4)。随着ScCO浸泡时间增加，弱黏煤的单轴抗压强度和弹性模量持续缓慢下降，表明ScCO对弱黏煤的力学弱化作用持续时间较长(图4(a)，图5)。ScCO浸泡作用的前10 d，1/3焦煤的单轴抗压强度和弹性模量下降较为迅速，10 d后其力学强度下降变缓(图4(b)，图5)。ScCO浸泡5 d时贫瘦煤和无烟煤的单轴抗压强度和弹性模量大幅降低，之后两者的单轴抗压强度和弹性模量均缓慢下降(图4(c),(d),图5)。不同煤样力学特性弱化的差异性，表明ScCO作用程度与力学特性弱化效果对不同煤样具有差异性。

图5 不同煤阶煤体单轴抗压强度和弹性模量 随ScCO2作用时间的变化特征Fig.5 Variation characteristics of uniaxial compressive strength and elastic modulus of different rank coals with ScCO2 saturation time

弱黏煤和1/3焦煤中含有较多的脂肪烃和芳香烃化合物，ScCO容易萃取这些小分子化合物(图6)，萃取产物中脂肪烃主要为碳分子量从10～24的烃类物质，芳香烃主要为含有数量不等的苯环的烃类物质。除此以外，还有一些含氧的脂肪族和芳香族化合物，如醛类、酮类、醇类和羧酸酯类，当脂肪烃和芳香烃被ScCO从煤中萃取出来时，导致煤中分子骨架间的链接强度减弱，即随着ScCO作用时间增加，弱黏煤和1/3焦煤的力学特性持续降低。而贫廋煤和无烟煤中含碳的大分子物质较多，低分子化合物含量相对较少，造成贫廋煤和无烟煤的萃取产物中脂肪烃含量少于弱黏煤，ScCO进入贫廋煤和无烟煤的前5 d对其有较强的萃取能力，造成贫廋煤和无烟煤的力学强度下降较快，随后ScCO对贫廋煤和无烟煤的萃取能力降低，对煤体的力学特性弱化减小，因此ScCO作用5 d后贫瘦煤和无烟煤的单轴抗压强度和弹性模量下降缓慢。

图6 ScCO2对煤中物质的萃取示意Fig.6 Schematic diagram of ScCO2 extraction

ScCO在煤体中具有吸附与有机物萃取双重特性，对煤体的物理和化学特性均产生影响。主要表现在：①CO吸附在煤体表面引起煤基质膨胀变形，煤体表面能减小，煤基质之间的链接作用变弱；② 煤体中部分有机物被ScCO萃取出来，煤中孔隙的连通性增加，煤基质结构的接触面减小；③ ScCO与煤体中的水分形成碳酸，碳酸会溶解煤体中的部分矿物，造成煤基质骨架与矿物质间的黏聚力下降。因此，ScCO注入煤体后，CO吸附膨胀、有机质萃取以及矿物质溶解等综合作用，导致煤体力学强度下降。

3 煤岩体内裂纹起裂扩展机理

3.1 煤体内裂纹的扩展特征

为了对比ScCO压裂、液态CO压裂和水力压裂在煤体中的改造效果，采用50 mm×100 mm的无烟煤标准圆柱试件，在轴压10 MPa、围压8 MPa条件下进行了压裂试验，压裂过程中ScCO、液态CO和水的注入速率均为20 mL/min，ScCO及其试件保持恒定温度40 ℃，液态CO、水与压裂试件保持室温，利用高频传感器实时监测压裂过程中压裂流体的压力变化(图7)。

图7 不同压裂介质压裂过程压力与时间关系曲线[34]Fig.7 Relationship between pressure and time in different fracturing media[34]

图7显示水力压裂时前30 s水压增加缓慢，主要是由于连接高压柱塞泵与煤样之间的连接管线及煤样上的压裂管线内有一定体积的空隙，水由高压柱塞泵注满连接管线与压裂管线的空间需要一段时间，此阶段压力增加缓慢。当水注满连接管线与压裂管线后，继续注水时煤体内水压力急剧增大，当水的压力达到煤的破裂压力后，煤体破裂并产生新生裂缝，随后水进入新生裂缝中，导致水的压力快速下降。而液态CO与ScCO压裂煤体时，打开试件前端阀门后，入口压力很快上升到CO储气罐初始压力3 MPa左右，之后由于CO具有较强的压缩性，随着高压柱塞泵恒定速率增压，煤体内流体压力缓慢上升。当注入液态CO的压力大于7 MPa后，煤体内的CO流体压力开始快速上升。注ScCO过程中，2个试件样品的压力曲线均呈缓慢上升的趋势，与液态CO小于7 MPa时的压力曲线增加速率基本一致，压力曲线整体平稳上升，且在煤体破裂后液态CO和ScCO的压力曲线均呈缓慢下降的特征。

与水力压裂相比，ScCO与液态CO压裂煤体的破裂压力明显降低，煤中水力压裂、液态CO压裂和ScCO压裂的平均起裂压力分别是17.88，14.54和12.35 MPa。同时，水力压裂的起裂时间最短，相比于水力压裂，液态CO和ScCO的起裂时间分别增加了47.02%与102.62%(图7)。ScCO压裂与液态CO压裂的起裂时间增加，主要是由于CO的可压缩性高于水，且CO在煤体中的渗透系数远大于水的渗透系数，使得CO在煤体中的滤失远高于水的滤失，即CO分子比水分子能够进入煤基质中更微小的孔裂隙，煤基质中的孔隙压力增大而有效应力减小，造成ScCO与液态CO的最终起裂时间远大于水力压裂的起裂时间，但起裂压力相对较小，且ScCO、液态CO在煤体破裂后仍能保持较长时间的高压力，有利于增加裂缝的扩展空间。

图8显示不同压裂介质压裂后无烟煤的表面裂缝形态存在明显差异，水力压裂后煤体表面裂缝形态较为简单，仅有一条贯穿裂缝，且裂缝开度较大。而液态CO压裂、ScCO压裂后煤体的表面裂缝明显增加，并出现了许多显著的次生裂缝，裂缝开度也相对较小，且ScCO压裂煤体表面产生的裂缝比液态CO和水力压裂产生的裂缝更复杂、连通性更好，有助于沟通不同尺度的孔裂隙结构，对煤体压裂增渗作用的效果更好。ScCO具有很强的渗透能力，极易进入煤体微孔隙、微裂隙中，在ScCO压裂裂缝扩展过程中遇到微裂隙、层理等天然弱面时，会转移到这些天然弱面中扩展，在煤体中更容易形成复杂的裂缝。

图8 不同压裂介质压裂后煤体表面裂缝形态[35]Fig.8 Fracture morphology of coal surface after fracturing with different fracturing media[35]

ScCO的性质对温度和压力具有较强的敏感性，温度和压力的微弱变化就会引起ScCO性质的剧烈变化，如密度、黏度、扩散能力等。ScCO压裂裂缝扩展过程中温度与压力的变化会使ScCO发生相变，由超临界态变为液态或气态；相变过程中，CO的体积在极短时间内迅速膨胀，进一步增加了裂缝的宽度、影响范围及复杂程度。当向含煤地层持续注入气态CO时，地层中气态CO压力及温度上升并转变成液态或超临界态，当液态CO或ScCO压力大于地层破裂压力后，地层破裂裂缝扩展，液态CO或ScCO进入新的裂缝后其压力下降并转变成气态CO。CO压裂地层的过程中，伴随着CO持续注入及地层裂缝的扩展，CO的相态会不断转变，在含煤地层中产生了复杂的缝网系统。

为进一步对比分析ScCO压裂与水力压裂改造后的煤体渗透效果，选取尺寸为50 mm×70 mm的无烟煤在轴压16 MPa、围压10 MPa条件下，分别进行ScCO压裂与水力压裂试验(图9)。压裂试验完成后，采用N测量压裂试验后轴压12 MPa、围压10 MPa的煤样渗透率，之后利用显微CT扫描分析断面裂缝信息，综合评价ScCO压裂与水力压裂改造效果(表1)。

图9 压裂试验试件Fig.9 Fracturing experimental specimens

表1 煤体压裂前后渗透率变化[35]Table 1 Changes of coal permeability before and after fracturing[35]

表1为相同应力条件下，采用ScCO压裂与水力压裂的增渗效果比较，压裂后试件渗透率几乎提高1～2个数量级，其中ScCO压裂后，渗透率提高461倍，远高于水力压裂的增渗效果。为进一步分析不同介质压裂后煤体内部裂缝分布形态，选取压裂后孔底以下10 mm处的横断面细观结构进行对比分析(图10)，表2为该剖面CT图中裂纹统计信息。与水力压裂相比，ScCO压裂煤体产生的裂纹开度更小，平均裂纹开度与水力压裂的裂纹开度相差一倍多，但产生的裂纹条数更多、总长度更长(图10)，ScCO改造后煤体的孔裂隙率大于水力压裂作用，虽然ScCO压裂后的裂缝开度小于水力压裂形成的裂缝开度，但ScCO压裂后的裂缝网络分布范围增大，即ScCO扩大了煤体中的原有裂缝网络，同时形成新的裂缝并增加了连通孔隙的数量，构成了流体运移通畅的网络，能够提高流体的运移速率，表明ScCO压裂比水力压裂对该无烟煤的改造效果更好。

3.2 煤体、岩体内裂纹起裂扩展机理

3.2.1 煤体、岩体致裂破裂机理

含煤地层中的煤体、岩体受地应力的作用，处于三向受压状态，压裂时高压流体最初沿着煤体、岩体的原生裂隙渗流，在持续注入流体的作用下，流体压力达到煤体、岩体的临界破裂压力(或强度)后，煤体、岩体破裂并形成新的裂缝，随后流体进入新生成的裂缝，并通过以上循环过程持续形成新的裂缝。不同的压裂液对煤体、岩体表现出不同的压裂特性，ScCO黏度小易滤失使其对煤体、岩体的破裂与在裂缝扩展中有较好表现。根据弹性理论，煤体、岩体破裂与压裂孔周边的应力状态和孔壁围岩强度有关。

图10 压裂后试件孔底下10 mm处CT图像[35]Fig.10 CT image of 10 mm below the fractured hole of the fractured specimen[35]

表2 基于显微CT得到的裂纹参数[35]Table 2 Crack parameters based on CT[35]

压裂孔围岩内任一点由三向压力作用引起的应力表达式为

(1)

压裂孔围岩内任一点由孔壁内流体作用于孔壁引起的应力分布表达式为

(2)

当压裂液为ScCO时，随着流体压力增大，一部分流体将渗入孔壁周围。由流体在压裂孔内径向渗流产生的附加应力场表达式为

(3)

(4)

(5)

根据岩石破坏准则，当有效应力达到孔壁岩石的抗拉强度时，即≥时，孔壁岩石起裂破坏。其中：

(6)

因此，煤体、岩体起裂压力是地应力、孔壁流体压力、滤失引起的附加压力共同作用的结果。ScCO具有较强的渗流和吸附特性，能够进入煤体、岩体的微小裂隙中，增加了煤体和岩体中的孔隙压力，导致煤体、岩体骨架的有效应力减小，改变了煤体与岩体的抗拉强度。此外CO在煤孔裂隙表面的吸附作用，导致煤体中产生相同的拉应力，同时ScCO对煤中有机物的萃取导致煤体强度下降，引起煤体、岩体的黏聚力和内摩擦角减小，导致煤体、岩体的抗剪强度下降(图11)，因此ScCO压裂煤体时起裂压力明显小于水力压裂的起裂压力。

图11 注入CO2后煤体力学强度变化示意Fig.11 Schematic diagram of mechanical strength change of coal after CO2 injection

图11中，ScCO作用过程煤体状态经历了Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ变化，其中，为剪应力；，′，″，，′3，″3，，′，″分别为状态Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所对应的最大主应力、最小主应力、黏聚力;为内摩擦角。

3.2.2 裂缝扩展机理

压裂过程中主裂缝一般沿着最大主应力方向扩展，将压裂的裂缝扩展问题视为含Ⅰ型裂缝的平面裂缝问题，根据Irwin脆性断裂准则，当应力强度因子大于断裂韧度时，裂缝扩展。以理想的无限大弹性体内的圆盘形(半径为)水力裂缝为例，应力强度因子为

(7)

其中，为应力强度因子，MPa·m；为裂缝内流体压力，MPa；为裂缝长度，m。

图12 煤体断裂韧度与ScCO2浸泡时间的关系[38]Fig.12 Relationship between coal fracture toughness and ScCO2 saturation time[38]

4 分析与讨论

4.1 ScCO2压裂与水力压裂对煤岩体的作用差异

ScCO压裂形成的裂缝数量与增渗效果是水力压裂的数十倍(表1)，且裂缝以羽状形式扩展，相比水力压裂形成的单一裂隙，ScCO压裂煤岩体能够形成多分叉、高曲折度、扩展距离远的裂缝，从而促进了不同尺度孔裂隙的连通。CO或水饱和作用后，煤岩试件的力学强度均不同程度下降。ScCO还会与煤中矿物发生反应，造成煤基质骨架与矿物的接触部分减小，导致煤体的破裂压力下降。煤对CO气体具有较强的吸附作用力，且煤的孔裂隙越小对CO的吸附力越强，CO容易扩散到煤中微小孔裂隙内，并使得其在煤基质中的分布相对均匀。相比水进入煤体后主要在较大的孔裂隙赋存，CO能够扩散到煤基质中的微小孔、裂隙中，深入到煤体的微观结构中，分布范围更广，增加了煤体的孔隙压力，导致煤基质间的有效应力和聚合力下降范围更大。ScCO萃取煤中的脂肪族和芳香烃类物质后，导致煤体强度降低，即ScCO能够从多方面降低煤体的强度，促进煤体破裂及裂缝扩展，并形成较复杂的体积裂缝。

水力压裂时，由于水分子的黏度大，且与煤中孔隙、裂隙之间产生较强的毛细作用力，尤其在较小孔喉处产生了较强的阻力，导致水分子无法向微孔隙、微裂隙运移，并造成煤中裂隙尖端存在真空区(图13(a))。而ScCO的分子黏聚力较弱，并与煤具有较强的吸附作用力，CO分子能够深入到煤中裂隙的尖端(图13(b))，改变煤体的强度与力学特性，降低了煤体的起裂压力。同时在煤体起裂的瞬时低压期间，裂缝尖端的高温热量能迅速扩散到低温流体中，从而在裂缝尖端产生的热应力加速煤岩体的损伤破坏，有利于煤体破裂与裂缝扩展。由于CO的强吸附作用，导致煤体发生膨胀变形并引起部分裂隙闭合，与此同时在煤体内产生膨胀应力，相当于对裂隙产生了等强度的拉应力，导致煤体的抗拉强度下降并更容易发生破坏。当向含煤地层中注入CO后，CO气体极易达到液态或超临界态。ScCO注入煤体的过程中，其压力曲线变化的斜率小于注水压力曲线的斜率，表明ScCO更容易注入岩石且导致岩石的破裂压力减小。此外，再加上复合相态CO对煤体、岩体的弱化作用，导致煤体、岩体的破裂压力进一步减小。

图13 水力压裂与CO2压裂煤层时裂缝尖端的特征Fig.13 Characteristics of crack tip during hydraulic fracturing and CO2 fracturing of coal seams

4.2 ScCO2压裂待解决的问题

ScCO压裂增渗、提高含煤地层煤系气开采效率，是典型的地质学、煤岩体力学、流体力学、吸附科学、热力学等多学科交叉的固流热传质多场耦合问题，其基础理论与技术体系研究还需要持续深入进行，作者认为包括但并不限于如下几点：

(1)研究与含煤地层相匹配的ScCO压裂液体系，使其适用于低渗致密煤岩储层，能够改善含煤地层的孔裂隙结构及力学性质，提高压裂液进入低渗透储层微观孔裂隙的能力，增加微观裂隙与微米、纳米尺度孔隙的连通性；研制与ScCO匹配的低密度、高强度、低成本的支撑剂，以提高ScCO的支撑剂携带能力，并形成煤岩体储层内跨尺度缝网结构，增强复杂缝网的张开性，增加气体运移的通道。

(2)针对含煤地层中不同岩性地层的交叉互层分布特征，研究ScCO穿层压裂机理及控制技术，结合不同煤岩体ScCO压裂时的断裂条件与裂缝扩展机理特征，揭示ScCO压裂时裂缝垂向穿层扩展机理，精准控制ScCO合层压裂、分层压裂与穿层压裂，从而形成含煤地层煤系气高效综合开采的复杂裂缝导流系统。

(3)建立ScCO压裂时煤体、岩体破裂与裂缝扩展的理论模型，研究ScCO压裂不同岩性地层的数值模拟方法，开展ScCO致裂机理的物理仿真实验研究，提出适合于深部含煤地层特殊地质条件控制致裂技术，为深部含煤地层煤系气的开采提供理论技术支撑。

(4)针对含煤地层多层叠置分布的特征，建立含煤地层ScCO压裂效果评价技术体系，查明不同岩层ScCO压裂的影响因素及控制机理；研发ScCO压裂与驱替CH开发地质工程一体化技术，减少工程施工程序，提高煤系气开采效率。

5 结 论

(1)随着ScCO对砂岩和煤的浸泡时间增加，砂岩和煤体的力学强度均呈下降趋势，且煤体的力学强度降幅高于顶板砂岩。对顶板砂岩而言，ScCO渗入岩体内部，不仅增大了矿物晶间距离，而且通过酸化作用改变了矿物的结构与组分，从而降低砂岩的力学强度。而ScCO对煤体力学性质的弱化则主要为有机质萃取、吸附膨胀与矿物酸化反应综合作用，且发现ScCO有机质萃取作用对低阶煤力学特性弱化影响要大于高阶煤。

(2)由于CO分子、特别是ScCO分子具有极强的渗透性，能够进入煤体的微孔隙和微裂隙，并由于其在煤体内较强的吸附性而产生吸附所致膨胀应力，导致煤体发生膨胀变形，相当于对煤体裂隙产生了等强度的拉应力作用；叠加ScCO对煤体内有机物的萃取作用，使煤基质固体骨架上的有效应力与煤体的断裂韧度或抗拉强度均大幅降低，最终降低了ScCO压裂煤体时的破裂压力，有利于煤体压裂破裂与裂纹扩展并在煤体中形成复杂缝网结构。

(3)与水力压裂相比，ScCO压裂煤体、岩体效果更佳。其根本在于CO特别是ScCO的强扩散性、强吸附性和强萃取性，使其能够最大限度地进入煤体、岩体微裂缝的尖端，弱化降低煤体、岩体强度与力学特性，促进裂纹快速破裂扩展。利用含煤地层的高温高压条件及CO压裂过程中复合相态不断转变，有利于增加含煤地层微观裂隙的扩展尺度与范围，提高含煤地层煤系气的开采效率。