液态二氧化碳致裂煤层 CH4流动控制机理数值模拟

黄彦，张世杰，杨丽

摘 要：煤层致裂的方法有多种多样，针对低渗透性煤层致裂的发展问题，选取了安全性与可控性更高的液态二氧化碳致裂进行研究，得出了不同地应力下液态二氧化碳致裂低渗透性煤层的影响关系。发现同一种煤层处在不同的地应力场的情况下时致裂后应力的分布与大小均不相同，处在更大地应力情况下的煤层在管壁周围的环状区域相对更小，在火焰状应力区域最外层的应力随着地应力的增加逐渐增加。

关键词：无水压裂；致裂技术；液态二氧化碳；煤层致裂；地应力模拟

0引言

在我国，提高煤层透气性的方法有许多，主要是通过增加煤层裂隙直接促使煤层透气性提高，让瓦斯更容易被解吸出来。而我国在增加煤层裂隙方面开展的技术有炸药预裂、水力压裂和水力冲孔等技术措施^[1]。煤层裂隙增加会使瓦斯抽采效率提高^[2]，降低煤层的突出危险性。这些技术虽然在解决瓦斯超限的工作中起到了一定作用，但是有明显的局限性。无水压裂技术目前正被众多研究者广泛探索，主要是利用液态二氧化氮和液态二氧化碳进行压裂，本文主要研究液态二氧化碳方面因素。

液态CO₂压裂技术是利用液态CO₂作为压裂介质注入储层，完成造缝、携砂、顶替等过程^[3]。与此同时，地层温度下液态CO₂快速气化，混溶于原油中，大大降低原油粘度，增强原油的流动能力；CO₂与储层中的水反应生成碳酸，减少粘土矿物膨胀，解除裂缝堵塞；增加储层溶解气驱的能量^[4]，最终达到增产的目的。

1 模型建立

在詹德帅的《二氧化碳充装量与致裂效果的模拟分析》中，实验选取了山西省东南部的司马煤矿进行，实验煤层平均厚度不到15m，本文在模拟中确定模型的大小为10m×10m×10m，钻孔取100mm的直径，深度为5m。采用的建模的方法为首先构建了一个中空的放射性隧道模型，中空的直径为管道的直径，随后使用内置命令对中空隧道进行了填充，填充部分的网格与外部放射性网格自动衔接，考虑到煤层的特性与参数，本文在构建模型时选用摩尔-库伦模型。

本文模拟的煤层的深度并不大，水平应力与垂直应力之间满足以下关系式：

式中 是水平应力， 为垂直应力， 是材料的泊松比，泊松比的最大值是0.5。

图1 模拟塑性区

图2实验压裂图

图2模拟致裂时煤层的塑性区，蓝色部分表示塑性区，与图1实验所得的实验结果^[32]对比发现，破坏的区域与实验中致裂破坏的区域相似，都是呈现出一个“×”的区域。说明本次模拟的结果是准确的。

2 地应力场模拟

考虑煤层处于浅层地表，受到的主要应力为垂直应力。选择0MPa、8MPa、16MPa三种垂直布压来进行模拟。

图3煤层1（左）、煤层2（右）垂直均布力为0MPa时的地应力场

图4煤层1（左）、煤层2（右）垂直均布力为8MPa时的地应力场

图5煤层1（左）、煤层2（右）垂直均布力为16MPa时的地应力场

从上面几个地应力场的云图可以看出，在相同的围压情况下，不同的煤层性质对地应力场的形成有一定的影响，而在相同的煤层情况时，应力场的产生主要是由于所受到的外力不同。

地应力场构建完成之后下一步就是对模型设置条件进行模拟，在构建地应力场的时候是使用的一个整体，中间部分的管道并没有插入模型之中，构建管道采用的方法是在固定中间填充部分所有节点的速度与位移之后采取内置开挖命令将填充部分上半部分挖掉，挖掉之后再将填充部分的下半部分的边界条件释放，上面被挖掉的圆柱体直接当管道。

实际致裂过程中，致裂管内的液态二氧化碳相变会瞬间产生高温高压，冲击到煤层，中间管道的材料除了耐高温高压，相较于炸药致裂还需要耐腐蚀，也就是高压高温液态二氧化碳不会对管道壁的范围产生影响，为了达到插入管道的效果，将管壁模型一周的所有节点固定，固定位移与速度以达到模拟管道的目的，这样做防止了在冲击过程中管道的坍塌与变形。

边界条件的设定除了管道壁还有四周的围压需要设置，围压的设置是为了模拟真实的地理情况，文章前面已经对地应力场进行了构建，围压不需要再单独设置。前文构建管道的时候对填充部分的下半部分进行了释放边界，在模型底部的管道部分也被释放，设置时将底面的边界重新进行了固定。

3 模拟结果

液态二氧化碳在致裂管内在极短的时间内气化，体积瞬间膨胀600倍左右，冲击到致裂管前面的释放头，高压气体通过释放头的出气孔释放，产生瞬间的高压作用在煤层上达到致裂效果，相较于炸药预裂的冲击力不可控制，液态二氧化碳致裂的冲击压力可以人为的调控，一般在100-300MPa之间，本文选择液态二氧化碳气化产生的压力为150MPa。

图6 煤层1垂直均布力为0MPa、8MPa、16MPa时致裂SZZ方向局部应力云图

图7 煤层2垂直均布力为0MPa、8MPa、16MPa时致裂SZZ方向局部应力云图

煤层的最大位移量主要受到地应力的影响不大，主要受到煤层性质的影响，煤层2相较于煤层1的密度更低，单轴抗拉强度也更低，也就是更加的松软，变形量更大。

4 结论

本文主要研究了在不同的地应力场的情况下液态二氧化碳的冲击力致裂具有不同力学性质的煤层的结果，最终发现以下几条规律：

（1）同一种煤层处在不同的地应力场的情况下时致裂结束后应力的分布与大小均不相同，处在更大地应力情况下的煤层在管壁周围的环状区域相对更小，在火焰状应力区域最外层的应力随着地应力的增加逐渐增加，质地更加坚硬的煤层1冲击受到影响的最外层应力能够达到10MPa，最小应力为5MPa，质地相对松软的煤层2受到冲击影响后最外层应力最大值达到了12Mpa，最小值为6MPa。

（2）不同的煤层在相同的地应力场的情况下致裂结束后的应力分布于大小同样不同，更松软的煤层2的应力分布的区域相对更大，在火焰状区域的最外层的应力更大。煤层2在火焰状应力区域的应力最大值比煤层1在该处的应力最大值大了2MPa。

（3）在管道底部中心处节点的位移受到地应力场变化时的影响不大，煤层1该处节点在三种地应力场下的最大位移发生在施加8MPa垂直均布力的条件下，煤层2该处节点在三种地应力场下的最大位移发生在施加0MPa垂直均布力的条件下。在相同的地应力场下，煤层性质的不同对该处节点的位移影响更大，更加松软的煤层2的位移大于煤层1，最大的差值为0.03604m。

参考文献

1. 姜瑞忠, 蒋廷学, 汪永利. 水力压裂技术的近期发展及展望 [J]. 石油钻采工艺, 2004, 26(4): 52-7.

2. 一种针对页岩的压裂造缝的技术和方法 [M]. 2016.

3. 二氧化碳无水压裂技术研究与应用; proceedings of the 2016年全国天然气学术年会论文集, F, 2016 [C].

4. 邹德龙, 王岩, 刘东, et al. 液态二氧化碳致裂增透技术在下沟煤矿的应用 [J]. 现代矿业, 2017, 1): 206-7.