超临界二氧化碳射流热应力诱导煤体裂纹演化机制及其在煤层气开采中的应用研究

《International Journal of Coal Science & Technology》：The effect of thermal stresses on coal cracks evolution induced by a supercritical carbon dioxide jet

本刊推荐：针对SC-CO2射流破煤能耗高的问题，研究人员通过相变温度测试和热应力裂煤实验，发现SC-CO2射流相变产生的温度梯度可对煤体表面和内部裂纹产生显著热损伤作用。提高射流初始温度能增强热应力效应，使裂纹体积增长率达176.63%，为降低SC-CO2钻井能耗提供了新思路。

　　

随着非常规油气资源开发需求的日益增长，超临界二氧化碳（SC-CO_{22破煤研究多聚焦于冲击应力和溶解萃取效应，而对热应力这一关键破煤机制的认识仍不充分。特别是在实际钻井过程中，SC-CO2射流在煤体孔隙内发生相变时产生的温度梯度及其对裂纹演化的影响机制尚不明确，这成为优化破煤效率、降低能耗的技术瓶颈。}

为攻克这一难题，河南理工大学瓦斯地质与瓦斯控制省部共建国家重点实验室培育基地的研究团队在《International Journal of Coal Science & Technology》发表了创新性研究成果。研究人员通过设计精巧的实验方案，首次系统揭示了SC-CO₂射流相变温度场分布规律及其对煤体裂纹的热损伤机制。该研究不仅阐明了热应力对煤体表面和内部裂纹的不同作用效果，还发现了射流温度与热应力效应的量化关系，为SC-CO₂射流钻井参数的优化提供了重要理论依据。

在研究手段上，团队综合运用了SC-CO₂射流相变温度测试系统、真空高温实验舱、扫描电镜（SEM）和工业CT等先进检测技术。针对九里山矿无烟煤样本，通过控制射流参数（温度308.15-343.15K，压力55-90MPa）和物理隔离冲击应力的实验设计，实现了对热应力单独作用的精准观测。特别是采用低温氮气对比实验和三维裂纹重构技术，清晰揭示了SC-CO₂独特的热传导优势。

SC-CO₂射流相变温度分析

研究表明，SC-CO₂射流在55-90MPa压力范围内相变温度可达183.15-228.15K，且随射流初始温度升高，相变导致的环境温度进一步降低。通过指数衰减函数拟合发现，温度分布拟合相关系数达0.980-0.995，证实了相变温度场的可靠性。这种剧烈的温降效应源于SC-CO₂在近临界点物性的突变特性，为热应力的产生提供了必要条件。

热应力对裂纹结构的作用特征

扫描电镜观测发现，热应力导致的煤体损伤主要表现为四种形式：原始裂纹扩展（长度从1359.63μm增至2800.07μm）、裂纹宽度增加（最大增幅150.64%）、新生裂纹产生（最长145.65μm）和煤粉剥落。值得注意的是，SC-CO₂射流产生的热应力不仅能作用于煤体表面，还能通过其高渗透性进入内部裂纹网络。相比低温氮气仅能引起表面裂纹30.38%的宽度增长，SC-CO₂射流可使内部裂纹灰度值降低23.23%，证实了其更优异的热传导能力。

温度梯度对裂纹演化的增强效应

当射流温度从343.15K升至363.15K时，裂纹体积增长率从23.98%提升至176.63%，表面积增长率从16.28%增至205.40%。高斯函数拟合结果表明，表面裂纹比例参数A增幅达18.33%，均值参数μ下降23.80%，标准差参数ω增加8.61%。这种温度强化效应归因于SC-CO₂热导率随温度升高而增大的特性，使得热量能更高效地传递至煤体深部。

三维裂纹网络演化规律

工业CT三维重构清晰展示了热应力导致的裂纹系统演变：在353.15K射流温度作用下，煤样内部出现纵向裂纹与横向裂纹交叉贯通的现象；当温度升至363.15K时，裂纹扩展形成贯穿主裂纹并衍生分支裂纹，最终在煤样端部形成裂纹损伤区。这种由热应力诱导的三维裂纹网络为煤层气运移提供了新通道，显著改善储层渗透性。

本研究通过多尺度实验验证了SC-CO₂射流热应力对煤体裂纹的显著改造作用。特别是揭示了射流温度与热应力效应的量化关系，为优化SC-CO₂射流钻井参数提供了重要依据。相比传统低温氮气裂煤技术，SC-CO₂凭借其低粘度、高渗透性特点，能实现更高效的热能传递和更显著的内部裂纹改造，这对推动SC-CO₂射流技术在煤层气开采中的规模化应用具有重要指导意义。未来研究可进一步探索热应力与冲击应力、溶解萃取效应的协同作用机制，以期实现SC-CO₂射流破煤效率的全面提升。