关于微生物流体与ScCO?耦合作用下煤的力学性能研究

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Study on mechanical properties of coal under microbial fluid and ScCO 2 coupling action

基于超临界二氧化碳与微生物耦合作用的煤岩力学特性及损伤演化规律研究，通过高温高压浸泡、三轴压缩试验、声发射监测及XRD/SEM表征，揭示煤体在混合介质浸泡下力学性能劣化、裂隙网络重构及矿物相变机制，建立融合预生化损伤与裂隙闭合效应的连续介质损伤本构模型，为深层煤 seams CCCUS技术稳定性评估提供理论支撑。

　　

罗鸿业|梁伟国|陈跃杜|王在勇|任森涛|何伟|龚莉|顾子珂|沈金航

太原理工大学矿业工程学院，中国山西省太原市，030024

摘要

超临界二氧化碳（ScCO₂）诱导的压裂和微生物甲烷（CH₄）转化技术在深部煤层中为高效煤层气（CBM）开采和实现碳中和提供了潜在途径。然而，煤层在ScCO₂与微生物共同作用下的长期机械稳定性仍缺乏充分研究。本研究将煤样浸泡在三种介质（ScCO₂、微生物液体及其混合物）中，浸泡温度为57.5°C，压力为15 MPa，时间分别为15天、30天和45天。通过三轴压缩实验和声发射（AE）监测获取煤样的力学性能和裂纹演变情况，并利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析其矿物学变化及孔隙-裂纹演化过程。最终，在连续损伤理论和Lemaitre应变等效假设的基础上，开发了一种新的基于损伤的本构模型，该模型考虑了预先存在的生化损伤和裂纹闭合效应。结果表明，随着浸泡时间的延长，煤样的峰值强度和弹性模量呈单调下降趋势；其中ScCO₂–微生物液体混合物中的降幅最大（峰值强度下降59.3%，弹性模量下降77.5%），其次是微生物液体，ScCO₂介质中的降幅最小。在微生物液体介质中，易溶性矿物有效溶解，促进了宏观破坏模式从脆性破坏向韧性破坏的转变。对AE信号的RA–AF分析表明，未经处理的煤样中以拉伸裂纹为主，而ScCO₂–微生物混合物组中剪切裂纹的比例显著增加。微观结构观察证实，ScCO₂和微生物液体的协同作用加速了孔隙扩张和裂纹合并，削弱了煤样的承载骨架和结构完整性。理论应力-应变曲线与实验结果高度吻合，表明所提出的模型能够有效描述变形行为和损伤积累过程。本研究为评估深部煤层在长期ScCO₂–微生物作用下的损伤和不稳定机制提供了理论框架。

引言

随着全球变暖的加剧，温室气体排放严重扰乱了生态系统和社会经济结构。减少CO₂排放并推动能源系统向低碳替代品转型已成为国际上的优先事项。2020年，中国提出了“双碳”目标，即“2030年前达到碳排放峰值，2060年前实现碳中和”。如何在确保能源安全的同时有效减少碳排放，成为实现“双碳”目标的核心问题之一。碳捕获、利用与封存（CCUS）技术为能源生产和消费过程中的CO₂减排提供了可扩展的解决方案。深部不可开采的煤层兼具储存空间和吸附能力，被认为是CO₂地质储存和利用的最有前景的储库之一。CO₂的吸附/解吸过程可与煤层气（CBM）的提取相结合，从而实现CO₂增强型煤层气（CO₂-ECBM）技术，实现CO₂的同步封存和非常规气体的回收。然而，现有的大多数CO₂-ECBM操作采用单循环注入-置换模式，存在CO₂储存效率低、资源利用率低和长期封存不稳定的问题。因此，迫切需要新的技术来实现高效的CO₂封存和资源再生。

最近，侯等人首次提出了碳捕获、循环利用与封存（CCCUS）的概念，实现了可再生能源与地下生物甲烷化的耦合提取，为CBM资源的协同开发和减排提供了新途径。在此基础上，梁等人提出了一种创新的CCCUS路径，将深部煤层中的原位CO₂封存与微生物催化的CO₂转化为CH₄过程有机结合，从而实现碳的集成储存、转化和循环CBM生产。该方案将两个过程整合为一个闭环：（i）利用ScCO₂进行压裂/刺激以提高煤层渗透性并增强CH₂的置换和回收；（ii）随后通过微生物作用将CO₂再生为CH₄。这样，可以在深部煤层中实现CO₂封存、生物CH₄再生和循环能源利用。这种方法不仅显著提高了CO₂的利用效率，还为深部非常规天然气开发和CO₂地质封存提供了双重途径。

然而，深部煤层中持续可靠的CCCUS操作仍面临一系列工程挑战。深部煤层通常具有高地热梯度、高储层压力和高原位应力，导致流体流动、固体变形、地球化学反应和微生物过程之间的多场耦合。在CCCUS操作过程中，ScCO₂表现出强烈的膨胀、溶解和提取能力，这会显著影响煤中的有机成分和碳酸盐胶结物，导致孔隙结构重构和力学性能下降。此外，微生物代谢产生的有机酸、气体产物和次生矿物进一步改变矿物组成和颗粒界面胶结，引发颗粒剥落、孔隙合并和裂纹扩展。在CCCUS条件下，ScCO₂和微生物液体的长期交替或耦合作用会引发“酸化、脱胶结和次生矿物化”序列，从而改变煤层的孔隙-裂纹系统和承载骨架的刚性，进而影响储层的流动条件、井筒周围煤岩的稳定性以及CO₂的长期封存安全性。特别是当井筒周围的煤岩逐渐失去结构完整性且裂隙网络动态扩展时，会显著增加井筒不稳定、套管变形和注入流体泄漏等工程风险。这对深部CCCUS项目的井设计和运行安全提出了更高要求。

尽管在研究ScCO₂与煤的相互作用、微生物对煤微观结构的改变化学以及相关气体生产能力方面取得了显著进展，但大多数研究仅关注单一介质（ScCO₂或微生物液体溶液）对煤孔隙结构、渗流特性和气体产量的影响，缺乏对长期高温高压下ScCO₂–微生物液体腐蚀作用下煤的力学退化和微观结构演变的系统理解。目前关于CO₂-ECBM回收或生物甲烷生产的研究主要集中在流体流动行为、吸附动力学和气体生产效率上，而煤的力学响应（包括强度、刚度和破坏模式的变化）及其对CCCUS安全运行的影响尚未得到充分研究。此外，基于声发射（AE）的多尺度损伤表征和本构模型仍较为薄弱，目前尚无统一的理论框架能够同时考虑预先存在的生化损伤、裂纹闭合效应和损伤演变过程。这些未解决的问题严重限制了CCCUS技术在深部煤层中的安全评估和实际应用。

为此，建立了一个综合实验系统，包括高温/高压浸泡、三轴力学加载、声发射监测和XRD/SEM微观结构分析。将煤样浸泡在三种介质（ScCO₂、微生物液体及其混合物）中，浸泡温度为57.5°C，压力为15 MPa，时间分别为15天、30天和45天。随后通过三轴压缩实验和声发射（AE）监测获取煤样的力学性能和裂纹演变情况，并利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析其矿物学变化及孔隙-裂纹演化过程。最后，在连续损伤理论和Lemaitre应变等效假设的基础上，开发了一种新的基于损伤的本构模型，该模型考虑了预先存在的生化损伤和裂纹闭合效应。本研究为深部煤层中CCCUS项目的井筒及周围岩体的稳定性评估、微地震/AE监测标准的制定以及注入和生产方案的优化提供了实验依据和理论支持。

样品选择与制备

本研究使用的煤样来自中国北方陕西省的某煤矿（图2a）。根据国际岩石力学学会（ISRM）的建议，从煤层中取芯并加工成圆柱形样品，层理面垂直于加载方向，直径为50 mm，高度为100 mm（φ50 mm × 100 mm）。为确保实验一致性，所有样品均垂直于层理面进行钻取。

典型应力-应变曲线

图6显示了在围压σ₃ = 30 MPa条件下，煤样在三种不同介质（ScCO₂、微生物液体和ScCO₂–微生物液体混合物）中浸泡15天、30天和45天的典型偏应力-应变曲线。总体而言，介质类型和浸泡时间对煤的力学行为有显著影响。随着浸泡时间的延长，煤样的峰值强度和弹性模量持续下降，应力-应变曲线逐渐变化。

损伤模型与本构关系

现有的损伤本构模型通常忽略了初始压实阶段的孔隙-裂纹闭合现象。对于长期暴露于ScCO₂–微生物作用的煤来说，孔隙和微裂纹的持续演变使得这种非线性压实效应不可忽视。因此，我们提出了一种统一的损伤本构模型，该模型明确考虑了孔隙-裂纹闭合现象，以再现生化降解煤的应力-应变响应。

该模型基于连续损伤理论构建。

讨论

在深部煤层的CCCUS系统中，注入的ScCO₂和微生物液体在高温高压条件下与煤发生物理化学-生物耦合反应。研究结果表明，这种作用显著降低了煤的强度和刚性，并引起了矿物学和微观结构的系统性变化。

结论

本研究将煤样浸泡在ScCO₂、微生物液体及其混合物中，浸泡温度为57.5°C，压力为15 MPa，时间分别为15天、30天和45天，然后进行三轴压缩实验、声发射（AE）监测、XRD分析和SEM测试。研究结论如下：

(1)

在所有三种介质中长时间浸泡会导致煤样的峰值强度和弹性模量持续下降；而峰值应变则有所增加

作者贡献声明

罗鸿业：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、数据分析、概念化。梁伟国：监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。陈跃杜：撰写 – 审稿与编辑、研究、概念化。王在勇：方法论、概念化。任森涛：研究、数据分析。何伟：监督、方法论、概念化。龚莉：研究

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究的资金支持来自国家自然科学基金（项目编号：52434005、U22A20167、52304100）。