水力压裂结合二氧化碳气体注入置换技术对煤层气开采的影响

本研究基于多场耦合理论，建立了考虑裂隙扩展、CO?驱替及水 Blocking效应的Thermo-Hydro-Mechanical-Damage（THMD）模型，通过COMSOL Multiphysics模拟分析不同注入压力和含水饱和度对储层性能的影响，结果表明水驱裂隙可协同CO?注入提升甲烷采收率与碳封存效率，并揭示力学特性演化规律。

　　

侯北强|李子文|杨伟|高亚斌|王寅吉|郝志勇

太原理工大学安全与应急管理工程学院，中国山西省太原市030024

摘要

水力压裂能有效提高煤层渗透率并提升气体注入效率。在此基础上，二氧化碳增强型煤层气（CO₂-ECBM）开采技术不仅增加了甲烷（CH₄）产量，减轻了压裂引起的水堵塞问题，还实现了地质碳封存，从而带来了双重经济和环境效益。为了系统研究压裂与气体注入的协同机制，本研究使用COMSOL Multiphysics建立了充分考虑热-水-力-损伤（THMD）效应的耦合模型。具体而言，分析重点在于机械性能的变化以及注入压力和水饱和度对排驱效果的影响。结果表明，水力压裂显著提升了储层性能。与未压裂状态相比，压裂使CH₄累计产量增加了6.7%，CO₂封存能力增加了21.1%。此外，压裂带来的渗透率提升和气体注入压力的增加能够协同增强气体的竞争吸附作用和传质效率，从而显著提高CH₄产量和CO₂封存效果。尽管压裂初期会引发水堵塞现象，但高压CO₂注入能有效驱替滞留的水分，最终提升长期排驱效率。

引言

随着中国煤炭开采深度的不断增加，煤层面临着日益严峻的地质条件，包括低渗透率、高储层温度和高原应力等问题1, 2, 3。这些不利因素严重限制了煤层气（CBM）的开采，影响了矿山生产的安全性和效率。其中，低渗透率是主要瓶颈，开发有效的渗透率提升技术对于开发CBM资源至关重要。此外，由于CBM是一种强效温室气体，⁴其合理开发和利用在减少全球碳排放方面发挥着关键作用。

目前，应用于低渗透率煤层的主要渗透率提升方法包括水力割缝、水力冲洗和深孔控制预裂爆破5, 6, 7。然而，这些技术存在有效范围窄、劳动强度高、施工过程复杂以及开采效率不高的问题，难以在中国实现大规模广泛应用。水力压裂技术8, 9, 10因其良好的渗透率提升效果而被广泛应用于煤矿生产。通过在水煤层中产生人工裂缝，该技术增加了CBM的迁移通道，降低了煤体的杨氏模量，显著提高了渗透率。然而，压裂过程中高压水注入基质微孔会导致液体滞留，从而在后续排水阶段产生“水堵塞效应”，^11,12其中被困水占据孔隙通道，由于毛细阻力阻碍了气体的解吸和渗流。由于储层孔隙结构是固有的，降低毛细阻力和不可压缩水饱和度对于减轻这种损害至关重要。高压气体注入（如CO₂）是一种有效的解决方案，¹³注入后不仅能驱替滞留的水分和气体，还能清除微孔中的杂质。与空气或氮气相比，CO₂-ECBM开采技术显著减轻了水堵塞效应。¹⁴由于CO₂在煤中的扩散性远高于水，它能够有效克服毛细力并推动水在孔隙中的移动。此外，CO₂溶解后会酸化孔隙水，使煤体润湿性从亲水变为中性或弱亲气，进一步降低水相粘附力并减少不可压缩水饱和度。

作为高效的渗透率提升技术，水力压裂已得到广泛研究；而CO₂注入技术则同时实现了产量提升和碳封存的双重效益。因此，全球范围内对这两种技术及其背后的多物理场耦合机制进行了大量研究。在水力压裂领域，研究从简单的流体流动扩展到涉及岩石破裂的复杂过程。压裂起始压力是压裂设计中的核心参数，其大小和方向受原位应力和岩石性质的控制。例如，郭等人¹⁵研究了初始孔隙压力对压裂起始压力的影响，揭示了其在压裂传播中的关键作用。Griffiths等人¹⁶通过弹性力学坐标变换分析了偏斜井筒壁上的应力分布，并得出了偏斜井角度和方向对水力压裂起始压力的影响。为了真实反映压裂过程中的复杂力学行为，研究人员开发了多种多物理场耦合数值模型。卢等人¹⁷建立了耦合数值模型，量化了井筒冷却产生的热弹性应力对压裂压力和裂缝几何形状的影响，证实温度变化会改变压裂起始位置和传播路径。孟等人¹⁸基于迭代函数系统（IFS）构建了分形离散裂缝网络（DFN），证明当天然裂缝倾角大于45°时，裂缝偏转概率增加70%。吴等人¹⁹提出了一种两阶段压裂技术：第一阶段调整原位应力场，第二阶段通过应力干涉使裂缝体积增加30%。近年来，相场方法和结合有限元与离散元的混合方法等先进数值技术得到了广泛应用；例如，周等人²⁰大大提高了模拟非平面、多分支复杂裂缝网络的能力。在算法创新方面，唐等人²¹开发了ML-Physics方法，将神经网络与物理模型相结合，计算效率提高了40%。在CO₂-ECBM领域，研究已深入到气体竞争吸附的精细定量描述、储层渗透率的动态演变以及完整的THM耦合响应。张和Ranjith²²发现CO₂注入显著提高了甲烷回收效率。赵等人^23,24量化了宏观和微孔中的气体扩散性差异，并阐明了气体质量传递与煤体变形之间的动态耦合滞后。在此基础上，他们进一步研究了深部原位应力对气体生成的非线性控制²⁵，为在复杂地质条件下准确模拟气体迁移提供了多尺度理论基础。李等人^26,27建立了充分考虑竞争吸附引起的热效应的完整THM耦合模型，并定量分析了不同阶段有效应力和吸附应变对渗透率的主导作用。通过数值模拟，刘等人^28,29得出煤层内部孔隙度和渗透率受原位应力、CBM压力以及气体（CH₄, CO₂）吸附的影响；不同的孔隙度和渗透率导致二元气体的扩散和渗流速率不同，从而影响排驱效果。黄等人³⁰将解吸滞后效应整合到THMC模型中，强调了其在准确预测渗透率演变和气体回收率中的关键作用。孙³¹考虑了多种机制的传递函数和井筒流动模型，并将整个封存过程分为三个阶段。在程序开发方面，张和魏³²首先建立了三维煤层孔隙结构，然后基于有限体积方法推导并求解了水-气两相流的控制方程，最终完成了程序开发。

总之，尽管以往的研究主要关注水力压裂和CO₂-ECBM的单独机制，现有框架大多将它们视为独立过程。关于压裂引起的损伤演变与CO₂注入参数之间的动态相互作用，仍存在重要知识空白。本研究的核心理论基础整合了岩石损伤力学、孔隙弹性理论和多相渗流力学。将水力压裂与CO₂-ECBM耦合的合理性在于它们潜在的协同效应：一方面，水力压裂创造了必要的流体通道，但同时也引入了液相堵塞；另一方面，CO₂注入提高了CH₄的提取效率，但会导致基质膨胀，从而降低渗透率。因此，需要建立完整的THMD框架来定量评估压裂演变、气体排驱和水堵塞缓解之间的竞争性相互作用。图1展示了结合CO₂注入的水力压裂增强煤层气提取的示意图。

基于现有模型，本文建立了一个充分考虑热-水-力-损伤（THMD）效应的耦合模型，模拟了水力压裂与CO₂气体注入排驱的集成过程。该模型明确考虑了压裂过程中的煤体损伤、固体变形、气-水两相流动、气体竞争吸附、水堵塞效应、渗流、热交换以及气体注入排驱过程中孔隙度和渗透率的时变变化。利用COMSOL软件，研究了压裂条件下煤体机械参数的变化以及不同气体注入压力和水含量对气-水协同效应的影响。此外，还阐明了高压CO₂在减轻水堵塞效应和压裂损伤演变与气体排驱过程之间的竞争机制中的作用。研究结果为这种联合开采技术提供了全面的理论基础。

基本假设

基于煤层中CH₄的赋存特性以及以往研究中构建数学模型时采用的合理假设和规律，提出以下假设：

• (1)
  煤层是一个均匀且各向同性的介质。
• (2)
  对于CH₄的流动，气体首先从孔隙表面解吸，遵循朗缪尔方程；然后从孔隙扩散到裂缝，遵循菲克定律；最后从裂缝渗出到排水井孔，遵循相应规律

地质模型

本研究以沁水煤田的3号煤层作为目标储层。该区域具有稳定的地质环境、较弱的水动力条件以及广泛的区域连续性，为CO₂-ECBM项目提供了有利的地质条件。数值模拟采用了典型的5点井布置（图3），模型域尺寸约为40米×40米×5米。为了监测储层响应，选择了观测点C

煤体机械性能参数的变化

在水力压裂过程中，流体压力不可避免地会对煤体造成损伤，导致其渗透率和杨氏模量的变化。⁴⁴如图4(a)所示，刺激区内的杨氏模量从初始值2.7 GPa显著下降。这种退化反映了机械刚度的降低，宏观上表现为变形抵抗力的减弱。杨氏模量越低，单轴

结论

基于THMD多场耦合理论，本研究建立了一个综合数值模型，整合了煤体损伤、气-水两相流动、非等温竞争吸附、热效应和渗透率演变。利用该框架，系统研究了水力压裂与CO₂注入对煤层气提取性能的协同影响。进行了参数研究以量化气体注入的效果

作者贡献声明

侯北强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用。李子文：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论设计。杨伟：验证，项目管理。高亚斌：监督，调查，概念化设计。王寅吉：软件应用，概念化设计。郝志勇：调查，数据整理。

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

本研究得到了国家自然科学基金（52334007, 52274239）、山西省基础研究计划（202303021221010）、国家重点研发计划（2024YFC3013903, 2020YFA0711803）、江苏省杰出青年基金（BK20230046）以及中央高校基本科研业务费（2024ZDPYJQ1004）的财政支持