CO2聚能劑燃燒與沖壓實(shí)驗(yàn)研究

蔡余康，胡少斌，龐爍鋼，鄒柳宗，湯 旋，顏正勇

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098)

近年來(lái)，CO2相變膨脹壓裂技術(shù)作為一種環(huán)保、安全、高效的開采技術(shù)在煤層開采、地層壓裂等領(lǐng)域得到了諸多的應(yīng)用[1-3]。通過(guò)CO2在高溫下的快速相變，產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)達(dá)到破裂巖石的目的，該技術(shù)相比于傳統(tǒng)炸藥破巖，在地層損傷、避免飛石等工程事故、減少環(huán)境污染、減塵降噪方面有著更良好的效果[4-9]。

然而，目前許多人主要對(duì)壓裂過(guò)程中的卸壓增透進(jìn)行研究，而對(duì)CO2快速膨脹產(chǎn)生的爆燃沖壓的熱力學(xué)機(jī)理研究不足，對(duì)CO2爆燃特性認(rèn)識(shí)不足。因此在使用CO2相變破巖過(guò)程中容易出現(xiàn)失敗率較高、效率偏低以及成本較高等問(wèn)題。爆破效果與傳統(tǒng)炸藥爆破尚存在明顯的客觀差距。因此有必要開展對(duì)于CO2爆燃沖壓的熱力學(xué)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，揭示CO2在吸熱升壓過(guò)程中的內(nèi)在機(jī)理，優(yōu)化爆破參數(shù)以提高可行性和效率、降低成本。

1 爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)主要為CO2聚能劑在高濃度CO2環(huán)境中通過(guò)電阻絲加熱，迅速燃燒并釋放熱量從而使CO2迅速氣化，在重復(fù)性爆破筒的密閉環(huán)境中形成瞬態(tài)高壓。CO2聚能劑(CO2-EA)由江蘇中控能源科技有限公司(CENE)提供。CO2聚能劑具有密度低、燃燒熱高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，CO2聚能劑物理化學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 CO2聚能劑的基本物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)裝置由干冰粉、CO2聚能劑、電阻絲激發(fā)裝置、氣壓傳感裝置、溫度傳感裝置、加熱帶、重復(fù)性爆破筒、空氣流通系統(tǒng)組成。將預(yù)制好的CO2聚能劑放入重復(fù)性爆破筒內(nèi)，并將一定量的干冰粉快速放入爆破筒中，隨后密封，當(dāng)電熱帶將爆破筒加熱到固定溫度后，啟動(dòng)電起爆器點(diǎn)燃CO2聚能混相流體。使用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行壓強(qiáng)變化數(shù)據(jù)的顯示與記錄。CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of CO2 deflagration impact fracturing

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究CO2在密閉空間內(nèi)的密度與起爆溫度對(duì)壓強(qiáng)變化率的影響情況，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)聚能劑質(zhì)量26 g，設(shè)計(jì)CO2密度分別為0.3、0.4、0.5 g/ml(添加的CO2質(zhì)量分別為286、381.5、476.9 g)，起爆溫度為10、30、50 ℃(見表2)。

表2 干冰粉靜態(tài)氣動(dòng)壓裂質(zhì)效比實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)記錄不同CO2密度和起爆溫度下的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線，并通過(guò)NIST給出的CO2特性數(shù)據(jù)來(lái)判斷CO2物質(zhì)狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表2)的處理與研究。在本實(shí)驗(yàn)中，CO2密度:

(1)

式中：m為添加到爆破筒內(nèi)的干冰粉的質(zhì)量；V為爆破筒的容積，V=953.784 cm3。

通過(guò)八通道數(shù)據(jù)采集儀來(lái)進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線數(shù)據(jù)采集，獲得CO2聚能混相流體爆燃過(guò)程中壓強(qiáng)-時(shí)間曲線。

表3 不同情況下的CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比圖2c和圖2e，可以推測(cè)在起爆溫度較高的情況下，爆破桶內(nèi)氣壓的上升速率較快，對(duì)比圖2d和圖2f兩組曲線，可知CO2密度同樣能提高氣壓的上升速率，對(duì)比A、B、D組可知流體是否能被點(diǎn)燃受起爆溫度和CO2密度的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步表明在其他條件相同的情況下，起爆溫度和CO2密度與壓強(qiáng)上升速率呈正相關(guān)，且對(duì)CO2聚能混相流體能否被點(diǎn)燃起關(guān)鍵性作用，但兩者均對(duì)最大壓強(qiáng)無(wú)明顯影響。

圖2 壓強(qiáng)時(shí)間Fig.2 Pressure time

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為便于數(shù)值分析，對(duì)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線進(jìn)行高階回歸多項(xiàng)式擬合從而得到擬合曲線，同時(shí)通過(guò)計(jì)算擬合曲線導(dǎo)數(shù)零點(diǎn)，求得CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)達(dá)到峰值的時(shí)間和壓強(qiáng)參數(shù)。首先通過(guò)擬合波形曲線分析壓強(qiáng)變化率，然后參照NIST中CO2同密度下定容壓強(qiáng)-焓值的性質(zhì)曲線來(lái)進(jìn)行焓值峰值的確定。以此進(jìn)行焓值變化的研究，最終求出各實(shí)驗(yàn)中的焓值平均變化率，不同情況下CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)壓力及焓值變化如表4所示。

表4 不同情況下的CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)的壓力變化率及焓值情況

圖3 壓強(qiáng)-時(shí)間高階回歸對(duì)照Fig.3 Pressure-time high-order regression control

通過(guò)對(duì)比不同工況下CO2爆燃沖壓實(shí)驗(yàn)的壓強(qiáng)-時(shí)間回歸對(duì)比(見圖3)可知：

1)CO2密度和起爆溫度與壓力上升速率呈正相關(guān)，當(dāng)其他條件相同時(shí)，起爆溫度越高，壓力上升速率也越快，這是由于較高溫度下，分子熱運(yùn)動(dòng)更劇烈，引起CO2以更快的速度相變。而CO2密度較大，同樣會(huì)使壓力上升速率增加，是由于相變物質(zhì)增加，與熱空氣接觸的表面積增加，從量上直接增加了相變速率。另外，CO2密度較大導(dǎo)致反應(yīng)速率較快，溫度隨之上升較快，加快整體反應(yīng)。

2)關(guān)于實(shí)驗(yàn)中，起爆溫度和CO2密度較高導(dǎo)致焓值峰值較高的現(xiàn)象分析，由于該容器非絕熱容器，在燃燒過(guò)程中通過(guò)器壁與外界進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致焓值降低，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律：

(2)

可知傳熱速率正比于溫度梯度，當(dāng)x不變時(shí)，傳熱速率正比于溫差ΔT，因此起爆溫度較高會(huì)導(dǎo)致熱量的快速流失，但同時(shí)也導(dǎo)致達(dá)到峰值的時(shí)間更短，綜合考慮，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)正處冬季，室內(nèi)溫度約6 ℃，分析B、C對(duì)比組，D、E對(duì)比組可知起爆溫度越高，在CO2聚能劑質(zhì)量不變并皆已反應(yīng)完全的條件下所達(dá)到的峰值焓值更低。而對(duì)于CO2密度不同引起的焓值不同，可考慮為CO2密度較大導(dǎo)致反應(yīng)溫度較高，散熱更多。

3)關(guān)于實(shí)驗(yàn)中，起爆溫度和CO2密度較高導(dǎo)致峰值壓力較高的現(xiàn)象和CO2密度較高導(dǎo)致最后溫度較低的分析，此處使用焓值變化間接分析，在定容環(huán)境下，由于聚能劑質(zhì)量不變，因此產(chǎn)生的焓值ΔH不變，根據(jù)吸熱公式Q=CmΔT可知，當(dāng)比熱容C確定，即可分析溫度和吸收熱量的關(guān)系，此處使用BWRS方程計(jì)算CO2比熱容為[10-12]

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：A0=2.573×105；B0=0.044；C0=1.642×1010；D0=4.802×1011；E0=8.909×1012；a=1.473×104；b=5.403×10-3；c=1.676×109；d=1.218×106；α=5.078×10-5；γ=4.306×10-3；R=8.314 J/(mol·K-1)。

在使用該方程，得到的比熱容與溫度壓力關(guān)系中使用三維圖(見圖4)進(jìn)行表示。

圖4 比熱容隨壓力-溫度變化關(guān)系Fig 4 Relationship of specific heat capacity with pressure and temperature

通過(guò)圖4可知，CO2在遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)時(shí)比熱容幾乎不隨壓力和起爆溫度的變化而變化，CO2的臨界溫度為30.978 ℃，臨界壓強(qiáng)為7.377 3 MPa，因此將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CO2比熱容視為不變，根據(jù)公式Q=CmΔT，由于Q和C不變，CO2密度的增加使得m增加，ΔT隨之降低，溫度變化減小。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：ΔP=nRT，可得：

(8)

式中：ΔQ為熱量變化量；ΔP為壓力變化量；M為摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)，由此可知熱量變化與壓力變化成正比，實(shí)驗(yàn)中因熱交換造成焓值降低，同時(shí)導(dǎo)致峰值氣壓降低，由數(shù)據(jù)可知，壓力結(jié)果與焓值結(jié)果一致。

3 結(jié)論

1)CO2密度、CO2和聚能劑質(zhì)量比以及實(shí)驗(yàn)起爆溫度均會(huì)對(duì)筒內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率和壓力上升速率產(chǎn)生影響，并且在聚能劑質(zhì)量不變，容器體積不變的條件下呈正相關(guān)關(guān)系。

2)在聚能劑質(zhì)量不變，容器體積不變的條件下，CO2密度、CO2和聚能劑質(zhì)量比以及實(shí)驗(yàn)起爆溫度對(duì)理論上的壓力總變化量和焓值變化量無(wú)影響。

3)在實(shí)驗(yàn)中，被點(diǎn)燃需要溫度和CO2密度達(dá)到一定值，但未得到具體所需的最低起爆溫度及最低CO2密度。