煤炭学报

作者：王香增, 吴金桥, 张锋三, 曹文琦, 阎纪伟, 朱帝杰,

关键词：超临界CO₂压裂, 煤体弱化, 压裂裂缝, 扩展特征, 控制机理,

深部煤层埋深大，煤岩结构致密，裂隙相对不发育，成为制约深部煤层气高效开采的重要因素。水力压裂主要在煤层中形成较宽大的裂缝，而超临界CO2 (ScCO2)由于其分子结构较小，黏度低，能够渗透到煤体微纳米尺度的孔裂隙内，从而产生较复杂的显微裂缝网络，有效增加气体运移空间。结合显微CT、声发射仪、形貌扫描仪研究了ScCO2压裂延安区块深部煤体后显微裂缝的分布特征及扩展规律，获得了不同应力约束条件下煤中压裂裂缝的分布特征，分析了煤体结构、地应力、ScCO2特性等因素对显微裂缝起裂与扩展的控制机理，定量表征了显微裂缝的形貌特征及其非均质性，揭示了显微裂缝扩展与分布的控制机理。研究结果表明，1～3号样的垂向应力差系数(Kv)均为0.4，4号样的Kv为0.6时，1～3号样的破裂压力均在25 MPa附近，而4号样的破裂压力仅为16 MPa，即Kv增加有利于煤体破裂。ScCO2压裂后煤体中显微裂缝发育，其形态复杂且连通性增强，有利于气体运移。ScCO2进入煤体，沿着较大孔裂隙通道逐步进入显微尺度的孔裂隙，随着注入气体量增大，ScCO2对煤体的挤压强度不断提高，煤体先发生显微破裂，随着ScCO2聚集压力增大，煤中裂缝被撑开发生整体破裂。由于ScCO2能够进入不同尺度的煤体内且其分布较均匀，因此形成的裂缝分布范围较广。1～4号样裂缝面的粗糙度分形维数分别为1.915、1.828、1.814和1.797，表明煤体的破裂压力越大，裂缝面的分形维数越高，裂缝的非均质性越强。煤体结构、地应力和ScCO2性质是影响深部煤体压裂裂缝展布的主要因素。研究结果为ScCO2压裂改造深部煤体渗透率提供了指导。

来源：2026年第1期

《煤炭学报》期刊编辑部

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