二氧化碳爆破技术的发现与发展

2023-04-28

随着全球气候变暖、化石能源日渐枯竭，开发优质的清洁能源以优化能源结构成为了各国的研究热点。地热资源因其储量大、分布广、可再生等优点而被视为21世纪最有可能取代化石能源的新型优质清洁能源之一。地热资源可分为低温、中温以及高温3类［1］。其中，温度≥150 ℃即为高温地热资源。干热岩是指不含流体或含少量流体、埋深为3~10 km、温度为150~650 ℃的致密岩体，属于典型的高温地热资源［2］。

相较于中、低温地热资源，干热岩在储量上占据明显优势，具有广阔的开发利用前景。但因干热岩具有埋藏深、岩体致密、温度高等特殊性质，目前干热岩的开采还存在众多问题。特别是由于干热岩中缺乏原生裂隙作为流体换热通道，通常需要采用储层激发等技术建立增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）。EGS是指通过水力压裂、射孔、爆破等人工手段把地下深部低渗透性的致密干热岩体改造成具有丰富裂隙网络的地热储层，由此建立可从中采出热能的人工地热系统［3-5］。目前，水力压裂储层改造技术发展已较为成熟，受到广泛关注，但其也存在作业时间长、水滤失严重、形成的平行板状裂隙不利于换热等不良问题。二氧化碳爆破技术相比于传统水力压裂技术，产生的冲击波及高压气体能够使储层中产生放射状裂隙群，快速建造出高渗透性的热储，很好地弥补水力压裂技术的缺陷，储层激发效果显著提升。目前，将二氧化碳爆破技术应用于干热岩储层激发方面的探索已经成为了一个新的热门研究［6-8］。

近年来，国内外学者在利用二氧化碳爆破技术进行储层改造方面取得了许多重要的成果。孙小明［9］于2014年在九里山矿16051底板抽采巷进行了穿层钻孔相变致裂增透试验，通过分析对比试验前后抽采钻孔的流量、浓度等参数，证实了液态二氧化碳相变致裂对煤层具有很好的增透效果。张开加［10］分析了将二氧化碳爆破与水力冲孔相结合进行煤层增透的可行性，结果显示联合增透后瓦斯抽采量提升45%，证明联合增透技术具备可行性，为将二氧化碳爆破与其他工艺相结合提供了宝贵案例。郭杨霖［11］对平煤十三矿二氧化碳现场致裂数据进行分析，得出二氧化碳爆破是通过膨胀推力、气体切割作用和降低煤层应力等方式进行煤层增透，在揭示二氧化碳爆破机理方面具有重要意义。徐超等［12］通过理论分析探讨了二氧化碳爆破用于干热岩储层激发的可行性，并通过爆破试验进一步确定了致裂器各参数对爆破力的影响机制，为将这项技术引入干热岩开发领域做了理论铺垫工作。夏杰勤等［13］通过研究二氧化碳致裂器起爆与液体二氧化碳填充量、化学活化剂含量以及定压片厚度三者之间的关系，研发出了一种适用于干热岩储层建造的新型二氧化碳爆破致裂器，为干热岩型地热储层的建造提供了有效技术手段，突破了耐高温高压的井下二氧化碳爆破致裂器领域的空白。