周盛涛等：二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 885· 自CO2相变致裂技术问世以来，对其破岩机 同，CO2相变致裂荷载与爆破荷载区别明显， 理的讨论从未间断.Singh分析了致裂管Cardox CO2相变致裂时，气楔作用时长大于应力波作用 的作用过程，认为致裂释放的高压CO2气体通过 时间，较大部分能量的表现形式为气楔作用，应力 对岩体施压产生拉应力场，以较小的拉应力破坏 波能量占比较低，加载率偏小.CO2相变致裂峰值 岩石，岩体内部随后产生锥形裂隙，达到破岩目的 压力与升压时长介于爆破与水力压裂之间，升压 (图3).现有观点普遍认为，致裂时高压气体冲击 段斜率小于爆破荷载的升压段斜率，高压作用持 钻孔壁，激发强烈的应力波，致裂孔近区岩体内部 续时间较爆破荷载更长，属于中应变率长持时荷 压应力远高于岩石的极限抗压强度，岩石受压破 载22（表1） 碎，形成压碎区.压碎区外岩体内部压应力低于岩 石动抗压强度，但岩体受压产生的环向拉应力大 表1不同破岩技术荷载参数对比2-2网 于岩石的极限抗拉强度，岩石受拉破坏；高压气体 Table 1 Load parameters of different rock-breaking technologies Peak 随后进入拉破坏裂隙，初始裂隙发生二次扩展，这 Methods Pressure rise Loading rate/Total pressure/ time/s (GPa's) time/s MPa 部分区域被称为裂隙区.应力波在裂隙区外侧不 -104 -106 103-105 >106 断衰减，该区域岩体仅受弹性波作用产生震动，属 Blasting CO,phase transition 于震动区（图4）-)C02相变致裂荷载下的岩石 103 10-102 fracturing 102 -10 破碎本质上是应力波与高压气体共同驱动下的岩 Hydraulic fracturing 10 102 10--10-2 -10 体裂纹扩展行为.冲击动应力在高压CO2气体释 放的瞬间破坏岩石，使其产生初始裂隙，裂纹尖端 2.2 致裂压力测试 进而在远场应力与高压气体压力作用下向前扩 CO2相变致裂峰值压力是评价CO2相变致裂 展.裂纹扩展受气体压力、裂纹尺寸形状、射流方 爆力的重要指标，致裂压力曲线特征分析是致裂 向等多因素共同控制4-) 理论研究的基础.CO2相变致裂峰值压力远低于 爆破峰值压力，在传感器可测量程内，因此可直接 Blockage Free surface 开展致裂压力曲线测试.为获取致裂孔内冲击压 力变化规律，谢晓锋等阿将PVDF压电薄膜传感 Rock throw 器布置在致裂管外壁和泄能头腔内，采集致裂孔 direction 内泄爆压力曲线，测试结果如图5所示.但由于采 用PVDF压电薄膜传感器时，无法直接测试泄爆 Rock fracture 口处钻孔壁受荷特征，压力测试曲线的可用性仍 surface 有待验证.现阶段，大多数学者主要采用室内测试 图3贯通式锥型破碎 方法获取泄爆压力时程曲线，主要分为管内测试 Fig.3 Penetrating cone fracture 和管外测试.周西华等2直接测试致裂管内部压 Fracture zone 力，将压力测试曲线分为四段：①管内二氧化碳受 热升压至泄能片破断压力；②剪切片破断后气体 压力继续升高至峰值压力；③气体冲出，致裂管内 压力和冲击波速度迅速下降：④应力波衰减为地 震波（图6）.此外，剪切片破断后致裂管与大气连 Crush zone 通，因此致裂管内压力测试曲线泄压段能在一定 Vibration zone 程度上反映相变致裂对目标介质的做功情况.周 图4钻孔围岩分区示意图 科平等2以此为依据分析致裂管内压力测试曲 Fig.4 Surrounding rock zones of the borehole 线，发现C02相变致裂时最大加载速率约为227.19~ 2二氧化碳相变致裂荷载 299.34GPas. 管外压力测试较管内测试形式更加多样.Ke 2.1荷载特征 等在射流方向上设置一列压力传感器，采集得 尽管CO,相变致裂压力曲线表现为类似爆破 到自由场中各位置处压力，并将压力曲线正相段 荷载的近三角形式-2，但由于破岩能量来源不 分为四段一射流压力迅速升高至峰值、压力略自 CO2 相变致裂技术问世以来，对其破岩机 理的讨论从未间断. Singh [10] 分析了致裂管 Cardox 的作用过程，认为致裂释放的高压 CO2 气体通过 对岩体施压产生拉应力场，以较小的拉应力破坏 岩石，岩体内部随后产生锥形裂隙，达到破岩目的 （图 3）. 现有观点普遍认为，致裂时高压气体冲击 钻孔壁，激发强烈的应力波，致裂孔近区岩体内部 压应力远高于岩石的极限抗压强度，岩石受压破 碎，形成压碎区. 压碎区外岩体内部压应力低于岩 石动抗压强度，但岩体受压产生的环向拉应力大 于岩石的极限抗拉强度，岩石受拉破坏；高压气体 随后进入拉破坏裂隙，初始裂隙发生二次扩展，这 部分区域被称为裂隙区. 应力波在裂隙区外侧不 断衰减，该区域岩体仅受弹性波作用产生震动，属 于震动区（图 4） [11−13] . CO2 相变致裂荷载下的岩石 破碎本质上是应力波与高压气体共同驱动下的岩 体裂纹扩展行为. 冲击动应力在高压 CO2 气体释 放的瞬间破坏岩石，使其产生初始裂隙，裂纹尖端 进而在远场应力与高压气体压力作用下向前扩 展. 裂纹扩展受气体压力、裂纹尺寸形状、射流方 向等多因素共同控制[14−18] . Blockage Free surface Rock throw direction Rock fracture surface 图 3    贯通式锥型破碎 Fig.3    Penetrating cone fracture Fracture zone Crush zone Vibration zone 图 4    钻孔围岩分区示意图 Fig.4    Surrounding rock zones of the borehole 2    二氧化碳相变致裂荷载 2.1    荷载特征 尽管 CO2 相变致裂压力曲线表现为类似爆破 荷载的近三角形式[18−21] ，但由于破岩能量来源不 同 ， CO2 相 变 致 裂 荷 载 与 爆 破 荷 载 区 别 明 显 . CO2 相变致裂时，气楔作用时长大于应力波作用 时间，较大部分能量的表现形式为气楔作用，应力 波能量占比较低，加载率偏小. CO2 相变致裂峰值 压力与升压时长介于爆破与水力压裂之间，升压 段斜率小于爆破荷载的升压段斜率，高压作用持 续时间较爆破荷载更长，属于中应变率长持时荷 载[22] （表 1）. 表 1 不同破岩技术荷载参数对比[22−24] Table 1   Load parameters of different rock-breaking technologies Methods Peak pressure/ MPa Pressure rise time/s Loading rate/ (GPa·s−1) Total time/s Blasting ~104 ~10−6 103−106 >10−6 CO2 phase transition fracturing ~102 ~10−3 10−102 ~10 Hydraulic fracturing ~10 ~102 10−1−10−2 ~104 2.2    致裂压力测试 CO2 相变致裂峰值压力是评价 CO2 相变致裂 爆力的重要指标，致裂压力曲线特征分析是致裂 理论研究的基础. CO2 相变致裂峰值压力远低于 爆破峰值压力，在传感器可测量程内，因此可直接 开展致裂压力曲线测试. 为获取致裂孔内冲击压 力变化规律，谢晓锋等[25] 将 PVDF 压电薄膜传感 器布置在致裂管外壁和泄能头腔内，采集致裂孔 内泄爆压力曲线，测试结果如图 5 所示. 但由于采 用 PVDF 压电薄膜传感器时，无法直接测试泄爆 口处钻孔壁受荷特征，压力测试曲线的可用性仍 有待验证. 现阶段，大多数学者主要采用室内测试 方法获取泄爆压力时程曲线，主要分为管内测试 和管外测试. 周西华等[26] 直接测试致裂管内部压 力，将压力测试曲线分为四段：①管内二氧化碳受 热升压至泄能片破断压力；②剪切片破断后气体 压力继续升高至峰值压力；③气体冲出，致裂管内 压力和冲击波速度迅速下降；④应力波衰减为地 震波（图 6）. 此外，剪切片破断后致裂管与大气连 通，因此致裂管内压力测试曲线泄压段能在一定 程度上反映相变致裂对目标介质的做功情况. 周 科平等[27] 以此为依据分析致裂管内压力测试曲 线，发现 CO2 相变致裂时最大加载速率约为 227.19～ 299.34 GPa·s−1 . 管外压力测试较管内测试形式更加多样. Ke 等[28] 在射流方向上设置一列压力传感器，采集得 到自由场中各位置处压力，并将压力曲线正相段 分为四段——射流压力迅速升高至峰值、压力略 周盛涛等： 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 · 885 ·