压裂增产煤层气技术是一种有效储层增渗技术,作为主要压裂增产技术之一的水力压裂在工程应用中存在诸如:裂缝形式单一、成网困难、水污染严重等问题。当前,超临界CO₂压裂作为新兴技术具有裂缝扩展形式多样、成网能力强、近乎零储层伤害等特点备受关注。同时,超临界CO₂与煤体作用过程中可溶蚀萃取煤中部分有机质,致使煤体化学结构与力学特性发生改变。为在压裂过程中充分体现超临界CO₂化学-力学改造煤体效能,本文预先开展了煤超临界CO₂溶浸试验,采用气相色谱-质谱检测技术、傅里叶变换红外光谱检测技术、低温液氮吸附技术以及渗透率测试技术等分析了溶浸过后萃取液中有机成分随溶浸时间变化规律、萃余煤官能团结构变化、煤微观孔隙结构变化规律以及煤体渗流特性演变规律等。随后,开展了预浸泡-压裂煤体实验、超临界CO₂与Nano-silica耦合压裂实验,借助于压力-时间曲线、裂缝表面扩展图像等与单一超临界CO₂压裂进行比较,探究了预浸泡以及Nano-silica的添加对起裂压力、裂缝扩展延伸等变化的影响。实验结果表明:煤超临界CO₂溶浸过后萃取得到的有机物种类数量随溶浸时间的延长3天时先增加至30种,7天时降至9种。短期溶浸(≤3天)过程中,煤中提取出的低分子芳香烃、脂肪烃类化合物占比较高,约为51%~55%。其中,C分子量小于10的芳香烃化合物3天时的百分比含量高达38.32%。而长期溶浸(>3天)后萃取得到的醇类及酯类等含氧化合物的相对含量约为60%~85%。其中,醇类物质相对含量由3天时的24.34%逐渐降至7天时的3.89%;而酯类物质主要以C_>20系列的邻苯二甲酸酯为主。同时,超临界CO₂降低了煤中芳香官能团以及含氧官能团的含量,引起相应特征吸收峰强度降低。故超临界CO₂溶浸作用可改变煤化学结构。煤中孔容及比表面积随溶浸时间延长均有不同程度的增加。其中,短期溶浸(≤3天)过后,煤孔隙口颈处、孔隙内表面的有机物分子得以被提取,引起大量微孔向中孔及大孔方向转变,中孔孔容、比表面积持续增大,总孔容及比表面积呈现不断增加的趋势。而长期溶浸(>3天)过程中,孔隙受压缩现象明显,微孔孔容及比表面积显著增大,引起总孔容略微下降,但总比表面积仍持续上升。此外,煤样平均孔径在短期溶浸过后不断增大,3天时的最大增幅为17.53%;同时,煤样吸附量随比表面积的增加而不断增大,且3天时最大吸附量可达原煤的2.60倍。煤体渗透率随溶浸时间的延长不断增大。短期溶浸(≤3天)过后,受煤中有机质的溶解以及煤基质膨胀形成新裂缝能力的影响,渗透率增速较大;而长期溶浸过后,煤孔隙体积压缩,有机物运移受阻,渗透率增速放缓。7天溶浸过后,2~6MPa孔隙压力下,煤体渗透率增大至原煤的4~7倍,最大渗透率值较原煤提高了1个数量级。煤体预浸泡(3天)后部分有机质的提取改变了煤化学结构,引起孔容及比表面积的不断增大、煤体渗透率增加、力学特性弱化,体现为煤体起裂压力值的降低。同时,与单一超临界CO₂压裂相比,预浸泡-压裂时起裂压力值降低了约8%~19%。此外,煤体预浸泡后可引起层理裂缝的重启及扩展,形成较多连通型“回”字或“工”字裂缝网络。而对于预先存在明显裂缝的煤体而言,6MPa水平应力差条件下,剪切破坏形成的平行层理裂缝及次生裂缝数量较多、延展性较好,裂缝网络结构更复杂。因此,预浸泡-压裂更有利于充分利用超临界CO₂化学-力学耦合作用改性增透煤体,形成复杂缝网结构、提高压裂效果。与单一超临界CO₂压裂相比,超临界CO₂与Nano-silica耦合压裂后,可有效增大孔隙压力,降低煤体有效应力,致使起裂压力值降低了约30%~43%。同时,Nano-silica在超临界CO₂压裂煤体过程中可起到支撑裂缝结构、维持裂缝网络结构长期稳定作用。且耦合压裂过后煤样裂缝宽度增加了2~4倍,有效维持了压裂效果。