低透氣性煤層CO2 與水交替充裝壓裂技術研究*

崔 凱

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井瓦斯抽采率低下導致礦井單產(chǎn)單進很難明顯提高，而且還嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。近年來隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦井開采深度越來越深，地應力也越來越大，使得煤層透氣性系數(shù)變小[1-4]，最終導致瓦斯抽采效果不佳，所以增大煤層的透氣性系數(shù)已經(jīng)成為當前最迫切任務。

科研工作者為此開展了大量研究，李丹瓊[5]等應用大尺寸真三軸測試系統(tǒng)對天然巖樣制得的試件進行了水平井壓裂模擬試驗，研究了地應力、天然裂縫及彈性模量對水力裂縫擴展的影響規(guī)律；周西華[6]等采用水力壓裂技術促進煤層瓦斯抽采，得到高能壓裂液能使煤層破裂,滲透率急劇升高，加快瓦斯向抽采鉆孔運移；王海東[7]等通過研究CO2可控相變致裂防突技術的有效性、適應性和安全性，得到掘進工作面采用CO2可控相變致裂防突技術后，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2較采用常規(guī)密集排放鉆孔消突技術時下降近50%，瓦斯抽采量提高近2 倍，巷道安全掘進速度提高1.5 倍以上。

很少有科研工作者將水力壓裂與液態(tài)CO2爆破致裂2 種增透技術在現(xiàn)場開展試驗研究，本文根據(jù)18205 工作面實際條件，通過實施CO2與水交替充裝壓裂技術[8-10]，分析煤層的卸壓增透效果，為低透煤層提高瓦斯抽采率提高一種新方法。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣縣城北直距20 km 處，行政區(qū)劃隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)管轄，該區(qū)位于河東煤田北部的中南部，為河東煤田離柳礦區(qū)。主采煤層為8 號和13 號煤，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積為82.647 7 km2。8 號煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度為4.70 m，傾角為7.5°～11.4°，平均9.4°。8 號煤為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細粒砂巖。8 號煤透氣性系數(shù)為0.014 16 m2（/MPa2·d），為低透性煤層；煤層原始瓦斯含量為3.937 9 m3/t，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.023 d-1。

本次試驗地點定為18205 綜采工作面，工作面位于12 采區(qū)輔助運輸下山南側，東部、南部、西部均為實煤區(qū)。工作面標高為+520～+584 m，可采走向長度為2 800 m，傾斜長為264 m，采用綜合機械化采煤工藝進行回采，長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板；由于工作面瓦斯涌出量為31.3 m3/min，風排瓦斯為8.54 m3/min，回風流最高瓦斯體積分數(shù)一般為0.9%左右，上隅角瓦斯體積分數(shù)為0.7%，瓦斯治理壓力大，嚴重影響工作面的推進速度。

2 CO2 與水交替充裝壓裂技術原理

利用乳化液泵將高壓水注入鉆孔中，壓裂煤體使其產(chǎn)生大量裂隙裂縫，并不斷發(fā)育延伸，以擴大裂隙之間的體積，產(chǎn)生一個互相連通的裂隙網(wǎng)絡，也為之后液態(tài)CO2的注入提供相對封閉的條件。當煤體中注入一定量的高壓水之后，將液態(tài)CO2注入壓裂孔中，在孔內(nèi)的高壓環(huán)境中，注入孔內(nèi)的液態(tài)CO2快速融入至水體中，隨著高壓水運移到孔內(nèi)深處。在距爆破筒出口20 m 處，伴隨著筒內(nèi)壓力不斷減少，大量的液態(tài)CO2瞬間氣化成高溫高壓氣體作用于水體和煤壁，在爆破筒內(nèi)瞬間產(chǎn)生巨大的作用力，形成的反作用力再次沖擊CO2氣體，最終形成瞬間的收縮-膨脹-收縮的交替作用力。這個變化過程，大量的CO2再次與水反應形成不穩(wěn)定的碳酸或溶于水中[11-12]。在水體的紊流影響下，煤體發(fā)生疲勞損傷和不均衡的受力，導致煤體產(chǎn)生一系列的破裂損傷，將新形成的微裂隙與原始宏觀裂隙相互貫通與舒展，與此同時在水體的驅動下引起煤體內(nèi)部的游離瓦斯運移擴散。壓到煤體內(nèi)部的CO2氣體在水壓的作用下滲流至煤體深部裂隙中，導致局部壓力下降，又有大量CO2氣體在煤體裂隙中的壓力下降地點解析出來，擴散至裂隙之中和吸附狀態(tài)瓦斯發(fā)生競相吸附作用，將吸附狀態(tài)瓦斯置換出來。在這個氣體置換階段，氣體體積發(fā)生變化，置換CH4氣體與吸附CO2氣體體積之比為1∶2~10，煤層內(nèi)部體積發(fā)生變化導致孔隙裂隙的應力發(fā)生改變，最終提高了煤層的透氣性系數(shù)。此外伴隨著氣體體積改變導致應力變化，CO2氣體驅替CH4氣體時，在煤體中CO2氣體的滲透率會產(chǎn)生很大變化，一定程度影響著驅替效果。根據(jù)相關理論研究與現(xiàn)場實踐研究表明：CO2與水交替充裝壓裂技術的增透效果明顯好于水力壓裂技術。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗裝置

1）水力壓裂系統(tǒng)共包括流量計、壓力表、壓裂泵和液箱等附件組成，選擇300 L/min 最大流量、31.5 MPa 額定壓力的乳化液泵，在壓裂泵安設60 MPa 量程的直感耐震壓力表、流量計和水表等附件。壓裂裝置如圖1 所示。

圖1 水力壓裂裝置

2）注CO2氣體系統(tǒng)共包括罐裝液態(tài)CO2、壓力表、氣體增壓泵等附件組成，選擇60 MPa 額定壓力的氣體增壓泵作為注CO2氣體的裝置，在增壓泵安設60 MPa 的壓力表和流量表等附件。

3.2 鉆孔布置情況

結合18205 綜采工作面實際情況，在18205 回風巷1 350 m 里程點施工1 號壓裂孔，2 號檢驗孔與1 號壓裂孔間距10 m，即在1 360 m 處施工，之后每間隔 5 m 施工剩下 3 個檢驗孔（3、4、5 號檢驗孔），即在 1 365、1 370 和 1 375 m 處施工 3、4、5 號檢驗孔，鉆孔長度為50 m，傾角為8°，方位角為90°，開孔高度為1m，鉆孔直徑為113 mm。鉆孔布置情況如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置

3.3 鉆孔封孔及壓裂過程

鉆孔施工完畢后立即對其進行封孔，壓裂鉆孔封孔20 m，先用馬麗散在孔口封2 m 長度，接著借助專用封孔器把配置好的水泥砂漿泵入鉆孔中密封剩下的18 m。檢驗孔封孔8 m。24 h 后，安排抽放工進行連接管路，在每個鉆孔的管路上安裝流量計，以測定抽采流量和濃度。

CO2與水交替充裝壓裂增透試驗過程：第一步對1 號壓裂孔開展注水壓裂，注水壓力最高為24 MPa，當注水60 min 時，2 號檢驗孔內(nèi)流出水，此時共計注水18 m3，將水壓降至6 MPa，把注水閥門關停，停止注水，并把2 號檢驗孔閥門關閉；第二步在1 號壓裂孔上使用CO2注入設備，向孔內(nèi)注入高壓CO2氣體，CO2氣體壓力快速升高到30 MPa，5 min 之后壓力降至23 MPa，并保持平穩(wěn)，在第70 min 3 號檢驗孔出現(xiàn)水流，但是水流不穩(wěn)定、忽大忽小，立即關停CO2氣體增壓泵，并將3 號鉆孔閥門關閉；第三步再次對1號壓裂孔開展注水，壓力瞬間升到25 MPa，之后保持在23 MPa；在第85 min 時4 號檢驗孔內(nèi)流出水流，立即調整壓力至6 MPa，并將1 號壓裂孔與4 號檢驗孔閥門關閉；最后在115 min 時5 號檢驗孔才產(chǎn)生水流，此次試驗累計注入36 m3的水量，表面CO2與水交替充裝壓裂煤層之后最大壓裂半徑可達到25 m。壓裂時壓力隨時間的變化曲線如圖3 所示。

圖3 壓力隨時間的變化曲線

從圖1 得到水壓突然上升到23 MPa，接著穩(wěn)定在23 MPa，表明煤層的起裂壓力為23 MPa，最高的水力壓裂壓力為24 MPa，原因是水力壓裂地點煤層內(nèi)部有矸石導致壓力升高；向煤層中注入CO2氣體時，因CO2擴散運移膨脹速度快，注入流量波動起伏較大，壓裂壓力快速升到30 MPa，當將注氣流量控制穩(wěn)定之后壓力逐漸達到破煤壓力23 MPa。

4 試驗結果分析

為了給CO2與CH42 種氣體提供充分的競相吸附時間，決定在鉆孔封孔完成24 h 后將鉆孔閥門打開放水，發(fā)現(xiàn)1 號鉆孔水流速度明顯超過4、5 號鉆孔，且1 號鉆孔放水時間也明顯比4、5 號鉆孔時間長。當放 4 h 水后，4 、5 號鉆孔已經(jīng)無水，當放 6 h 水后，1 號鉆孔才出現(xiàn)無水狀態(tài)，當放8 h 水后，把這些鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采，安裝調試好流量計，每班指派專人測定抽采濃度和流量。各鉆孔瓦斯抽采濃度和流量變化如圖4、5 所示。

從圖4、圖5 發(fā)現(xiàn)，實施CO2與水交替充裝壓裂增透工藝后，1 號壓裂鉆孔的瓦斯抽采濃度較低，原因是驅替不充分的CO2氣體通過1 號壓裂鉆孔擴散，導致瓦斯抽采濃度較低，但抽采流量較大。

圖4 各鉆孔瓦斯抽采濃度隨時間變化規(guī)律

圖5 各鉆孔瓦斯抽采純量隨時間變化規(guī)律

1 號壓裂鉆孔最大瓦斯抽采濃度為59%，最大瓦斯抽采純量為0.079 8 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.045 7 m3/min，共抽采瓦斯體積為997.86 m3。

2 號檢驗鉆孔最大瓦斯抽采濃度為54%，最大瓦斯抽采純量為0.068 1 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.036 2 m3/min，共抽采瓦斯體積為793.95 m3；

3 號檢驗鉆孔最大瓦斯抽采濃度為46%，最大瓦斯抽采純量為0.054 6 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.030 7 m3/min，共抽采瓦斯體積為679.48 m3；

4 號檢驗鉆孔最大瓦斯抽采濃度為20.8%，最大瓦斯抽采純量為0.042 6 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.021 6 m3/min，共抽采瓦斯體積為465.17 m3；

5 號檢驗鉆孔最大瓦斯抽采濃度為16%，最大瓦斯抽采純量為0.081 4 m3/min，平均瓦斯抽采純量為0.016 8 m3/min，共抽采瓦斯體積為385.72 m3。

5 個鉆孔共抽采瓦斯3 322.18 m3，瓦斯抽采效果得到明顯提高。

5 結 論

1）CO2與水交替充裝壓裂技術是一種操作便利、工藝安全可靠、成本較低、效果可觀的增透手段。

2）在CO2、水和煤體三者相互作用時，水體發(fā)生不穩(wěn)定的的水壓波動，迫使煤體形成疲勞損傷，最終在煤體中擴展了原生裂隙、形成大量的新生裂隙。

3）對于煤體而言，煤吸附CO2氣體的能力明顯超過吸附CH4氣體的能力，實施CO2與水交替充裝壓裂技術后，伴隨CO2氣體運移擴散到裂隙深部，并在裂隙內(nèi)部擴散形成驅替效果，加之高壓水的作用，導致煤體的內(nèi)部應力降低。煤體應力降低后，煤基質產(chǎn)生新的孔隙裂縫，有效抽采半徑擴大到25 m。