二氧化碳相變壓裂技術在井筒揭煤中的應用

劉九員，劉立州

（晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西晉城 048006）

二氧化碳相變壓裂技術在井筒揭煤中的應用

劉九員，劉立州

（晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西晉城 048006）

為解決松軟低透氣性煤層難以抽放的難題，采用了二氧化碳相變壓裂技術，通過趙莊煤業南蘇進風井揭煤中的應用，證明了該技術在煤層卸壓增透中具有快速、高效、安全的優點，為二氧化碳相變壓裂新技術的應用研究提供了借鑒。

二氧化碳相變；壓裂技術；預裂

在瓦斯治理和消突方面液態二氧化碳相變預裂技術為國內最新技術，其研究價值和應用價值在某種程度上能夠與炸藥的作用相提并論。將二氧化碳相變壓裂技術應用于揭煤中，是利用其釋放出高壓氣體，利用膨脹做功來達到卸壓增透的目的。

1 二氧化碳相變壓裂技術產生背景

由于我國大多數煤層地質構造復雜、瓦斯壓力高、地應力大、透氣性差，在預抽煤層瓦斯時，為了取得良好的預抽效果，晉煤集團一直在探索新技術新方法，其中包括：深孔預裂爆破、水力壓裂、水力沖孔強化增透措施。但是深孔預裂爆破存在的炸藥控制嚴格、裝藥工藝復雜、合理裝藥量難以確定、易于出現啞炮及啞炮處理困難。水力壓裂設備復雜、封孔困難、壓裂裂縫不可控。水力沖孔的高壓水射流擴孔存在塌孔壓埋鉆具、噴孔嚴重、作業場所環境惡劣，制約了這三項技術在煤礦的推廣應用[1]。

因此，探索一種既能傳承深孔預裂爆破、水力壓裂、水力沖孔方法的良好強化增透效果，又能克服它們在技術、裝備、操作層面的缺陷的強化預抽技術，已成為晉煤集團應對趙莊、長平等松軟低透性煤層技術創新中新的追求。

2 二氧化碳相變壓裂結構與原理

2.1 二氧化碳相變壓裂技術簡介

二氧化碳相變壓裂技術是利用CO2液相轉換成氣相特性進行爆破。CO2在31℃以下、7.2 MPa壓力時以液態存在，而超過31℃，無論其壓力多大，液體CO2瞬間膨脹為氣體，體積極速膨脹對周圍物體進行爆破[2-3]。

應用時，在壓裂管內用專用高壓泵充裝液態CO2，使用時通過化學加熱，使液態CO2在20～40 ms內迅速轉化為氣態，其體積瞬間膨脹600多倍，壓力劇增至設定壓力，將爆破片沖破，高能CO2氣體瞬間從壓裂管噴氣孔孔內爆發，對煤體作用，從而達到物理爆破增透的目的[4]。二氧化碳相變壓裂裝備結構示意圖，見圖1。

圖1 二氧化碳相變壓裂裝備結構示意圖

2.2 二氧化碳相變壓裂技術原理

二氧化碳相變瞬間膨脹的高能氣體作用于煤層，使煤體松動，產生大量裂隙，煤體內被填充或壓實的裂隙被重新打開，從而提高煤層透氣性、滲透率，促使大量吸附狀態的瓦斯轉化為游離狀態，并為游離狀態的瓦斯提供釋放通道，提高瓦斯抽采效率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力[5-6]，化解可能存在的“瓦斯包”，使應力集中區向煤體深部移動，在壓裂煤層前方造成較長的卸壓帶，均化壓力場、平衡應力場，起到卸壓增透作用，從而提高鉆孔瓦斯抽采量[7-8]。二氧化碳相變壓裂技術原理，見圖2。

圖2 二氧化碳相變壓裂技術原理

3 二氧化碳相變壓裂技術在趙莊煤業南蘇進風井筒揭煤的應用

3.1 趙莊煤業南蘇進風井氣相壓裂設計

南蘇進風井井筒距離3號煤層頂板法距7 m處。施工氣相壓裂孔23個，普通預抽鉆孔54個，共計77個，進行瓦斯抽放。壓裂鉆孔和預抽鉆孔按照半徑5 m的內接正六邊形設計，六邊形中心為壓裂鉆孔，6個交點為普通預抽鉆孔。南蘇進風井氣相壓裂鉆孔設計圖，見圖3，南蘇進風井壓裂鉆孔參數，如表1所示，預抽鉆孔參數，如表2所示。

圖3 南蘇進風井氣相壓裂鉆孔設計圖

表1 趙莊煤業南蘇進風井壓裂鉆孔參數表

表2 趙莊煤業南蘇進風井預抽鉆孔參數表

各鉆孔按以上圖表提供的參數施工，圖中南蘇進風井共布置4圈壓裂鉆孔，6圈預抽鉆孔，共計77個鉆孔。井筒距煤層7 m時施工作業，施工時按以下的步驟執行：a.施工第一圈預抽孔；b.施工第一圈壓裂孔；c.施工第二、三圈預抽孔；d.施工第二圈壓裂孔；e.施工第四、五、六圈預抽孔；f.施工第三、四圈壓裂孔。

3.2 二氧化碳相變壓裂效果分析

根據泵站數據統計壓裂前：平均瓦斯濃度為3.44%，日均混合流量為2.71 m3/min，日均純瓦斯量為134.2 m3，抽放總量為1 374 m3。

壓裂后：根據15 d放數據，泵站平均瓦斯濃度20.48%，日均混合流量為3.786 m3/min，日均抽放量為1 116.5 m3，累計抽放總量為16 748 m3。

根據現場測量，壓裂前后瓦斯流量與瓦斯濃度對比變化值，見圖4和圖5。

圖4 壓裂前瓦斯流量與瓦斯濃度實測值

根據以上圖表分析及壓裂前后瓦斯抽放數據統計，壓裂前抽放量0.093 m3/min，壓裂后瓦斯抽放純量為0.78 m3/min，較壓裂前提高8.3倍，百米瓦斯抽放量為0.186 m3/min（方案預期為0.2 m3/min），相比壓裂前提高了2.38倍。

圖5 壓裂后瓦斯流量與瓦斯濃度實測值

4 結束語

二氧化碳相變壓裂技術在趙莊揭煤的應用中取得了良好的效果，壓裂后瓦斯抽放量可以提高7～8倍，大大地提高了瓦斯抽放量，而且二氧化碳相變壓裂技術使用簡單、方便，易于操作，使用成本低，是煤礦掘進面增透消突十分理想的技術，可以在其它條件類似的礦井中推廣應用。

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Application of Fracturing with Phase Transition of Carbon Dioxide in Shaft Coal Revealing

LIU Jiuyuan,LIU Lizhou
(Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng 048006,China)

To solve the difficult gas drainage in soft coal seam with low-permeability,phase transition of carbon dioxide was used in shaft coal revealing in Zhaozhuang Mine.The results prove that the technology is fast,efficient and safe in pressure relief and permeability enhancement,which could provide a reference for the application of the new fracturing with phase transition of carbon dioxide.

phase transition of carbon dioxide;fracturing technology;pre-splitting

TD235.3

A

1672-5050（2015）03-0003-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.002

（編輯：武曉平）

2015-02-26

劉九員（1985-），男，江西贛州人，碩士，助理工程師，從事瓦斯管理與防突相關工作。