CO2增透預裂強化煤層瓦斯抽采的試驗研究

李 鵬

(山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 030024)

煤層氣的開發利用能夠緩解我國經濟發展中能源的供需矛盾，改善能源結構狀況，保護大氣環境，促進經濟和社會的協調與可持續發展[1-4]. 2015年全國煤層氣產量44.25億m3，采收率平均只有23%[5]，與美國等煤層氣利用先進國家差距大，客觀在于我國煤儲層構造復雜，滲透性普遍比美國低2～3個數量級[6]，因此煤儲層的增透技術亟需提高。通過水力壓裂、裸眼洞穴及高能氣體壓裂等物理增透方法[7-9]能夠改善煤層透氣性，其工藝技術的重點各有不同。采用液態CO2預裂技術預裂煤層并進行強化抽采，既利用CO2相態改變導致體積變化引發沖擊效應使煤層孔隙裂隙度增加，又兼顧CO2與瓦斯氣體相對煤骨架的競爭吸附優勢，達到提高煤層氣抽采率的目的。結合西山煤電官地礦當前抽采工藝，采用液態CO2預裂爆破技術強化煤層瓦斯的抽采效果，詳細論述試驗過程，并與未預裂煤層進行對比分析，技術的優劣，為CO2增透預裂強化煤層瓦斯抽采提供技術指導。

1 工作面概況

官地礦地面位于廟前山東南側白石溝兩側與東溝西側山梁上，植被發育，灌木叢生，無重要建筑物。蓋山厚度594～792 m，平均厚度693 m. 井下22613為CO2預裂試驗工作面，與其臨近的是22611工作面，二者相距32 m. 22613工作面標高964～1 042 m，設計走向長1 390 m，可采走向長1 230 m，采長220 m. 煤層瓦斯壓力0.36 MPa，瓦斯含量5.71 m3/t，孔隙率2.14%～5.26%，煤層透氣性系數為0.615 27 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽放煤層，22611工作面情況與之類似。

2 CO2增透預裂抽采鉆孔設計

預裂過程中，液態CO2相態改變，瞬間產生高速氣流沖擊煤體，形成新生裂隙，并在一定范圍內對煤體造成破壞形成破碎區，煤體骨架的這種變化有利于瓦斯的流動及抽采。

現場鉆孔時，在工作面正巷密集平行布孔，沿傾向打順層水平鉆孔進行本煤層瓦斯抽采。

1) 鉆孔角度。按照本煤層瓦斯預抽的方法，所有鉆孔均垂直于煤壁，采用密集平行布孔，開孔位置距巷道底板1.4 m. 根據煤層傾角以及工作面正、副巷標高的變化，考慮到鉆桿施工過程中存在一定的下沉量，所以鉆孔傾角取0.2°～4.8°.

2) 鉆孔長度。按照本煤層布孔的要求，由于工作面傾向長220 m，設計鉆孔長度為180 m.

3) 鉆孔直徑。鉆孔直徑大，鉆孔暴露煤的面積亦大，鉆孔抽采量相應增加。根據鉆機性能、施工速度與技術水平、抽采瓦斯量等因素確定鉆孔開孔直徑113 mm、終孔直徑為113 mm、擴孔10 m.

4) 鉆孔間距。根據22613正巷CO2增透預裂孔1#—5#試驗結果，確定22613正巷本煤層鉆孔間距為8 m時為抽采效果最佳(實驗數據見附表1)，停采線往里25 m內鉆孔間距確定為5 m，剩余鉆孔間距均為8 m.

表1 不同鉆孔間距瓦斯抽采濃度表

3 CO2增透預裂煤層瓦斯抽采的效果及分析

分析預裂鉆孔的抽采效果，采用22613正巷支管路總抽采量除以總鉆孔數量得出單孔平均瓦斯抽采量，與鄰近22611正巷未預裂本煤層鉆孔單孔抽采量進行對比分析。

22613工作面共150個鉆孔，待該工作面鉆孔全部施工完畢，分別進行CO2增透預裂試驗，預裂完畢，抽取4個進行過增透預裂的代表性鉆孔與鄰近22611工作面4個未進行過增透預裂的鉆孔進行對比，從剛做完增透預裂帶入系統開始連續觀測一個月，每隔5天記錄抽采數據，進行對比分析。

3.1 22611正巷未預裂瓦斯抽采濃度

不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖見圖1.

圖1 不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

從圖1可知，22611正巷鉆孔瓦斯抽采濃度在抽采初期比較大，平均在25%以上，抽采12天后抽采濃度明顯開始降低，抽采24天后，下降的趨勢更大，至抽采1個月后抽采濃度降至20%以下。

3.2 22613正巷CO2增透預裂后瓦斯抽采濃度

預裂本煤層后不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖見圖2.

圖2 預裂本煤層后不同鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

22613正巷本煤層鉆孔剛預裂完立即帶入抽采系統單孔抽采濃度能達到50%以上，隨著抽采時間的延長，瓦斯抽采濃度能夠穩定在28%～55%，而鄰近22611工作面未采用CO2增透預裂的本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度在15%～28%，大部分預裂鉆孔的瓦斯抽采濃度較未預裂鉆孔均有大幅提高。隨著22613工作面預裂鉆孔抽采時間延長，鉆孔的抽采濃度、流量呈衰減趨勢，抽采現場需根據情況及時調節抽采負壓，確保抽采效果。

3.3 22611及22613正巷支管路瓦斯抽放量

22611及22613正巷高負壓支管瓦斯抽采對比情況見圖3. 從圖3可以看出，22613工作面經過CO2預裂后瓦斯抽放量比未經預裂的22611工作面明顯增大，最大值為1.501 m3/min，每日平均抽采量為1.297 m3/min，平均單孔抽采量為0.008 m3/min；而臨近22611工作面未預裂本煤層，抽放量最大值為1.119 m3/min，每日平均抽采量為0.852 m3/min，平均單孔抽采量為0.003 m3/min. 22613正巷預裂鉆孔單孔瓦斯抽采量較22611正巷未預裂鉆孔提高了1.67倍。

圖3 瓦斯抽放量對比圖

4 結 論

CO2本煤層增透預裂試驗，抽采現場中未發現有積水、煤渣現象，瓦斯抽采濃度和抽放量均有明顯增高，抽采系統運行平穩、管理方便、抽采效果明顯，具體表現在：

1) CO2增透預裂后各鉆孔瓦斯抽采濃度均明顯增大，單孔抽采濃度能達到50%以上，隨著抽采時間的延長，瓦斯抽采濃度穩定在28%～55%，而鄰近22611工作面未采用CO2增透預裂的本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度在15%～28%，大部分預裂鉆孔的瓦斯抽采濃度較未預裂鉆孔均有大幅提高。

2) CO2預裂后本煤層瓦斯抽放量比未經預裂的22611工作面明顯增加，最大值為1.501 m3/min，日平均抽采量為1.297 m3/min，平均單孔抽采量為0.008 m3/min；而臨近22611工作面未預裂本煤層，抽放量最大值為1.119 m3/min，日平均抽采量為0.852 m3/min，平均單孔抽采量為0.003 m3/min. 22613正巷預裂鉆孔單孔瓦斯抽采量較22611正巷未預裂鉆孔提高了1.67倍。

3) 工作面預裂鉆孔抽采時間延長，鉆孔的抽采濃度、流量呈衰減趨勢，抽采現場需根據情況及時調節抽采負壓，確保抽采效果。

4) 個別鉆孔余渣不能很好地排出，影響抽采鉆孔封孔及鉆孔預裂工作，鉆孔預裂后瓦斯濃度衰減明顯，對抽采效果影響大，宜采用風鉆進行掃孔、捅孔等措施，減少煤渣積存量，增強抽采效果。