CO2氣相壓裂技術應用及效果分析

郭 晟

（山西省潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 047100）

高河能源所采3#煤層為低滲透難抽采煤層。為了實現煤礦生產，利用CO2氣相壓裂技術對煤層進行增透處理，加大煤層的透氣性，加快煤層瓦斯的抽采率，成為解決煤礦瓦斯治理新的方向。

1 E2303回采工作面CO2氣相壓裂應用及效果

1.1 工作面概況

E2303工作面按兩進一回布置，即進風順槽和膠帶順槽進風，回風順槽回風，另布置一條專用高抽巷。工作面切眼長320m，E2303工作面從2016年4月20日開始回采，目前已回采51.2m。煤層原始瓦斯含量為10.5～11m3/t，工作面煤炭儲量294萬t，工作面瓦斯儲量3087萬m3，煤的堅固性系數f值0.6[1]。

1.2 CO2氣相壓裂工程情況

幫部預抽孔CO2氣相壓裂工程施工參數如下：

實施范圍：E2303進風順槽靠近切眼200m范圍內；

鉆孔布置：間隔10m布置一個壓裂孔，孔深100m，壓裂后，按1.7m間距在壓裂孔間補打預抽孔；

實際工程量：2015年2月12日至4月7日共計施工11個氣相壓裂孔并全部成孔壓裂。表1給出了壓裂孔信息。

1.3 壓裂效果分析

從5月13日開始每天對E2303進風、膠帶兩側50m和100m分別取樣測量煤層瓦斯含量，結果如下：

（1）E2303進風順槽側比E2303膠帶順槽側平均瓦斯含量低1.6～1.9m3/t。

（2）E2303進風順槽壓裂縱向深度50m段比100m段瓦斯含量低0.46m3/t。

（3）目前回采51.2m內膠帶順槽側共計布置25個鉆孔，平均抽采時間920d，進風順槽側共計布置31個鉆孔，其中4個壓裂孔，平均抽采時間400d。根據瓦斯含量下降結果反算鉆孔抽采效果，可得進風側單孔每天抽采量為28.65m3，膠帶側單孔每天抽采量為9.87m3，抽采效果對比進風比膠帶高 2.9 倍[2]。

1.4 壓裂區與非壓裂區百米抽采量對比

考慮到工作面回采對抽采效果的影響，本次選取回采前的數據進行比較。

回采前，E2303進風順槽支管路平均抽采量為3.30m3/min，E2303膠帶順槽支管路平均抽采量為6.91m3/min。

E2303進風順槽壓裂區域為64#匯流管至74#匯流管之間的范圍，單個匯流管平均瓦斯抽采量為0.19m3/min，帶抽鉆孔總米數為10876m。

通過數據統計后發現，進行壓裂施工的巷道百米抽采量是非壓裂施工巷道的2.2倍。

表1 壓裂孔信息表

2 掘進工作面CO2氣相壓裂效果分析

高河能源公司對掘進巷道迎頭進行施工壓裂鉆孔試驗。

對南輔迎頭壓裂數據進行分析可知，壓裂后，壓裂地點附近鉆場內的掘進預抽孔瓦斯濃度均有小幅度提升，K1值有所降低并且趨于穩定。巷道內風排瓦斯量也有所增加，絕對瓦斯涌出量略有上升。

南輔迎頭壓裂作業對改善掘進巷道內瓦斯抽放量，起到了一定的效果，有效降低了掘進工作面突出的危險，但據預期效果還有差距。綜合分析，影響壓裂施工效果的因素可概括如下：

（1）南輔迎頭煤體較軟，導致壓裂能量不能有效地釋放到周邊煤體內。

（2）施工過程中，由于鉆孔成形不好，淤煤過多，加上彎曲程度過大，導致封孔器不能順利地推入鉆孔，致使封孔深度遠沒有達到設計要求。導致壓裂后二氧化碳氣體未能與煤體內瓦斯進行充分置換，即釋放出來，進而影響了實際效果。

通過壓裂的連續施工，降低了掘進工作面前方的瓦斯參數K1值，使壓裂范圍內的煤層應力重新分布，很大程度上降低了突出危險性。

壓裂后K1值全部降到臨界值以下，大大提高掘進速度。相比施工釋放孔，氣象壓裂鉆孔每施工一次可連續掘進60m（釋放孔為8m），且不需要額外的釋放時間，相對增加了每月掘進作業時間，由施工前的月掘進平均進尺144m，提高到壓裂后的212m。在成本費用方面，按照每掘進60m計算，每60m需要預裂一次，每次需要預裂桿13根，費用為2300元/根×13根=2.99萬元；每60m需要施工7次瓦斯釋放孔，每次需要施工40個，每個鉆孔15m，每次需施工瓦斯釋放孔600m。每掘進60m，共需施工瓦斯釋放孔4200m，釋放孔每米32元，共計：32元/m×4200m=13.44萬元。相比每60m可節省費用10.45萬元，也達到了降本增效的目的[3]。

3 千米鉆機長距離鉆孔CO2氣相壓裂效果分析

3.1 工作面概況

E2307回風順槽為E2307工作面的回風順槽，全長2374m，鄰近面為E2308和E2309工作面，煤層原始瓦斯含量為10～11m3/t，巷道開口前施工1組千米鉆機鉆孔進行掘前預抽，掘進期間間隔80m布置1組邊掘邊抽鉆場，其中在巷道北幫鉆場內布置千米鉆機鉆孔，超前治理E2308和E2309工作面瓦斯。

3.2 鉆孔布置情況

每個鉆場間距80m，每個鉆場內布置8個千米鉆機主孔，孔深設計500m，共設計27個鉆場。每個鉆場內的每個鉆孔孔口連接1個Φ108mm小孔板，匯流管安裝1個Φ150mm孔板。

3.3 鉆場壓裂情況

分別于2016年3月3日和3月12日在千米鉆機0#和1#鉆場進行1次氣相壓裂，壓裂前均對壓裂孔提前擴孔。其中0#鉆場對5#孔擴孔100m，塞桿24根，壓裂桿型號為5130型，桿長2.6m，封孔深度13m，壓裂深度75m；1#鉆場對5#孔擴孔100m，塞桿20根，壓裂桿型號為3512型，桿長2.05m，封孔深度13m，壓裂深度54m。鉆場壓裂情況如圖1所示。

圖1 鉆場壓裂孔布置竣工圖

3.4 壓裂效果分析

E2307回風順槽千米鉆機鉆孔截至壓裂前共計施工8個鉆場，64個鉆孔，累計進尺5.1萬m。

（1）支管路抽采數據分析

支管路抽采濃度最大63.6%，平均44.4%，抽采量最大5.0m3/min，平均3.3m3/min。數據觀測從3月4日壓裂后開始觀測至5月18日，其中濃度最大82.2%，平均64.2%，純量最大8.81m3/min，平均5.18m3/min，對比壓裂前平均濃度提高44.6%，純量提高57%。如圖2，E2037回風順槽主管路數據變化圖所示。

0#鉆場共計施工8個鉆孔，共計施工進尺6036m，其中5#為壓裂孔，鉆孔主孔深度363m，分支309m。

通過對0#鉆場2個月時間各鉆孔抽采濃度數據匯總后發現，壓裂孔較其他鉆孔抽采濃度高出2.3%，平均為79.7%。

圖2 E2037回風順槽主管路數據變化圖

（2）鉆場抽采數據分析

1#鉆場共計施工9個鉆孔，共計施工進尺5883m，其中5#為壓裂孔，鉆孔主孔深度375m。

通過對1#鉆場2個月時間各鉆孔抽采濃度數據匯總后發現，壓裂孔較其他鉆孔抽采濃度高出2.5%，其平均濃度為80.6%。

通過對2#、4#、5#、7#、8#鉆場2個月時間各鉆孔抽采濃度數據匯總后發現，壓裂孔較其他鉆孔抽采濃度高出約2%左右，且平均濃度均可達到80%左右。

4 結 語

CO2氣相壓裂在實施的過程中不會產生火花，因此不會在作業過程中引起瓦斯或者煤塵的爆炸事故，而且氣相壓裂作用能大大增加煤層的透氣性，加大煤層瓦斯抽采效率，實現了高瓦斯礦井快速抽采的目的，降低了瓦斯治理的成本，提高了礦井安全生產效率。在煤礦瓦斯治理的方法中值得大力推廣[4]。