低滲透煤層液態CO2壓裂增透研究

李俊堂

低滲透煤層液態CO2壓裂增透研究

李俊堂

(山西離柳焦煤集團有限公司，山西 呂梁市 033000)

針對高瓦斯低的難題，滲透煤層抽采效率低，以山西某煤礦為實驗礦井，基于液態CO2壓裂本構模型，采用FLAC數值模擬軟件對液態CO2壓裂后的影響區域進行分析，確定了鉆孔間距，并根據模擬結果進行了應用分析，研究結果表明，液態CO2爆破壓裂最優的鉆孔爆破間距為8.5 m；液態CO2爆破后具有很好的消突效果，爆破后瓦斯抽采濃度增加了45.7%；液態CO2爆破后，煤層透氣性大幅提高，煤層透氣性系數提高了 18.3倍。

煤礦安全;液態CO2;數值模擬;壓裂增透

0 引 言

我國煤層開采已進入深部開采階段，最大開采深度已達1400 m，深部開采面臨“三高一低”的問題，煤層透氣性低，瓦斯抽采難度增大，而卸壓增透技術是解決低滲透煤層的有力武器[1-4]。

對于卸壓增透技術，國內外眾多學者進行了大量的研究。龐成[5]采用水力壓裂技術在白皎煤礦進行了應用，針對該礦的地質特征以及煤層賦存條件，分析了水力壓裂的力學機制，通過模擬計算了該礦的水力壓裂技術參數，并進行了現場應用，水力壓裂后，單孔瓦斯抽采量是非壓裂區域的6.7倍，同時，水力壓裂半徑可達到80 m以上，水力壓裂后瓦斯抽采鉆孔施工量減少了33%，施工時間得到大幅降低；鄭迅[6]以丁56～22240工作面為試驗工作面，針對該工作面長期瓦斯異常現象，采用深孔松動爆破技術進行瓦斯治理，闡述了深孔松動爆破治理瓦斯機理，并給出了深孔松動爆破鉆孔裝藥流程，松動爆破后該工作面風巷瓦斯濃度保持在0.32%左右，且在工作面回采過程中，沒有出現瓦斯異常現象；張建軍等[7]針對煤礦煤層低滲透的問題，采用液態CO2技術進行壓裂，闡述了液態CO2爆破增透機理，并對壓裂過程中裂隙發育特征進行了分析，研究結果表明，液態CO2增透技術可以產生高壓氣體、沖擊波，液態CO2增透爆破最終形成以爆破孔為中心的粉碎區、破裂區和震動區3個 區域。

以上學者針對低滲透煤層卸壓增透技術主要采用的是松動爆破、水力壓裂、液態氮氣壓裂3種方法，前2種壓裂技術存在一定安全隱患，第3種方法由于其吸附性弱于甲烷，因此，效果極差，本文以山西某礦為試驗礦井，采用液態CO2技術進行壓裂增透。

1 CO2增透機理

CO2氣相壓裂增透技術主要是CO2由液態轉變為氣態的過程中體積迅速變大，讓煤層產生裂隙并且進一步發育，使得煤層中的瓦斯流通通道進一步增多，流速加快。在CO2由液態變為氣態的瞬間，能夠使得煤層產生大量裂隙，煤層中被壓實的裂隙重新被打開，煤層滲透率、透氣性得到有效提高，煤層中吸附狀態的瓦斯大量轉變為游離狀態的瓦斯。同時，CO2吸附能力大于瓦斯吸附能力，瓦斯被CO2置換出來，瓦斯通過裂隙流出，極大地降低了煤層中的瓦斯含量[8-16]。其裝置結構如圖1所示。

圖1 CO2壓裂系統

2 CO2壓裂模擬

2.1 模型建立

采用FLAC數值模擬對CO2壓裂裂隙發育特征進行數值模擬。壓裂模型為50 m×35 m×5 m。在模型中心位置布置壓裂鉆孔，壓裂鉆孔設置為97 mm，壓裂鉆孔設置長度為20 m，裝入CO2的量為1.5 kg，瞬時最大沖擊力為300 MPa，相關參數煤層容重為1.42 g/cm3，剪切模量為0.48 GPa，煤層內聚力為1.1 MPa，煤層單軸抗拉強度為0.58 MPa，煤層體積模量為1.39 GPa。

圖2 模型建立

2.2 模擬結果與分析

數值模擬結果如圖3所示。

圖3 數值模擬結果

由圖3可知，當爆破鉆孔的間距為12 m時，由于爆破沖擊半徑小于6 m，因此，大部分煤層沒有受到液態CO2的沖擊，煤層沒有受到影響，沒有起到壓裂作用；當爆破鉆孔間距為10 m時，爆破有效區域大幅度提高，僅有很小的一部分沒有受到影響；當爆破鉆孔的間距為8 m時，整個煤層區域全部被液態CO2沖擊波影響，爆破區域不存在未被壓裂的區域，效果較好。綜合以上模擬結果以及鉆孔施工量的成本問題，將爆破鉆孔布置為8.5 m時，就可以達到最好的壓裂效果[12-17]。

3 應用分析

3.1 鉆孔布置

按照數值模擬的結果進行鉆孔布置，鉆孔直徑設置為97 mm，鉆孔深度為60 m，具體布置如圖4所示，壓裂裝置如圖5所示。

3.2 效果分析

（1）消突效果。壓裂過程中對工作面巷道瓦斯進行實時監測，其數據如表1所示。由表1可知，工作面進行CO2爆破后，其1值多在0.37～0.41 mL/(g?min1/2)，值多集中在1.8～2.1 kg/m之間，瓦斯含量為6.49 m3/t。說明進行CO2爆破后具有很好的消突效果。

圖4 鉆孔布置

圖5 壓裂裝置

表1 監測數據

（2）增透技術。對CO2壓裂后瓦斯抽采濃度進行分析，爆破后瓦斯抽采濃度增加了45.7%，經分析，CO2爆破后，產生大量的裂隙，同時，吸附狀態的瓦斯轉變為游離狀態的瓦斯，這些瓦斯經爆破產生的裂隙進入瓦斯抽采巷道里，同時，CO2的吸附能力明顯高于甲烷，使得瓦斯抽采保持高水平狀態。

（3）煤層滲透率。液態CO2壓裂結束后對壓裂后的煤層透氣性進行測試分析，發現煤層透氣性由壓裂前的0.068 m2/(MPa2?d)升高到壓裂后的1.25 m2/(MPa2?d)，煤層透氣性系數提高了18.3倍，保證了瓦斯抽采效果。

4 結 論

基于液態CO2壓裂本構模型，采用FLAC數值模擬軟件對液態CO2壓裂后的影響區域進行分析，確定了最佳鉆孔間距，并根據模擬結果進行了應用分析，得出以下結論：

（1）運用數值模擬以及有效鉆孔間距理論，得出最優的鉆孔爆破間距為8.5 m。

（2）液態CO2爆破后具有很好的消突效果。

（3）爆破后瓦斯抽采濃度增加了45.7%，CO2爆破后，產生大量的裂隙，同時，吸附狀態的瓦斯轉變為游離狀態的瓦斯，這些瓦斯經爆破產生的裂隙進入瓦斯抽采巷道里，同時，CO2的吸附能力明顯高于甲烷，使得瓦斯抽采保持高水平狀態。

（4）液態CO2爆破后，煤層透氣性由壓裂前的0.068 m2/(MPa2?d)升高到壓裂后的1.25 m2/(MPa2?d)，煤層透氣性系數提高了18.3倍。

[1] 王曉蕾,秦啟榮,熊祖強,等.層次注漿工藝在松軟巷道破碎圍巖加固中的應用[J].地下空間與工程學報,2017,13(1):206-212.

[2] 熊祖強,王曉蕾.承壓水上工作面破壞及裂隙演化相似模擬試驗[J]. 地下空間與工程學報,2014,10(5):1114-1120.

[3] 王曉蕾.深部巷道破碎圍巖注漿加固效果綜合評價[J].地下空間與工程學報,2019,15(3):675-702.

[4] 熊祖強,王曉蕾.復合頂板綜放面覆巖破壞及裂隙演化相似模擬試驗[J].中國安全生產科學技術,2014,10(10):22-28.

[5] 龐 成.水力壓裂在白皎煤礦低透氣性煤層中的應用[J].工業安全與環保,2017,43(3):26-28.

[6] 鄭 迅.深孔松動爆破治理瓦斯技術應用研究[J].內蒙古煤炭經濟,2018(4):113-113+117.

[7] 張建軍,廖 奇.低透煤層液態CO2爆破致裂特征[J].煤炭技術,2018,37(6):188-190.

[8] 鄭吉玉,王公忠.低透氣性煤層松動爆破增透效應研究[J].爆破, 2018, 35(2):37-40

[9] 饒興江.肥田煤礦水力壓裂增透技術試驗[J].陜西煤炭,2018(5): 40-43

[10] 馬 礪,魏高明,李珍寶,等.高瓦斯煤層注液CO2壓裂增透技術試驗研究[J].礦業安全與環保,2018,45(5):6-11.

[11] 鞏躍斌,華明國,劉 壘.高瓦斯礦井長鉆孔CO2氣相壓裂增透試驗研究[J].煤,2018(11):6-8.

[12] 丁 勇,馬新星,葉 亮,等.CO2破巖機理及壓裂工藝技術研究[J].巖性油氣藏,2018,30(6):1-10.

[13] 陳立強,田守嶒,李根生,等.超臨界CO2壓裂起裂壓力模型與參數敏感性研究[J].巖土力學,2015,36(2):125-130.

[14] 孫可明,吳 迪,粟愛國,等.超臨界CO2作用下煤體滲透性與孔隙壓力?有效體積應力?溫度耦合規律試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(2):3760-3767.

[15] 陸友蓮,王樹眾,沈林華,等.純液態CO2壓裂非穩態過程數值模擬[J].天然氣工業,2008,28(11):93-95.

[16] 岳立新,孫可明.超臨界CO2作用時間對煤滲透率和孔隙率的影響規律研究[J].應用力學學報,2018,35(5):1170-1176.

[17] 何福勝,畢建乙,王海東.液態CO2相變致裂增透強化抽采技術研究[J].中國礦業,2018,27(S2):146-150.

(2018-12-06)

李俊堂(1964—)，男，主要從事煤礦安全的研究與管理工作，Email:3042994613@qq.com。