CO2氣相壓裂效果試驗研究

于麗雅

【摘 要】為了考察掘進工作面迎頭CO2氣相壓裂效果，對余吾煤業N1101膠順進行試驗，考察氣相壓裂前后鉆屑解析指標Δh2的變化，分析一次壓裂影響范圍內的鉆屑解析指標Δh2的變化規律。

【關鍵字】氣相壓裂;瓦斯

中圖分類號： TD327.2文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）25-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.36

0 引言

為了考察掘進工作面迎頭CO2氣相壓裂效果，首先，對余吾煤業S2108工作面、南翼進風大巷迎頭CO2氣相壓裂前后的鉆屑解析指標Δh2進行了測定，測量結果數據較少，為了進一步分析研究，繼續在N1101膠順氣相壓裂前后鉆屑解析指標Δh2進行測量，考察一次壓裂影響范圍內的鉆屑解析指標Δh2的變化規律。

1 S2108工作面試驗概況

針對初采期工作面瓦斯涌出量大、涌出不均勻等特點，在S2108切眼順層鉆孔利用CO2氣相壓裂技術對煤體進行增透，為從源頭上提高煤體透氣性，增加煤層有效裂隙數量與質量，提高瓦斯抽采效率，縮短瓦斯預抽時間。

S2108切眼設計全長280m，一次切眼寬5.4m，高3.6m，二次切眼擴幫深2.1m，高3.6m，煤層厚度6.15m，切眼內有2臺鉆機施工順層鉆孔，鉆孔設計深度150m，鉆頭直徑113mm，鉆孔開孔高度1.8m，方位垂直于切眼煤壁，傾角沿煤層傾角，鉆孔間距為2.5m，共施工79個鉆孔，每4個孔并一組網，每組4寸匯流管上有8個高壓管接口。

1.1 壓裂孔布置

為對工作面前方煤體進行壓裂增透，快速預抽煤體瓦斯，在S2108切眼20-260m區間施工上部預抽鉆孔補孔，即與現有平行孔成三花眼布置，同時對上部預抽鉆孔進行CO2氣相壓裂。

（1）壓裂孔布置：在切眼20m-260m區間施工上部預抽壓裂鉆孔累計施工13個，鉆孔間距為20m，與預抽鉆孔等高，開孔角度與巷道煤壁傾角夾角為4°，設計深度80m，水平距離79.9m，鉆孔直徑120mm壓裂桿數量為20根/孔。

（2）預抽補孔布置：壓裂孔壓裂后在上部壓裂區間依次打設間距為5m，與預抽鉆孔等高，深度為80m的預抽鉆孔。

壓裂孔壓裂參數見表1，壓裂桿型號為C型桿，切眼壓裂用桿數量為20根/孔，內充CO21.1～1.2kg/根，采用雙封孔器進行封孔，封孔深度為15m，封孔器注水壓力為7-8Mpa。

1.2 數據觀測及評價

（1）使用G25S機械型氣體流量計和光瓦對每個壓裂孔、預抽孔單孔抽采參數（濃度、純量）進行觀測，將數據記錄保存，連續觀測2個月，第一個月每3天觀測一次，第二個月每7天觀測一次。

（2）對比壓裂孔與未壓裂預抽孔抽采濃度和純量并計算抽采2個月后預測覆蓋區域煤層瓦斯含量衰減幅度。

2 N1101工作面試驗概況

N1101工作面采用單“U”型通風，其中膠順、回順和切眼均沿3#煤層底板掘進，膠順設計全長2505.2m，巷道寬5.4m，高3.8m;回順設計全長2384m，巷道寬5.4m，高3.8m;切眼設計全長289m，煤層平均厚度6.15m。工作面煤層瓦斯含量為9.8141m3/t，可解析含量為7.8865m3/t。為提高煤體透氣性，提高瓦斯抽采效率，縮短瓦斯預抽時間，在N1101工作面切眼順層鉆孔內利用CO2氣相壓裂技術對煤體進行增透。

本次試驗CO2氣相壓裂壓裂孔深80m，放入C型壓裂桿20根，實際起爆17根，壓裂桿位置為15-55m，即氣相壓裂理論有效影響區域為距掘進工作面迎頭15-55m區域。

本次試驗測量了N1101膠順迎頭CO2氣相壓裂前后一個壓裂循環內的鉆屑解吸指標Δh2的變化情況。測量時間為每日8點班工作面施工迎頭釋放孔期間，每次測量在迎頭施工一個20m取樣孔進行取樣測量，壓裂前后共累計測量8次。

3 數據分析

3.1 不同位置同一深度變化規律

每次測量時間、測量位置及鉆孔不同孔深位置的鉆屑解析指標Δh2隨孔深變化曲線如圖1所示。

（1）壓裂前煤體的特性未被改變，透氣性較差，鉆屑解析指標Δh2相對較大，在350-480Pa之間。壓裂后，煤體的原始結構特性被改變，煤層裂隙被打開，透氣性增強，使釋放孔釋放瓦斯效率增加，煤體內殘存的瓦斯相對降低;同時由于裂隙的溝通，煤層內瓦斯分布的均勻性也大大增加，鉆屑瓦斯解析指標Δh2整體大幅度下降，維持在120-270Pa之間，且測量過程中鉆屑瓦斯解析指標Δh2變化幅度較小。

（2）氣相壓裂后工作面累計掘進3.6m、45.1m時測量的Δh2值相對較高。其原因為CO2氣相壓裂桿安放位置距工作面迎頭以里15-55m，即此區域為氣相壓裂有效影響范圍，0-15m、55-80m受氣相壓裂影響較小，裂隙發育發育不明顯，煤體內瓦斯壓力不能及時釋放，導致Δh2值較高。

（3）隨著鉆孔深度的增加，鉆屑瓦斯解析指標Δh2隨之增大，其規律為遞增趨勢;推測原因為隨著距巷道迎頭距離的增加，煤體瓦斯向外運移釋放的阻力也相應增加，煤體內殘存的瓦斯也相應增多，造成鉆屑解析指標Δh2隨鉆孔深度增加而增加。

3.2 同一位置不同時間變化規律

隨著壓裂后迎頭煤體自然釋放時間的延長及距迎頭位置的拉近，距壓裂孔口同一深度處煤體的Δh2值呈逐步衰減下降的趨勢（以距壓裂孔口20m、24m處4次測量數據為例），具體如圖2所示。

此種情況從側面說明了氣相壓裂本身并不能瞬間降低迎頭前方煤體的突出危險性，而是打開煤體裂隙，使迎頭深部高壓瓦斯更易于通過釋放孔等途徑向外運移釋放。

3.3 總體測量變化規律

為了更好地分析壓裂后掘進深度與Δh2的變化規律，找出各次測量的20m范圍內最大值及10m范圍內最大值，繪出曲線圖如圖3所示。

隨著掘進深度和釋放時間的增加，20m范圍內及10m范圍內Δh2最大值變化規律一致，均呈現出大幅度下降-基本不變-顯著上升的變化趨勢。

由于該礦掘進工作面日進尺最大為7.2m，再留出2-3m的預測超前距，故選擇10m范圍的Δh2值作為突出危險性預測指標較為實用。且在掘進9.9-37.9m范圍時，10m范圍內Δh2最大值穩定在180-230Pa之間，雖然不全在200Pa臨界值之內，但較壓裂前大幅度降低，故可用此值對氣相壓裂效果進行定性評價，若進行定量評價，其臨界值的合理選擇尚需大量試驗確定。

4 主要結論

（1）隨著距迎頭距離的增加，煤體瓦斯向外運移釋放的阻力也相應增加，造成鉆屑解析指標Δh2隨鉆孔深度的增加而增加。（2）氣相壓裂本身并不能瞬間降低迎頭前方煤體的突出危險性，而是打開煤體裂隙，使迎頭深部高壓瓦斯更易于通過釋放孔等途徑向迎頭移動并釋放到巷道內。（3）氣相壓裂能顯著降低鉆屑瓦斯解析指標Δh2，可用此值對氣相壓裂效果進行定性評價，若進行定量評價，其臨界值的合理選擇尚需大量試驗確定。（4）結合S2108膠順氣相壓裂后Δh2顯著變小，及南翼進風大巷氣相壓裂后Δh2無明顯變化的實際情況，尚不能確定Δh2為評價氣相壓裂的敏感指標。

【參考文獻】

[1]楊明建.綜掘面迎頭CO2氣相壓裂卸壓增透技術研究[J].煤炭技術，2017，36（8）：195-196.

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