王曉東，張東華，楊永康

(1.陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司生產技術中心,山西 陽泉 0450002.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,太原 030024)

煤炭是我國的重要能源,在工業(yè)生產中占有十分重要的地位是我國社會和經濟發(fā)展的重要基礎[1]。近年來,隨著煤礦采深的增加和煤礦單井產量的增加,煤層逐漸顯示出低滲透性高應力的特征,煤與瓦斯的突出風險逐漸增加[2-3]。瓦斯的抽采工程是保障煤礦企業(yè)減少瓦斯事故的基本措施[4]。煤層滲透性低依然是困擾我國煤系地層煤層氣開采的首要難題[5-6]。國內外針對以上問題研究并實施過了很多的技術措施,例如開采解放層[7]、底板巖石巷道上行穿層孔瓦斯抽采、頂板抽采巷道、頂板巖巷朝下穿孔瓦斯抽采[8]、爆破[9-10]、水力壓裂[11]、氣相壓裂等增透卸壓方法[7-12]。盡管以上技術在應用中取得了良好的抽采效果,但是針對陽泉地區(qū)的特殊低滲煤層,亟待尋求一種高效的壓裂抽采技術。其中,二氧化碳氣相壓裂工藝技術,可強化煤層的透氣性,有效提高低滲透率煤層的抽采率。這種技術工藝不僅具有操作簡單、安全可靠、且能夠實現(xiàn)降低瓦斯儲層壓力,提高煤層瓦斯抽采效果。氣相壓裂作用會使局部煤層的高應力狀態(tài)發(fā)生改變,起到了降低突出危險性的效果,從而有效地保障了突出煤層的掘進和回采[12-13]。二氧化碳氣相壓裂技術在提高煤炭企業(yè)開采水平的同時,也提高了社會經濟效益的貢獻率,在確保煤礦安全生產的前提下降低了碳排放量和提高了綠色能源的利用效率,緊緊圍繞國家的產業(yè)發(fā)展核心目標。

1 影響氣相壓裂煤層瓦斯抽采半徑的因素

1.1 鉆孔瓦斯流量

煤層瓦斯在鉆孔內的流動方式屬于不穩(wěn)定的徑向流,煤層的瓦斯儲層壓力和鉆孔內的瓦斯壓力差對瓦斯流量影響顯著,煤層的透氣系數(shù)λ和鉆孔半徑的1/3～1/5次方與瓦斯流量存在著正相關聯(lián)系。故而,鉆孔瓦斯沿著徑向穩(wěn)定流動的方程可用式(1)[14]表示:

(1)

式中:Q為壓裂鉆孔瓦斯流量,m3/d;λ為透氣系數(shù),m2/(MPa2·d);m為本煤層煤厚,m;P1為原始煤層瓦斯壓力,MPa;P0為鉆孔內瓦斯壓力,MPa;R1為鉆孔有效排放半徑,m;Re為鉆孔的半徑,m。

從式(1)中可以明顯看出,鉆孔瓦斯流量與相關參數(shù)之間的關系,其中,鉆孔半徑與抽采壓力是影響鉆孔瓦斯流量的重要因素。增加鉆孔孔徑在施工中較難實現(xiàn),對于突出煤層,鉆孔孔徑過大會導致煤與瓦斯突出的風險,故《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中對鉆孔直徑有規(guī)定要求。

1.2 鉆孔間距

合理布置鉆孔間距是提高抽采率和控制抽采成本的關鍵,鉆孔抽采有效半徑與鉆孔的間距具有密切的關系。研究結果表明,當鉆孔間距超過最大半徑的兩倍時,煤體賦存的瓦斯總有一部分會吸附在孔隙中,無法抽出,鉆孔間距縮短又會導致成本的增加,因此合理布置鉆孔孔距是提高鉆孔有效抽采效果的重要方式。

從上述討論可知,鉆孔間距與要求的鉆孔瓦斯抽采率有關,與煤層瓦斯含量有關,與煤層厚度有關,與鉆孔瓦斯衰減規(guī)律有關,也與允許的抽采時間有關。要縮短抽采時間,就必須縮小鉆孔間距。

2 氣相壓裂鉆孔有效半徑研究

瓦斯抽采有效半徑是設計瓦斯抽采鉆孔間距的基礎。本次現(xiàn)場實測的地點是新元煤礦3#煤層的3108工作面,通過現(xiàn)場實測壓裂前后的瓦斯流量衰減系數(shù)和有效抽采半徑,來研究氣相壓裂對低透高突煤層的瓦斯抽采效果。

2.1 氣相壓裂的工藝過程及參數(shù)

氣相壓裂的器材是C-74,壓裂桿Φ68 mm,單根壓裂桿長度是2 000 mm,液態(tài)CO2質量是2.0 kg/根～2.2 kg/根,液態(tài)CO2膨脹體積是1:500～1:600,反應時間為約20 ms～40 ms,釋放壓力為120 MPa～180 MPa。鉆孔成孔后,及時將壓裂管、封孔器、推桿等推進鉆孔,啟動壓裂。壓裂后將壓裂設備退出鉆孔。打一個鉆孔,封一個鉆孔,聯(lián)網一個鉆孔,要求全程下篩管。

2.2 鉆孔布置方案

1)原始煤層瓦斯抽采半徑測定工藝流程:選取地點→鉆孔4個(B1、B2和B3、B5)→封孔(膨脹水泥)→安裝三通閥門、壓力表→一周后觀察壓力是否恢復(若沒有,注入氮氣)→壓力穩(wěn)定后,鉆孔(B0和B4)→觀測→得出結論,具體布置圖見圖1。

2)壓裂后瓦斯抽采半徑測定工藝流程:選取地點→鉆孔4個(C1、C2和C3、C5)→封孔(膨脹水泥)→安裝三通閥門、壓力表→一周后觀察壓力是否恢復(若沒有,注入氮氣,若還沒有,孔漏氣,重新打孔)→壓力穩(wěn)定后,鉆孔(C0和C4)→壓裂→封孔(膨脹水泥)安裝三通閥門、壓力表→觀測→得出結論。

3)氣相壓裂前、后抽采半徑測試鉆孔共設計施工4組鉆孔,共12個鉆孔,其中B0-B5為原始抽采半徑測試鉆孔,C0-C5為氣相壓裂后抽采半徑測試鉆孔(B0、B4、C0、C4為抽采鉆孔,其余鉆孔為瓦斯壓力觀測孔)。

圖1 壓裂前測試有效抽采半徑鉆孔布置圖Fig.1 Boreholes layout for effective extraction radius before fracturing

2.3 鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律

通過對比分析壓裂前后鉆孔的布置方案,原始鉆孔B0與測試孔B1和B2的距離分別為1 m和1.5 m,B4與測試孔B3和B5的距離分別為2 m和3 m。應用氣相壓裂技術后鉆孔C0與測試孔C1和C2的距離分別為3 m和4 m,C4與測試孔C3和C5的距離分別為5 m和6 m。詳細施工參數(shù)見表1。

表1 原始鉆孔與壓裂后鉆孔有效抽采半徑鉆孔參數(shù)Table 1 Parameters for effective extraction radius of primitive boreholes and after-fracturing boreholes

鉆孔瓦斯衰減系數(shù)是表示瓦斯流量隨著抽采時間的延長衰減的速度。根據(jù)對B0、B4、C1、C2、C4鉆孔的流量監(jiān)測數(shù)據(jù),把鉆孔流量監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式(2)[15],通過回歸分析,可求出鉆孔瓦斯衰減系數(shù)α和相關系數(shù)R2。

qct=qcoe-β t.

(2)

式中:qct為持續(xù)t時的瓦斯流量,m3/min;qco為初始時間的瓦斯流量,m3/min;β為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù),d-1;t為鉆孔的抽采瓦斯時間,d。

壓裂前后不同鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律見圖2,根據(jù)圖2的鉆孔流量擬合曲線可以得到表2,由鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)可以得出:在測試區(qū)內原始鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)在0.102/d～0.129/d,煤層為難抽采類型,氣相壓裂后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)是0.018/d～0.051/d,煤層由難抽采變?yōu)榭沙椴?。氣相壓裂對增加新元煤礦3#煤層3108工作面的低透高突煤層瓦斯抽采效果作用明顯。

圖2 壓裂前后不同鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律Fig.2 Gas flow attenuation of different boreholes before and after fracturing

表2 鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律結果Table 2 Borehole gas flow attenuation results

2.4 有效半徑測定結果

根據(jù)流量測定結果和鉆孔布置間距理論方程,進行數(shù)據(jù)整理和計算,壓裂前后參數(shù)測定結果如圖3所示。壓裂前,原始鉆孔在抽采60 d后,瓦斯抽采半徑基本維持在0.82 m左右。相同時間內,壓裂鉆孔抽采半徑為2.54 m,是原始鉆孔的3.1倍,而且,在此時間之后,壓裂鉆孔的抽采半徑還在隨著抽采天數(shù)的延長而逐漸增加,總之,壓裂后的抽采有效半徑比壓裂前提高了2.1～4.3倍。

3 結論

1)合理布置鉆孔位置是提高壓裂鉆孔抽采半徑的重要方式,增加鉆孔孔徑和抽采負壓受到諸多條件的限制。隨著孔徑的增大,鉆孔瓦斯流量增加不明顯,同時鉆孔的施工難度和成本卻逐漸增大;同時,鉆孔瓦斯流量與壓力平方差成正比,通過提高抽采負壓來增加抽采量效果也不大,也不能產生較顯著的效果。

圖3 壓裂前后不同鉆孔有效抽采半徑Fig.3 Effective extraction radius of different boreholes before and after fracturing

2)氣相壓裂對低滲高突煤層的透氣性和鉆孔抽采效果作用顯著。原始鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.102/d～0.129/d,壓裂后變?yōu)?.018/d～0.051/d,煤層由難抽采改造成為可以抽采的類型。

3)壓裂前,原始鉆孔在抽采60 d后,瓦斯抽采半徑基本維持在0.82 m左右。壓裂后60 d,抽采半徑是2.54 m,且60 d后逐漸增加到150 d的3.52 m。壓裂后的抽采有效半徑比壓裂前提高了2.1～4.3倍。