安世崗 ,陳殿賦,張永民,孔德磊,李 陽,張 迪,王 洋
(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719315;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)
我國95%以上的煤層屬于低滲透性煤層,瓦斯透氣性系數(shù)為0.04~0.004 m2/(MPa2·d),低滲透性導(dǎo)致煤層瓦斯抽采較為困難,為煤礦生產(chǎn)帶來了較大安全風(fēng)險[1]。針對上述問題,前人提出了超聲波[2]、頂?shù)装鍓毫迅脑靃1,3-4]、電脈沖技術(shù)[5-6]、CO2致裂[7]、高壓水力切割[8]等煤層改造方法。然而,受地質(zhì)條件、方法及其配套設(shè)備的局限性,目前煤礦瓦斯的抽采率仍然處于較低水平。
目前提高煤層瓦斯抽采率技術(shù)主要存在2 方面問題:煤層改造程度不充分和過度改造傷害煤層。傳統(tǒng)方法主要以增加鉆孔的密度和數(shù)量,利用增加孔壁面積來增加煤層的泄壓、透氣能力。這種方式無法改造深部煤層,煤層瓦斯抽采能力提升幅度較為有限,也給煤礦的安全生產(chǎn)帶來較大風(fēng)險[9]。其根本原因在于煤層改造體積不足,常規(guī)鉆孔周圍產(chǎn)生的宏觀裂縫無法延展到煤層深部,導(dǎo)致深部儲層瓦斯無法有效運移至鉆孔內(nèi)。另一方面,對煤層的過度改造傷害,如不可控的爆破、大體量的壓裂措施使得煤巖儲層應(yīng)力的變化產(chǎn)生破壞性變形,致使煤儲層滲透率發(fā)生不可逆下降[10-15],為后期回采時的工作面管理留下安全隱患。
可控電脈沖波增透技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能作用在煤層內(nèi)部,提高低滲透煤層的瓦斯抽采能力[2,6]。前人采用可控電脈沖波的原型樣機(jī)(QZEB-Ⅰ,外徑102 mm,長度8 m,采用入孔電纜控制)在有篩管支護(hù)的松軟煤層鉆孔中探索了增透工程設(shè)計參數(shù)和增透措施影響范圍[16],而在較硬低透氣性煤層裸眼鉆孔中,其沖擊密度和增透措施影響范圍的確定還需要開展進(jìn)一步實踐研究。另外,前人在有限空間內(nèi)采用高密度的沖擊參數(shù)得出的試驗結(jié)果是試驗周期長、對鉆孔壁造成過度傷害[17]。
基于前人的研究基礎(chǔ),筆者及其團(tuán)隊通過對原型樣機(jī)升級改造,研發(fā)出新一代改進(jìn)型可控電脈沖波產(chǎn)生設(shè)備(QZEB-Ⅲ),進(jìn)一步降低了試驗?zāi)芎?,將新設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗,以驗證不同可控電脈沖波作業(yè)參數(shù)對增透效果的影響。
可控電脈沖波增透技術(shù)是一種儲層改造的物理增產(chǎn)新技術(shù)[18-20]。所謂可控,是指沖擊波的幅值和作用時間可通過調(diào)整聚能棒的配方和質(zhì)量,對不同物性儲層做功,使產(chǎn)生的沖擊波能量控制在煤巖層抗壓強度之下、抗拉強度之上;作業(yè)區(qū)域可控,是指設(shè)備的輸出窗口限制了沖擊波軸向有效作業(yè)區(qū)域,即鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍,通過精準(zhǔn)設(shè)計增透工藝參數(shù),形成對煤巖層有限區(qū)域的改造作用;重復(fù)次數(shù)可控,可以根據(jù)目標(biāo)物性,設(shè)備產(chǎn)生的沖擊波工作次數(shù)可控;移動設(shè)備作業(yè)點位的可控,根據(jù)需要實現(xiàn)全孔段均衡增透。新一代改型可控電脈沖波裝置參數(shù)見表1。
表1 可控電脈沖波裝置參數(shù)Table 1 Parameters of device for generating controllable electric pulse wave
可控電脈沖波增透技術(shù)采用多次、復(fù)合電脈沖波可實現(xiàn)作用效果、作用距離等都可控的過程。與爆燃壓裂不同[20],可控電脈沖波增透技術(shù)在煤層中的作用形式分為3 種:沖擊波、壓縮波、彈性波,與之對應(yīng)的作用區(qū)域分為:裂縫區(qū)、裂隙區(qū)、彈性區(qū)。作用區(qū)域如圖1 所示。
圖1 可控電脈沖波作用區(qū)域示意Fig.1 Schematic diagram of the action area of controllable electric pulse wave
a.裂縫區(qū) 沖擊波從鉆孔處向煤層內(nèi)部傳遞,近孔處煤層吸收了沖擊波的較多能量,使該區(qū)域內(nèi)煤層出現(xiàn)宏觀裂縫,可溝通鉆孔和深部煤層。同時控制沖擊波能量,使該區(qū)域煤層不形成碎裂形態(tài)。
b.裂隙區(qū) 沖擊波通過裂縫區(qū)后,能量大幅降低,進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s波。壓縮波的強度低于煤層的三軸抗壓強度,不會直接使煤層產(chǎn)生宏觀破裂。壓縮波可使裂縫區(qū)外的煤層受強力壓縮作用,使質(zhì)點產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和切向應(yīng)變,形成徑向和切向裂隙。
由于該區(qū)域波的能量較高,當(dāng)該沖擊波作用在煤層上時,煤層質(zhì)點受到壓縮作用。該作用可分為彈性作用、非彈性作用。非彈性作用因質(zhì)點位置的改變導(dǎo)致煤層破壞;而彈性作用使煤層質(zhì)點產(chǎn)生反向位移而破壞。這種正反作用導(dǎo)致煤層沿著鉆孔周圍徑向產(chǎn)生交錯裂隙區(qū)域。
c.彈性區(qū) 沖擊波的能量隨著作用距離的增加逐漸減弱,體現(xiàn)在波的振動幅度逐漸降低。沖擊波穿透裂縫區(qū)后減弱為彈性波,這種波能夠引起介質(zhì)的彈性振動,且彈性振動逐漸減弱。該區(qū)域波的能量被煤層全部吸收,因此,該區(qū)域又稱為沖擊波吸收帶。
隨著在煤層中傳遞距離的增加,壓縮波的能量逐漸被吸收,表現(xiàn)為振動波幅進(jìn)一步減小。此時,沖擊波不具有破壞性,而是能夠使煤層質(zhì)點發(fā)生彈性振動,因此,稱為彈性波,該區(qū)域稱為彈性區(qū),能夠吸收沖擊波的殘余能量。
可控電脈沖波技術(shù)實施設(shè)備分為孔外設(shè)備和入孔設(shè)備2 部分,如圖2 所示。其中,孔外設(shè)備通過中心通纜式鉆桿與入孔設(shè)備建立信號通信,并向其發(fā)送指令和接收入孔設(shè)備工作參數(shù)。入孔設(shè)備包含高壓直流電源、儲能電容器、能量轉(zhuǎn)換器等,其中,能量轉(zhuǎn)換器中儲存聚能棒,電能激發(fā)聚能棒產(chǎn)生爆炸,進(jìn)而產(chǎn)生沖擊波;而沖擊波以水為介質(zhì)與煤層進(jìn)行耦合,最終將電能轉(zhuǎn)化為作用在煤層上的機(jī)械能即沖擊波。其他輔助設(shè)備為鉆機(jī)、通纜鉆桿、水壓管線等,用于設(shè)備出入鉆孔和向鉆孔注水。
可控電脈沖波技術(shù)實施時,首先通過鉆機(jī)在煤層中鉆孔,通纜鉆桿主要作用為傳輸鉆孔外控制設(shè)備的指令??變?nèi)設(shè)備在接收到經(jīng)鉆桿傳輸?shù)男盘柡螅邏褐绷麟娫唇o儲能器進(jìn)行充電。充電結(jié)束后,聚能棒在水中閃爆,形成的沖擊波作用在液體內(nèi),液體沖擊波作用在煤層上。多個脈沖波相互復(fù)合,對煤層進(jìn)行多次沖擊作用,達(dá)到儲層改造的目的。
圖2 可控電脈沖波工作流程Fig.2 Operation process of controllable electric pulse wave
選取神華神東保德煤礦為試驗對象,礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a。礦井位于河?xùn)|煤田的北部,總體上為平緩的單斜構(gòu)造形態(tài),并顯示波狀起伏,地層產(chǎn)狀總體為走向350°,傾向260°,傾角平均4°。開采的8 號煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,基本頂為粗粒砂巖,底板為泥巖及細(xì)粒砂巖。煤層中上部裂隙發(fā)育,呈條帶狀分布,裂隙帶間距120~170 m,裂隙走向270°,井田地質(zhì)構(gòu)造簡單。主采8 號煤層平均厚6.02 m,回采標(biāo)高在500~900 m,煤的堅固性系數(shù)為0.72,含7~8 層夾矸,夾矸最大厚度1.05 m,瓦斯壓力梯度0.50 MPa/hm,煤層透氣性系數(shù)0.17~0.8 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.004 7~0.049 1 d-1。主采8 號煤層具有透氣性低、鉆孔衰減系數(shù)大、煤壁裂隙發(fā)育等客觀條件。現(xiàn)階段礦井瓦斯主要通過鉆孔抽采[12],常規(guī)鉆孔組瓦斯日均抽采量僅為50 m3。2015—2019 年鑒定結(jié)果顯示,礦井絕對瓦斯涌出量78.48~107.55 m/min,則該礦井為典型的低透氣性高瓦斯礦井。
為增大煤層透氣性,提高瓦斯抽采效果,同時探究可控電脈沖波增透技術(shù)在較硬低透氣性煤層裸眼鉆孔中的作業(yè)效果影響因素,采用改進(jìn)型的可控電脈沖波設(shè)備在該礦81310 備采工作面的回風(fēng)巷道內(nèi)進(jìn)行煤層局部改造試驗。與前人所采用設(shè)備不同之處在于,改進(jìn)型可控電脈沖波產(chǎn)生設(shè)備外徑縮小到了90 mm,長度小于6 m,可單次攜帶的聚能棒為100 顆,單孔作業(yè)時間小于8 h。試驗區(qū)域工作面走向長度2 000 m,傾向長度240 m,煤層傾角3°~5°。
前人首次將可控電脈沖技術(shù)應(yīng)用于保德煤礦8 號煤層,得出沖擊波致裂增透煤層的有效半徑大于15 m,證明沖擊波增透煤層存在最佳作用次數(shù)[17]。但受當(dāng)時設(shè)備條件限制,其可控電脈沖波的影響范圍顯著小于預(yù)期效果,也沒有給出適合該區(qū)塊的最佳作用次數(shù)。為深入考察可控電脈沖波在空間上的改造效果,設(shè)計1 個增透孔對應(yīng)3 個觀測孔,觀測孔距離增透孔分別為5、15、30 m。
為了提高改造效果,本次依據(jù)體積改造原理[14],即單組改造、多組復(fù)合方式進(jìn)行作業(yè)。對各觀測孔結(jié)果平行對比,以提高試驗結(jié)果的可信度。本次在礦井81310 回風(fēng)巷道9L—18L 聯(lián)巷間約720 m 的區(qū)域內(nèi)共進(jìn)行了9 組電脈沖波增透試驗,組與組之間的距離大于40 m,第11L 聯(lián)巷和第15L 聯(lián)巷已布置定向分支孔,增透試驗孔組與其保持50 m 距離。同時,為了避免與同區(qū)域內(nèi)的定向分支孔串孔,本試驗鉆孔設(shè)計深度180 m,開孔角度為50°,鉆孔孔徑133 mm。共計施工鉆孔36 個,其中9 個增透鉆孔,27 個觀測孔(圖3),圖中Z 代表增透鉆孔,G 代表觀測鉆孔;Zx 表示第x組增透鉆孔,Gx1 表示第x 組的1 號觀測孔。
圖3 山西保德煤礦81310 工作面可控電脈沖波試驗鉆孔布置Fig.3 Borehole layout of the controllable electric pulse wave experiment at the working face 81310 in Baode coal mine
利用鉆機(jī)將可控電脈沖設(shè)備與通纜式鉆桿連接后送入鉆孔內(nèi),同時借助通纜式鉆桿的特點,實現(xiàn)設(shè)備通信與孔內(nèi)注水的目的。增透作業(yè)期間的安全措施包括鉆孔注水監(jiān)測和上風(fēng)側(cè)遠(yuǎn)距離操作。即設(shè)備入孔后利用鉆桿向鉆孔內(nèi)注水,水可以將沖擊波耦合到儲層外,也可以提供安全的施工環(huán)境。鉆孔孔口采取封堵及泄壓措施,預(yù)防安全事故;設(shè)備入孔后開始作業(yè)前人員撤離至上風(fēng)側(cè)50 m,在鉆孔下風(fēng)側(cè)安裝瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測設(shè)備。
除了距離因素外,根據(jù)文獻(xiàn)[16],沖擊作業(yè)次數(shù)與裂隙發(fā)育程度相關(guān),當(dāng)達(dá)到一定次數(shù)后裂隙不再擴(kuò)展且煤樣開始破碎。故本次試驗對沖擊波的增透參數(shù)進(jìn)行分析,主要思路為開展“單點多次、多點連續(xù)”的方式,從鉆孔底部向外回退式逐點對煤層進(jìn)行沖擊增透,達(dá)到全孔段激勵和煤層改造的目的。
本次試驗單孔作業(yè)時間為8~10 h(時間主要耗費在設(shè)備出入鉆孔期間),試驗后對每一個鉆孔接通單獨的孔板流量計。作業(yè)開展過程中,每鉆完一組孔后,對該組進(jìn)行增透試驗,并記錄瓦斯?jié)舛?、流量和壓力,直至完成全部點位作業(yè)。作業(yè)完成后接通抽采系統(tǒng),連續(xù)觀測并記錄試驗組鉆孔的瓦斯?jié)舛?、純量等參?shù)。
表2 可控電脈沖波增透工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of the controllable electric pulse wave permeability-enhancing technology
由于第八組鉆孔在完成沖擊作業(yè)后,交叉施工的定向孔與該孔串孔聯(lián)通,故該組數(shù)據(jù)僅做統(tǒng)計,不納入總結(jié)分析中。對全部36 個鉆孔瓦斯抽采純量進(jìn)行連續(xù)、獨立監(jiān)測,結(jié)果見表3,增透孔組日均瓦斯抽采流量曲線如圖4 所示。
表3 試驗孔瓦斯抽采量統(tǒng)計Table 3 Statistics of the gas drainage volume in the experimental boreholes
圖4 增透孔組日均瓦斯抽采流量曲線Fig.4 Curves of daily average gas extraction of an permeability-enhancing borehole group
通過對增透孔抽采數(shù)據(jù)持續(xù)半年的統(tǒng)計(2019 年1 月22 日至2019 年6 月22 日,不含第八組數(shù)據(jù)),瓦斯抽采總量為589 915 m3;增透孔的日平均瓦斯抽采量為152 m3,觀測孔的日平均抽采量為308 m3,其中,5、15、30 m 觀測孔的瓦斯日均抽采量依次為381、325 和218 m3。
沖擊密度為0.5 次/m 的增透鉆孔組(除第八、九組數(shù)據(jù)外)平均瓦斯抽采量為286 m3/d,鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍平均為131 m。與常規(guī)孔組抽采量50 m3/d相比,增透后30 m 范圍內(nèi)瓦斯抽采量能夠平均提高4.7 倍。
當(dāng)增透密度為0.25 次/m 時,鉆孔內(nèi)增透范圍為120 m。該組5、15、30 m 觀測孔的平均瓦斯抽采量依次為244、190、100 m3/d,明顯低于增透密度為0.5 次/m 時的抽采效果,但其平均日抽采量僅為152 m3,仍較常規(guī)鉆孔提高了2 倍。
通過日均瓦斯抽采量對比,初步確認(rèn)沖擊密度和鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍是影響儲層改造效果的重要因素。增透改造后瓦斯抽采量顯著提高,表明可控電脈沖波在煤層中形成了氣體的滲流通道,提高儲層的透氣性。
式中:Si為某污染物的污染指數(shù);Ci為某污染物的實測濃度,mg/L;C0為某污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)值,mg/L.
通過圖5 可以看出,增透孔的抽采效果普遍低于不同距離上的觀測孔。不同組之間同類孔產(chǎn)氣量差別較大,但存在明顯規(guī)律:按照鉆孔瓦斯日抽采量大小排序,5 m 觀測孔>15 m 觀測孔>30 m 觀測孔>增透孔。這表明超過5 m 后,可控電脈沖波增透效果隨著距離的增加逐漸減弱。但30 m 處觀測孔的抽采量依然高于增透孔,這一結(jié)果也初步揭示了可控電脈沖波的影響半徑在30 m 以上。
圖5 試驗孔瓦斯抽采日均流量分布Fig.5 Daily average gas drainage volume distribution in the experimental boreholes
為進(jìn)一步驗證沖擊密度對可控電脈沖波增透效果的影響,在同一盤區(qū)同一煤層內(nèi)的81312 輔運巷道采用相同鉆孔施工參數(shù)開展了10 個鉆孔、4 種設(shè)計沖擊密度參數(shù)的對比驗證(0.5、0.4、0.3、0.2 次/m,與實際參數(shù)值略有偏差),鉆孔布置如圖6 所示,參數(shù)設(shè)計見表4。
通過對10 個驗證孔開展的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(統(tǒng)計時間2019 年12 月22 日至2020 年2 月12 日),結(jié)果見表5,日均瓦斯抽采量與沖擊密度對比關(guān)系如圖7 所示。
圖6 驗證孔布置Fig.6 Layout of the verification boreholes
表4 驗證孔增透工藝參數(shù)設(shè)計Table 4 Statistics of the parameters of permeabilityenhancing process of the verification boreholes
表5 驗證孔瓦斯排采量統(tǒng)計Table 5 Statistics of the gas drainage volume in the verification boreholes
由表4—表5 和圖7 可以看出,Z4 號孔采用最小沖擊次數(shù)0.28 次/m 時,鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍為85 m,無論從瓦斯抽采純量(9.84 m3/d)還是體積分?jǐn)?shù)方面,與常規(guī)單孔的抽采效果無異;沖擊密度增加至0.34 次/m、鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍為110 m,瓦斯抽采純量升高至45.76 m3/d,接近常規(guī)鉆孔組的日均抽采量;沖擊密度進(jìn)一步增加至0.42 次/m、鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍為 110 m 時,瓦斯抽采純量(96.80~135.84 m3/d)與體積分?jǐn)?shù)顯著提升;當(dāng)沖擊密度為0.55 次/m,平均鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍為100 m時,抽采純量與瓦斯?jié)舛却蠓忍岣?,甲烷體積分?jǐn)?shù)為 65.40%~79.82%,瓦斯抽采純量為 288.10~348.47 m3/d,這一數(shù)值與研究區(qū)81310 工作面采用沖擊密度為0.5 m/次的結(jié)果(286.00 m3/d)相近。
圖7 驗證孔不同沖擊密度下日均瓦斯抽采純量Fig.7 Daily average drainage volume of different impact density in the verification boreholes
對該組數(shù)值進(jìn)一步細(xì)分,當(dāng)沖擊密度同為0.55 次/m,鉆孔內(nèi)增透范圍為92 m 和110 m 時,其對應(yīng)的瓦斯抽采量分別為288.10 m3/d 和348.47 m3/d;當(dāng)沖擊密度為0.56 次/m 時,鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍為110 m和90 m,其抽采量為318.00 m3/d 和306.07 m3/d。由此可見,沖擊密度和鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍的進(jìn)一步提升可以獲得更好的瓦斯抽采效果。
針對不同沖擊密度,其瓦斯日平均抽采純量對比顯示:沖擊密度為0.33~0.34 次/m 的平均瓦斯抽采量是沖擊密度為0.28 次/m 的4.1 倍;沖擊密度為0.42 次/m 時,其結(jié)果是0.33~0.34 次/m 對應(yīng)抽采結(jié)果的2.9 倍;0.55~0.56 次/m 是0.42 次/m 的2.7 倍。由試驗結(jié)果得出,可控電脈沖波應(yīng)用在煤體較堅硬、瓦斯含量高、煤層透氣性系數(shù)低的保德煤礦煤儲層時,其施工參數(shù)設(shè)定為,沖擊密度平均0.5 次/m,鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍平均100 m,可實現(xiàn)最佳的儲層增透改造效果。
筆者綜合對比文獻(xiàn)[11]和本文試驗結(jié)果認(rèn)為,前人是在有篩管支護(hù)煤層鉆孔中探索了可控電脈沖波增透作業(yè)參數(shù)和脈沖影響范圍,篩管對鉆孔起到了一定的支撐保護(hù)作用。但由于沖擊次數(shù)過大,導(dǎo)致孔壁結(jié)構(gòu)破碎,沖擊效果受孔壁破碎影響較大。沖擊試驗對鉆孔壁改造過度,試驗周期長、能耗過大。
本次試驗是采用可控電脈沖波升級設(shè)備在裸眼鉆孔內(nèi)完成的,設(shè)備尺寸、結(jié)構(gòu)和操作智能與便捷性方面均有質(zhì)的提升。通過控制沖擊波能量和作業(yè)參數(shù),裸眼鉆孔結(jié)構(gòu)完整性得到了保護(hù)。鉆孔孔壁及附近滲流通道得到明顯改善,獲得了最佳作業(yè)參數(shù)。同時,本次試驗周期短、能耗顯著降低。
目前尚未在極軟(或構(gòu)造強烈)和堅硬煤層中開展相應(yīng)增透試驗,根據(jù)松軟煤層、較硬煤層和含油煤層中開展過的增透試驗[10-11]認(rèn)為,鉆孔成孔率及增透后鉆孔的維護(hù)是增透效果的關(guān)鍵影響因數(shù)。
無論松軟煤層還是較硬煤層,增透效果的保障條件之一是維護(hù)增透鉆孔的孔身結(jié)構(gòu)。目前還需要解決的共性問題是增透作業(yè)后下行鉆孔的排水問題。與煤層氣地面井排水降壓產(chǎn)氣相似,增透期間大量注入鉆孔內(nèi)的水無法及時排出,地層流體(含瓦斯)不能快速、有效地解吸并產(chǎn)出,影響增透效果的快速顯現(xiàn)。
a.可控電脈沖波能夠在低滲透性煤層鉆孔附近產(chǎn)生較多宏觀裂縫、裂隙和微裂縫,從而大幅度改善鉆孔附近煤層透氣性,顯著提高煤層瓦斯抽采量。
b.可控電脈沖波的沖擊密度、鉆孔內(nèi)增透作業(yè)范圍是提高增透效果的重要影響因素,在煤體較堅硬(堅固性系數(shù)為0.72)、瓦斯含量高、低透氣性煤層中,選擇鉆孔內(nèi)100 m 增透作業(yè)范圍,以平均0.5 次/m 沖擊密度作業(yè),效果最佳??煽仉娒}沖波增透效果半徑在30 m 以上,增透效果隨著距離的增加逐漸變差。
c.鉆孔成孔及增透后鉆孔結(jié)構(gòu)維護(hù)是確保增透效果的關(guān)鍵,增透后鉆孔內(nèi)積水的快速排出是急需解決的主要問題。
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