樊世星，文 虎，童校長(zhǎng),，吳學(xué)明，陳 建，張 鐸

（1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054；3.淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)分公司，安徽淮南 232001；4.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西咸陽 712046）

礦井瓦斯（煤層氣）作為煤的伴生物，不僅是威脅煤礦安全生產(chǎn)的首要危險(xiǎn)源，更是一種優(yōu)質(zhì)高效、綠色清潔的非常規(guī)天然氣資源[1-2]。瓦斯抽采是根治瓦斯災(zāi)害最直接、最現(xiàn)實(shí)的方法[3-4]。近年來，以液態(tài)CO2等作為壓裂流體的無水壓裂技術(shù)因其具有增能助排、節(jié)水、儲(chǔ)層傷害小、環(huán)境污染低和埋存CO2等特點(diǎn)，在非常規(guī)油氣儲(chǔ)層（頁巖油、煤層氣和頁巖氣等）開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。在國家大力推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，鼓勵(lì)大力發(fā)展煤層氣，部分高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井關(guān)閉和退出宏觀環(huán)境下[7]，煤礦區(qū)煤層氣壓裂增產(chǎn)新技術(shù)逐漸成為業(yè)界研究熱點(diǎn)。特別是在“2030 碳達(dá)峰和2060 碳中和”目標(biāo)引領(lǐng)，國家加快能源轉(zhuǎn)型，要求天然氣“增儲(chǔ)上產(chǎn)”，而煤層氣又處于“瓶頸”階段的新形勢(shì)下[8-9]，深入開展低滲煤層液態(tài)CO2壓裂增透機(jī)制研究，對(duì)促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用流體壓裂增透煤層，誘導(dǎo)煤層起裂和裂縫擴(kuò)展，不僅受地應(yīng)力、煤層力學(xué)性質(zhì)、煤孔隙壓力場(chǎng)等影響，還與壓裂液的流變性和濾失性等密切相關(guān)[10]。因此，掌握煤層液態(tài)CO2壓裂過程裂縫形成和擴(kuò)展規(guī)律，研究復(fù)雜裂縫形成機(jī)理，分析影響裂縫擴(kuò)展的主要因素，對(duì)于液態(tài)CO2壓裂增透技術(shù)的有效實(shí)施，提高瓦斯抽采效率具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值[11]。

鑒于此，團(tuán)隊(duì)自2014 年起重點(diǎn)圍繞液態(tài)CO2低黏強(qiáng)滲透性和低溫沖擊對(duì)巖體抗拉強(qiáng)度的弱化效應(yīng)，探索了液態(tài)CO2壓裂增透煤層裂縫起裂擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了液態(tài)CO2與水力壓裂裂縫擴(kuò)展特征，研制出國內(nèi)首套井下高壓（30 MPa）液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套裝備，分別在淮南礦區(qū)、韓城礦區(qū)和彬長(zhǎng)礦區(qū)完成了工業(yè)性試驗(yàn)，為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 液態(tài)CO2 壓裂增透理論與成套技術(shù)框架

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究壓裂過程中鉆孔內(nèi)液態(tài)CO2相態(tài)變化、煤層裂縫起裂擴(kuò)展規(guī)律及影響因素，形成了低透煤層液態(tài)CO2壓裂增透理論體系，低透煤層液態(tài)CO2壓裂增透理論及成套技術(shù)框架如圖1。

基于上述理論，研制了國內(nèi)首套井下高壓（30 MPa）液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套裝備[12]，研發(fā)了壓注鉆孔“兩注兩堵”封孔工藝、“注氣預(yù)冷-注液增透”壓注工藝、“溫度-壓力”遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與采集工藝及注液管路“低溫高壓”安全防護(hù)技術(shù)，形成了液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套技術(shù)。

2 液態(tài)CO2 壓裂煤層理論

對(duì)煤層實(shí)施液態(tài)CO2壓裂的目的是在煤層中建立人工裂縫和天然裂縫相互貫通的高傳導(dǎo)性裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高煤層滲透性。裂縫的起裂和擴(kuò)展壓力（pb和pe）是反應(yīng)裂縫起裂擴(kuò)展的關(guān)鍵參數(shù)，確定科學(xué)這2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)液態(tài)CO2壓裂工程中壓裂設(shè)備的選型和關(guān)鍵參數(shù)的選擇具有重要意義。

2.1 煤層液態(tài)CO2 壓裂過程相態(tài)分析

地面液態(tài)CO2壓裂工藝如圖2。液態(tài)CO2壓裂煤層過程相態(tài)變化如圖3。

與地面液態(tài)CO2壓裂工藝相似，井下CO2壓裂煤層過程中，當(dāng)儲(chǔ)罐中液態(tài)CO2（2 MPa，-30 ℃）經(jīng)增壓泵注入鉆孔底部時(shí)，溫度隨鉆孔深度增加而上升，壓力逐漸增大，此過程CO2仍處于液態(tài)，不會(huì)發(fā)生液氣相變（圖3 中B→C 段）；當(dāng)鉆井壓力繼續(xù)增大超過煤層起裂壓力時(shí)，煤體起裂并逐漸擴(kuò)展，液態(tài)CO2發(fā)生等焓膨脹，溫度持續(xù)上升，壓力呈脈動(dòng)變化（圖3 中C→D 段）。

2.2 裂縫起裂壓力確定模型

根據(jù)分析可知，液態(tài)CO2壓裂過程中始終保持液態(tài)。因此，可借助經(jīng)典水力壓裂理論推導(dǎo)液態(tài)CO2壓裂起裂壓力模型。煤層鉆孔周邊受力情況如圖4。

依據(jù)應(yīng)力疊加原理，鉆孔周圍煤層中的總應(yīng)力σt為水平主應(yīng)力（水平方向的最大主應(yīng)力σH和最小主應(yīng)力σh）引起的周向應(yīng)力與鉆孔壓力引起的周向應(yīng)力之和。傳統(tǒng)裂縫起裂模型和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則認(rèn)為鉆孔周圍總應(yīng)力σt達(dá)到煤巖的抗拉強(qiáng)度σf時(shí)，煤層發(fā)生起裂?？杀硎緸椋?/p>

由于液態(tài)CO2的低黏強(qiáng)滲透性，會(huì)顯著增強(qiáng)孔周煤層中的孔隙壓力p，在鉆孔周圍煤層中引起額外的彈性應(yīng)力，進(jìn)而將煤巖的抗拉強(qiáng)度降至σf-p，據(jù)此液態(tài)CO2壓裂煤層的起裂準(zhǔn)則可表示為：

在根據(jù)彈性力學(xué)和巖石力學(xué)理論[12]，即可確定滿足工程應(yīng)用的液態(tài)CO2壓裂煤層鉆孔起裂壓力pf的范圍。

pf的上限值為：

pf的下限值為：

2.3 裂縫擴(kuò)展規(guī)律

裂縫的起裂僅僅是增透的基礎(chǔ)，高壓液態(tài)CO2使已起裂的裂縫向遠(yuǎn)離鉆孔的方向擴(kuò)展，在煤層中形成復(fù)雜縫網(wǎng)對(duì)增透效果的影響更為顯著。

以I 型斷裂準(zhǔn)則為裂縫擴(kuò)展判別條件，采用KGD 模型對(duì)煤層液態(tài)CO2壓裂過程裂縫擴(kuò)展進(jìn)行簡(jiǎn)化[12]，KGD 裂縫形狀示意圖如圖5。圖中：h 為微元體半寬；2h 為微元體的寬度；b 為裂縫的半寬；b0為鉆孔孔壁（根部）裂縫半寬。

通過聯(lián)立裂縫內(nèi)液態(tài)CO2（牛頓流體）本構(gòu)方程和運(yùn)移控制方程，建立了恒定注液流量下壓裂孔口壓力與裂縫擴(kuò)展距離之間的量化表征關(guān)系[11]：

式中：KIC為煤層臨界斷裂強(qiáng)度因子，根據(jù)斷裂力學(xué)，當(dāng)總應(yīng)力強(qiáng)度因子KI小于KIC時(shí)，裂縫停止擴(kuò)展；σα為垂于裂隙面的地應(yīng)力；L 為裂縫長(zhǎng)度；p′為滲透壓力值；l0為裂縫內(nèi)尖端壓力等于p′時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂縫擴(kuò)展距離；p0為壓注孔口注液壓力；μ 為液態(tài)CO2表觀黏度；H 為煤層中裸孔段長(zhǎng)度；q 為液態(tài)CO2注入流量；λ 為發(fā)散型裂縫修正為對(duì)稱分布主裂縫模型所需要的修正系數(shù)；α 為裂隙傾角。

由式（5）可得煤巖的斷裂韌性KIC、地層應(yīng)力（σH、σh）、注液壓力p0及壓裂液黏度μ 均影響煤巖體內(nèi)裂隙的擴(kuò)展。

工程應(yīng)用當(dāng)中，可近似認(rèn)為沿x 方向上壓裂裂縫等寬，因此可將式（5）簡(jiǎn)化為：

式中：r0為壓裂鉆孔半徑；△p 為注液壓力差。

按照式（6）建立注液壓力差和裂縫擴(kuò)展距離之間的關(guān)系，裂縫擴(kuò)展距離與注液壓力差的變化曲線如圖6。

由圖6 可得：隨著注液壓力差的增大，壓裂裂縫擴(kuò)展半徑逐漸增大；在注液壓力較小時(shí)，裂縫擴(kuò)展半徑對(duì)注液壓力差變化并不敏感；在注液壓力差較大時(shí)，注液壓力對(duì)裂縫擴(kuò)散半徑影響較大，注液壓力增大會(huì)引其裂縫擴(kuò)散半徑的顯著變化。然而，需要指出的是根據(jù)式（6）建立的模型是基于壓裂液在裂縫內(nèi)沒有濾失而建立的，工程應(yīng)用中可通過對(duì)式（6）進(jìn)行一定修正，以得到相對(duì)準(zhǔn)確值，進(jìn)一步為壓裂鉆孔間距布置提供理論計(jì)算依據(jù)。

在黏性范圍0.87×10-4～0.87×10-3Pa·s 內(nèi)，選取4 個(gè)壓裂液黏度值，繪制裂縫擴(kuò)展距離隨注液壓力差的變化曲線，不同黏度時(shí)裂縫擴(kuò)展距離隨注液壓力差的變化曲線如圖7。分析可得：當(dāng)注液流量恒定，在相同注液壓力差條件下，壓裂液黏度越大，裂縫擴(kuò)展距離越小；這是由于隨著壓裂黏性增大，其在流動(dòng)過程中所受到的黏性阻力越大，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展距離較??；對(duì)比清水壓裂和液態(tài)CO2壓裂，由于液態(tài)CO2黏性較低，相同壓注流量和壓力差條件下，液態(tài)CO2壓裂裂縫擴(kuò)展距離較遠(yuǎn)。

不同縫寬時(shí)裂縫擴(kuò)展距離隨注液壓力差的變化曲線如圖8。由圖8 可知，當(dāng)注液流量恒定，相同注液壓力差條件下，裂縫寬度越大，其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展距離越大，當(dāng)裂縫寬度增加1 倍時(shí)，裂縫擴(kuò)展距離急劇增加。體現(xiàn)在工程中，觀察到的裂縫寬度越大，其延伸的距離也越遠(yuǎn)。

以式（6）為基礎(chǔ)，在工程試驗(yàn)所處的溫度和壓力范圍內(nèi)，水的黏度一般為0.87×10-3Pa·s，而相同溫度和壓力范圍內(nèi)，液態(tài)CO2的黏度為0.866×10-4～1.5×10-4Pa·s，水的黏度是CO2黏度的6～10 倍。如假設(shè)水的黏度為μw，則CO2的黏度μc可表示為εμw，即μc=εμw，系數(shù)ε 取0.10～0.16；假設(shè)液態(tài)CO2壓裂壓力差為△pc，水力壓裂的壓力差為△pw，則△pc=ζ·△pw；液態(tài)CO2產(chǎn)生的裂縫寬度為bc，水力壓裂產(chǎn)生的裂縫寬度為bw，則bc=ψbw，ζ、ψ 為方程系數(shù)。根據(jù)式（7），液態(tài)CO2壓裂裂縫的擴(kuò)展半徑Lc與水力壓裂擴(kuò)展半徑Lw的關(guān)系式可以用式（7）表示：

對(duì)式（7）進(jìn)行換算，則可表示為：

式（8）可以簡(jiǎn)化為：

式（9）建立了液態(tài)CO2壓裂裂縫最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Lc與水力壓裂裂縫最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Lw之間的關(guān)系。在某一具體工程中，已知水力壓裂裂縫擴(kuò)展距離時(shí)，即可通過ζ、ψ、ε 確定液態(tài)CO2壓裂裂縫擴(kuò)展距離。

3 井下高壓液態(tài)CO2 壓裂增透煤層成套裝備

3.1 成套裝備架構(gòu)

根據(jù)液態(tài)CO2相態(tài)理論，結(jié)合煤礦井下實(shí)際條件和現(xiàn)有裝備，提出了井下高壓液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套裝備系統(tǒng)架構(gòu)，井下高壓液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套裝備系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖9。

裝備集機(jī)、電、液、氣于一體，主要包括供液裝置、增壓裝置、“超溫超壓”閉鎖裝置、“溫度壓力”遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置以及連接上述裝置的管路和線纜等5 大部分。供液裝置選用西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CPW-2.0 型液態(tài)CO2儲(chǔ)罐；增壓裝置由防爆三相變頻異步電機(jī)、低溫液態(tài)CO2增壓泵組成；超溫超壓閉鎖裝置主要監(jiān)測(cè)增壓泵口液態(tài)CO2溫度壓力，保證CO2以液態(tài)進(jìn)入壓注管路；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置由數(shù)據(jù)記錄儀、測(cè)溫光纖、壓力和溫度變送器等組成；注液管路統(tǒng)一選用KJ20 型高壓膠管。

3.2 成套裝備關(guān)鍵參數(shù)

僅憑工程經(jīng)驗(yàn)，將3.1 中所述的各部分裝置按圖9 連接組成成套裝備，需要對(duì)各組成裝置性能參數(shù)科學(xué)確定，才能保證最大發(fā)揮成套裝備的整體性能，并驗(yàn)證成套裝備的設(shè)計(jì)架構(gòu)的合理性。

圖9 中CPW-2.0 型儲(chǔ)罐中CO2以氣液混合態(tài)共存。液態(tài)CO2位于儲(chǔ)罐底部，氣態(tài)CO2浮于儲(chǔ)罐上部，儲(chǔ)罐壓力約2.6 MPa，溫度約-35 ℃。罐體設(shè)置液相和氣相2 個(gè)出口，分別與液態(tài)CO2增壓泵的液相和氣相入口相連，液態(tài)CO2增壓泵出口通過KJ20型高壓膠管與壓注鉆孔相連。

按照以上連接方式，決定該套裝備性能的主要參數(shù)包括：液態(tài)CO2增壓泵進(jìn)液壓力、回氣壓力、出口壓力和流量。只有出口壓力和流量達(dá)到一定值，液態(tài)CO2才能在較短的時(shí)間內(nèi)充滿整個(gè)壓注鉆孔并產(chǎn)生高壓達(dá)到煤層的起裂壓力。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算依據(jù)

1）液態(tài)CO2增壓泵進(jìn)液壓力。按圖9 連接方式，液態(tài)CO2儲(chǔ)罐的液相出口與增壓泵的液相入口相連?？紤]連接管路壓力損失較小，液態(tài)CO2增壓泵進(jìn)液壓力應(yīng)略低于液態(tài)CO2儲(chǔ)罐液相出口壓力，因此確定液態(tài)CO2增壓泵進(jìn)液壓力為2.3～2.5 MPa。

2）液態(tài)CO2增壓泵回氣壓力。按圖9 連接方式，液態(tài)CO2儲(chǔ)罐氣相出口與增壓泵氣相入口相連。當(dāng)增壓泵運(yùn)行時(shí)，柱塞缸內(nèi)液態(tài)CO2受柱塞壓力經(jīng)增壓泵液相出口流入注液管路，而缸內(nèi)氣態(tài)CO2受壓則沿回氣管路返回至儲(chǔ)罐內(nèi)，進(jìn)一步促進(jìn)罐內(nèi)液相CO2流入增壓泵。為最大限度發(fā)揮增壓泵回氣壓力對(duì)液相CO2出流的促進(jìn)作用，同時(shí)考慮液態(tài)CO2儲(chǔ)罐的最大耐壓5.0 MPa，綜合確定增壓泵回氣壓力為3.5～4.0 MPa

3）液態(tài)CO2增壓泵出口壓力。液態(tài)CO2增壓泵的出口壓力直接反映了該套裝備的能力。根據(jù)2.2節(jié)分析，液態(tài)CO2增壓泵的出口壓力可根據(jù)式（3）、式（4），并結(jié)合目標(biāo)壓裂煤層賦存條件確定。

4）液態(tài)CO2增壓泵出口流量。液態(tài)CO2增壓泵出口流量可類比水力壓裂技術(shù)，通過真三軸應(yīng)力條件下清水和液態(tài)CO2壓裂實(shí)驗(yàn)對(duì)比進(jìn)行確定。

在真三軸壓裂試驗(yàn)中，定義壓注過程中單位體積壓裂液所產(chǎn)生的壓力為該壓裂液增壓效率，即ηeff=△p/△V，式中△p 為注入液體引起的壓力差；△V為注入液體體積。在相同三軸應(yīng)力條件下，可獲得2類壓裂液增壓效率隨相對(duì)壓力（p/p0）的變化，相同應(yīng)力條件下水和液態(tài)CO2壓裂增壓效率如圖10，p為鉆孔內(nèi)壓力；p0為鉆孔內(nèi)初始?jí)毫Α?/p>

根據(jù)圖10，注液穩(wěn)定階段清水和液態(tài)CO2壓裂增壓效率平均值的量化對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為：

式中：ηw、ηc為清水和液態(tài)CO2增壓效率；β 為比例系數(shù)。

按照?qǐng)D10 計(jì)算，式（10）中β≈3.86。根據(jù)增壓效率定義，清水壓裂和液態(tài)CO2壓裂注液量Qw與Qc的關(guān)系可表示如下：

由此L-CO2增壓泵出口流量可按式（12）計(jì)算：

3.4 成套裝備研發(fā)

基于上述理論分析，項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)淮南礦區(qū)、韓城礦區(qū)和彬長(zhǎng)礦區(qū)等區(qū)域煤層具體賦存條件，在與各企業(yè)合作開展的液態(tài)CO2壓裂增透煤層及驅(qū)替瓦斯相關(guān)科研項(xiàng)目支持下，先后研發(fā)并優(yōu)化了適用于穿層鉆孔和順層鉆孔施工工況的井下高壓液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套裝備。

在第II 代和第III 代液態(tài)CO2增壓裝備柱塞缸上增加了“超壓超溫”雙閉鎖裝置，當(dāng)柱塞缸內(nèi)液態(tài)CO2溫度和壓力超過預(yù)設(shè)值，發(fā)生明顯氣化后，液態(tài)CO2增壓泵立即停機(jī)，注液停止，以此保證鉆孔中CO2的液相率。

4 液態(tài)CO2 壓裂增透煤層的成套技術(shù)

4.1 “兩注兩返”封孔工藝

封孔質(zhì)量是影響液態(tài)CO2壓注孔內(nèi)壓力能否提高的關(guān)鍵，直接影響該技術(shù)的應(yīng)用效果。考慮液態(tài)CO2的低黏強(qiáng)滲透性，壓注鉆孔應(yīng)采用“兩注兩返”的封孔方式。“兩注兩返”封孔工藝示意圖如圖11。

具體實(shí)施過程如下：

1）①將DN25 的液態(tài)CO2壓注專用鋼管緊密連接后送入孔內(nèi)，直至孔底后固定，壓注孔末端2 m為花管；②伴隨壓注管布置1 趟直徑為8 mm 的PE膠管至C13-1 煤層底板位置，作為返漿管；③另外還需布設(shè)1 路DN25 長(zhǎng)為6 m 鍍鋅鐵管作為注漿管；④采用聚氨酯材料封堵孔口段，封孔深度不少于2.0 m。

2）①從注漿管注漿至返獎(jiǎng)管返漿后，關(guān)閉注漿管閘閥；②從返漿管注適當(dāng)清水后關(guān)閉返漿管閘閥，注水防止返漿管堵塞；第1 次注漿24 h 后，打開返漿管閘閥放水；③然后使用返漿管進(jìn)行第2 次注漿，待壓裂管返漿后關(guān)閉壓裂管閘閥，再次使用返漿管帶壓注漿，注漿壓力不小于6 MPa；④帶壓注漿結(jié)束后打開壓裂管閘閥，將壓裂管內(nèi)水泥漿放掉，并使用壓裂管注清水，注水壓力不小于6 MPa，防止壓裂管端頭的篩眼堵塞；⑤待第2 次注漿凝固48 h后打開壓裂管閘閥放掉清水，即可進(jìn)行液態(tài)CO2壓裂工作。

封孔過程中需注意以下細(xì)節(jié)：篩管段必須纏繞濾紗網(wǎng)，防止篩眼被堵塞；花管末端須在煤層內(nèi)；注漿水泥漿為白水泥與PC425#水泥按1:3 配備，水泥漿水灰比0.7∶1，加入白水泥提高凝固速度；各類接頭需擰緊，尤其是壓裂管必須擰緊；注漿管要確保無雜物堵塞，并在頂端適當(dāng)側(cè)面開部分孔，防止被堵塞；在第2 次注漿結(jié)束后，若封堵發(fā)現(xiàn)有裂隙可以從壓裂管補(bǔ)注1 次水泥漿進(jìn)行處理。

4.2 “注氣預(yù)冷-注液增透”壓注工藝

正如2.1 中所述，只有壓入鉆孔的CO2保持液相才能發(fā)揮液體的不可壓縮性，進(jìn)而致裂孔周煤巖。結(jié)合圖3，為防止輸送管路和鉆孔內(nèi)液態(tài)CO2吸熱氣化，液態(tài)CO2壓注前首先打開儲(chǔ)罐氣相出口，使鉆孔、輸送管路和儲(chǔ)罐間達(dá)到氣相平衡，壓力均達(dá)到2.6 MPa 左右，此過程一般持續(xù)5～10 min，其間輸送管路和鉆孔溫度均降低，上述過程稱為“注氣預(yù)冷”；預(yù)冷結(jié)束后，逐漸打開儲(chǔ)罐液相出口至最大，關(guān)閉氣相出口，打開增壓泵，使得鉆孔壓力快速上升直至超過煤層起裂壓力，實(shí)現(xiàn)煤層壓裂，此過程即為“注液增透”。

4.3 注液管路“低溫高壓”安全防護(hù)技術(shù)

由于壓注過程輸送管路中液態(tài)CO2依然維持約-20 ℃低溫，管路會(huì)由于熱脹冷縮作用出現(xiàn)收縮變短。為防止管路收縮造成爆管引發(fā)液相CO2泄露，整體輸送管路上還需布設(shè)一定長(zhǎng)度柔性耐高壓軟管為熱脹冷縮留有一定程度變形空間。

5 低透煤層液態(tài)CO2 壓裂增透工程實(shí)踐

5.1 鉆孔設(shè)計(jì)

淮南礦區(qū)C13-1 煤為突出煤層，煤層均厚4.6 m，傾角約5°，平均瓦斯含量7.57 m3/t，平均瓦斯壓力2.81 MPa。按照淮南礦區(qū)采掘部署，C13-1 煤層工作面進(jìn)、回風(fēng)巷掘進(jìn)前需通過底抽巷對(duì)其進(jìn)行消突掩護(hù)。本次液態(tài)CO2壓裂地點(diǎn)選擇在潘三礦C13-1 煤層的底抽巷-2121（1）瓦斯治理巷內(nèi)。根據(jù)是式（7），當(dāng)取截面修正系數(shù)λ=10，液態(tài)CO2黏度μ=1.0×10-4Pa·s，壓裂裂縫寬b=0.55×10-4m，液態(tài)CO2壓注流量q=0.83×10-4m3/s。理論計(jì)算液態(tài)CO2壓裂裂縫擴(kuò)展距離L 為20.4 m：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，相鄰液態(tài)CO2壓注孔間距定為40～41 m，結(jié)合2121（1）瓦斯治理巷實(shí)際情況，2 個(gè)液態(tài)CO2壓注鉆孔（Y1 和Y2）分別布設(shè)在29號(hào)和30 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)。此外，為方便考察液態(tài)CO2壓裂增透效果，分別在2 個(gè)液態(tài)CO2壓注鉆孔四周不同距離布設(shè)了7 個(gè)考察孔（K1～K7）。

5.2 壓裂過程

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)每個(gè)液態(tài)CO2壓裂鉆孔均進(jìn)行了2 次壓裂，Y1 壓裂孔壓注過程壓力和溫度變化如圖12，Y2 壓裂孔壓注過程壓力和溫度變化如圖13。

由圖12 和圖13 可知：Y1 鉆孔2 次壓裂的起裂壓力值分別為22.9、16.2 MPa；Y2 鉆孔2 次壓裂的起裂壓力值分別為21.3、20.1 MPa。2 鉆孔4 次壓裂煤層起裂壓力值與式（3）和式（4）的計(jì)算結(jié)果在工程允許的范圍內(nèi)相吻合。

5.3 煤層壓裂增透效果

Y1 鉆孔2 次壓裂完成后，將K1、K2 和K3 抽采孔匯流進(jìn)行瓦斯抽采效果考察，并與附近未采取任何增透措施區(qū)域內(nèi)115 個(gè)上向穿層鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行對(duì)比。液態(tài)CO2壓裂前后單孔瓦斯抽采情況如圖14。

由圖14（a）可知：液態(tài)CO2壓裂后10 d 內(nèi)，單孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)先逐漸衰減后緩慢增加，這是由于此時(shí)煤層中CO2賦存較多而導(dǎo)致的；整體上看，液態(tài)CO2壓裂后相比未采取任何增透措施的區(qū)域，單孔瓦斯抽采濃度提高1.47 倍。

圖14（b）可知：2121（1）瓦斯治理巷西段單孔瓦斯抽采純量大致可分為2 段，前半段單孔瓦斯抽采純量為0.005 5 m3/min，后半段單孔純量為0.011 4 m3/min；以相同的時(shí)間為分割點(diǎn)，液態(tài)CO2壓裂后前半段單孔瓦斯抽采純量為0.014 1 m3/min，后半段單孔瓦斯抽采純量為0.019 9 m3/min，分別提高2.56倍和1.75 倍。

6 結(jié) 語

1）提出了低透煤層液態(tài)CO2壓裂增透理論體系及成套技術(shù)框架。據(jù)應(yīng)力疊加原理和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，考慮液態(tài)CO2的低黏強(qiáng)滲透性，建立了液態(tài)CO2壓裂起裂壓力確定模型。

2）以I 型斷裂準(zhǔn)則為裂縫擴(kuò)展判別條件，采用KGD 模型對(duì)煤層液態(tài)CO2壓裂過程裂縫擴(kuò)展進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了恒定注液流量下壓裂孔口壓力與裂縫擴(kuò)展距離之間的量化表征關(guān)系，掌握了注液壓力、壓裂液黏度、裂縫產(chǎn)狀對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。

3）研發(fā)了國內(nèi)首套井下液態(tài)CO2壓裂增透煤層成套裝備，確定了該裝備性能的4 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

4）液態(tài)CO2壓裂增透影響范圍約20 m，相比未采取任何增透措施的區(qū)域，單孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高約1.47 倍，瓦斯抽采純量提高1.75 倍。