王曉東，張東華，楊永康

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)中心,山西 陽(yáng)泉 0450002.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

煤炭是我國(guó)的重要能源,在工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位是我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1]。近年來(lái),隨著煤礦采深的增加和煤礦單井產(chǎn)量的增加,煤層逐漸顯示出低滲透性高應(yīng)力的特征,煤與瓦斯的突出風(fēng)險(xiǎn)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(guó)煤系地層煤層氣開采的首要難題[5-6]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)以上問(wèn)題研究并實(shí)施過(guò)了很多的技術(shù)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(shù)在應(yīng)用中取得了良好的抽采效果,但是針對(duì)陽(yáng)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(shù)。其中,二氧化碳?xì)庀鄩毫压に嚰夹g(shù),可強(qiáng)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(shù)工藝不僅具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠、且能夠?qū)崿F(xiàn)降低瓦斯儲(chǔ)層壓力,提高煤層瓦斯抽采效果。氣相壓裂作用會(huì)使局部煤層的高應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,起到了降低突出危險(xiǎn)性的效果,從而有效地保障了突出煤層的掘進(jìn)和回采[12-13]。二氧化碳?xì)庀鄩毫鸭夹g(shù)在提高煤炭企業(yè)開采水平的同時(shí),也提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的貢獻(xiàn)率,在確保煤礦安全生產(chǎn)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(guó)家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心目標(biāo)。

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(nèi)的流動(dòng)方式屬于不穩(wěn)定的徑向流,煤層的瓦斯儲(chǔ)層壓力和鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力差對(duì)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(guān)聯(lián)系。故而,鉆孔瓦斯沿著徑向穩(wěn)定流動(dòng)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(nèi)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(guān)參數(shù)之間的關(guān)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(shí)現(xiàn),對(duì)于突出煤層,鉆孔孔徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn),故《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中對(duì)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(guān)鍵,鉆孔抽采有效半徑與鉆孔的間距具有密切的關(guān)系。研究結(jié)果表明,當(dāng)鉆孔間距超過(guò)最大半徑的兩倍時(shí),煤體賦存的瓦斯總有一部分會(huì)吸附在孔隙中,無(wú)法抽出,鉆孔間距縮短又會(huì)導(dǎo)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(guān),與煤層瓦斯含量有關(guān),與煤層厚度有關(guān),與鉆孔瓦斯衰減規(guī)律有關(guān),也與允許的抽采時(shí)間有關(guān)。要縮短抽采時(shí)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(shè)計(jì)瓦斯抽采鉆孔間距的基礎(chǔ)。本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地點(diǎn)是新元煤礦3#煤層的3108工作面,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓裂前后的瓦斯流量衰減系數(shù)和有效抽采半徑,來(lái)研究氣相壓裂對(duì)低透高突煤層的瓦斯抽采效果。

2.1 氣相壓裂的工藝過(guò)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(zhǎng)度是2 000 mm,液態(tài)CO2質(zhì)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(yīng)時(shí)間為約20 ms～40 ms,釋放壓力為120 MPa～180 MPa。鉆孔成孔后,及時(shí)將壓裂管、封孔器、推桿等推進(jìn)鉆孔,啟動(dòng)壓裂。壓裂后將壓裂設(shè)備退出鉆孔。打一個(gè)鉆孔,封一個(gè)鉆孔,聯(lián)網(wǎng)一個(gè)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(cè)定工藝流程:選取地點(diǎn)→鉆孔4個(gè)(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(fù)(若沒(méi)有,注入氮?dú)?→壓力穩(wěn)定后,鉆孔(B0和B4)→觀測(cè)→得出結(jié)論,具體布置圖見(jiàn)圖1。

2)壓裂后瓦斯抽采半徑測(cè)定工藝流程:選取地點(diǎn)→鉆孔4個(gè)(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(fù)(若沒(méi)有,注入氮?dú)?若還沒(méi)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(cè)→得出結(jié)論。

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

圖1 壓裂前測(cè)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(guò)對(duì)比分析壓裂前后鉆孔的布置方案,原始鉆孔B0與測(cè)試孔B1和B2的距離分別為1 m和1.5 m,B4與測(cè)試孔B3和B5的距離分別為2 m和3 m。應(yīng)用氣相壓裂技術(shù)后鉆孔C0與測(cè)試孔C1和C2的距離分別為3 m和4 m,C4與測(cè)試孔C3和C5的距離分別為5 m和6 m。詳細(xì)施工參數(shù)見(jiàn)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(shí)間的延長(zhǎng)衰減的速度。根據(jù)對(duì)B0、B4、C1、C2、C4鉆孔的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),把鉆孔流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(2)[15],通過(guò)回歸分析,可求出鉆孔瓦斯衰減系數(shù)α和相關(guān)系數(shù)R2。

qct=qcoe-β t.

(2)

式中:qct為持續(xù)t時(shí)的瓦斯流量,m3/min;qco為初始時(shí)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(shí)間,d。

壓裂前后不同鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律見(jiàn)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(cè)試區(qū)內(nèi)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?duì)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(jié)果Table 2 Borehole gas flow attenuation results

2.4 有效半徑測(cè)定結(jié)果

根據(jù)流量測(cè)定結(jié)果和鉆孔布置間距理論方程,進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算,壓裂前后參數(shù)測(cè)定結(jié)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(shí)間內(nèi),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(shí)間之后,壓裂鉆孔的抽采半徑還在隨著抽采天數(shù)的延長(zhǎng)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(jié)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(fù)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(shí)鉆孔的施工難度和成本卻逐漸增大;同時(shí),鉆孔瓦斯流量與壓力平方差成正比,通過(guò)提高抽采負(fù)壓來(lái)增加抽采量效果也不大,也不能產(chǎn)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(duì)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。