低渗透煤层液态CO2压裂增透研究

李俊堂

低渗透煤层液态CO2压裂增透研究

李俊堂

(山西离柳焦煤集团有限公司，山西 吕梁市 033000)

针对高瓦斯低的难题，渗透煤层抽采效率低，以山西某煤矿为实验矿井，基于液态CO2压裂本构模型，采用FLAC数值模拟软件对液态CO2压裂后的影响区域进行分析，确定了钻孔间距，并根据模拟结果进行了应用分析，研究结果表明，液态CO2爆破压裂最优的钻孔爆破间距为8.5 m；液态CO2爆破后具有很好的消突效果，爆破后瓦斯抽采浓度增加了45.7%；液态CO2爆破后，煤层透气性大幅提高，煤层透气性系数提高了 18.3倍。

煤矿安全;液态CO2;数值模拟;压裂增透

0 引 言

我国煤层开采已进入深部开采阶段，最大开采深度已达1400 m，深部开采面临“三高一低”的问题，煤层透气性低，瓦斯抽采难度增大，而卸压增透技术是解决低渗透煤层的有力武器[1-4]。

对于卸压增透技术，国内外众多学者进行了大量的研究。庞成[5]采用水力压裂技术在白皎煤矿进行了应用，针对该矿的地质特征以及煤层赋存条件，分析了水力压裂的力学机制，通过模拟计算了该矿的水力压裂技术参数，并进行了现场应用，水力压裂后，单孔瓦斯抽采量是非压裂区域的6.7倍，同时，水力压裂半径可达到80 m以上，水力压裂后瓦斯抽采钻孔施工量减少了33%，施工时间得到大幅降低；郑迅[6]以丁56～22240工作面为试验工作面，针对该工作面长期瓦斯异常现象，采用深孔松动爆破技术进行瓦斯治理，阐述了深孔松动爆破治理瓦斯机理，并给出了深孔松动爆破钻孔装药流程，松动爆破后该工作面风巷瓦斯浓度保持在0.32%左右，且在工作面回采过程中，没有出现瓦斯异常现象；张建军等[7]针对煤矿煤层低渗透的问题，采用液态CO2技术进行压裂，阐述了液态CO2爆破增透机理，并对压裂过程中裂隙发育特征进行了分析，研究结果表明，液态CO2增透技术可以产生高压气体、冲击波，液态CO2增透爆破最终形成以爆破孔为中心的粉碎区、破裂区和震动区3个 区域。

以上学者针对低渗透煤层卸压增透技术主要采用的是松动爆破、水力压裂、液态氮气压裂3种方法，前2种压裂技术存在一定安全隐患，第3种方法由于其吸附性弱于甲烷，因此，效果极差，本文以山西某矿为试验矿井，采用液态CO2技术进行压裂增透。

1 CO2增透机理

CO2气相压裂增透技术主要是CO2由液态转变为气态的过程中体积迅速变大，让煤层产生裂隙并且进一步发育，使得煤层中的瓦斯流通通道进一步增多，流速加快。在CO2由液态变为气态的瞬间，能够使得煤层产生大量裂隙，煤层中被压实的裂隙重新被打开，煤层渗透率、透气性得到有效提高，煤层中吸附状态的瓦斯大量转变为游离状态的瓦斯。同时，CO2吸附能力大于瓦斯吸附能力，瓦斯被CO2置换出来，瓦斯通过裂隙流出，极大地降低了煤层中的瓦斯含量[8-16]。其装置结构如图1所示。

图1 CO2压裂系统

2 CO2压裂模拟

2.1 模型建立

采用FLAC数值模拟对CO2压裂裂隙发育特征进行数值模拟。压裂模型为50 m×35 m×5 m。在模型中心位置布置压裂钻孔，压裂钻孔设置为97 mm，压裂钻孔设置长度为20 m，装入CO2的量为1.5 kg，瞬时最大冲击力为300 MPa，相关参数煤层容重为1.42 g/cm3，剪切模量为0.48 GPa，煤层内聚力为1.1 MPa，煤层单轴抗拉强度为0.58 MPa，煤层体积模量为1.39 GPa。

图2 模型建立

2.2 模拟结果与分析

数值模拟结果如图3所示。

图3 数值模拟结果

由图3可知，当爆破钻孔的间距为12 m时，由于爆破冲击半径小于6 m，因此，大部分煤层没有受到液态CO2的冲击，煤层没有受到影响，没有起到压裂作用；当爆破钻孔间距为10 m时，爆破有效区域大幅度提高，仅有很小的一部分没有受到影响；当爆破钻孔的间距为8 m时，整个煤层区域全部被液态CO2冲击波影响，爆破区域不存在未被压裂的区域，效果较好。综合以上模拟结果以及钻孔施工量的成本问题，将爆破钻孔布置为8.5 m时，就可以达到最好的压裂效果[12-17]。

3 应用分析

3.1 钻孔布置

按照数值模拟的结果进行钻孔布置，钻孔直径设置为97 mm，钻孔深度为60 m，具体布置如图4所示，压裂装置如图5所示。

3.2 效果分析

（1）消突效果。压裂过程中对工作面巷道瓦斯进行实时监测，其数据如表1所示。由表1可知，工作面进行CO2爆破后，其1值多在0.37～0.41 mL/(g•min1/2)，值多集中在1.8～2.1 kg/m之间，瓦斯含量为6.49 m3/t。说明进行CO2爆破后具有很好的消突效果。

图4 钻孔布置

图5 压裂装置

表1 监测数据

（2）增透技术。对CO2压裂后瓦斯抽采浓度进行分析，爆破后瓦斯抽采浓度增加了45.7%，经分析，CO2爆破后，产生大量的裂隙，同时，吸附状态的瓦斯转变为游离状态的瓦斯，这些瓦斯经爆破产生的裂隙进入瓦斯抽采巷道里，同时，CO2的吸附能力明显高于甲烷，使得瓦斯抽采保持高水平状态。

（3）煤层渗透率。液态CO2压裂结束后对压裂后的煤层透气性进行测试分析，发现煤层透气性由压裂前的0.068 m2/(MPa2•d)升高到压裂后的1.25 m2/(MPa2•d)，煤层透气性系数提高了18.3倍，保证了瓦斯抽采效果。

4 结 论

基于液态CO2压裂本构模型，采用FLAC数值模拟软件对液态CO2压裂后的影响区域进行分析，确定了最佳钻孔间距，并根据模拟结果进行了应用分析，得出以下结论：

（1）运用数值模拟以及有效钻孔间距理论，得出最优的钻孔爆破间距为8.5 m。

（2）液态CO2爆破后具有很好的消突效果。

（3）爆破后瓦斯抽采浓度增加了45.7%，CO2爆破后，产生大量的裂隙，同时，吸附状态的瓦斯转变为游离状态的瓦斯，这些瓦斯经爆破产生的裂隙进入瓦斯抽采巷道里，同时，CO2的吸附能力明显高于甲烷，使得瓦斯抽采保持高水平状态。

（4）液态CO2爆破后，煤层透气性由压裂前的0.068 m2/(MPa2•d)升高到压裂后的1.25 m2/(MPa2•d)，煤层透气性系数提高了18.3倍。

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(2018-12-06)

李俊堂(1964—)，男，主要从事煤矿安全的研究与管理工作，Email:3042994613@qq.com。