氣相壓裂低滲難抽煤層瓦斯增透效果檢驗

李昊龍，李　佳

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南　焦作　454000)

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·試驗研究·

氣相壓裂低滲難抽煤層瓦斯增透效果檢驗

李昊龍，李佳

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南焦作454000)

摘要介紹了針對低滲難抽采煤層的增透強抽新型二氧化碳氣相壓裂技術，并通過現場試驗測試了原始煤層與實施氣相壓裂后煤層透氣性系數與鉆孔瓦斯衰減系數的變化。通過數據分析表明，氣相壓裂技術能顯著增加鉆孔周圍煤層有效裂隙數量，提高煤層透氣性，降低鉆孔瓦斯衰減程度，提高低滲透難抽采煤層瓦斯抽采效率。

關鍵詞低滲難抽采煤層；氣相壓裂；透氣性系數；衰減系數

預抽煤層瓦斯和開采保護層是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中規(guī)定的兩類主要防突措施[1]. 但是隨著我國礦井開采深度的增加，許多礦井保護層開采條件難度增大或轉變?yōu)椴痪哂斜Ｗo層開采條件，因此，預抽煤層瓦斯成為大多數礦井防治煤與瓦斯突出與治理礦井瓦斯的主要措施。雖然我國礦井瓦斯的抽采量和利用率不斷提高，但是瓦斯抽采率仍然偏低[2]，我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低滲透率煤層，滲透率只有10-7～10-6μm2[3]. 大量的現場實踐表明，對于低透氣性難抽采煤層只采用常規(guī)的鉆孔抽采方式預抽煤層瓦斯難以達到較好的抽采效果，因此，必須采用一定的技術手段對煤層進行改造，以增加煤層有效裂隙數量與質量，增加煤層的透氣性才能高效地抽出瓦斯。

針對低滲難抽煤層相關研究單位相繼試驗研究出多種增加煤層透氣性強化瓦斯抽采的技術措施，如：深孔預裂爆破、水力壓裂、水力割縫、高壓磨料射流割縫、復合射孔技術等[4]，這些煤層增透技術由于受地質條件限制或使用過程中引發(fā)問題使推廣受到限制。

1氣相壓裂技術簡介

二氧化碳氣相壓裂技術是一項新的煤層增透強抽技術，該技術利用液態(tài)二氧化碳在31 ℃、7.2 MPa時能瞬間轉化為氣態(tài)，體積急速膨脹對外做功的特點，通過二氧化碳物理爆破時產生的應力波、爆生氣體共同作用于煤體，使煤體內原生裂隙擴展發(fā)育、溝通，并在煤體內產生新的裂隙，增加煤體內瓦斯運移通道，降低瓦斯運移的阻力，進而增加煤層透氣性、降低鉆孔瓦斯衰減程度。

二氧化碳氣相壓裂過程為物理變化過程，不產生火花，不會造成煤礦井下安全隱患。氣體膨脹過程對外做功吸收熱量，能降低氣相壓裂位置附近處溫度；壓裂能量與影響范圍可通過選取不同的壓裂桿數量與充裝二氧化碳重量控制，便于根據具體目的改變壓裂方案。此項技術安全性高、故障率低、操作方便、壓裂器材可重復使用、具有很高經濟效益。壓裂桿是氣相壓裂技術的核心，主要由充氣閥、加熱管、壓裂管、剪切片和噴氣閥構成，本次測試選擇壓裂桿參數見表1.

表1　壓裂桿參數表

氣相壓裂裝置在煤層中施工布置見圖1，壓裂桿為2 m/根，施工時壓裂桿在鉆孔中逐根連接并通過導線前后溝通，孔口為專用橡膠封孔器封孔15 m，孔外利用頂桿將其牢固定于巷幫或鉆機上，確保安全。

圖1　氣相壓裂裝置施工布置圖

氣相壓裂施工工藝：

1) 施工前檢查并確保每根壓裂桿能正常使用，在孔口連接壓裂桿并依次推入鉆孔。推進時要逐根檢查連接電路電阻情況，確保每根壓裂桿都正常連接方可將壓裂桿推進鉆孔，推進時嚴禁旋轉壓裂桿。

2) 推進鉆孔的壓裂桿達到設計要求時連接推桿與封孔器，通過推桿將壓裂桿送入設計的煤層壓裂位置。

3) 將孔外推桿固定在鉆機上，再次確認孔內壓裂桿連接可靠，檢測壓裂桿間電路連接正常。

4) 利用高壓手壓泵對鉆孔內封孔器進行注水封孔，當手壓泵壓力表達到7 MPa時關閉截止閥。

5) 壓裂現場300 m布置警戒線，所有人員撤離至警戒線以外，并將引發(fā)線路牽引至警戒線外的新鮮風流中，測量巷道內CH4、CO2濃度達到要求后，方可啟動引發(fā)器。

6) 壓裂30 min后檢測巷道內CH4、CO2濃度達到要求后進入壓裂現場，確認安全后卸壓封孔器并逐根退出壓裂桿。

2增透效果檢驗方案

2.1測試原理與方法

國家安全生產行業(yè)標準《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ 1027-2006)[5]以鉆孔瓦斯流量衰減系數(d-1)與煤層透氣性系數m2/(MPa2·d)為指標將未卸壓煤層的瓦斯抽放難易程度劃分為3類：容易抽放、可以抽放、較難抽放。針對不同抽放難易程度的煤層采取不同的抽采措施，利于煤礦高效合理的管理與利用煤層瓦斯。本文通過現場施工鉆孔測試同一試驗區(qū)域原始煤層與氣相壓裂后煤層透氣性系數與鉆孔瓦斯衰減系數的變化來研究氣相壓裂技術對低滲難抽煤層增加煤層透氣性強化瓦斯抽采的效果。

煤層透氣性系數物理意義是指在1 m長煤體上，當壓力平方差為1 MPa2時，每日流過1 m2煤層斷面的瓦斯量(m3).其測定有幾種不同方法，如克氏壓力法、馬可尼壓力法、克里切夫斯流量法、徑向流量法等，由于徑向流量法不受煤層條件限制而且測定結果更穩(wěn)定，因此，國內煤層透氣性系數的測定廣泛采用周世寧院士提出的徑向流量法。徑向流量法是以瓦斯在煤層中徑向不穩(wěn)定滲流理論為基礎，依據達西定律和質量守恒定律，通過對煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流微分方程的拉氏變換，并應用相似理論結合現場試驗數據計算出結果?，F場測定時在巷道內向煤層打鉆孔，密封鉆孔測定煤層原始瓦斯壓力，排放鉆孔瓦斯并測量不同排放時間時鉆孔瓦斯流量，依據徑向流動理論計算試驗區(qū)塊的煤層透氣性系數[6].

鉆孔瓦斯流量衰減系數是表示鉆孔內瓦斯流量隨排放時間的延長呈衰減變化的系數，其測定方法是在未受采動影響的煤層中打一定深度鉆孔后密封，并測量不同排放時間時鉆孔自然瓦斯流量數據，根據記錄的不同排放時間下鉆孔瓦斯流量數組(q；t)，用下式計算鉆孔初始瓦斯涌出量q0和瓦斯流量衰減系數a，計算公式如下：

式中：

qt—排放時間為t時的鉆孔自然瓦斯流量，L/min；

q0—排放時間t=0時鉆孔自然瓦斯流量，L/min；

a—鉆孔自然瓦斯流量衰減系數，d-1；

t—鉆孔自然排放瓦斯時間，d.

準確測量煤層內鉆孔不同排放時間的鉆孔瓦斯流量值是計算煤層透氣性系數與瓦斯流量衰減系數的關鍵。煤層瓦斯流量測定鉆孔應布置在原始未卸壓煤層，并且確保測量的瓦斯流量煤層不受采動影響，根據此流量數據才能準確計算得到煤層透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數。本次鉆孔瓦斯流量測定采用的是ZLD-2型鉆孔多級流量計。該流量計采用噴咀節(jié)流原理設計，流量計設計5個不同孔徑的噴咀，通過更換不同孔徑的噴咀可獲得不同的流量測定范圍。流量計測定范圍為0.1～100 L/min，儀器分辨率為1 mm，水柱計壓差讀數為0～160 mm.

2.2實驗地點概況

地質構造與裂隙帶影響煤層瓦斯流動狀態(tài)并且對原始煤層瓦斯壓力與鉆孔瓦斯流量的準確測定影響較大，因此，測定地點應選擇在煤層賦存穩(wěn)定，周圍沒有較大褶曲、斷層、裂隙帶等構造，頂底板巖性致密并且試驗期間不受采動影響的區(qū)域。

現場試驗地點選擇在李村煤礦1303進風巷，測點附近無斷層、褶曲、裂隙帶等構造，試驗前該段煤層未實施過預抽工作。煤層頂板為深灰色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖，煤層平均厚4.76 m. 試驗區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，煤層呈一單斜構造，傾角一般3°～8°，為近水平煤層，實測的煤層瓦斯含量值為10.96 m3/t，此區(qū)域試驗期間內不受采動影響，適合煤層瓦斯壓力與鉆孔瓦斯流量的測量。

2.3鉆孔施工與數據測量

共設計施工4個試驗鉆孔，其中Y1、Y2鉆孔用于測定煤層原始透氣性系數與鉆孔瓦斯衰減系數，Y3、Y4鉆孔用于測定氣相壓裂后煤層透氣性系數與鉆孔瓦斯衰減系數，通過對比煤層原始與氣相壓裂后煤層透氣性系數與鉆孔瓦斯衰減系數的變化研究氣相壓裂技術對煤層增加透氣性強化抽采的效果。測試鉆孔的施工參數見表2.

表2　測試鉆孔施工參數表

1) 按照施工參數依次施工測定鉆孔，保證各個鉆孔平直、孔形完整、鉆孔深度達到要求。

2) Y1、Y2鉆孔施工完畢后立即封孔測壓，本次封孔采用膨脹水泥與聚氨酯綜合封孔工藝，封孔深度30 m，在管路開口處連接球形截止閥與測嘴方便與多級流量計連接，用于測量鉆孔瓦斯流量，封孔24 h后安裝量程為1.0 MPa抗震壓力表。

3) Y3、Y4鉆孔施工完畢后進行二氧化碳氣相壓裂，本次測試選擇15根壓裂桿，氣相壓裂施工后立即封孔測壓，其余施工步驟同Y1、Y2鉆孔。

4) 每天觀測4個測試鉆孔壓力表讀數并記錄，并將每個壓力表讀數穩(wěn)定時壓力值作為其鉆孔的原始瓦斯壓力值，壓力值穩(wěn)定一般需要15～20天。

5) 壓力表讀數均穩(wěn)定后即可卸下壓力表排放鉆孔瓦斯，為防止巷道內瓦斯?jié)舛瘸?，可將鉆孔前端測嘴連入抽采管路一段時間，直至壓力表讀數為零即可，然后保證鉆孔瓦斯呈自然排放狀態(tài)。每天用ZLD-2型多級流量計測量各個鉆孔瓦斯流量數據并準確記錄，盡量在每天同一時間測量鉆孔瓦斯流量。

3數據處理與結果分析

由于煤層透氣性系數與鉆孔瓦斯衰減系數的測定方法均假設煤層為均值，現場測定在煤層中打鉆孔時使鉆孔周圍煤體應力狀態(tài)重新分布，在鉆孔周圍形成一破碎圈，在破碎圈影響范圍內煤體孔隙、裂隙增加，鉆孔瓦斯流量增大，透氣性系數增大。隨著時間的延長瓦斯徑向流動場將不斷擴大，鉆孔擾動的影響范圍將逐漸減小，因此鉆孔瓦斯流量的測定時間應足夠長，使瓦斯流動場范圍足夠大，減小鉆孔擾動對測量的影響。本次測量時間設計為16天，根據每天測量的自然狀態(tài)下鉆孔瓦斯流量數據計算出每個鉆孔的百米鉆孔瓦斯流量，測量流量數據見表3.

表3　4個鉆孔百米瓦斯流量數據表

3.1煤層透氣性系數測定結果與分析

根據煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流動理論并結合現場測定的煤層原始瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、鉆孔半徑、鉆孔長度等參數計算煤層原始與氣相壓裂后透氣性系數，通過計算數據研究氣相壓裂技術對低透氣性煤層的增透效果。計算結果見表4.

表4　煤層透氣性系數測定結果表

由表4的數據可知，煤層原始煤層透氣性系數為0.007 9～0.056 7 m2/(MPa2·d)，《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》中規(guī)定未卸壓煤層透氣性系數<0.1即為難抽采煤層，可知原始煤層為難抽采煤層，氣相壓裂后煤層透氣性系數為0.624 4～0.732 0 m2/(MPa2·d)，由計算結果知氣相壓裂后煤層透氣性系數增加了13～91倍。對煤層實施氣相壓裂后改變了壓裂影響范圍內煤層的原始裂隙情況，使煤層原生裂隙得以擴展，并產生了新裂隙，增加瓦斯運移通道，煤層透氣性系數顯著增加，試驗區(qū)域內煤層瓦斯抽采難易程度由難抽采煤層改造為可以抽采煤層，提高了低透氣性難抽采煤層瓦斯抽采效率。

3.2鉆孔瓦斯流量衰減系數測定結果與分析

根據每天測量的鉆孔瓦斯流量數據繪制各個瓦斯流量變化曲線圖，并對各個測試鉆孔每天百米鉆孔瓦斯流量數據進行回歸分析，可計算出各個鉆孔瓦斯流量衰減系數?；貧w分析結果見圖2，圖3.

圖2　Y1、Y2鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律圖

圖3　Y3、Y4鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律圖

由每個百米鉆孔瓦斯流量數據回歸分析曲線圖可知：

1) 原始煤層測試Y1鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.029 3e-0.128t，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.128 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為329.6 m3；Y2鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.044 4e-0.212t，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.212 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為301.6 m3.

2) 氣相壓裂測試鉆孔Y3鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.039 7e-0.040t，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.040 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為1 429.2 m3；Y4鉆孔瓦斯衰減規(guī)律qt=0.036e-0.046t，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.046 d-1，百米鉆孔瓦斯自然涌出極限為1 126.9 m3.

3) 由計算結果可知，試驗區(qū)域內煤層原始鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.128～0.212 d-1，氣相壓裂后煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.040～0.046 d-1，氣相壓裂后鉆孔瓦斯衰減強度減小81%，二氧化碳氣相壓裂后煤層由難抽采煤層改造為可以抽采煤層，氣相壓裂前后百米鉆孔瓦斯涌出極限量由301.6 m3增加到1 429.2 m3，增加3.7倍，氣相壓裂技術能較好地增加瓦斯抽采量并且抽采鉆孔瓦斯流量具有較高的穩(wěn)定性。

4結語

1) 低透氣性難抽采煤層瓦斯抽采量低、有效抽采時間短，實踐表明，低透難抽采煤層很難通過改變抽采鉆孔的參數提高瓦斯抽采率。因此，需要采取一定的煤層增透措施增加煤層內有效裂隙，降低鉆孔瓦斯衰減系數，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率。

2) 二氧化碳氣相壓裂裝置使用方便，利于井下施工；壓裂裝置可重復利用，降低了煤層增透開采成本，經濟效益高；氣相壓裂技術比常規(guī)炸藥爆破、水力沖孔等增透措施安全系數高，不會引起噴孔現象，利于煤礦安全生產，是一項具有廣泛推廣價值的技術。

3) 現場試驗研究表明，在低透氣性煤層內實施氣相壓裂技術后鉆孔周圍煤體裂隙發(fā)育程度增強，煤層透氣性系數增加13～91倍；鉆孔瓦斯衰減強度減小81%，增加了抽采鉆孔有效抽采時間；百米鉆孔瓦斯涌出極限量增加3.7倍，將低透難抽采煤層改造為可以抽采煤層，增加抽采鉆孔抽采量，降低了煤層瓦斯壓力與瓦斯含量，利于煤礦更加高效合理地管理利用礦井瓦斯。

參考文獻

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Gas Antireflection Effect Test of Low Permeability and Hard Extractive Coal Seam by Gaseous Phase Fracturing Technology

LI Haolong, LI Jia

AbstractIntroduces a new type of technology increase seam permeability by gas fracturing, tests coal seam permeability coefficient and drilling gas attenuation coefficient in the original coal seam and the coal seam after gas fracturing by field test. Through analysis the data can learn that gas fracturing technology can increase the effective fracture quantity of drill hole around coal seam, enhance the gas permeability, reduce gas attenuation coefficient, improves the efficiency of gas drainage in low permeability coal seam.

Key wordsLow permeability and hard extractive coal seam; Gaseous phase fracturing; Permeability coefficient; Attenuation coefficient

中圖分類號：TD712

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0038-05

作者簡介：李昊龍(1988—)，男，河南永城人，2014年河南理工大學在讀碩士研究生，主要從事瓦斯地質理論和應用的研究(E-mail)hpulhl@163.com

收稿日期：2016-01-07