二氧化碳相变压裂技术在井筒揭煤中的应用

刘九员，刘立州

（晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006）

二氧化碳相变压裂技术在井筒揭煤中的应用

刘九员，刘立州

（晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006）

为解决松软低透气性煤层难以抽放的难题，采用了二氧化碳相变压裂技术，通过赵庄煤业南苏进风井揭煤中的应用，证明了该技术在煤层卸压增透中具有快速、高效、安全的优点，为二氧化碳相变压裂新技术的应用研究提供了借鉴。

二氧化碳相变；压裂技术；预裂

在瓦斯治理和消突方面液态二氧化碳相变预裂技术为国内最新技术，其研究价值和应用价值在某种程度上能够与炸药的作用相提并论。将二氧化碳相变压裂技术应用于揭煤中，是利用其释放出高压气体，利用膨胀做功来达到卸压增透的目的。

1 二氧化碳相变压裂技术产生背景

由于我国大多数煤层地质构造复杂、瓦斯压力高、地应力大、透气性差，在预抽煤层瓦斯时，为了取得良好的预抽效果，晋煤集团一直在探索新技术新方法，其中包括：深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔强化增透措施。但是深孔预裂爆破存在的炸药控制严格、装药工艺复杂、合理装药量难以确定、易于出现哑炮及哑炮处理困难。水力压裂设备复杂、封孔困难、压裂裂缝不可控。水力冲孔的高压水射流扩孔存在塌孔压埋钻具、喷孔严重、作业场所环境恶劣，制约了这三项技术在煤矿的推广应用[1]。

因此，探索一种既能传承深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔方法的良好强化增透效果，又能克服它们在技术、装备、操作层面的缺陷的强化预抽技术，已成为晋煤集团应对赵庄、长平等松软低透性煤层技术创新中新的追求。

2 二氧化碳相变压裂结构与原理

2.1 二氧化碳相变压裂技术简介

二氧化碳相变压裂技术是利用CO2液相转换成气相特性进行爆破。CO2在31℃以下、7.2 MPa压力时以液态存在，而超过31℃，无论其压力多大，液体CO2瞬间膨胀为气体，体积极速膨胀对周围物体进行爆破[2-3]。

应用时，在压裂管内用专用高压泵充装液态CO2，使用时通过化学加热，使液态CO2在20～40 ms内迅速转化为气态，其体积瞬间膨胀600多倍，压力剧增至设定压力，将爆破片冲破，高能CO2气体瞬间从压裂管喷气孔孔内爆发，对煤体作用，从而达到物理爆破增透的目的[4]。二氧化碳相变压裂装备结构示意图，见图1。

图1 二氧化碳相变压裂装备结构示意图

2.2 二氧化碳相变压裂技术原理

二氧化碳相变瞬间膨胀的高能气体作用于煤层，使煤体松动，产生大量裂隙，煤体内被填充或压实的裂隙被重新打开，从而提高煤层透气性、渗透率，促使大量吸附状态的瓦斯转化为游离状态，并为游离状态的瓦斯提供释放通道，提高瓦斯抽采效率，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力[5-6]，化解可能存在的“瓦斯包”，使应力集中区向煤体深部移动，在压裂煤层前方造成较长的卸压带，均化压力场、平衡应力场，起到卸压增透作用，从而提高钻孔瓦斯抽采量[7-8]。二氧化碳相变压裂技术原理，见图2。

图2 二氧化碳相变压裂技术原理

3 二氧化碳相变压裂技术在赵庄煤业南苏进风井筒揭煤的应用

3.1 赵庄煤业南苏进风井气相压裂设计

南苏进风井井筒距离3号煤层顶板法距7 m处。施工气相压裂孔23个，普通预抽钻孔54个，共计77个，进行瓦斯抽放。压裂钻孔和预抽钻孔按照半径5 m的内接正六边形设计，六边形中心为压裂钻孔，6个交点为普通预抽钻孔。南苏进风井气相压裂钻孔设计图，见图3，南苏进风井压裂钻孔参数，如表1所示，预抽钻孔参数，如表2所示。

图3 南苏进风井气相压裂钻孔设计图

表1 赵庄煤业南苏进风井压裂钻孔参数表

表2 赵庄煤业南苏进风井预抽钻孔参数表

各钻孔按以上图表提供的参数施工，图中南苏进风井共布置4圈压裂钻孔，6圈预抽钻孔，共计77个钻孔。井筒距煤层7 m时施工作业，施工时按以下的步骤执行：a.施工第一圈预抽孔；b.施工第一圈压裂孔；c.施工第二、三圈预抽孔；d.施工第二圈压裂孔；e.施工第四、五、六圈预抽孔；f.施工第三、四圈压裂孔。

3.2 二氧化碳相变压裂效果分析

根据泵站数据统计压裂前：平均瓦斯浓度为3.44%，日均混合流量为2.71 m3/min，日均纯瓦斯量为134.2 m3，抽放总量为1 374 m3。

压裂后：根据15 d放数据，泵站平均瓦斯浓度20.48%，日均混合流量为3.786 m3/min，日均抽放量为1 116.5 m3，累计抽放总量为16 748 m3。

根据现场测量，压裂前后瓦斯流量与瓦斯浓度对比变化值，见图4和图5。

图4 压裂前瓦斯流量与瓦斯浓度实测值

根据以上图表分析及压裂前后瓦斯抽放数据统计，压裂前抽放量0.093 m3/min，压裂后瓦斯抽放纯量为0.78 m3/min，较压裂前提高8.3倍，百米瓦斯抽放量为0.186 m3/min（方案预期为0.2 m3/min），相比压裂前提高了2.38倍。

图5 压裂后瓦斯流量与瓦斯浓度实测值

4 结束语

二氧化碳相变压裂技术在赵庄揭煤的应用中取得了良好的效果，压裂后瓦斯抽放量可以提高7～8倍，大大地提高了瓦斯抽放量，而且二氧化碳相变压裂技术使用简单、方便，易于操作，使用成本低，是煤矿掘进面增透消突十分理想的技术，可以在其它条件类似的矿井中推广应用。

[1]徐颖，张笑天.气体爆破疏通煤仓堵塞技术[J].煤炭科学技术，2001，9（29）：9.

[2]崔旭芳，杨艳军，史沁彬，等.综放初采顶板预裂爆破技术应用[J].煤，2012，21（6）：18-20.

[3]魏刚，夏洪满，姜凤岗，等.液态CO2爆破器落煤试验研究[J].煤矿开采，2009，14（1）：22.

[4]刘志忠.深孔预裂爆破技术在朱庄煤矿Ⅱ646工作面顶板管理中的应用[J].矿业科学技术，20l1，39（3）：174-176.

[5]窦伟，陈茂兴.爆破放顶技术在坚硬顶板综采面的应用[J].能源技术与管理，2012（1）：89-90.

[6]许贞，李莉.非常规发泡技术在油田现场的应用：液态二氧化碳压裂技术的推广[J].国外油田工程，2005（1）：52-53.

[7]宫世文，张荪茗，孙震，等.深孔预裂爆破强制放顶技术的应用[J].煤矿安全，2007，38（1）：21-22.

[8]刘志忠.利用深孔控制预裂爆破技术提高综放工作面顶煤回收率[J].煤矿安全，2006，37（3）：33-35.

Application of Fracturing with Phase Transition of Carbon Dioxide in Shaft Coal Revealing

LIU Jiuyuan,LIU Lizhou
(Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng 048006,China)

To solve the difficult gas drainage in soft coal seam with low-permeability,phase transition of carbon dioxide was used in shaft coal revealing in Zhaozhuang Mine.The results prove that the technology is fast,efficient and safe in pressure relief and permeability enhancement,which could provide a reference for the application of the new fracturing with phase transition of carbon dioxide.

phase transition of carbon dioxide;fracturing technology;pre-splitting

TD235.3

A

1672-5050（2015）03-0003-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.002

（编辑：武晓平）

2015-02-26

刘九员（1985-），男，江西赣州人，硕士，助理工程师，从事瓦斯管理与防突相关工作。