CO2增透预裂强化煤层瓦斯抽采的试验研究

李 鹏

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 030024)

煤层气的开发利用能够缓解我国经济发展中能源的供需矛盾，改善能源结构状况，保护大气环境，促进经济和社会的协调与可持续发展[1-4]. 2015年全国煤层气产量44.25亿m3，采收率平均只有23%[5]，与美国等煤层气利用先进国家差距大，客观在于我国煤储层构造复杂，渗透性普遍比美国低2～3个数量级[6]，因此煤储层的增透技术亟需提高。通过水力压裂、裸眼洞穴及高能气体压裂等物理增透方法[7-9]能够改善煤层透气性，其工艺技术的重点各有不同。采用液态CO2预裂技术预裂煤层并进行强化抽采，既利用CO2相态改变导致体积变化引发冲击效应使煤层孔隙裂隙度增加，又兼顾CO2与瓦斯气体相对煤骨架的竞争吸附优势，达到提高煤层气抽采率的目的。结合西山煤电官地矿当前抽采工艺，采用液态CO2预裂爆破技术强化煤层瓦斯的抽采效果，详细论述试验过程，并与未预裂煤层进行对比分析，技术的优劣，为CO2增透预裂强化煤层瓦斯抽采提供技术指导。

1 工作面概况

官地矿地面位于庙前山东南侧白石沟两侧与东沟西侧山梁上，植被发育，灌木丛生，无重要建筑物。盖山厚度594～792 m，平均厚度693 m. 井下22613为CO2预裂试验工作面，与其临近的是22611工作面，二者相距32 m. 22613工作面标高964～1 042 m，设计走向长1 390 m，可采走向长1 230 m，采长220 m. 煤层瓦斯压力0.36 MPa，瓦斯含量5.71 m3/t，孔隙率2.14%～5.26%，煤层透气性系数为0.615 27 m2/(MPa2·d)，属于可以抽放煤层，22611工作面情况与之类似。

2 CO2增透预裂抽采钻孔设计

预裂过程中，液态CO2相态改变，瞬间产生高速气流冲击煤体，形成新生裂隙，并在一定范围内对煤体造成破坏形成破碎区，煤体骨架的这种变化有利于瓦斯的流动及抽采。

现场钻孔时，在工作面正巷密集平行布孔，沿倾向打顺层水平钻孔进行本煤层瓦斯抽采。

1) 钻孔角度。按照本煤层瓦斯预抽的方法，所有钻孔均垂直于煤壁，采用密集平行布孔，开孔位置距巷道底板1.4 m. 根据煤层倾角以及工作面正、副巷标高的变化，考虑到钻杆施工过程中存在一定的下沉量，所以钻孔倾角取0.2°～4.8°.

2) 钻孔长度。按照本煤层布孔的要求，由于工作面倾向长220 m，设计钻孔长度为180 m.

3) 钻孔直径。钻孔直径大，钻孔暴露煤的面积亦大，钻孔抽采量相应增加。根据钻机性能、施工速度与技术水平、抽采瓦斯量等因素确定钻孔开孔直径113 mm、终孔直径为113 mm、扩孔10 m.

4) 钻孔间距。根据22613正巷CO2增透预裂孔1#—5#试验结果，确定22613正巷本煤层钻孔间距为8 m时为抽采效果最佳(实验数据见附表1)，停采线往里25 m内钻孔间距确定为5 m，剩余钻孔间距均为8 m.

表1 不同钻孔间距瓦斯抽采浓度表

3 CO2增透预裂煤层瓦斯抽采的效果及分析

分析预裂钻孔的抽采效果，采用22613正巷支管路总抽采量除以总钻孔数量得出单孔平均瓦斯抽采量，与邻近22611正巷未预裂本煤层钻孔单孔抽采量进行对比分析。

22613工作面共150个钻孔，待该工作面钻孔全部施工完毕，分别进行CO2增透预裂试验，预裂完毕，抽取4个进行过增透预裂的代表性钻孔与邻近22611工作面4个未进行过增透预裂的钻孔进行对比，从刚做完增透预裂带入系统开始连续观测一个月，每隔5天记录抽采数据，进行对比分析。

3.1 22611正巷未预裂瓦斯抽采浓度

不同钻孔瓦斯抽采浓度曲线图见图1.

图1 不同钻孔瓦斯抽采浓度曲线图

从图1可知，22611正巷钻孔瓦斯抽采浓度在抽采初期比较大，平均在25%以上，抽采12天后抽采浓度明显开始降低，抽采24天后，下降的趋势更大，至抽采1个月后抽采浓度降至20%以下。

3.2 22613正巷CO2增透预裂后瓦斯抽采浓度

预裂本煤层后不同钻孔瓦斯抽采浓度曲线图见图2.

图2 预裂本煤层后不同钻孔瓦斯抽采浓度曲线图

22613正巷本煤层钻孔刚预裂完立即带入抽采系统单孔抽采浓度能达到50%以上，随着抽采时间的延长，瓦斯抽采浓度能够稳定在28%～55%，而邻近22611工作面未采用CO2增透预裂的本煤层钻孔瓦斯抽采浓度在15%～28%，大部分预裂钻孔的瓦斯抽采浓度较未预裂钻孔均有大幅提高。随着22613工作面预裂钻孔抽采时间延长，钻孔的抽采浓度、流量呈衰减趋势，抽采现场需根据情况及时调节抽采负压，确保抽采效果。

3.3 22611及22613正巷支管路瓦斯抽放量

22611及22613正巷高负压支管瓦斯抽采对比情况见图3. 从图3可以看出，22613工作面经过CO2预裂后瓦斯抽放量比未经预裂的22611工作面明显增大，最大值为1.501 m3/min，每日平均抽采量为1.297 m3/min，平均单孔抽采量为0.008 m3/min；而临近22611工作面未预裂本煤层，抽放量最大值为1.119 m3/min，每日平均抽采量为0.852 m3/min，平均单孔抽采量为0.003 m3/min. 22613正巷预裂钻孔单孔瓦斯抽采量较22611正巷未预裂钻孔提高了1.67倍。

图3 瓦斯抽放量对比图

4 结 论

CO2本煤层增透预裂试验，抽采现场中未发现有积水、煤渣现象，瓦斯抽采浓度和抽放量均有明显增高，抽采系统运行平稳、管理方便、抽采效果明显，具体表现在：

1) CO2增透预裂后各钻孔瓦斯抽采浓度均明显增大，单孔抽采浓度能达到50%以上，随着抽采时间的延长，瓦斯抽采浓度稳定在28%～55%，而邻近22611工作面未采用CO2增透预裂的本煤层钻孔瓦斯抽采浓度在15%～28%，大部分预裂钻孔的瓦斯抽采浓度较未预裂钻孔均有大幅提高。

2) CO2预裂后本煤层瓦斯抽放量比未经预裂的22611工作面明显增加，最大值为1.501 m3/min，日平均抽采量为1.297 m3/min，平均单孔抽采量为0.008 m3/min；而临近22611工作面未预裂本煤层，抽放量最大值为1.119 m3/min，日平均抽采量为0.852 m3/min，平均单孔抽采量为0.003 m3/min. 22613正巷预裂钻孔单孔瓦斯抽采量较22611正巷未预裂钻孔提高了1.67倍。

3) 工作面预裂钻孔抽采时间延长，钻孔的抽采浓度、流量呈衰减趋势，抽采现场需根据情况及时调节抽采负压，确保抽采效果。

4) 个别钻孔余渣不能很好地排出，影响抽采钻孔封孔及钻孔预裂工作，钻孔预裂后瓦斯浓度衰减明显，对抽采效果影响大，宜采用风钻进行扫孔、捅孔等措施，减少煤渣积存量，增强抽采效果。