吉宁矿CO2气相压裂条件下抽采半径时变规律

2023-11-24陈嘉慧任旭朗程志恒

华北科技学院学报 2023年5期

杨鹏,薛傲,王杰,潘辉,陈嘉慧,任旭朗,程志恒,陈亮

(1.山西华晋吉宁煤业有限责任公司,山西临汾 041000;2.华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊 065201;3.招金矿业股份有限公司,山东烟台 265400)

0 引言

随着我国煤层开采深度和强度的增加,瓦斯灾害逐渐成为制约我国高突矿井安全高效生产的首要问题,传统的抽采方法[1-3]在瓦斯含量高的单一低渗厚煤层中效果不佳,瓦斯抽采效率低且成本高。为了解决单一低渗厚煤层瓦斯抽采的难题,国内学者经过多年的探索与实践,以传统钻孔卸压为基础,改良多种瓦斯抽采方法,形成保护层开采、水力压裂、水力割缝、可控冲击波、深孔预裂爆破、CO2气相压裂等增透措施[4-7],这些措施从不同角度以不同方式解决瓦斯抽采和泄压防突方面的问题,有效地提高煤层瓦斯抽采效率。

山西华晋吉宁煤业有限责任公司2号煤层属于较难抽放煤层,工作面煤层存在着“采前难抽,采中涌出大”的特点,它的渗透性较低,煤层内瓦斯释放困难,同时煤与煤之间粘结性较差,导致开采难度相对较大。常规的采矿方法往往无法充分释放瓦斯和提高采煤效率,因此需要采用其他技术手段进行增透增产。

为解决吉宁矿2号煤层的瓦斯抽采问题,吉宁矿引入了CO2气相压裂增透技术,其通过利用液体CO2在加热条件下瞬间膨胀为高压气体对煤层做功并压裂煤层,煤层产生复杂裂隙系统,地应力集中现象大幅度缓解和均化,增加煤层裂隙,CO2驱替煤层中的瓦斯,大幅度提高煤层透气性,最终提高煤层瓦斯抽采效率。该项技术最初应用于油田增产作业,效果显著,90年代初,我国引入该项技术,先后应用于天然气、页岩气开采等领域,2008年,首次在国内煤矿领域应用该项技术,取得重大突破。张东明、白鑫等[8-10]建立了液态CO2相变气体射流压力模型,为CO2气相压裂增透技术提供了理论依据;王兆丰[11-13]通过现场实验,证明CO2气相压裂技术可以有效提高煤层透气性,改善瓦斯抽采效果;前人对CO2气相压裂技术的研究大多重点在该技术的原理上,对CO2气相压裂条件下瓦斯抽采半径的研究较少,为了验证该技术的有效性,通过实验研究构造本构模型并运用COMSOL软件对吉宁矿2号煤层CO2气相压裂增透技术增透前后的钻孔瓦斯抽采半径进行了研究,同时进行现场实测三种钻孔直径下CO2气相压裂增透技术增透前后的钻孔瓦斯抽采半径,将数值模拟结果与现场工程实践结果进行对比验证,确定CO2气相压裂技术的增透效果[14-15]。

1 CO2气相压裂增透技术原理

CO2气相压裂增透技术[27]是利用液态CO2吸热气化膨胀的原理实现的。该技术通过瞬间加热液态CO2,液态CO2膨胀产生高压力,迅速气化并产生高压冲击波,压力迅速升高,超过容器额定压力击穿安全膜,高压冲击波通过排气管,冲击排气管方向煤层,煤体发生松动和破裂,产生大量裂隙,煤体内部裂隙被贯通,促使煤体内处于吸附状态的瓦斯转化为游离状态,CO2气体驱替瓦斯占据煤体内部的裂隙,游离态瓦斯通过裂隙被释放出来,降低了煤体内部的瓦斯含量。这是一种相对安全的爆破方式。该技术具备工艺简单,成本较低,可有效降低煤层瓦斯含量和压力,提高单一低渗厚煤层的瓦斯抽采效率和抽采速度,且CO2气相压裂技术具有造缝、卸压、增透和防突的综合效果[16]。

在煤层中应用CO2气相压裂技术,可以强化增透,提高煤层的透气性,进而提高瓦斯抽采浓度和抽采量,缩短抽采时间。实施CO2气相压裂增透技术,通过对煤层进行改造,增加其透气性,提高瓦斯抽采浓度和纯量,并减少达标抽采所需时间。气相压裂可以解除煤层局部应力集中,均衡瓦斯压力场,降低瓦斯压力,从而降低瓦斯突出的危险性。

2 CO2气相压裂有效抽采半径变化规律

2.1 2203工作面概况

2203工作面顺槽沿煤层走向布置,工作面后退式回采,顺槽采用双巷布置,工作面采用“W”型通风同时,采用顺采接续方式,便于工作面正常接替和回采安全,煤层平均6.29m,ΔP为11.1,坚固性系数f为0.52,孔隙率为3.08%,煤层原始瓦斯含量为8.17～9.74m3/t,属于低渗厚煤层,随着开采深度的逐年增加,煤层透气性进一步变差,渗透性较低,煤层内瓦斯释放困难,同时煤与煤之间的连接性较差,导致开采难度相对较大。

2.2 构建煤体致裂本构模型

(1) 瓦斯扩散方程

(1)

式中,C为瓦斯浓度;D为扩散系数,m2/s;为汇源项,体现吸附态瓦斯和游离态瓦斯质量转换。

(2) 瓦斯渗流方程

(2)

式中,Wy为游离瓦斯含量,m3/t;q为瓦斯渗流速度,m/s;Wy为游离瓦斯含量密度,kg/m3。

(3) 瓦斯含量方程

W=Wx+Wy

(3)

式中,W为煤层瓦斯含量,m3/t;Wx为吸附瓦斯含量,m3/t;Wy为游离瓦斯含量,m3/t。

(4) 气体状态方程

(4)

式中,mg为气体分子量;R为一般气体常数;pb=0.101325MPa;Tb=273K。

(5) 渗流速度方程

(5)

式中,k为煤体的渗透率,m2;μ为瓦斯的动力粘度系数,Pa/s;

(6) 质量交换方程

Q=(Wx-Wy)τ

(6)

式中,Q为汇源项,kg·m-3·s-1。

2.3 相似模拟模型建立

本文对CO2压裂增透前后的抽采半径分别进行模拟,增透前的模拟孔隙率采用对2203正巷煤样扫描分析得出的孔隙率8.93%。增透后的裂隙完全破坏区域的面积为增透前预制裂隙面积的21.5倍,而在现场实际的煤层条件中,裂隙并非像预制裂隙那样平整,有完整的角度,边缘有凸起或者凹陷。煤层中的裂隙也并非只有一条,并且在扩展过程中,裂隙与裂隙之间也会相互作用。所以这里采用保守的策略对该倍数进行折减,以求贴近现场的实际情况,折减率为90%。所以模拟增透后的抽采半径采用的孔隙率为19.2%,其余条件保持一致。具体参数见表1。

表1 相关参数图

本文建立的几何模型长度为100m,高度为6m,钻孔在模型中心,直径为105mm,如图2所示。

2.4 CO2增透前后不同抽采时间抽采半径时变规律

现以煤层瓦斯压力 0.74MPa 为基准值,当抽采钻孔周围某点的瓦斯压力达到 0.74MPa 时,该点距抽采孔的距离就是抽采钻孔在一定的抽采时间内的抽采影响半径分别绘制增透前后抽采时间5d、10d、15d、20d、25d、30d的瓦斯压力云图和等值线图。分别选取距离钻孔L=1.5m、2m、2.5m、3m的点来观测增透前后瓦斯压力变化。

由图3～图8可以看出,以钻孔为中心,随着抽采时间的增加,瓦斯压力变化的区域范围越来越大,说明抽采半径随着抽采时间的增加而增加。由图3(a)～图8(a)可以看出当抽采时间为18d时的抽采半径为1.5m,抽采时间为23d时的抽采半径为2m,抽采时间为27d时的抽采半径为2.5m。由图9(d)可以看出,当抽采到30d时,距离钻孔3m的位置的瓦斯压力并未下降到0.74MPa以下。为了得出抽采时间为30d时的抽采半径,再次选取距离钻孔2.7m的位置绘制压力变化曲线图,如图9(e)所示,由图中可以看出抽采时间为30d时的抽采半径为2.7m,综上所述,原始煤体抽采30d时的抽采半径为2.7m。

由图10～图15可以看出,相对比图3～图8,在同样的抽采时间内瓦斯压力变化的范围大,说明CO2气相压裂增透煤体抽采半径随着时间的增长比原始煤体抽采半径随着时间的增长的增速快,说明煤体在CO2气相压裂增透以后,在相同的抽采时间内,抽采半径比原始煤体的抽采半径更大。由图16可以看出当抽采时间为22d时的抽采半径为4m,抽采时间为24d时的抽采半径为4.5m,抽采时间为26d时的抽采半径为5m,抽采时间为28d时的抽采半径为5.5m。为了得出抽采时间为30d时的抽采半径,再次选取距离钻孔5.8m的位置绘制压力变化曲线图,如图16(e)所示,由图中可以看出抽采时间为30d时的抽采半径为5.8m,综上所述,CO2气相压裂增透煤体抽采30d时的抽采半径为5.8m。

图1 气相压裂设备及工艺流程

图2 几何模型及网格划分

图4 抽采10d时的瓦斯压力云图和等值线图

图5 抽采15d时的瓦斯压力云图和等值线图

图6 抽采20d时的瓦斯压力云图和等值线图

图8 抽采30d时的瓦斯压力云图和等值线图

图9 CO2压裂增透前瓦斯压力变化图

图10 抽采5d时的瓦斯压力云图和等值线图

图11 抽采10d时的瓦斯压力云图和等值线图

图12 抽采15d时的瓦斯压力云图和等值线图

图13 抽采20d时的瓦斯压力云图和等值线图

图14 抽采25d时的瓦斯压力云图和等值线图

图15 抽采30d时的瓦斯压力云图和等值线图

CO2气相压裂增透煤体的抽采半径5.8m对比原始煤体的抽采半径2.7m提升了3.1m,是原始煤体抽采半径的约2.1倍。从模拟结果可以看出,CO2气相压裂技术对煤体增透的效果显著,这对提升抽采效果,节约抽采成本具有重要意义。

3 现场实测验证

3.1 测试地点概况

实验地点选择在华晋吉宁煤矿2203正巷以里500m和700m处,分别测试原始煤体的抽采半径和CO2气相压裂增透后的抽采半径,利用现场实测钻孔周围煤体瓦斯压力和流量指标方法,考察钻孔抽采半径随时间的变化规律。

3.2 原始煤体抽采钻孔设计

3.2.1 现场施工方案

(1) 试验地点:2203正巷以里700～730m;

(2) 抽采钻孔布置:根据直径为Φ105mm、Φ113mm和Φ120mm的钻孔孔径布置3组考察单元,每组考察单元内布置3个钻孔,每组考察单元内钻孔间距设置为2m、3m、4m,参数及布置方式如表2和图17。

表2 钻孔设计参数

表3 2203正巷钻孔设计参数

图17 钻孔布置

3.2.2 原始煤体抽采半径数据分析

在2203正巷里程697～730m使用流量法测试钻孔有效抽采半径,完成钻孔的同时基于瓦斯流量法,以单孔瓦斯流量为考察指标,不同间距钻孔分组计量的方式进行钻孔有效抽采半径的测定,记录相关流量绘制如图18所示。

图18 原始煤体2203正巷抽采数据效果分析

图19 2203钻孔布置示意图

由图18分析可知,在抽采负压为13.4kPa不变的情况下,随着抽采时间的增加,其瓦斯流量逐渐减小,说明在抽采过程中煤层瓦斯得到有效的治理。由三组数据对比分析可知,105mm、113mm和120mm的抽采半径范围基本相似,均在2～3m之间;观看数据的变化可知,105mm的钻孔其抽采半径要微小于另外两种孔径,另外两种孔径中120mm孔径的抽采半径又略大于113mm孔径的抽采半径,表现为:R(120)>R(113)>R(105),瓦斯流量变化范围较大,最终确定原始煤体的瓦斯抽采有效半径为2.5m。

3.3 CO2气相压裂增透煤体抽采钻孔设计

3.3.1 原始煤体钻孔瓦斯有效半径现场施工方案

(1) 试验地点:2203正巷以里510～560m;

(2) 抽采钻孔布置:在2203正巷根据直径为Φ105mm钻孔孔径,钻孔间距设置为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m,每小组之间相距5m间距。

3.3.2 CO2气相压裂增透煤体抽采半径数据分析

在2203正巷里程500～600m使用流量法测试钻孔有效抽采半径,完成钻孔的同时根据基于瓦斯流量法,以单孔瓦斯流量为考察指标,不同间距钻孔分组计量的方式进行钻孔有效抽采半径的测定,记录相关流量绘制如图20所示。

由图20分析可知,在抽采负压为13.4kPa不变的情况下,随着抽采时间的增加,其瓦斯流量逐渐减小,说明在抽采过程中煤层瓦斯得到有效的治理。

由四组数据对比分析可知,煤层经由从CO2气相压裂增透后105mm孔径的有效抽采半径范围在5～6m之间;观看数据的变化可知,当经过CO2气相压裂增透后,增透后的钻孔流量要比无增透的多,但其变化情况大致相同,其流量数据变化量相差不大,除增透孔的抽采流量增大外,在有效半径内的考察孔瓦斯流量也相对增大,当考察孔逐渐远离增透孔的影响范围后,其考察孔的瓦斯流量逐渐趋近于原始煤体的流量数值。因此,可以判断在抽采负压为13.4kPa不变的情况下,抽采30天的CO2气相压裂增透后105mm孔径的有效抽采半径范围为5.5m。

3.4 应用效果评价

由数值模拟得出的原始煤体的瓦斯抽采有效半径为2.7m,CO2气相压裂增透后的瓦斯抽采有效半径为5.8m。由现场实测得出的原始煤体瓦斯抽采有效半径为2.5m,CO2气相压裂增透后的瓦斯抽采有效半径为5.5m。对比可以看出,数值模拟结果得出的抽采有效半径均比现场实测的大,原始煤体的瓦斯抽采有效半径模拟结果比现场实测大0.2m,CO2气相压裂增透后的瓦斯抽采有效半径数值模拟结果比现场实测大0.3m,这是由于现场的实际煤层条件更为复杂,实际瓦斯抽采过程中的影响因素也更多,并且数值模拟的是基于各种假设,简化了煤层条件。虽然数值模拟的结果相对于现场实测结果的抽采半径偏大,但是误差均在10%以内。现场实测的难度大,影响因素多,数值模拟的结果仍可作为参考。

无论是数值模拟的结果还是现场实测的结果,都可以看出CO2气相压裂增透效果显著,CO2气相压裂增透后瓦斯抽采有效半径达到了原始煤体瓦斯抽采有效半径的2.1倍,这对现场瓦斯实际抽采工作,有着重要的参考价值,有利于提升瓦斯抽采效率,节省成本。