劉九員，劉立州

（晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城 048006）

二氧化碳相變壓裂技術(shù)在井筒揭煤中的應(yīng)用

劉九員，劉立州

（晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城 048006）

為解決松軟低透氣性煤層難以抽放的難題，采用了二氧化碳相變壓裂技術(shù)，通過趙莊煤業(yè)南蘇進(jìn)風(fēng)井揭煤中的應(yīng)用，證明了該技術(shù)在煤層卸壓增透中具有快速、高效、安全的優(yōu)點(diǎn)，為二氧化碳相變壓裂新技術(shù)的應(yīng)用研究提供了借鑒。

二氧化碳相變；壓裂技術(shù)；預(yù)裂

在瓦斯治理和消突方面液態(tài)二氧化碳相變預(yù)裂技術(shù)為國(guó)內(nèi)最新技術(shù)，其研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值在某種程度上能夠與炸藥的作用相提并論。將二氧化碳相變壓裂技術(shù)應(yīng)用于揭煤中，是利用其釋放出高壓氣體，利用膨脹做功來達(dá)到卸壓增透的目的。

1 二氧化碳相變壓裂技術(shù)產(chǎn)生背景

由于我國(guó)大多數(shù)煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力高、地應(yīng)力大、透氣性差，在預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)，為了取得良好的預(yù)抽效果，晉煤集團(tuán)一直在探索新技術(shù)新方法，其中包括：深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂、水力沖孔強(qiáng)化增透措施。但是深孔預(yù)裂爆破存在的炸藥控制嚴(yán)格、裝藥工藝復(fù)雜、合理裝藥量難以確定、易于出現(xiàn)啞炮及啞炮處理困難。水力壓裂設(shè)備復(fù)雜、封孔困難、壓裂裂縫不可控。水力沖孔的高壓水射流擴(kuò)孔存在塌孔壓埋鉆具、噴孔嚴(yán)重、作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境惡劣，制約了這三項(xiàng)技術(shù)在煤礦的推廣應(yīng)用[1]。

因此，探索一種既能傳承深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂、水力沖孔方法的良好強(qiáng)化增透效果，又能克服它們?cè)诩夹g(shù)、裝備、操作層面的缺陷的強(qiáng)化預(yù)抽技術(shù)，已成為晉煤集團(tuán)應(yīng)對(duì)趙莊、長(zhǎng)平等松軟低透性煤層技術(shù)創(chuàng)新中新的追求。

2 二氧化碳相變壓裂結(jié)構(gòu)與原理

2.1 二氧化碳相變壓裂技術(shù)簡(jiǎn)介

二氧化碳相變壓裂技術(shù)是利用CO2液相轉(zhuǎn)換成氣相特性進(jìn)行爆破。CO2在31℃以下、7.2 MPa壓力時(shí)以液態(tài)存在，而超過31℃，無論其壓力多大，液體CO2瞬間膨脹為氣體，體積極速膨脹對(duì)周圍物體進(jìn)行爆破[2-3]。

應(yīng)用時(shí)，在壓裂管內(nèi)用專用高壓泵充裝液態(tài)CO2，使用時(shí)通過化學(xué)加熱，使液態(tài)CO2在20～40 ms內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，其體積瞬間膨脹600多倍，壓力劇增至設(shè)定壓力，將爆破片沖破，高能CO2氣體瞬間從壓裂管噴氣孔孔內(nèi)爆發(fā)，對(duì)煤體作用，從而達(dá)到物理爆破增透的目的[4]。二氧化碳相變壓裂裝備結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1 二氧化碳相變壓裂裝備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 二氧化碳相變壓裂技術(shù)原理

二氧化碳相變瞬間膨脹的高能氣體作用于煤層，使煤體松動(dòng)，產(chǎn)生大量裂隙，煤體內(nèi)被填充或壓實(shí)的裂隙被重新打開，從而提高煤層透氣性、滲透率，促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，并為游離狀態(tài)的瓦斯提供釋放通道，提高瓦斯抽采效率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力[5-6]，化解可能存在的“瓦斯包”，使應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部移動(dòng)，在壓裂煤層前方造成較長(zhǎng)的卸壓帶，均化壓力場(chǎng)、平衡應(yīng)力場(chǎng)，起到卸壓增透作用，從而提高鉆孔瓦斯抽采量[7-8]。二氧化碳相變壓裂技術(shù)原理，見圖2。

圖2 二氧化碳相變壓裂技術(shù)原理

3 二氧化碳相變壓裂技術(shù)在趙莊煤業(yè)南蘇進(jìn)風(fēng)井筒揭煤的應(yīng)用

3.1 趙莊煤業(yè)南蘇進(jìn)風(fēng)井氣相壓裂設(shè)計(jì)

南蘇進(jìn)風(fēng)井井筒距離3號(hào)煤層頂板法距7 m處。施工氣相壓裂孔23個(gè)，普通預(yù)抽鉆孔54個(gè)，共計(jì)77個(gè)，進(jìn)行瓦斯抽放。壓裂鉆孔和預(yù)抽鉆孔按照半徑5 m的內(nèi)接正六邊形設(shè)計(jì)，六邊形中心為壓裂鉆孔，6個(gè)交點(diǎn)為普通預(yù)抽鉆孔。南蘇進(jìn)風(fēng)井氣相壓裂鉆孔設(shè)計(jì)圖，見圖3，南蘇進(jìn)風(fēng)井壓裂鉆孔參數(shù)，如表1所示，預(yù)抽鉆孔參數(shù)，如表2所示。

圖3 南蘇進(jìn)風(fēng)井氣相壓裂鉆孔設(shè)計(jì)圖

表1 趙莊煤業(yè)南蘇進(jìn)風(fēng)井壓裂鉆孔參數(shù)表

表2 趙莊煤業(yè)南蘇進(jìn)風(fēng)井預(yù)抽鉆孔參數(shù)表

各鉆孔按以上圖表提供的參數(shù)施工，圖中南蘇進(jìn)風(fēng)井共布置4圈壓裂鉆孔，6圈預(yù)抽鉆孔，共計(jì)77個(gè)鉆孔。井筒距煤層7 m時(shí)施工作業(yè)，施工時(shí)按以下的步驟執(zhí)行：a.施工第一圈預(yù)抽孔；b.施工第一圈壓裂孔；c.施工第二、三圈預(yù)抽孔；d.施工第二圈壓裂孔；e.施工第四、五、六圈預(yù)抽孔；f.施工第三、四圈壓裂孔。

3.2 二氧化碳相變壓裂效果分析

根據(jù)泵站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)壓裂前：平均瓦斯?jié)舛葹?.44%，日均混合流量為2.71 m3/min，日均純瓦斯量為134.2 m3，抽放總量為1 374 m3。

壓裂后：根據(jù)15 d放數(shù)據(jù)，泵站平均瓦斯?jié)舛?0.48%，日均混合流量為3.786 m3/min，日均抽放量為1 116.5 m3，累計(jì)抽放總量為16 748 m3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，壓裂前后瓦斯流量與瓦斯?jié)舛葘?duì)比變化值，見圖4和圖5。

圖4 壓裂前瓦斯流量與瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)值

根據(jù)以上圖表分析及壓裂前后瓦斯抽放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓裂前抽放量0.093 m3/min，壓裂后瓦斯抽放純量為0.78 m3/min，較壓裂前提高8.3倍，百米瓦斯抽放量為0.186 m3/min（方案預(yù)期為0.2 m3/min），相比壓裂前提高了2.38倍。

圖5 壓裂后瓦斯流量與瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)值

4 結(jié)束語

二氧化碳相變壓裂技術(shù)在趙莊揭煤的應(yīng)用中取得了良好的效果，壓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，而且二氧化碳相變壓裂技術(shù)使用簡(jiǎn)單、方便，易于操作，使用成本低，是煤礦掘進(jìn)面增透消突十分理想的技術(shù)，可以在其它條件類似的礦井中推廣應(yīng)用。

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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

（編輯：武曉平）

2015-02-26

劉九員（1985-），男，江西贛州人，碩士，助理工程師，從事瓦斯管理與防突相關(guān)工作。