文 虎，樊世星，馬 礪，郭 軍，魏高明，郝健池

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

我國是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，一半以上的煤炭開采受到瓦斯災(zāi)害的困擾[1-2]。多數(shù)煤礦瓦斯含量高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層滲透率低(小于10-15m2)，普遍比美國低2～3個數(shù)量級，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效果普遍較差[3-5]。為了提高煤層瓦斯抽采效果，需要采取有效的卸壓增透強化抽采措施[6-7]。目前，包括水力壓裂[8]、水力割縫[9]、水力沖孔[10]等在內(nèi)的煤層水力化技術(shù)是煤儲層改造、強化瓦斯抽采最主要的技術(shù)方法[11-12]。近年來，受注氣增產(chǎn)天然氣啟發(fā)，向高瓦斯煤層中注氣促抽煤層瓦斯逐漸為廣大科技工作者關(guān)注。尤其是應(yīng)用CO2驅(qū)替促抽煤層瓦斯技術(shù)正成為煤層瓦斯高效抽采技術(shù)的研究熱點。Cui，馬志宏等根據(jù)吸附理論和熱力學(xué)理論從微觀角度分析了CO2氣體驅(qū)替置換煤層氣機理[13-14]；楊宏民等通過煤對CH4—CO2二元氣體的競爭吸附與置換解吸對比實驗，證明了二元混合氣體中CO2含量越大、置換壓力越大，其驅(qū)替置換效率越高[15]；梁衛(wèi)國等利用自主研發(fā)的煤層瓦斯驅(qū)替裝置探討了不同注氣溫度與注氣壓力條件下CO2對煤層瓦斯的驅(qū)替置換效果[16]；岳立新、Vishal，Zhou等分別利用自制三軸滲透儀探討了不同溫壓條件下超臨界CO2對煤巖體的增滲作用[17-19]；王兆豐等根據(jù)液態(tài)CO2相變會產(chǎn)生巨大壓力，設(shè)計了液態(tài)CO2相變致裂裝置，并首次將其引入低透氣性煤層增透，取得了很好的效果[20]；以此為基礎(chǔ)，周西華探究了液態(tài)CO2爆破煤層增透最優(yōu)鉆孔參數(shù)[21]。綜上所述，當(dāng)前有關(guān)CO2增滲驅(qū)替技術(shù)的研究側(cè)重于對氣態(tài)和超臨界CO2驅(qū)替置換煤層瓦斯機理的探討，以及液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)應(yīng)用效果的總結(jié)。而有關(guān)低壓液態(tài)CO2直注煤層增滲技術(shù)的原理和應(yīng)用鮮有涉及。

鑒于此，選擇韓城礦區(qū)桑樹坪2號井3#煤層，針對低透氣性、高瓦斯煤層瓦斯抽采困難等難題，開展了順層鉆孔低壓液態(tài)CO2增滲現(xiàn)場試驗，通過監(jiān)測距壓注孔不同距離抽采孔中CO2濃度和瓦斯抽采濃度和純量的變化，分析了液態(tài)CO2低壓順層壓注的滲流擴散影響范圍，并與相同地質(zhì)條件下水力割縫瓦斯抽采效果進(jìn)行了對比，以期為韓城礦區(qū)高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯致裂提供借鑒。

1 低壓液態(tài)CO2煤層壓注治理瓦斯機理

1.1 低溫相變增滲作用

煤層內(nèi)部含有大量原生裂隙和割理，液態(tài)CO2(-30 ℃，2 MPa)與煤巖接觸時，煤巖骨架受低溫作用收縮，原生裂隙和割理進(jìn)一步擴展；當(dāng)?shù)蜏禺a(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過煤巖的抗拉強度后，煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生新的熱應(yīng)力裂縫，這種破壞在溫度恢復(fù)后并不能恢復(fù)，從而引起煤層滲透率的提高[22-23]；如果煤體內(nèi)含有一定量水分，由水結(jié)冰而產(chǎn)生的膨脹力也會對煤巖裂隙和基質(zhì)產(chǎn)生一定的擠壓作用，進(jìn)一步提高煤層的滲透率。除此之外，液態(tài)CO2與煤體接觸后，其吸熱產(chǎn)生的相變增壓作用也會促進(jìn)煤巖體中裂隙的發(fā)育。

1.2 驅(qū)替置換作用

煤層是由裂隙網(wǎng)絡(luò)和煤基質(zhì)構(gòu)成的雙重介質(zhì)體，其中裂隙網(wǎng)絡(luò)是瓦斯運移的主要通道，而煤基質(zhì)是吸附瓦斯儲集、放散的空間[24]。當(dāng)液態(tài)CO2以一定壓力注入煤體后，其對煤層瓦斯的驅(qū)替置換作用可用圖1表示：提高了注氣端和抽采端的壓力差，有效促進(jìn)了煤體裂隙中的瓦斯?jié)B流，降低了煤體內(nèi)瓦斯的有效分壓，進(jìn)一步促使吸附瓦斯由于平衡壓力降低發(fā)生解吸；CO2滲流、擴散至煤基質(zhì)內(nèi)部，靠其較強的被吸附能力，置換煤體骨架上的吸附瓦斯。隨后，解吸出的游離瓦斯，在濃度梯度的驅(qū)動下擴散至煤體裂隙中，進(jìn)而在壓力梯度作用下通過滲流匯入抽采鉆孔中。

圖1 二氧化碳驅(qū)替置換煤層瓦斯示意圖Fig.1 Schematic for carbon dioxide replacing coal seam gas

2 井下低壓液態(tài)CO2增滲系統(tǒng)及工藝

2.1 井下低壓液態(tài)CO2增滲系統(tǒng)

當(dāng)前應(yīng)用于石油和天然氣行業(yè)的地面壓裂裝備并不適用于煤礦井下環(huán)境，為此西安科技大學(xué)研制了適用于井下環(huán)境的液態(tài)CO2增滲系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括：多個液態(tài)CO2儲罐(圖2有2個)、低壓柱塞泵、數(shù)據(jù)采集裝置，連接各裝置的耐高壓管路和數(shù)據(jù)傳輸線。系統(tǒng)中液態(tài)CO2儲罐采用CPW-2.0型號，該儲罐的具體參數(shù)見表1.柱塞泵采用PYCO-300/10系列臥式低壓單缸柱塞泵，額定功率11 kW，最大工作壓力5 MPa，流量20～1 000 L/h，通過調(diào)節(jié)變頻電機轉(zhuǎn)速來控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要監(jiān)測柱塞泵液相出口和壓注鉆孔口的壓力變化。

表1 礦用液態(tài)CO2儲罐參數(shù)Table 1 Parameters of the liquid CO2 storage tank for mine

圖2 井下低壓液態(tài)CO2增滲系統(tǒng)Fig.2 Permeability enhancement system with low pressure liquid CO2 for underground environment

2.2 井下低壓液態(tài)CO2增滲工藝

開始液態(tài)CO2壓注時，按如下步驟操作。

1)管路連接：壓裂鉆孔施工完成封孔后，采用耐高壓膠管依次連接柱塞泵和多個液態(tài)CO2儲罐，并且確保整個管路平直，以減小CO2輸送過程中局部阻力損失和形成干冰發(fā)生堵管；

2)管路試壓：管路連通之后，緩慢打開液態(tài)CO2儲罐氣相閘閥，對整個管路進(jìn)行預(yù)冷和試壓，確保管路不漏氣之后，連續(xù)注氣直至鉆孔壓力達(dá)到1.0 MPa左右；

3)關(guān)閉液態(tài)CO2儲罐氣相出口，打開液相出口，同時打開柱塞泵，通過柱塞泵向鉆孔不斷泵送液態(tài)CO2，并對柱塞泵出口和鉆孔入口壓力和儲罐液位變化進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)孔口壓力超過3.0 MPa，關(guān)液停泵，待鉆孔壓力下降后，再繼續(xù)注液。當(dāng)儲罐中液態(tài)CO2量較小時，應(yīng)立即更換儲罐，保證注液的持續(xù)性；

4)注液結(jié)束后，關(guān)閉孔口閥門使鉆孔中CO2與周圍煤體充分接觸，而后將儲存在增壓泵和壓裂管路中的液態(tài)CO2及時放空。

3 低壓液態(tài)CO2增滲工程實踐

3.1 實驗地點概況

韓城礦區(qū)桑樹坪2號井3303工作面為3#煤層備采工作面，目前正在進(jìn)行第一回風(fēng)巷的掘進(jìn)施工，壓注實驗地點正位于此，如圖3所示。圖中Y1液態(tài)CO2壓注孔，在壓注孔左右兩邊每隔6 m設(shè)置一個監(jiān)測孔。3#煤層總體破壞類型為Ⅰ～Ⅱ類，堅固性系數(shù)f= 0.49～0.77.煤層厚度5～7 m，平均3.5 m，局部存在0～10 cm軟分層，煤層傾角3°～5°為近水平厚煤層。瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜，不同區(qū)域瓦斯含量呈現(xiàn)不均勻性，原始煤層瓦斯含量4.26～9.57 m3/t，平均7.08 m3/t，最大瓦斯壓力1.25 MPa，瓦斯放散初速度ΔP=17～26 mmHg.其相鄰的桑樹坪煤礦3#煤層為嚴(yán)重突出煤層，北部毗鄰的棗莊礦相同標(biāo)高范圍3#煤層實測瓦斯壓力達(dá)1.3 MPa，鉆孔存在噴孔、夾鉆等動力預(yù)兆。

圖3 3303-1#回風(fēng)巷鉆孔布置示意圖Fig.3 Layout of boreholes in 3303-1# return roadway

3.2 壓注鉆孔孔口壓力變化

本次液態(tài)CO2壓注試驗從2017年7月10日到2017年7月13日共歷時4 d，每次壓注過程大致經(jīng)歷相態(tài)平衡建立、注液和保壓3個階段。整個壓注過程中鉆孔壓力變化如圖4所示。由圖4可知，每次壓注氣相平衡階段持續(xù)10～20 min，此階段孔口壓力快速上升。當(dāng)壓力達(dá)到約1.0 MPa時，關(guān)閉氣相閥，逐漸打開液相閘閥開始液態(tài)CO2的壓注。由于前兩天初始注液流量較小，鉆孔壓力經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)上升趨勢，最終壓力分別上升至1.81和2.25 MPa，關(guān)液停泵后，鉆孔進(jìn)入保壓階段，壓力呈近似直線下降，且壓降速率均接近0.018 MPa/min。隨后繼續(xù)進(jìn)行液態(tài)CO2的壓注，壓力上升后又以幾乎相同的壓降速率下降。經(jīng)檢查分析，整個壓注過程鉆孔周圍并沒有出現(xiàn)CO2泄露現(xiàn)象，據(jù)此判定CO2在煤層中的滲流擴散較快。

圖4 壓注孔口壓力變化曲線Fig.4 Variation curves of pressure in injection borehole

由前兩次壓注情況可推知壓注孔封孔質(zhì)量和強度較好，因此7月12日和13日提高注液量，由圖4可得：開始壓注后孔口壓力在較短的時間內(nèi)上升至1.5 MPa，如繼續(xù)以較小流量壓注，當(dāng)注液流量小于液態(tài)CO2在煤層中的擴散速率時，壓力會出現(xiàn)快速下降，隨即增大壓注量，壓力繼續(xù)上升，當(dāng)孔口壓力接近3 MPa時，再逐步調(diào)小壓注量，此后按照上述步驟繼續(xù)壓注，直至罐內(nèi)CO2壓注完成。然后，關(guān)液停泵，進(jìn)入保壓階段。相比前兩天壓注，此次壓注雖然鉆孔壓力有所提高，但其壓降速率逐步遞減，這說明持續(xù)向煤層中壓注CO2過程中，煤體中裂隙雖繼續(xù)發(fā)育，CO2滲流通道不斷增多，但裂隙發(fā)育比之前較弱。這主要是由于隨CO2在煤層中滲流距離增加，壓力損失和滲流阻力逐步增大，結(jié)合滲流模型分析，相應(yīng)的滲透率也開始逐步下降。

3.3 液態(tài)CO2壓注效果考察

3.3.1 瓦斯抽采情況

圖5為距壓注孔不同距離考察孔中CO2濃度在抽采期間的變化曲線，以鉆孔中CO2濃度大于0.03%為CO2滲流擴散的判斷指標(biāo)，圖5直接揭示了CO2在3#煤層中滲流擴散距離達(dá)到了18 m，且隨抽采孔和壓注孔之間距離的不斷增加，CO2滲流擴散量呈逐漸變小趨勢，相應(yīng)地CO2對煤層瓦斯的驅(qū)替置換作用逐漸變?nèi)?。圖6為液態(tài)CO2壓注前后單個抽采孔中瓦斯抽采濃度變化情況，由圖可得，原始煤層單孔瓦斯抽采濃度平均值僅為17.65%，液態(tài)CO2壓注后煤層瓦斯抽采濃度得到整體提高，距壓注鉆孔6，12和18 m觀測孔中瓦斯抽采濃度平均值分別達(dá)到41.66%，35.43%和24.14%，這說明隨距壓注孔距離的增大，CO2增滲和驅(qū)替置換效果有所減弱，與圖5中CO2濃度的變化趨勢相一致。

圖5 考察孔中CO2濃度Fig.5 Concentration of CO2 in boreholes after CO2 injection

圖6 液態(tài)CO2壓注前后鉆孔瓦斯抽采濃度Fig.6 Gas concentration in boreholes after CO2 injection

圖7 鉆孔瓦斯抽采混合量情況Fig.7 Gas drainage of boreholes

圖7為單孔瓦斯抽采混合量均值隨抽采時間的變化曲線，由圖7可知：原始煤層單孔瓦斯抽采混合量均值為0.133 m3/min，液態(tài)CO2壓注后，距離壓注孔6，12和18 m的考察孔中該值均得到提高，分別達(dá)到0.237，0.197和0.158 m3/min.此外，與鉆孔瓦斯抽采濃度變化趨勢一樣，考察孔單孔瓦斯抽采混合量也隨著距壓注孔距離的增加呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。但在液態(tài)CO2壓注后的一整個月中，鉆孔瓦斯抽采濃度和純量均維持在一定的范圍內(nèi)，受抽采負(fù)壓的影響，呈現(xiàn)些許波動。這說明，液態(tài)CO2壓注后，至少存在一個月的煤層瓦斯抽采活躍期。

3.3.2 與水力壓裂比較

試驗過程中將6個抽采孔匯于支管進(jìn)行瓦斯?jié)舛群土髁康慕y(tǒng)計，并與附近區(qū)域水力割縫試驗后瓦斯抽采濃度進(jìn)行對比。由圖8可得：采用水力割縫和液態(tài)CO2壓注后支管瓦斯抽采濃度平均值分別由17.65%增至31.08%和48.49%，因此，采用煤層壓注CO2后瓦斯抽采效果明顯高于水力割縫。圖9顯示了支管瓦斯抽采濃度和純量隨時間的變化，整體上看抽采過程大致可分為2個階段，壓注CO2后的一個月為瓦斯抽采活躍期，此段時間內(nèi)平均瓦斯抽采濃度和純量分別為48.49%和1.42 m3/min，壓注后32～40 d內(nèi)瓦斯?jié)舛群图兞砍霈F(xiàn)明顯衰減，衰減后平均瓦斯?jié)舛群图兞糠謩e為29.37%和0.88 m3/min，仍高于原始煤層瓦斯抽采濃度。

圖8 CO2壓注與水力割縫后瓦斯抽采效果Fig.8 Drainage effect after CO2 injection and hydraulic fracturing

圖9 CO2壓注后瓦斯抽采情況Fig.9 Gas drainage of branch pipe after CO2 injection

4 結(jié) 論

1)對低壓(2～3 MPa)液態(tài)CO2促抽煤層瓦斯機理進(jìn)行了研究，液態(tài)CO2可促使煤層原生裂隙進(jìn)一步擴展延伸，并驅(qū)替置換煤層裂隙中的游離瓦斯和煤基質(zhì)骨架上的吸附瓦斯，使瓦斯抽采濃度和抽采純量都保持在較高水平；

2)研發(fā)了適用于煤礦井下的低壓(2～3 MPa)液態(tài)CO2壓注系統(tǒng)和工藝，確定了液態(tài)CO2壓注按照“注氣→注液→保壓”進(jìn)行操作，當(dāng)孔口壓力達(dá)到1 MPa時，由注氣轉(zhuǎn)化為注液，注液階段保持壓力不超過3 MPa；

3)液態(tài)CO2壓入煤層后，滲流擴散影響半徑達(dá)18 m，此范圍內(nèi)隨距壓注孔距離的增加，單孔平均瓦斯抽采濃度和抽采純量逐漸下降；CO2壓注后至少存在1個月的瓦斯抽采活躍期，在此期間支管平均瓦斯抽采濃度和純量分別達(dá)48.49%和1.42 m3/min，明顯高于水力割縫后的瓦斯抽采效果。