“液态”二氧化碳压裂增透技术

“液态”二氧化碳压裂增透技术

张盛

51072519820616 **** 安徽省 232096

一、背景技术

随着浅部煤炭资源逐渐减少甚至枯竭，矿井进入深部开采以后，煤层突出危险程度日趋增加，瓦斯灾害的防治难度进一步增大，瓦斯抽采困难。我矿进行了多种增透试验，包括煤层注水、水力压裂、水力割缝、水力冲孔技术等，并取得了一定的应用效果。但相关研究表明：水分具有抑制煤层瓦斯解吸的作用，煤层注水减缓了瓦斯放散初速度，对瓦斯解吸起到了一定的封堵效应。

二、解决的技术问题

与水力压裂相比，CO2压裂具有以下几方面的优势：①煤对CO2的吸附能力高于CH4，在含瓦斯煤体中注入CO2可通过驱替置换等作用促进瓦斯解吸；②低温液态CO2从岩层中吸热产生气体膨胀比约1:600，对钻孔周围岩体有巨大的气体压力促进钻孔裂隙发育；低温产生的收缩应力超过煤岩的抗拉强度后，煤岩内部结构发生破坏，产生热应力裂缝；③CO2遇到岩层中的水分会形成酸性混合物，可以酸化并移出堵塞于煤岩裂隙中的一些杂物；④液态CO2粘性较低，可以很容易地连接煤层中微裂隙，提高裂隙导流能力；⑤静态压力下煤（岩）层中某些区域的液态CO2能转变为超临界状态，超临界CO2作为一种溶解能力较强的溶剂，具有萃取煤中可溶有机质（如醚、酯、内酯类、环氧化合物等）的能力，可溶有机质经超临界CO2萃取后，煤体的孔隙率和渗透性增大；⑥液态CO2（-37℃）与煤（岩）层相比温度更低，能在钻孔周围形成温度梯度并引起温度应力。

三、具体实施方式

2019年5月15日至2019年6月23日，在2121（1）西段瓦斯治理巷29#、30#钻场进行了向上穿层钻孔液态CO₂压裂增透试验。此次试验共分为两个阶段，第一阶在29#钻场预先打好压注孔与考察孔，以边压边抽方式考察抽采效果；考虑到打钻对原始煤岩的影响，第二阶段在30#钻场先布置压注孔，采取先压后抽的方式考察抽采效果。截止2019年6月23日，课题组完成30#钻场的压注试验，共压注液态CO₂约5m³，压注结束，实施考察孔。

1、试验目的

（1）研究先压后抽方式煤岩致裂增渗及瓦斯抽采效果;

（2）穿层钻孔边压边抽和先压后抽的效果对比分析；

（3）验证液态CO₂致裂增渗煤岩的效果及影响范围。

2、钻孔布置及参数

(a) 平面图

(b) 剖面图

图1 液态CO₂致裂增渗钻孔设计图

表1 液态CO₂致裂增渗现场试验钻孔设计参数

3、钻孔封孔方法

液态CO₂压裂钻孔的封孔质量是压注孔内压力能否提高的关键，其直接影响到液态CO₂致裂增渗效果。借鉴淮南矿业集团高压水力压裂封孔工艺，此次试验封孔工艺与第一阶段一致，采用“两注两返”的封孔方式，解决压裂钻孔漏夜、堵孔的问题，具体实施方式见图2。

图2 封孔流程

4、数据采集及监测

数据采集及检测装备及系统与第一阶段一致，主要包括增压泵出口温度—压力监测（，孔口温度—压力监测，以及抽采过程气体浓度、流量监测系统以及气相色谱仪。

5、试验结果考察

（1）压注过程中压力和温度变化

分析图6中Y2钻孔中压力和温度变化情况，并将其放大如图6(d)。分析可得：上述两阶段持续注液态CO₂钻孔压力在20MPa上下波动，累计压注液态CO₂约1.0m³，共持续约23min。钻孔压力上下波动，间接反应煤层自压注孔由近及远逐渐被起裂。

（2）抽采过程中参数变化

此阶段试验于6月23日压注结束，考察孔施工一个半月，在矿领导配合下，课题组于2019年8月9日将抽采系统安装完毕，开始进行负压抽采，截止2019年10月7日，合茬抽采持续约60天。现对数据结果进行汇总整理。

1）抽采过程中CO₂浓度变化

由图4可知，整个抽采期间，K5和K7钻孔CO₂浓度随时间变化呈指数减小，衰减系数分别为0.0231和0.0205。抽采初期，K5和K7对应最大CO₂浓度分别为2.23%和3.94%。根据钻孔位置分布，其中K5距离Y2孔距离为25m，K7距离Y2孔距离最远为15m。因此，可判断此阶段压注试验，CO₂致裂增渗复合作用影响半径可达25m。K6钻孔CO₂浓度均大于0.03%小于0.75%，且与Y2孔距离为20m，处于致裂增渗复合影响半径之内，由此可判段K6钻孔存在漏气现象。值得注意的是，在2019年8月25日至31日期间，CO₂浓度出现短时间突然增大（见图8中插图），此阶段K5、K6、K7最大CO₂浓度值分别为5.21%、5.85%、2.64%，经查抽采系统负压记录表，此期间抽采负压正常，排除抽采系统造成原因。

图4 抽采过程CO₂浓度变化

2）抽采过程中CH₄浓度变化

由图5可知，2019年8月25日以前，K5和K7钻孔CH₄浓度分别维持在90%和55%以上；在2019年8月25日至31日期间，CH₄浓度会出现短时间突然增大，该情况与CO₂浓度变化一致。从8月31日，CH₄浓度出现短时间激增，后呈减小趋势，但K5和K7钻孔浓度仍然保持在60%和55%以上，抽采浓度效果显著。对于K6钻孔，其浓度在0~30%间波动，由此也可判断此钻孔存在漏风现象。

图5 抽采过程CH₄浓度变化

3）抽采过程中混合流量变化

抽采过程中，K5和K7钻孔混合流量呈先增加后减小趋势，且混合流量均大于0.0125m³/min；其中，K5和K7混合流量最大值分别达到0.0485m³/min和0.0295m³/min；此外，从图中还可以发现，K7比K5达到峰值的时间晚了10天左右，这可能与Y2的距离有关。液态CO₂压裂过程中，裂隙以Y2孔为中心向四周辐射，形成致密裂隙网，比水力压裂裂隙扩展更为复杂。压注过程中，CO₂置换驱替Y2孔周边CH₄朝远处渗流运移，由此可观察到K5孔流量在合茬抽采前期较大。截取衰减阶段曲线进行拟合，K5和K7钻孔混合流量衰减系数分别为0.0272和0.0164，由此，衰减阶段K5比K7衰减的慢。

4）抽采过程中纯量变化

抽采过程中，K5和K7钻孔纯量变化趋势与混合流量变化一致，均呈先增大后减小趋势；其中，K5和K7纯量最大值分别达到0.0312m³/min和0.0238m³/min；在2019年8月25日至31日期间出现波动，局部区域明显降低，变化与浓度变化有关；此外，从图中还可以发现，K7比K5达到峰值的时间晚了10天左右，这与混合流量变化趋势一致。截取衰减阶段曲线进行拟合（见插图），K5和K7钻孔混合流量衰减系数分别为0.0266和0.0184，由此，衰减阶段K5比K7衰减的慢。整个抽采阶段，受漏风影响，K6纯量保持在0~0.005 m³/min之间。

（3）原始煤层预抽、边压边抽和先压后抽效果对比分析

通过边压边抽、先压后抽以及原始预抽等抽采方式的对比分析，将抽采效果汇总，见表2。其中，K3、K5、K7平均瓦斯抽采浓度与2121东瓦斯预抽钻孔相比，分别提高了19.00%、31.06%、21%；K3、K5、K7平均瓦斯抽采纯量比原始煤层预抽分别提高32%、80%、19%，抽采效果显著。K6由于漏风原因，其浓度和纯量均低于原始预抽煤层。

表2 两阶段汇总结果

四、有益效果

1、探究适合淮南矿区的向下穿层钻孔液态CO2致裂增渗技术，对比分析向下和向上穿层钻孔CO2致裂增渗技术试验效果。

2、完善试验流程，实现本煤层本区域压裂增渗前后抽采效果对比。

3、完善试验过程参数考察，确定钻孔实施阶段、预抽阶段、压注阶段以及效果考察阶段必要的试验参数。

4、确定液态CO2压裂效果及影响范围。

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