2018, Vol. 41
1b. 西安科技大学 安全与科学工程学院, 西安 710054;
2. 韩城矿务局, 陕西 韩城 715400
1b. Key Laboratory for Coal Exploitation and Disaster Prevention under Ministry of Education, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, P. R. China;
2. Hancheng Mining Bureau, Hangcheng 715400, Shaanxi, P. R. China
中国有超过37%的高瓦斯或者煤与瓦斯突出矿井，而其中95%的开采煤层渗透性系数为0.04~0.004 m2/(MPa2·d)，远低于可抽采0.1 m2/(MPa2·d)的要求，煤层瓦斯抽采难度大[1-2]。采前预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出，实现煤与瓦斯共采的主要措施[3]。布置密集钻孔抽采煤层瓦斯时有效抽采范围小，瓦斯抽采效果差[4]。为了增加煤层渗透性，目前国内外主要采用煤层水力压裂、水力割缝、CO2爆破及炸药爆破致裂等技术，这些技术在增加煤体裂隙数量方面起到了良好的效果[5]。水力压裂技术是利用高压水力冲击作用压裂煤体，施工工艺简单，可操作性强，压裂煤层时能够快速形成垂直最小水平主应力的大裂隙，但形成的裂隙数量少，增透能力有限[6-7]。水力割缝技术是利用高压脉动水射流切割作用，迫使煤体沿水力切割方向形成较多的裂缝，但水力切割半径较小，不能起到大范围增透的目的[8]。CO2爆破致裂技术是利用液态CO2瞬时升温发生相变，导致体积急剧膨胀，产生高压冲击波，迫使煤体产生大量裂隙，由于爆破工艺复杂且爆破能量有限，不能大范围增透[9]。炸药爆破致裂是利用爆破高应力冲击波作用，使煤体产生大量短缝，但爆破后孔壁破碎严重，反而降低了煤层渗透率[10-11]。液态CO2压裂作为新型增透方法，主要利用液态CO2低温冻胀、相变增压等特性，促进煤体裂隙发育，已在煤层增透方面开展了工业性试验，并分析了压裂后煤体裂隙扩展、压裂机理[12]。但针对高瓦斯低渗透性煤层液态CO2压裂工艺，有效影响半径以及CO2在煤体裂隙中渗流扩散时与CH4产生的置换驱替效应未做研究。为了进一步确定低渗透性煤层压注液态CO2关键性参数，抽采参数及抽采效果，笔者在韩城矿区桑树坪二号井3#煤层开展工业性试验，主要从压裂工艺、钻孔布置、瓦斯抽采半径等三方面开展研究。通过钻孔气体监测，检验压裂与瓦斯抽采效果，为完善煤层压注液态CO2置换驱替CH4技术提供依据。
1 理论分析 1.1 增透作用液态CO2作为一种低温流体，循环注入时瞬时低温作用会使煤层温度场发生变化，迫使煤基质骨架收缩。温度急剧降低时，温差作用对煤体产生的收缩应力大于张拉应力，结构弱面原始裂隙网络失稳，在收缩应力作用下断裂，煤层整体结构破坏，裂隙网络重组[13]。煤层孔裂隙中含有一定的自由水和结合水，瞬时低温作用使煤体水分结冰体积膨胀，对煤体原生孔裂隙产生挤压应力作用，促使煤体孔隙重组和裂隙扩展延伸[14]。液态CO2在孔裂隙通道渗流时会与煤体进行热量交换，煤层内部温度场出现正负交替变化，产生低温冻结融化效应，损伤煤体孔裂隙结构[15]。热交换过程中液态CO2升温相变压力增大，在应力作用下煤基质膨胀，迫使煤体原生裂隙扩张、延伸与新裂隙的产生，增大了裂隙网络面积，煤体渗透性提高[16]。
1.2 置换驱替作用煤体中80%~90%的CH4以吸附态存在，其余CH4以游离态赋存于煤体孔裂隙中。热力学理论认为外界条件相同时不同气体分子运动剧烈程度不同，气体分子的平均自由度方程为[17]
| $ \lambda = \frac{{2Z}}{P}\sqrt {\pi \frac{{Rt}}{{8M}}}, $ | (1) |
式中：Z为气体动力粘度；t为温度；R为瓦斯气体摩尔常数；P为气体压力；M为气体摩尔质量。
CO2置换驱替CH4过程如图 1所示，在相同的温度及压力条件下，CH4的动力粘度远大于CO2，分子的摩尔质量小于CO2分子，因此CH4分子自由度大于CO2且无规则运动比CO2剧烈。当温度及压力等因素发生变化时，CH4分子与煤基质之间的范德华力减弱，容易脱附[18]。研究表明在相同条件下，CO2在煤基质中的吸附能力强于CH4，当进入煤体CH4吸附区域CO2的量增多时，二者产生竞争吸附[17]。主要表现为随着进入瓦斯吸附位的CO2分压增大，降低CH4分压，煤基质内部气体组分的吸附解吸平衡被破坏，吸附能力更强的CO2分子占据CH4吸附位，使CH4分子脱附[19]。随着CO2的持续注入，煤体裂隙通道两端压差及体积分数差作用明显，大量的CH4气体被置换驱替至煤体裂隙通道，最终渗流扩散至瓦斯抽采区域。
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图 1 CO2置换驱替CH4示意图 Figure 1 Diagram of displacement of CH4 by CO2 |
压注工艺系统如图 2所示，主要由液态CO2槽车、柱塞泵、T3数据采集仪、涡轮流量计、压力变送器、耐压输送管路、控制阀等组成，柱塞泵额定功率11 kW，流量1 000 L/h，最大工作压力15 MPa。压注工艺流程为：从槽车恒定流量输出的液态CO2通过柱塞泵加压后经耐压输送管路压注进入煤体，压力传感器及涡轮流量计分别将压注时孔口压力及压注量通过信号线传输至T3数据采集仪，在线监测试验关键性参数。
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图 2 液态CO2压注系统布置 Figure 2 The system of liquid CO2 injection |
试验矿区位于韩城市东北约48 km的黄河西岸，目前主采的3#煤层为高瓦斯低渗透性煤层，平均厚度5~7 m，倾角3°~5°。煤层不同区域瓦斯含量呈不均匀性，相对瓦斯含量最大值为14.15 m3/t，实测最大瓦斯压力0.40 MPa，瓦斯放散初速度ΔP=17~26 mL/s，坚固性系数fx=0.22~0.45。二号井扩界区域3#煤层为近水平厚煤层，中部存在软分层，瓦斯抽采时钻孔存在喷孔、夹钻等瓦斯动力预兆。3#煤层巷道掘进期间，采用密集布置钻孔的方法采前预抽煤层瓦斯，钻孔布置间距1.5 m，孔深180 m，存在钻孔施工量大、抽采时间长且抽采效率低等难题。因此，试验选择在桑树坪二号井中央辅助运输大巷进行本煤层压注液态CO2置换驱替CH4的对比性试验研究。
3.2 钻孔布置根据前期在兖州矿区3煤层南屯矿井3302工作面液态CO2压裂增透试验影响半径及瓦斯抽采效果[12]，本次试验确定在工作面18 m的范围内共布置一个压注孔(Y)，5个检验孔(J1~J5)。如图 3所示，钻孔均垂直煤壁，孔深180 m，孔径94 mm，沿煤层走向布置，孔口距煤层底板1.5 m，检验孔J1~J5距压注孔(Y)的距离分别为7，10，12，15，18 m。
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图 3 钻孔布置 Figure 3 The layout of bore hole |
本次试验钻孔封孔采用“两堵一注”方式，如图 4所示。
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图 4 封孔示意图 Figure 4 Diagrammatic sketch of sealed borehole |
封孔深度为30 m，注浆段布置内径25 mm注浆铁管和补浆管，注入水灰比为0.5:1的水泥浆至密实，注浆过程中压力稳定在2.0 MPa。为确保压注钻孔气密性，封孔中间段用A-B膨胀材料封堵。
3.4 试验过程本次压注液态CO2共计3 d，压注时主要对注液时间、孔口最大压力、单次压注量及最大泵压等关键性参数记录储存，如表 1所示。
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表 1 压注关键参数 Table 1 Key parameters of injection |
注液过程中压注孔(Y)孔口压力曲线如图 5所示，包含初始压注“气液”相态平衡建立、注液阶段、保压阶段。
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图 5 压注过程中孔口压力变化曲线 Figure 5 The varied curves of orifice pressure in injecting process |
第一天压注过程(注液114 min)：注液0~32 min时，孔口压力急剧上升，随注入的CO2在煤体裂隙渗流扩散，压力逐渐平稳并有衰减趋势；60 min后加大注液流量时压力升高，孔口最大升至1.87 MPa；114 min后停止注液，观察压注结束后钻孔压力变化情况。第一天注液时平均升压速率为0.018 MPa/min，平均压降速率为0.033 MPa/min，表明第一天注入煤层中的CO2沿煤体裂隙渗流扩散较快。
第二天压注过程(注液214 min)：注液0~43 min时，孔口压力急剧上升。44~157 min时间段内，随着注液时间及注液量的递增，孔口压力出现两次“V”字形波动，最大孔口压力为2.68 MPa。因为恒定流量向煤层压注液态CO2时，煤体裂隙不断发育，CO2渗流通道增多，孔口压力减小；当注液流量大于CO2渗流量时，孔口压力增大。159 min后停止注液，观察注液结束后钻孔压力变化。第二天注液时平均升压速率为0.015 MPa/min，平均压降速率为0.027 MPa/min。表明随着煤层中注液量的增加，CO2向煤体裂隙内的渗流速率减小，因此第二天的压力变化速率相比第一天呈减小趋势。
第三天压注过程(注液166 min)：随着压注时间及注液量的增加，孔口压力变化趋势与第二天相似，出现三次“V”字形压力波动，孔口最大压力为2.65 MPa。第三天注液平均升压速率为0.011 MPa/min，平均降压速率为0.024 MPa/min。由第三天压力变化速率进一步说明随着压注时间和注液量的增加，煤体中CO2的渗流扩散逐渐趋于稳定。
4 效果分析 4.1 影响半径液态CO2压注试验结束后保压2~3 h，待压力降至0.7 MPa以下(主要考虑安全性)时测定检验孔内CO2体积分数，结果如表 2所示。
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表 2 检验孔CO2体积分数实测结果 Table 2 Test results of CO2 concentration |
试验前测定J1~J5检验孔CO2体积分数为0.00%~0.14%，试验后分析检验孔内CO2体积分数可知：各检验孔CO2体积分数与压注时间、累积压注量正相关，即随着压注时间和压注量的增加，煤体中CO2体积分数也会增大，说明煤层中注入液态CO2时促进了煤体裂隙发育，CO2在煤体中的渗流量及渗流范围增大。因此根据检验孔内CO2体积分数变化，判定试验有效影响半径达到18 m。特别地，由于J3检验孔位于煤层软夹层中，钻孔准备阶段塌孔严重，钻孔内部被煤块压实，CO2运移受阻，试验结束测定J3检验孔内CO2体积分数小于其余检验孔。相比于矿井原有瓦斯抽采方法：密集布置瓦斯抽采钻孔影响半径1.5 m，深孔预裂爆破影响半径5 m，利用0.5 MPa压风向煤层注空气驱替瓦斯的影响半径8 m，本次试验有效影响半径明显增大。
4.2 检验孔CO2体积分数变化瓦斯抽采时测定30 d检验孔J1~J5的CO2体积分数如图 6所示，由于J3孔塌孔严重，所测数据不能真实反映煤层CO2运移，故以其余检验孔为准，分析抽采初期、抽采中期及抽采后期的CO2体积分数变化。
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图 6 检验孔CO2体积分数曲线 Figure 6 The curves of CO2 concentration in inspection hole |
1) 在抽采初期(第0~8天)：各钻孔CO2体积分数初值在1.3%~2.6%，抽采8 d后CO2体积分数快速减小为0。由于钻孔周围煤体裂隙中含有压注的CO2气体，随着抽采时间增加，煤层裂隙中的CO2连同解吸的CH4气体共同抽采。2)抽采中期(第9~23天)：各钻孔内CO2体积分数在0.02%~0.18%范围内波动，表明吸附在煤基质中的CO2逐渐解吸，缓慢释放。3)抽采后期(第24~30天)：钻孔中CO2体积分数为0，说明煤层中的CO2气体分子达到吸附解吸平衡状态。
4.3 瓦斯抽采效果液态CO2压注试验前对同一工作面密集钻孔抽采的原始区域煤层瓦斯体积分数及纯量持续60 d观测，由图 7(a)可知原始区域煤层瓦斯体积分数均值为16.8%，抽采3 d后瓦斯体积分数达到最大值27.9%，抽采至第10天瓦斯体积分数快速衰减至10%~12%。图 7(b)可知原始区域抽采瓦斯纯量最大值为0.4 m3/min，抽采3 d以后抽采瓦斯纯量衰减至均值为0.22 m3/min并保持稳定。因此，仅靠布置密集钻孔预抽煤层瓦斯抽采效率低。
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图 7 瓦斯体积分数与纯量随时间变化曲线 Figure 7 The varied curves of gas concentration and purity with time |
试验区域液态CO2压注后对钻孔保压8 h进行瓦斯抽采，效果观测时间为60 d，结果如图 7所示。由图 7(a)可知抽采前33天瓦斯体积分数与纯量相对于原始数据均有大幅度提升，最大瓦斯体积分数为75%，最大抽采纯量为1.35 m3/min。前33天瓦斯抽采体积分数及纯量如图 7中L1、L3所示，相比原始区域抽采瓦斯体积分数及纯量，试验后的瓦斯抽采维持在较高水平。在第34~41天抽采时如图 7(a)中框图标记的瓦斯体积分数出现衰减，由61%衰减至25.2%。如图 7(b)中框图标记的瓦斯纯量也出现衰减，由0.86 m3/min衰减至0.41 m3/min。第42~60天的瓦斯体积分数及纯量如图 7中L2、L4所示维持在相对平稳的状态，本阶段瓦斯抽采效率相对较低。即便如此，瓦斯体积分数和纯量也高出原始抽采量的1倍。
分析第60天的瓦斯体积分数及纯量变化情况可知试验过程中单孔压注量为6 m3时，瓦斯高效抽采的时间段为33 d。压注后的瓦斯抽采半径为18 m，在试验有效影响半径范围内。压注后抽采瓦斯体积分数、纯量及日平均抽采量等参数如表 3所示。
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表 3 压注前后抽采数据 Table 3 Drainage data before and after injection |
分析试验前后抽采瓦斯体积分数与纯量的最大值、最小值及平均值可知：试验后抽采瓦斯体积分数是原始体积分数的2.5倍，抽采纯量为原始纯量的3.5倍，瓦斯抽采效果明显。
5 结论1) 液态CO2压注过程中孔口压力呈现波动特性，初始压力上升速率较快，最大孔口压力为2.68 MPa，且压力衰减速率大于升压速率，压入煤体中的CO2渗流扩散较快。压注管路流量保持在0.6~1.4 m3/h，单孔累积压注量6.0 m3。
2) 本次低渗透性煤层压注液态CO2置换驱替CH4试验的有效影响半径为18 m，在该范围内布置钻孔时，瓦斯高效抽采时间为33 d。
3) 试验后抽采瓦斯体积分数是原始体积分数的2.5倍，抽采纯量为原始纯量的3.5倍，试验表明向煤层压注液态CO2能够有效置换驱替煤层瓦斯。
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