低透高突煤层气相压裂钻孔有效抽采半径的研究*

王晓东，张东华，杨永康

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司生产技术中心,山西 阳泉 0450002.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

煤炭是我国的重要能源,在工业生产中占有十分重要的地位是我国社会和经济发展的重要基础[1]。近年来,随着煤矿采深的增加和煤矿单井产量的增加,煤层逐渐显示出低渗透性高应力的特征,煤与瓦斯的突出风险逐渐增加[2-3]。瓦斯的抽采工程是保障煤矿企业减少瓦斯事故的基本措施[4]。煤层渗透性低依然是困扰我国煤系地层煤层气开采的首要难题[5-6]。国内外针对以上问题研究并实施过了很多的技术措施,例如开采解放层[7]、底板岩石巷道上行穿层孔瓦斯抽采、顶板抽采巷道、顶板岩巷朝下穿孔瓦斯抽采[8]、爆破[9-10]、水力压裂[11]、气相压裂等增透卸压方法[7-12]。尽管以上技术在应用中取得了良好的抽采效果,但是针对阳泉地区的特殊低渗煤层,亟待寻求一种高效的压裂抽采技术。其中,二氧化碳气相压裂工艺技术,可强化煤层的透气性,有效提高低渗透率煤层的抽采率。这种技术工艺不仅具有操作简单、安全可靠、且能够实现降低瓦斯储层压力,提高煤层瓦斯抽采效果。气相压裂作用会使局部煤层的高应力状态发生改变,起到了降低突出危险性的效果,从而有效地保障了突出煤层的掘进和回采[12-13]。二氧化碳气相压裂技术在提高煤炭企业开采水平的同时,也提高了社会经济效益的贡献率,在确保煤矿安全生产的前提下降低了碳排放量和提高了绿色能源的利用效率,紧紧围绕国家的产业发展核心目标。

1 影响气相压裂煤层瓦斯抽采半径的因素

1.1 钻孔瓦斯流量

煤层瓦斯在钻孔内的流动方式属于不稳定的径向流,煤层的瓦斯储层压力和钻孔内的瓦斯压力差对瓦斯流量影响显著,煤层的透气系数λ和钻孔半径的1/3～1/5次方与瓦斯流量存在着正相关联系。故而,钻孔瓦斯沿着径向稳定流动的方程可用式(1)[14]表示:

(1)

式中:Q为压裂钻孔瓦斯流量,m3/d;λ为透气系数,m2/(MPa2·d);m为本煤层煤厚,m;P1为原始煤层瓦斯压力,MPa;P0为钻孔内瓦斯压力,MPa;R1为钻孔有效排放半径,m;Re为钻孔的半径,m。

从式(1)中可以明显看出,钻孔瓦斯流量与相关参数之间的关系,其中,钻孔半径与抽采压力是影响钻孔瓦斯流量的重要因素。增加钻孔孔径在施工中较难实现,对于突出煤层,钻孔孔径过大会导致煤与瓦斯突出的风险,故《防治煤与瓦斯突出规定》中对钻孔直径有规定要求。

1.2 钻孔间距

合理布置钻孔间距是提高抽采率和控制抽采成本的关键,钻孔抽采有效半径与钻孔的间距具有密切的关系。研究结果表明,当钻孔间距超过最大半径的两倍时,煤体赋存的瓦斯总有一部分会吸附在孔隙中,无法抽出,钻孔间距缩短又会导致成本的增加,因此合理布置钻孔孔距是提高钻孔有效抽采效果的重要方式。

从上述讨论可知,钻孔间距与要求的钻孔瓦斯抽采率有关,与煤层瓦斯含量有关,与煤层厚度有关,与钻孔瓦斯衰减规律有关,也与允许的抽采时间有关。要缩短抽采时间,就必须缩小钻孔间距。

2 气相压裂钻孔有效半径研究

瓦斯抽采有效半径是设计瓦斯抽采钻孔间距的基础。本次现场实测的地点是新元煤矿3#煤层的3108工作面,通过现场实测压裂前后的瓦斯流量衰减系数和有效抽采半径,来研究气相压裂对低透高突煤层的瓦斯抽采效果。

2.1 气相压裂的工艺过程及参数

气相压裂的器材是C-74,压裂杆Φ68 mm,单根压裂杆长度是2 000 mm,液态CO2质量是2.0 kg/根～2.2 kg/根,液态CO2膨胀体积是1:500～1:600,反应时间为约20 ms～40 ms,释放压力为120 MPa～180 MPa。钻孔成孔后,及时将压裂管、封孔器、推杆等推进钻孔,启动压裂。压裂后将压裂设备退出钻孔。打一个钻孔,封一个钻孔,联网一个钻孔,要求全程下筛管。

2.2 钻孔布置方案

1)原始煤层瓦斯抽采半径测定工艺流程:选取地点→钻孔4个(B1、B2和B3、B5)→封孔(膨胀水泥)→安装三通阀门、压力表→一周后观察压力是否恢复(若没有,注入氮气)→压力稳定后,钻孔(B0和B4)→观测→得出结论,具体布置图见图1。

2)压裂后瓦斯抽采半径测定工艺流程:选取地点→钻孔4个(C1、C2和C3、C5)→封孔(膨胀水泥)→安装三通阀门、压力表→一周后观察压力是否恢复(若没有,注入氮气,若还没有,孔漏气,重新打孔)→压力稳定后,钻孔(C0和C4)→压裂→封孔(膨胀水泥)安装三通阀门、压力表→观测→得出结论。

3)气相压裂前、后抽采半径测试钻孔共设计施工4组钻孔,共12个钻孔,其中B0-B5为原始抽采半径测试钻孔,C0-C5为气相压裂后抽采半径测试钻孔(B0、B4、C0、C4为抽采钻孔,其余钻孔为瓦斯压力观测孔)。

图1 压裂前测试有效抽采半径钻孔布置图Fig.1 Boreholes layout for effective extraction radius before fracturing

2.3 钻孔瓦斯流量衰减规律

通过对比分析压裂前后钻孔的布置方案,原始钻孔B0与测试孔B1和B2的距离分别为1 m和1.5 m,B4与测试孔B3和B5的距离分别为2 m和3 m。应用气相压裂技术后钻孔C0与测试孔C1和C2的距离分别为3 m和4 m,C4与测试孔C3和C5的距离分别为5 m和6 m。详细施工参数见表1。

表1 原始钻孔与压裂后钻孔有效抽采半径钻孔参数Table 1 Parameters for effective extraction radius of primitive boreholes and after-fracturing boreholes

钻孔瓦斯衰减系数是表示瓦斯流量随着抽采时间的延长衰减的速度。根据对B0、B4、C1、C2、C4钻孔的流量监测数据,把钻孔流量监测数据代入式(2)[15],通过回归分析,可求出钻孔瓦斯衰减系数α和相关系数R2。

qct=qcoe-β t.

(2)

式中:qct为持续t时的瓦斯流量,m3/min;qco为初始时间的瓦斯流量,m3/min;β为钻孔瓦斯流量衰减系数,d-1;t为钻孔的抽采瓦斯时间,d。

压裂前后不同钻孔瓦斯流量衰减规律见图2,根据图2的钻孔流量拟合曲线可以得到表2,由钻孔瓦斯流量衰减系数可以得出:在测试区内原始钻孔瓦斯流量衰减系数在0.102/d～0.129/d,煤层为难抽采类型,气相压裂后钻孔瓦斯流量衰减系数是0.018/d～0.051/d,煤层由难抽采变为可抽采。气相压裂对增加新元煤矿3#煤层3108工作面的低透高突煤层瓦斯抽采效果作用明显。

图2 压裂前后不同钻孔瓦斯流量衰减规律Fig.2 Gas flow attenuation of different boreholes before and after fracturing

表2 钻孔瓦斯流量衰减规律结果Table 2 Borehole gas flow attenuation results

2.4 有效半径测定结果

根据流量测定结果和钻孔布置间距理论方程,进行数据整理和计算,压裂前后参数测定结果如图3所示。压裂前,原始钻孔在抽采60 d后,瓦斯抽采半径基本维持在0.82 m左右。相同时间内,压裂钻孔抽采半径为2.54 m,是原始钻孔的3.1倍,而且,在此时间之后,压裂钻孔的抽采半径还在随着抽采天数的延长而逐渐增加,总之,压裂后的抽采有效半径比压裂前提高了2.1～4.3倍。

3 结论

1)合理布置钻孔位置是提高压裂钻孔抽采半径的重要方式,增加钻孔孔径和抽采负压受到诸多条件的限制。随着孔径的增大,钻孔瓦斯流量增加不明显,同时钻孔的施工难度和成本却逐渐增大;同时,钻孔瓦斯流量与压力平方差成正比,通过提高抽采负压来增加抽采量效果也不大,也不能产生较显著的效果。

图3 压裂前后不同钻孔有效抽采半径Fig.3 Effective extraction radius of different boreholes before and after fracturing

2)气相压裂对低渗高突煤层的透气性和钻孔抽采效果作用显著。原始钻孔瓦斯流量衰减系数为0.102/d～0.129/d,压裂后变为0.018/d～0.051/d,煤层由难抽采改造成为可以抽采的类型。

3)压裂前,原始钻孔在抽采60 d后,瓦斯抽采半径基本维持在0.82 m左右。压裂后60 d,抽采半径是2.54 m,且60 d后逐渐增加到150 d的3.52 m。压裂后的抽采有效半径比压裂前提高了2.1～4.3倍。