CO2气相压裂技术应用及效果分析

CO 2气相压裂技术应用及效果分析郭 晟（山西省潞安集团高河能源有限公司，山西 长治 047100）摘 要本文主要针对高河能源CO 2气相压裂技术的应用进行了分析，以高河能源E2303工作面、掘进工作面、千米钻机长距离钻孔等方面CO 2气相压裂技术应用为例，进行了CO 2气相压裂效果分析，增强瓦斯钻孔抽采效果。

关键词 CO 2 气相压裂 瓦斯治理中图分类号 TD712+.6 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2019.04.037Application and Effect Analysis of CO 2 Gas Fracturing TechnologyGuo Sheng(Gaohe Energy Co., Ltd., Shanxi Lu'an Group, Shanxi Changzhi 047100)Abstract : In this paper, the application of CO 2 gas fracturing technology in Gaohe Energy is analyzed. Taking the application of CO 2 gas fracturing technology in Gaohe Energy E2303 working face, tunneling face and long distance drilling of kilometer drill rig as examples, the effect of CO 2 gas fracturing is analyzed to enhance the effect of gas drilling and extraction.Key words : CO 2 gas phase fracturing gas control收稿日期2018-09-10作者简介 郭晟（1987-），男，山西文水人，2013年7月毕业于中国矿业大学采矿工程专业，助理工程师，学士学位，研究方向：煤矿井下瓦斯抽采。

高河能源所采3#煤层为低渗透难抽采煤层。

为了实现煤矿生产，利用CO 2气相压裂技术对煤层进行增透处理，加大煤层的透气性，加快煤层瓦斯的抽采率，成为解决煤矿瓦斯治理新的方向。

1 E2303回采工作面CO 2气相压裂应用及效果1.1 工作面概况E2303工作面按两进一回布置，即进风顺槽和胶带顺槽进风，回风顺槽回风，另布置一条专用高抽巷。

工作面切眼长320m ，E2303工作面从2016年4月20日开始回采，目前已回采51.2m 。

煤层原始瓦斯含量为10.5~11m 3/t ，工作面煤炭储量294万t ，工作面瓦斯储量3087万m 3，煤的坚固性系数f 值0.6[1]。

1.2 CO 2气相压裂工程情况帮部预抽孔CO 2气相压裂工程施工参数如下：实施范围：E2303进风顺槽靠近切眼200m 范围内；钻孔布置：间隔10m 布置一个压裂孔，孔深100m ，压裂后，按1.7m 间距在压裂孔间补打预抽孔；实际工程量：2015年2月12日至4月7日共计施工11个气相压裂孔并全部成孔压裂。

表1给出了压裂孔信息。

1.3 压裂效果分析从5月13日开始每天对E2303进风、胶带两侧50m 和100m 分别取样测量煤层瓦斯含量，结果如下：（1）E2303进风顺槽侧比E2303胶带顺槽侧平均瓦斯含量低1.6~1.9m 3/t 。

（2）E2303进风顺槽压裂纵向深度50m 段比100m 段瓦斯含量低0.46m 3/t 。

（3）目前回采51.2m 内胶带顺槽侧共计布置25个钻孔，平均抽采时间920d ，进风顺槽侧共计布置31个钻孔，其中4个压裂孔，平均抽采时间400d 。

根据瓦斯含量下降结果反算钻孔抽采效果，可得进风侧单孔每天抽采量为28.65m 3，胶带侧单孔每天抽采量为9.87m 3，抽采效果对比进风比胶带高2.9倍[2]。

1.4 压裂区与非压裂区百米抽采量对比考虑到工作面回采对抽采效果的影响，本次选取回采前的数据进行比较。

回采前，E2303进风顺槽支管路平均抽采量为3.30m³/min ，E2303胶带顺槽支管路平均抽采量为6.91m³/min 。

E2303进风顺槽压裂区域为64#汇流管至74#汇流管之间的范围，单个汇流管平均瓦斯抽采量为0.19m³/min ，带抽钻孔总米数为10876m 。

通过数据统计后发现，进行压裂施工的巷道百米抽采量是非压裂施工巷道的2.2倍。

表1 压裂孔信息表钻孔编号钻孔位置压裂杆型号压裂杆数量压裂压力MPa 封孔深度m 封孔压力MPa 孔径mm 孔深m 孔高m 倾角方位角1#E2303进风顺槽南帮顺层孔930m 处513012190238113100 2.531802#E2303进风顺槽南帮顺层孔940m 处513015190147.5113100 2.531803#E2303进风顺槽南帮顺层孔950m 处51301519019.58113100 2.531804#E2303进风顺槽南帮顺层孔960m 处513015190239113100 2.531805#E2303进风顺槽南帮顺层孔990m 处513010190238.511370 2.531806#E2303进风顺槽南帮顺层孔1010m 处513015190238113100 2.531807#E2303进风顺槽南帮顺层孔1020m 处51301219023811388 2.531808#E2303进风顺槽南帮顺层孔1030m 处513015190238113100 2.531809#E2303进风顺槽南帮顺层孔1040m 处513015190218113100 2.5318010#E2303进风顺槽南帮顺层孔1050m 处513015190238113100 2.5318011#E2303进风顺槽南帮顺层孔1060m 处5130151902381131002.531802 掘进工作面CO 2气相压裂效果分析高河能源公司对掘进巷道迎头进行施工压裂钻孔试验。

对南辅迎头压裂数据进行分析可知，压裂后，压裂地点附近钻场内的掘进预抽孔瓦斯浓度均有小幅度提升，K1值有所降低并且趋于稳定。

巷道内风排瓦斯量也有所增加，绝对瓦斯涌出量略有上升。

南辅迎头压裂作业对改善掘进巷道内瓦斯抽放量，起到了一定的效果，有效降低了掘进工作面突出的危险，但据预期效果还有差距。

综合分析，影响压裂施工效果的因素可概括如下：（1）南辅迎头煤体较软，导致压裂能量不能有效地释放到周边煤体内。

（2）施工过程中，由于钻孔成形不好，淤煤过多，加上弯曲程度过大，导致封孔器不能顺利地推入钻孔，致使封孔深度远没有达到设计要求。

导致压裂后二氧化碳气体未能与煤体内瓦斯进行充分置换，即释放出来，进而影响了实际效果。

通过压裂的连续施工，降低了掘进工作面前方的瓦斯参数K1值，使压裂范围内的煤层应力重新分布，很大程度上降低了突出危险性。

压裂后K1值全部降到临界值以下，大大提高掘进速度。

相比施工释放孔，气象压裂钻孔每施工一次可连续掘进60m （释放孔为8m ），且不需要额外的释放时间，相对增加了每月掘进作业时间，由施工前的月掘进平均进尺144m ，提高到压裂后的212m 。

在成本费用方面，按照每掘进60m 计算，每60m 需要预裂一次，每次需要预裂杆13根，费用为2300元/根×13根=2.99万元；每60m 需要施工7次瓦斯释放孔，每次需要施工40个，每个钻孔15m ，每次需施工瓦斯释放孔600m 。

每掘进60m ，共需施工瓦斯释放孔4200m ，释放孔每米32元，共计：32元/m ×4200m=13.44万元。

相比每60m 可节省费用10.45万元，也达到了降本增效的目的[3]。

3 千米钻机长距离钻孔CO 2气相压裂效果分析3.1 工作面概况E2307回风顺槽为E2307工作面的回风顺槽，全长2374m ，邻近面为E2308和E2309工作面，煤层原始瓦斯含量为10~11m 3/t ，巷道开口前施工1组千米钻机钻孔进行掘前预抽，掘进期间间隔80m 布置1组边掘边抽钻场，其中在巷道北帮钻场内布置千米钻机钻孔，超前治理E2308和E2309工作面瓦斯。

3.2 钻孔布置情况每个钻场间距80m ，每个钻场内布置8个千米钻机主孔，孔深设计500m ，共设计27个钻场。

每个钻场内的每个钻孔孔口连接1个Φ108mm 小孔板，汇流管安装1个Φ150mm 孔板。

3.3 钻场压裂情况分别于2016年3月3日和3月12日在千米钻机0#和1#钻场进行1次气相压裂，压裂前均对压裂孔提前扩孔。

其中0#钻场对5#孔扩孔100m ，塞杆24根，压裂杆型号为5130型，杆长2.6m ，封孔深度13m ，压裂深度75m ；1#钻场对5#孔扩孔100m ，塞杆20根，压裂杆型号为3512型，杆长2.05m ，封孔深度13m ，压裂深度54m 。

钻场压裂情况如图1所示。

图1 钻场压裂孔布置竣工图3.4 压裂效果分析E2307回风顺槽千米钻机钻孔截至压裂前共计施工8个钻场，64个钻孔，累计进尺5.1万m 。

（1）支管路抽采数据分析支管路抽采浓度最大63.6%，平均44.4%，抽采量最大5.0m 3/min ，平均3.3m 3/min 。

数据观测从3月4日压裂后开始观测至5月18日，其中浓度最大82.2%，平均64.2%，纯量最大8.81m 3/min ，平均5.18m 3/min ，对比压裂前平均浓度提高44.6%，纯量提高57%。

如图2，E2037回风顺槽主管路数据变化图所示。

0#钻场共计施工8个钻孔，共计施工进尺6036m ，其中5#为压裂孔，钻孔主孔深度363m ，分支309m 。

通过对0#钻场2个月时间各钻孔抽采浓度数据汇总后发现，压裂孔较其他钻孔抽采浓度高出2.3%，平均为79.7%。

图2 E2037回风顺槽主管路数据变化图（2）钻场抽采数据分析1#钻场共计施工9个钻孔，共计施工进尺5883m ，其中5#为压裂孔，钻孔主孔深度375m 。

通过对1#钻场2个月时间各钻孔抽采浓度数据汇总后发现，压裂孔较其他钻孔抽采浓度高出2.5%，其平均浓度为80.6%。

通过对2#、4#、5#、7#、8#钻场2个月时间各钻孔抽采浓度数据汇总后发现，压裂孔较其他钻孔抽采浓度高出约2%左右，且平均浓度均可达到80%左右。

4 结 语CO 2气相压裂在实施的过程中不会产生火花，因此不会在作业过程中引起瓦斯或者煤尘的爆炸事故，而且气相压裂作用能大大增加煤层的透气性，加大煤层瓦斯抽采效率，实现了高瓦斯矿井快速抽采的目的，降低了瓦斯治理的成本，提高了矿井安全生产效率。