李珍宝—煤层注液态CO2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验
一第41卷第11期煤一一炭一一学一一报
Vol.41一No.11一一2016年
11月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Nov.一
2016一
文虎,李珍宝,王振平,等.煤层注液态CO 2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验[J].煤炭学报,2016,41(11):2793-2799.doi:10.13225/https://www.wendangku.net/doc/a84465465.html,ki.jccs.2016.0124Wen Hu,Li Zhenbao,Wang Zhenping,et al.Experiment on the liquid CO 2fracturing process for increasing permeability and the character-istics of crack propagation in coal seam[J].Journal of China Coal Society,2016,41(11):2793-2799.doi:10.13225/https://www.wendangku.net/doc/a84465465.html,ki.jccs.2016.
0124
煤层注液态CO 2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验
文一虎1,2,李珍宝1,2,王振平1,4,马一砺1,2,郭一英1,4,王一旭3
(1.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安一710054;2.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安一710054;
3.兖州煤业股份有限公司南屯煤矿,山东邹城一273515;
4.兖矿集团有限公司,山东邹城一273515)
摘一要:针对我国煤层 高储低渗 的赋存特征,基于液态CO 2黏度低二阻力小二酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO 2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律三结果表明:压裂过程流量随着压力的增长呈现出 波动 特性,钻孔周围煤体受CO 2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2MPa 处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂 弱面扩展 微孔隙破坏三现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20m ,且与水力压裂相比在压裂安全性二时间和效果方面存在技术优势三关键词:增透;人工裂隙;液态CO 2;压裂半径;扩展特征
中图分类号:TD712一一一文献标志码:A一一一文章编号:0253-9993(2016)11-2793-07
收稿日期:2016-01-25一一修回日期:2016-08-10一一责任编辑:韩晋平
一一基金项目:国家自然科学基金面上基金资助项目(51574193);陕西省工业科技攻关资助项目(2016GY -191);陕西省教育厅科研计划资助项
目(14JK1476)
一一作者简介:文一虎(1972 ),男,新疆石河子人,教授,博士生导师三Tel:029-********,E -mail:597397703@https://www.wendangku.net/doc/a84465465.html,
Experiment on the liquid CO 2fracturing process for increasing permeability
and the characteristics of crack propagation in coal seam
WEN Hu 1,2,LI Zhen-bao 1,2,WANG Zhen-ping 1,4,MA Li 1,2,GUO Ying 1,4,WANG Xu 3
(1.Ministry of Education Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention ,Xi an University of Science and Technology ,Xi an 一710054,China ;2.College of Safety Science and Engineering ,Xi an University of Science and Technology ,Xi an 一710054,China ;3.Nantun Coal Mine ,Yanzhou Min-ing Group Co.,Ltd.,Zoucheng 一273515,China ;4.Yanzhou Mining Group Co.,Ltd.,Zoucheng 一273515,China )
Abstract :In terms of low permeability in China coal seams,based on the fact that liquid CO 2has the characteristics of low viscosity,low resistance,acidification-dispel and phase supercharge,the authors performed a field experiment of hydraulic CO 2fracturing for increasing coal seam permeability,and studied the crack developing process.The results
show that the flow curve presents the characteristics of fluctuation with the pressure increase.Under the action of CO 2pressure,some cracks appear and extend forward gradually around the borehole.The speed of cracks extension is fast at the initial phase of the fracturing,and then decreases gradually.Cracks extend both in axial and radial directions a-long the fracture hole.There are two turning points of pressure curve at 1.8MPa and 2.2MPa.The fracturing process is divided into three stages,and the coal damage forms at each stage,including initial rupture in broken zone around borehole,weak plane extending and micro pore damage during fracturing process respectively.The results of testing pressure and temperature show that the fracture radius can reach 10meters,so it is possible to increase coal seam per-meability by applying liquid CO 2fracturing.
煤一一炭一一学一一报2016年第41卷Key words:permeability improvement;manual fracture;Liquid CO2;fracturing radius;propagation law
一一 高储低渗 是我国煤层赋存的普遍特征,据统计,我国37%以上的矿井为高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井,其中95%的开采煤层又属于低渗透性煤层[1-2]三研究表明:我国煤层渗透率在0．002?10-15~16．17?10-15m2,渗透率小于1?10-15m2的煤层占已探明煤碳资源总量的72%,这给矿井煤层瓦斯抽采带来了技术难题[3-4]三
对于低透气性煤层来说,采用常规的钻孔布置方式进行煤层预抽瓦斯,往往达不到预期的抽采效果[5]三经过多年的探索和实践,外力加载压裂(主要指水力压裂)和高能冲击波致裂(包括炸药爆破二高能气体致裂及液态CO2相变爆破致裂等)技术在提高煤层渗透性二改造地应力等方面取得了一定的研究成果,但这些技术在工程应用方面各有优势和不足[6-9]三例如水力压裂技术施工工艺简单,可操作性强,压裂过程可快速形成一条或几条垂直于最小水平主应力的人工裂缝,但是裂隙数目较少,增透能力有限[10];爆破致裂形成的裂隙数目多,但裂隙半径相对较小,爆破后孔壁破碎垮塌严重,降低了煤岩层的渗透率,且施工过程可能引发次生灾害问题[11]三基于上述分析,现有的煤层人工致裂增透技术不能很好的满足矿井生产,因此,开发新的增透技术对煤层瓦斯治理尤为迫切三
早在20世纪80年代,美国利用液态CO2压裂过程对储层伤害小二压裂后易返排二相变增能二溶解降黏的技术优势,将其作为压裂液对油二气开采行业的低渗地层进行压裂改造试验,迄今为止累计对2000口井实施了压裂,获得了良好的增透效果[12]三到目前为止,文献检索发现关于液态CO2压裂技术的研究及应用报道均见于石油二天然气开采技术领域,未见到对煤层的压裂增透技术三基于液态CO2的低温二低黏度二酸化解堵及相变增压等特点,笔者采用液态CO2进行煤层压裂增透现场工业试验三选择兖州矿区3煤层作为试验对象,在南屯煤矿3302工作面运输巷开展试验,分析压裂过程裂隙扩展特征三
1一压裂增透原理和特点
1．1一压裂增透原理
压裂过程中,压裂液对煤体的破坏遵循先易后难的顺序进行三首先压裂液充满压裂孔和张开度较大的可视性裂隙,进而进入煤层的层理二切割裂隙等原始弱面区域,最终深入到煤体的原生微孔隙[13]三煤体的破坏是依靠压裂液对煤层裂隙内部裂隙面的支撑形成张开裂隙,同时压裂过程中应力集中于裂隙尖端,迫使裂隙进一步张开二延伸以及发生滑移,使得煤体内部发生分割三压裂作用不仅使煤体裂隙及裂隙空间体积发生扩展,而且裂隙之间的连通性大大增加,最后形成相互交织的多裂隙网络空间[14]三
以液态CO2作为压裂液,通过压裂泵注入压裂孔,压裂液作用于煤层弱面及微观孔隙,破坏煤体原始结构,使得煤层产生裂隙发育三同时,液态CO2在压裂孔内发生相变,可达到压裂孔相变增能和裂隙扩展过程的压力补偿目的三随着压裂过程的持续进行,裂隙不断向前延伸发展,最终在压裂孔周围形成具有一定形态的裂缝展布空间三
1．2一压裂增透特点
液态CO2的三相点为(0．52MPa,-56．6?),临界点为(7．4MPa,31．3?)[15]三根据矿井开采的实际情况,煤层压裂过程的最大破裂压力一般不超过几十兆帕,可推断出液态CO2压裂技术的实施压力参数也应该在此范围之内三如图1所示,压裂过程中钻孔内部始终处于液-气两相转化过程,涉及液-气-固二应力场-应变场-温度场等多相及多场的耦合过程三该方法在煤层人工裂隙改造方面具有以下技术优势:
(1)液态CO2的惰化安全性三煤层液态CO2压裂以低温惰性的CO2做为压裂液,整个过程不产生热能释放,且对煤体具有降温作用,适于低瓦斯及高瓦斯矿井煤层压裂施工三
(2)液态CO2的膨胀自增压性三在压裂孔中液态CO2与煤体存在热量交换,实现液态向气态的转换及气体热膨胀效应,在裂隙扩展过程中压裂液实现自增压作用,利于裂隙扩展三
(3)液态CO2低黏度高渗透性三CO2的动力黏度为13．67?10-6Pa四s,约为水的1/1000,在煤层裂隙中渗透性能好,利于裂隙半径的扩展三(4)液态CO2的低温性三CO2温度低,与煤体接触会降低煤体表面的温度,使得煤体塑性降低二脆性提高,力载荷作用下更容易破裂形成裂隙三(5)液态CO2的酸化解堵作用三CO2溶于水的酸化作用可溶解封堵于煤层裂隙中的黏土矿物质,增加煤层裂隙的渗透性,尤其适合于水敏性煤层的人工裂隙改造三
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第11期
文一虎等:煤层注液态CO 2
压裂增透过程及裂隙扩展特征试验
图1一压裂过程流-固耦合相变增压Fig．1一Coupling processing of phase state transforming to
increasing energy in heat-flow-solid
2一压裂增透工艺
2．1一压裂系统组成
煤层液态CO 2压裂系统主要由液态CO 2槽车二
BP102-1000型柱塞式压裂泵二逆止阀二涡轮流量计和压力表等组成,其系统布置如图2所示三压裂泵额定功率11kW,流量1000L /h,最大工作压力
15MPa三
图2一煤层液态CO 2压裂系统布置
Fig．2一Arrangement of liquid CO 2fracturing system
2．2一钻孔布置
选择在巷道煤帮及顶板完整的区段施工水平钻
孔,如图3所示,压裂孔S 1(检验孔为T 1,距离S 1孔
10m)及S 2(检验孔为T 2,距离S 2孔20m)钻孔均垂直于巷道壁面,沿煤层走向布置,距离煤层底板
1．5m,钻孔直径80mm,孔深80m三
图3一压裂孔及检验孔布置
Fig．3一Arrangement of fracture hole and inspection hole
2．3一封孔参数
从巷道壁面向里穿过巷道围岩裂隙之后为有效起封深度,根据压裂目标半径确定封孔长度三因此,封孔长度为巷道围岩裂隙长度与压裂目标半径之和三为确定合理的封孔参数,保证封孔质量,必须掌握巷道围岩原始裂隙的分布情况,判定起封深度三本次试验采用2种方法得到巷道围岩裂隙分布:一种是基于
巷道围岩松动圈 的理论计算方法,另一种是采用现场实测,根据钻孔窥视确定巷道围岩裂隙分布三
根据试验地点的地质资料及巷道尺寸参数,采用文献[16]的计算方法,确定出该区域的围岩松动圈半径为1．58m三同时采用YTJ20岩层探测记录仪对压裂孔S 1及S 2进行窥视观测,如图4所示,从压裂孔口开始,在S 1钻孔(孔口以里3~8m)及S 2钻孔(孔口以里2~9m)观测到孔内壁面存在大量的轴向裂隙,且存在少量径向裂隙,在孔深9m 以后钻孔壁面裂隙较少三对比两种方法确定的围岩原始裂隙半径相差较大是由于该钻孔布置区相邻侧为采空区,受采动影响,裂隙发育超过了巷道围岩松动圈的范围并向里发展三根据以上分析,为保证封孔质量,判定该压裂区域巷道围岩原始裂隙半径为9m,结合预期的压裂半径目标10m,确定封孔深度为19
m三
图4一钻孔原始裂隙
Fig．4一Original cracks of bore-hole
对压裂孔进行封孔处理,采用水泥封孔方法,为方便现场施工,起封深度0二封孔长度19m三在2寸钢管两端头缠绕0．5m 长的柔性材料作为灌注水泥的封孔端头隔挡,其厚度以能完全封闭钻孔为宜三将钢管送入钻孔19m,通过预设管路在水泥钻孔注入
水泥浆液,直至注满三检验孔封孔方法与压裂孔类似,不同的是在两个检验孔封孔深度19m 以里5m 处布置温度探头及压差测试束管,并将导线及束管另一端引至孔外测试地点三
2．4一压裂方法
压裂试验需要经历封孔二连接管路二压裂孔气相置换二液态CO 2压注及现场观测5个阶段三将CO 2槽车的排气口与压裂泵进气相入口连接,槽车出液口与压裂泵液相入口连接,压裂泵出液口与封孔器注液
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口连接,中间安装涡轮流量计与压力表;打开CO2槽车排气口阀门和封孔器注液阀,建立加压泵和钻孔内
的气相平衡;平衡后,关闭槽车排气阀,打开出液阀,
开启压裂泵,向孔内压注液态CO2;液态CO2经加压泵持续进入压裂孔,在线监测压裂孔压力及注入流
量,现场持续观测检验孔的压差及温度信息;观测到
煤体壁面有CO2喷出或者煤壁异常停止注液,关闭压裂孔口阀门,对钻孔保压,放空管路压力,压裂试验结束三
2．5一压裂监测
为掌握煤层液态CO2压裂过程参数,判定压裂
效果,采集试验过程的压裂孔的压力二流量等参数,并
在压裂钻孔外侧设置检验孔监测孔内温度二压差等信
息,判断裂隙的扩展范围三如图3所示,分别在S1,S2压裂孔10,20m处设置检验孔T1,T2,在封孔前钻孔内布置温度探头,并在钻孔外设置U型压差计与检验孔内部连通,观测压裂孔侧壁的温度及压力参数三为保证压裂过程施工安全,将观测仪表接引至3302运输巷1号联络巷(距离S1压裂孔50m),并与矿井在线监测系统连接,实现压裂过程参数的在线监测三3一压裂现场试验
3．1一试验工作面条件
试验地点选择在3302工作面运输巷,巷道长310m,宽6．0m,高3．0m三煤层平均厚度5．44m三根据矿井地质资料,试验地点煤层相对瓦斯涌出量为0．28m3/t,绝对瓦斯涌出量1．83m3/min,属于低瓦斯矿井三致裂区域煤层以暗煤为主,亮煤二镜煤次之,呈块状结构,普氏硬度系数为2~3三顶板及巷帮采用 锚杆二H型钢带二金属锚网二锚索 联合支护方式三巷道帮及顶板锚杆排间距1000mm?1000mm,H型钢带规格为长?宽?直径为240mm?120mm?10mm,金属网为50mm?50mm,锚索支护于顶板,间排距1500mm?1500mm,每排3根三试验前采用孔板流量计测试两个检验孔流量,计算得到T1及T2的百米钻孔流量分别为0．0663,0．0536L/min三
3．2一压裂试验过程
3．2．1一S1钻孔压裂过程
S1钻孔第1次压裂实施至32min时,管路连接头处由于密封圈失效出现少量CO2泄露,经更换继续施工,整个压裂过程分为2个阶段,间隔5min,压裂过程压力与流量曲线如图5所示三第1次压裂时间32min,压注液态CO2量0．35m3,压裂孔最大压力值2．33MPa,瞬时流量在0．61~0．68m3/h波动,平均升压速率2．22MPa/h,钻孔在进行至15min时观测到检验孔T1出现温度波动,且U型压差计出现压差显示(压裂前压差显示为0)三第2次压裂至28min时听到 轰隆 声,停止压裂,观察S1钻孔左侧1m范围出现煤帮鼓出,如图6所示,壁面有大量的CO2喷出,停止压注,累计压注液态CO2量0．9m3,最大致裂压力3．38MPa,瞬时流量0．77~ 1．01m3/h,平均升压速率3．04MPa/h三整个压裂过程检验孔T1温度在24．7~19．8?范围波动,显示最大压差850Pa,如图7所示
三
图5一S1钻孔压裂过程压力及流量曲线Fig．5一Pressure and flow curves of S1bore-hole
fracturing
图6一S1钻孔压裂过程帮鼓现象Fig．6一Phenomenon of side wall bulging during S1bore-
hole fracturing
3．2．2一S2钻孔压裂过程
S2钻孔压裂过程压力与流量曲线如图8所示,压裂时间34min,压注液态CO2量0．37m3,最大压裂压力2．72MPa,瞬时流量在0．71~0．78m3/h波
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文一虎等:煤层注液态CO 2
压裂增透过程及裂隙扩展特征试验
图7一T 1检验孔U 型压差计显示
Fig．7一U-type press differences instrument reading of
the inspection hole T 1
动,平均升压速率3．25MPa /h,钻孔在进行至27min 时观测到距离压裂孔20m 处的检验孔T 2出现温度变化及压差显示(压裂前压差显示为0),进行至
34min 时在距离压裂孔右侧2．5m 处帮锚托板处发现有少量白色雾状CO 2向外扩散,停止压注三整个压裂过程中,检验孔T 2内的温度在24．5~21．9?波动,U 型压差计显示最大压差120
Pa三
图8一S 2钻孔压裂过程压力及流量曲线
Fig．8一Pressure and flow curves of S 2bore-hole fracturing
4一压裂裂隙扩展特征分析
4．1一压裂裂隙展布形态
根据压裂过程压力及流量变化曲线,结合检验孔温度二压差及巷道壁面帮鼓及CO 2喷出现象,对S 1及S 2钻孔压裂过程裂隙扩展形态分析如下:
裂隙扩展方向三检验孔内检测到压差计温度信息,说明压裂裂隙沿着压裂孔轴向扩展;在压裂孔附近煤壁出现CO 2喷出及巷道壁面帮鼓现象,推断压裂裂隙同时沿着压裂孔径向扩展三
裂隙扩展速度三压裂过程中,流量随着压力的增长持续波动,说明钻孔周围煤体受到CO 2压力作用不断产生裂隙发育,并不断向前延伸;整个压裂过程中压力持续上升二流量逐渐下降,说明压裂裂隙在初期扩展较快,随后逐渐减小三
裂隙扩展半径三在距离压裂孔不同距离的检验孔均有监测到压差及温度在一定范围波动,推
断S 1,S 2钻孔的有效压裂半径至少达到10,20m三
4．2一压裂裂隙扩展阶段特征
根据岩石力学理论,裂缝总是产生于强度最弱二抵抗力最小的地方,并且沿着这些弱面持续向前发展[17]三煤层在原始状态下其内部层理二节理二原生微裂隙二孔隙存在的规模和尺度存在差异,以及这些弱面所在平面与原岩应力场方向之间空间关系的不同[18],导致压裂过程中CO 2渗流进入其中的顺序和运动状态也不一样三在顺序上表现为先从张开度大二黏结能力弱的结构弱面开始,然后到次级弱面,最后
是煤层中的原生微裂隙和孔隙破坏三根据图5及图8两个钻孔压裂过程压力及流量随时间的变化曲线,根据升压速率及流量波动曲线可以看出:在1．8MPa 和2．2MPa 处出现两个拐点,将整个压裂过程分成
以下3个阶段:
(1)钻孔破碎区裂隙起裂(1．2~1．8MPa)三在
压裂开始阶段,压力值较小,通过向钻孔压注液态CO 2,部分转换为气态,压力快速上升,钻孔内为液-气两相共存,CO 2压力作用于钻孔周围的破碎区(为压裂孔径的3~5倍)裂隙,裂隙面两侧的煤体发生弹-塑性变形,裂隙开始扩展,压裂压力超过1．2MPa 时流量就开始波动,说明这一时刻就有煤层裂隙扩张,压裂孔周围破碎区裂隙的起裂压力为1．2MPa三
(2)弱面扩展延伸(1．8~2．2MPa)三压力值较
小且上升速率较慢,流量值较大,CO 2渗透较快,此阶段主要压裂对象为层理二切割裂隙等形成的弱面,压
裂过程的破坏表现形式为垂直弱面方向裂隙的张开和沿着弱面方向裂隙的延伸三当压裂压力超过一级弱面的临界破坏压力时,煤层压裂进入下一阶段,随着压力的持续增长,2级弱面开始起裂三此过程裂隙在弱面内部快速向前延伸,且裂隙尖端延伸速率较快三
(3)微孔隙破坏(大于2．2MPa)三压力上升速
率增大,流量下降速率亦显著增加,且流量值波动幅度变小,这时CO 2已经进入未扰动的原始煤层内,主要是对煤层微孔隙进行破坏,煤体产生拉伸破坏及剪切破坏,裂隙较前一阶段减少,压裂裂隙延伸速率也相应下降三
需要说明的是后两个阶段并非互相独立,在煤层微孔隙压裂阶段,会随着裂隙的向前延伸CO 2进入新的结构弱面,此时弱面扩展和煤体张/剪破坏同时进行三
5一同类型压裂技术对比
从施工工艺及压裂方法分析,与煤层液态CO 2
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压裂增透类似的是水力压裂技术,目前该技术在提高煤层渗透性二改造地应力等方面进行了现场应用,取得了一定成果三参考文献[19],两种压裂技术参数及效果见表1三
表1一2种压裂技术主要参数
Table1一Parameters of two fracturing techniques
压裂方法压裂孔深/m压裂时间/min最大压力/MPa平均流量/(m3四h-1)压裂液用量/m3压裂半径/m 水力压裂60~8075~15012~200．55~0．9618~2910
液态CO2压裂8034~632．71~3．380．010~0．0170．34~1．2710~20
一一与水力压裂相比,液态CO2致裂过程压力约为水力压裂的1/5,2种致裂压力产生较大差异的原因是压裂过程煤体的破坏机制不同三根据CO2的黏度特性,结合压裂裂隙扩展阶段特征分析,液态CO2压裂过程压裂液分子在煤层内部层理二节理二孔隙等发生较快的渗流运动,且该过程中压裂液作用于煤层结构弱面和微观孔隙产生微观破坏,最终互相贯通形成裂隙网络,其破坏形式主要为拉伸破坏和剪切破坏三而对于水力压裂来说,压裂液黏度高,分子半径大,在煤层结构弱面及孔隙中的渗流速度慢,压裂压力是原始地应力和煤体力学参数综合作用的结果,最终形成一条或者几条垂直于最小水平主应力的 大尺寸 裂隙[20]三因此,液态CO2压裂施工过程需要提供的压裂动力小,安全性好三整个液态CO2压裂施工时间不到水力压裂的一半,压裂半径是水力压裂的1~2倍,压裂效果良好三液态CO2压裂过程存在相变增压,其用量约为水力压裂的0．34%三
6一结一一论
(1)压裂过程中,压力持续上升二流量逐渐下降,且流量随着压力的增长呈现出 波动 特性,压裂孔周围煤体受到CO2作用产生裂隙发育,初期扩展较快,随后延伸速度逐渐降低三
(2)压裂孔中裂隙同时沿着轴向和两个径向两个方向发展,S1,S2钻孔的有效压裂半径分别在10m 和20m以上三
(3)升压速率和流量波动曲线分别在1．8MPa 和2．2MPa处出现2个拐点,整个压裂过程表现出阶段特征,不同阶段压裂压力对煤体的破坏形式不同,钻孔内的裂隙扩展形式为破碎区裂隙起裂-弱面扩展-微孔隙破坏三
(4)与水力压裂技术相比,煤层液态CO2压裂压力低,施工时间短,压裂液用量少,压裂效果优于水力压裂技术三
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