碎軟低滲煤層頂板水平井條帶瓦斯預(yù)抽技術(shù)

張東亮

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710054）

貴州西部煤礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，碎軟低滲煤層（群）發(fā)育，高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井居多，煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，歷來是我國煤礦瓦斯災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)[1-3]。長期以來，貴州瓦斯防治技術(shù)和措施主要集中在煤礦井下，且伴隨采掘活動進(jìn)行，受抽采技術(shù)方法和地質(zhì)認(rèn)識水平的限制，井下人員往往與煤層瓦斯“短兵相接”，在遇到構(gòu)造異?；虼胧┎划?dāng)?shù)那闆r下極易發(fā)生瓦斯事故[4]。地面鉆井預(yù)抽煤層瓦斯，由于工程措施在地面完成，具有安全性高、幾乎不受時(shí)間和空間限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為煤礦瓦斯治理的重要方式[5-6]，且被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤層向低瓦斯煤層轉(zhuǎn)變的根本途徑[5]。近年來，貴州省雖然進(jìn)行了大量地面煤層氣抽采試驗(yàn)，但并未取得顯著突破，由于碎軟低滲煤層（群）發(fā)育，普遍存在單井產(chǎn)量不高、產(chǎn)能維持時(shí)間短[7]等問題，現(xiàn)行的抽采技術(shù)尚無法滿足煤礦瓦斯高效治理的時(shí)空需求，通過地面抽采進(jìn)行煤礦瓦斯治理的案例也鮮有報(bào)道。

以往，針對碎軟低滲煤層，缺乏行之有效的強(qiáng)化措施和抽采工藝[8-10]；碎軟低滲煤層塑性較強(qiáng)，直接在煤層中進(jìn)行水力壓裂，強(qiáng)化增產(chǎn)效果不佳[10]；針對這個問題，“十二五”期間，以張群等[9-11]為代表的科研團(tuán)隊(duì)通過科研攻關(guān)，提出了頂板水平井分段壓裂高效抽采模式，即將水平井的水平段布置在煤層頂板巖層，實(shí)施定向射孔和分段水力壓裂進(jìn)行儲層強(qiáng)化和抽采的技術(shù)思路，并在淮北蘆嶺煤礦取得了良好的工程試驗(yàn)效果，為碎軟低滲煤層地面瓦斯治理指明了方向。以貴州對江南煤礦首采面為例，將頂板水平井抽采技術(shù)工藝應(yīng)用煤礦瓦斯條帶預(yù)抽和消突，通過井眼軌跡設(shè)計(jì)、射孔壓裂設(shè)計(jì)和產(chǎn)能模擬，開展碎軟煤層地面瓦斯預(yù)抽條帶消突方法研究，以期在礦井采掘活動進(jìn)入工作面之前，消除煤與瓦斯突出威脅，提高礦井建設(shè)生產(chǎn)安全保障程度，為突出礦井“先抽后建”和煤礦瓦斯治理提供借鑒。

1 礦井概況

對江南煤礦屬籌建礦井，位于貴州省大方縣南部，設(shè)計(jì)產(chǎn)能90萬t/a，設(shè)計(jì)建設(shè)周期為6年。對江南井田構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，總體為傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角8°~15°，淺部斷層較為發(fā)育。含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l），含煤16~36層，含可采煤層 4層，分別是 M18、M29、M51和 M78，平均煤厚1.20~2.33 m。各煤層均屬于無煙煤，吸附能力較強(qiáng)，氣含量較高；據(jù)地勘報(bào)告和煤層氣參數(shù)井?dāng)?shù)據(jù)，可采煤層平均瓦斯含量15.88~18.26 m3/t[12]；空氣干燥基Langmuir體積31.63~36.31 m3/t，Lang muir壓力2.16~2.85 MPa。受構(gòu)造影響，井田內(nèi)碎軟煤層較為發(fā)育，儲層壓力梯度和地應(yīng)力較高，煤層滲透性較差；6口煤層氣參數(shù)井13層煤的試井滲透率為0.01×10-15~0.51×10-15m2，平均為 0.1×10-15m2；儲層壓力梯度0.78~1.71 MPa/hm，平均為1.05 MPa/hm；地應(yīng)力梯度2.17~2.78 MPa/hm。

由于對江南煤礦所在的黔北礦區(qū)為突出危險(xiǎn)礦區(qū)，且周邊礦井發(fā)生過煤與瓦斯突出事故，加之瓦斯含量高、透氣性差，對江南煤礦可采煤層均按突出煤層進(jìn)行管理和設(shè)計(jì)[13]。

對江南煤礦首采區(qū)為南一盤區(qū)，首采煤層為M78煤層，首采面（S17801）和備用面（S17802）位于南一盤區(qū)中部，工作面傾向長1 150～1 200 m，寬220 m。M78煤埋深500~700 m，煤厚1.70~2.10 m，平均1.90 m；煤層直接頂板為炭質(zhì)泥巖（厚0.25~0.40 m），基本頂為粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖（厚3.50~4.07 m），結(jié)構(gòu)完整；煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤質(zhì)碎軟，取心顯示多為碎塊狀和碎粒狀；M78煤層氣含量11.80~16.79 m3/t，平均14.41 m3/t，平均儲層壓力5.06 MPa，試井平均滲透率 0.10×10-15m2。根據(jù)設(shè)計(jì)，將在礦井建設(shè)的第5年開始首采面和備用面的準(zhǔn)備工作，屆時(shí)工作面巷道掘進(jìn)將面臨高壓力、高濃度瓦斯的威脅。對江南井田首采面布置示意圖如圖1。

圖1 對江南井田首采面布置示意圖

2 頂板水平井條帶預(yù)抽技術(shù)方法

條帶預(yù)抽主要是為了降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，消除工作面掘進(jìn)條帶的瓦斯突出威脅，因此，水平井的井位和井眼軌跡的布置要必須與工作面布置參數(shù)相協(xié)調(diào)，并充分考慮地質(zhì)構(gòu)造、地形條件和對后期儲層改造和抽采的影響。

2.1 水平井軌跡方位布置

為了解決首采面回風(fēng)巷和材料運(yùn)輸巷未來掘進(jìn)面臨的高瓦斯和煤與瓦斯突出威脅，設(shè)計(jì)布置2組水平井，分別為H1-V1和H2-V2。

由于對江南煤礦工作面設(shè)計(jì)走向與地層傾向（北西）一致，且與井田最小主應(yīng)力方向（NE）近乎垂直。因此，2口水平井（H1-V1和H2-V2）的井眼軌跡與掘進(jìn)巷道的走向平行，根據(jù)地形和布井條件，2口水平井的水平段長度均為860 m和870 m。其中，垂直井（V1和V2）布置于工作面深部，分別在M78煤層頂板洞穴完井；2口水平井（H1和H2）分別沿M78煤層頂板向地層下傾方向鉆進(jìn)與直井（V1和V2）對接。垂直井位于構(gòu)造低部位，既可以降低水平井鉆井施工難度，又有利于后期直井的排水降壓。工作面水平井軌跡方位布置圖如圖2。

圖2 工作面水平井軌跡方位布置圖

分段壓裂的裂縫半長一般可達(dá)100 m以上，縫高10余米，裂縫可貫穿下部巖層并延伸到煤層；巫修平、張群等[10-11]應(yīng)用FracproPT壓裂模擬方法對頂板水平井（井眼軌跡位于煤層以上2 m）分段壓裂效果進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，支撐裂縫半長可達(dá)到168.4 m，支撐縫高可達(dá)19 m。因此，為了盡可能地對掘進(jìn)條帶進(jìn)行強(qiáng)化抽采，且不影響巷道的掘進(jìn)，2口水平井的井眼軌跡與首采面的回風(fēng)巷和材料運(yùn)輸巷的距離均設(shè)置為50 m，水平井井眼軌跡布置于M78煤層頂板粉砂巖、砂質(zhì)泥巖中，距煤層0.5~3 m，2口水平井的水平距離為220 m。

如果將頂板水平井的井眼軌跡置于掘進(jìn)巷中，在巷道掘進(jìn)時(shí)勢必會破壞水平井眼，無法實(shí)現(xiàn)邊抽邊掘和后續(xù)抽采，且分段壓裂也會破壞頂板的完整性，將增加巷道頂板維護(hù)的難度。另一方面，在碎軟煤層中鉆井，極易發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌等井內(nèi)事故；頂板巖層與碎軟煤層相比，結(jié)構(gòu)更加完整，在頂板巖層鉆井，則可提高鉆井成功率，并為后續(xù)儲層強(qiáng)化創(chuàng)造條件。

2.2 定向鉆井

頂板水平井為“U”型井，由1口垂直井和1口水平井組成。其中，煤層頂板水平段鉆井、對接和套管固井是關(guān)鍵。垂直井鉆至M78煤層底界以下50 m完鉆，固井后對M78煤層及其頂板（煤層以上2 m）進(jìn)行洞穴完井，洞穴直徑不小于0.5 m。

水平井采用三開井身結(jié)構(gòu)（圖3），應(yīng)用電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EMWD）[14-15]進(jìn)行頂板水平段的鉆進(jìn)，輔助以巖屑錄井、氣測錄井等方法，保障井眼軌跡在煤層頂界以上0.5~3 m；采用磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)（RMRS）[16]進(jìn)行水平井與垂直井的對接。

2.3 定向射孔和分段壓裂

圖3 頂板水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖

水平井的井眼軌跡位于M78煤頂界以上0.5~3 m范圍，為了保證對下部煤層分段壓裂的成功，定向射孔必須穿透鋼套管、水泥環(huán)和煤層頂板，誘導(dǎo)壓裂縫向M78煤層中延伸。為此，采用泵注橋塞電纜射孔壓裂聯(lián)作技術(shù)[17]進(jìn)行射孔和壓裂，該技術(shù)方法可實(shí)現(xiàn)橋塞坐封、定向射孔、光套管壓裂的連續(xù)作業(yè)，具有封隔可靠、射孔精確、壓裂效率高且段數(shù)不受限制等諸多優(yōu)點(diǎn)[11,18]。H1-V1和H2-V2井三開套管固井完成后，均分為10段進(jìn)行逐段射孔壓裂，段長70~90 m，采用活性水壓裂液，以16~40目（700～1 000 μm）蘭州石英砂為支撐劑，壓裂施工排量6~10 m3/min，單段壓裂加砂量不小于100 m3，施工限壓35 MPa。頂板水平井定向射孔和分段壓裂瓦斯抽采示意圖如圖4。

圖4 頂板水平井定向射孔和分段壓裂瓦斯抽采示意圖

單段射孔壓裂時(shí)，首先利用電纜泵送橋塞至設(shè)計(jì)位置點(diǎn)火坐封，然后上提射孔槍至預(yù)定深度完成定向射孔，射孔完成后，通過電纜拖動將射孔槍提出井口，以光套管方式進(jìn)行加砂壓裂[11,18]。其中，定向射孔選擇102型射孔槍、配備127型超深穿透射孔彈，以45°相位角定向向下射孔，孔密為12孔/m，射孔彈發(fā)射率要求不低于95%。壓裂施工過程分為前置液注入、攜砂注入和頂替3個階段[18]，在前置液階段逐漸提高排量，壓開煤巖層，在煤巖層中形成裂縫；攜砂液階段，隨著加砂強(qiáng)度逐漸提高，壓裂液攜帶的石英砂由近及遠(yuǎn)進(jìn)入煤巖層裂縫中；頂替階段將井筒內(nèi)的攜砂液全部注入到裂縫中。

3 效果預(yù)測

水平井分段壓裂全部完成后，分別在V1和V2井安裝抽油機(jī)和管式泵進(jìn)行抽采。

采用CBM-SIM煤層氣藏?cái)?shù)值模擬軟件建立地質(zhì)模型，劃分網(wǎng)格，對水平井抽采效果進(jìn)行預(yù)測，并通過編繪抽采3年、5年殘余瓦斯含量分布圖對首采工作面殘余瓦斯分布特征進(jìn)行描述。產(chǎn)能模擬參數(shù)見表1。

表1 產(chǎn)能模擬參數(shù)表

預(yù)測結(jié)果顯示，頂板水平分段壓裂井單井最高產(chǎn)氣量為10 306 m3/d；氣井在抽采半年后達(dá)到產(chǎn)期高峰并開始衰減，抽采1年后衰減至5 740 m3/d，抽采3年后產(chǎn)氣量衰減至1 650 m3/d，這與M78煤層厚度較薄、氣源供給不足有關(guān)；連續(xù)排采10年，單井累計(jì)抽采瓦斯621.61×104m3。頂板水平分段壓裂井產(chǎn)能模擬曲線如圖5。

圖5 頂板水平分段壓裂井產(chǎn)能模擬曲線圖

分段壓裂產(chǎn)生的裂縫系統(tǒng)是由井眼逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，裂縫發(fā)育程度隨著距井眼距離的增大而減弱，因此，頂板水平井的抽采影響范圍成條帶狀分布，抽采強(qiáng)度隨著距井眼距離的增加而減弱（圖6）；隨著抽采時(shí)間的持續(xù)，抽采影響條帶逐漸以井眼為中心向兩側(cè)擴(kuò)展，煤層瓦斯不斷解吸并沿裂縫滲流進(jìn)入井筒產(chǎn)出井口，抽采條帶的煤層瓦斯含量將持續(xù)下降，瓦斯壓力也逐漸釋放，突出危險(xiǎn)性大大降低。由于近井地帶（距井眼70 m范圍）裂縫擴(kuò)展最充分，導(dǎo)流能力最強(qiáng)，瓦斯解吸和抽采也最為充分。

圖6 首采面抽采3年和5年殘余瓦斯含量分布圖

連續(xù)抽采3年，除了抽采未覆蓋的小部分范圍，首采面大部分區(qū)域M78煤層瓦斯含量顯著降低，井眼兩側(cè)50 m范圍瓦斯含量由原始的11.80~16.79 m3/t降至 5.70~10.80 m3/t，綜合抽采率可達(dá)到24%；連續(xù)抽采5年，首采面大部分區(qū)域瓦斯含量可降至9 m3/t以下，備用面瓦斯含量也顯著降低，井眼兩側(cè)70 m范圍瓦斯含量進(jìn)一步降至4.7~7.7 m3/t，綜合抽采率可達(dá)33%；屆時(shí)，北回風(fēng)巷和材料運(yùn)輸巷的掘進(jìn)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性大大降低，首采面的準(zhǔn)備可滿足《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于新建突出礦井首采區(qū)“先抽后建”的要求[19]。

對于抽采未覆蓋區(qū)域，可根據(jù)需要，利用現(xiàn)有井場施工定向井對M78煤層進(jìn)行水力壓裂和抽采，降低瓦斯含量和壓力，保障首采面掘進(jìn)巷道的安全。

4 結(jié) 論

1）碎軟煤層頂板鉆井可提高水平井鉆井的成孔率，定向射孔可穿透鋼套管、水泥環(huán)和煤層頂板，誘導(dǎo)壓裂縫向煤層中延伸；分段壓裂形成的裂縫可有效溝通煤層和井筒，形成有效支撐的裂縫網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)流通道。

2）頂板水平分段壓裂井抽采影響范圍成條帶狀分布，抽采強(qiáng)度隨距井眼距離的增大逐漸降低，分段壓裂在近井地帶（距井眼0～70 m范圍）形成的裂縫寬度大，導(dǎo)流能力最強(qiáng)，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分；隨著時(shí)間的持續(xù)，抽采影響條帶逐漸以井眼為中心向兩側(cè)擴(kuò)展。

3）采用頂板水平井分段壓裂抽采技術(shù)對碎軟低滲煤層進(jìn)行條帶瓦斯預(yù)抽，可快速降低瓦斯含量和瓦斯壓力，解決條帶掘進(jìn)和工作面準(zhǔn)備面臨的煤與瓦斯突出威脅；按照接續(xù)關(guān)系合理部署，可滿足高瓦斯、突出礦井區(qū)域瓦斯高效治理的時(shí)空要求，是實(shí)現(xiàn)新建突出礦井“先抽后建”首采區(qū)瓦斯治理的有效手段。