淺談常村煤礦直井水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)

郭 強(qiáng)

(潞安金源煤層氣開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 長治 046299)

0 引言

近年來，我國在煤層氣地面預(yù)抽技術(shù)方面取得了重大突破。尤其是與常村煤礦同屬沁水煤田的晉煤集團(tuán)沁水藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司，通過近二十年的實(shí)踐和總結(jié)，探索出煤炭與煤層氣一體化開發(fā)新模式，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤層氣成套技術(shù)，為我國煤炭礦區(qū)瓦斯綜合治理探索出了一條新的有效途徑[1-3]。晉煤集團(tuán)寺河、趙莊等礦區(qū)采用地面打井抽放、地面壓裂井下抽放、井上下聯(lián)合抽采等瓦斯抽放形式，取得了顯著的成效。晉煤集團(tuán)瓦斯治理開發(fā)情況表明，通過采前地面預(yù)抽可以降低煤層的瓦斯含量，可以有效降低煤層的儲層壓力，長時間預(yù)抽可以大幅度降低瓦斯壓力，只要抽放達(dá)到一定時間，可以解決煤層的瓦斯突出問題[4-5]。

常村煤礦目前采取的瓦斯抽采方法有本煤層抽采、邊掘邊抽、采前預(yù)抽、裂隙帶抽等，多種井下抽采方法和設(shè)備合力共采，勉強(qiáng)能滿足安全生產(chǎn)的瓦斯含量指標(biāo)要求。有時也有因瓦斯抽采滯后，影響生產(chǎn)的現(xiàn)象。隨著煤層埋深的不斷增大，如果單靠傳統(tǒng)的井下抽采，很難解決瓦斯超標(biāo)問題，因此有必要引進(jìn)煤礦瓦斯地面預(yù)抽的新理念和先進(jìn)技術(shù)。

1 礦井概況

常村煤礦生產(chǎn)能力為7.6 Mt/a，目前主采煤層為3#煤層，煤層埋深為430～630 m，礦井采用中央立井開拓方式，分2個水平開采，目前生產(chǎn)水平為第一水平，采煤方法為一次采全高放頂煤回采工藝。煤層瓦斯壓力為0.76～1.46 MPa，瓦斯含量為5.71～15.55 m3/t，平均10.63 m3/t，瓦斯以甲烷為主。+470 m水平開采后預(yù)測礦井絕對瓦斯涌出量為294.51 m3/min，最大達(dá)到432 m3/min，相對瓦斯涌出量為23.32 m3/t，經(jīng)測定，礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井，并且隨著時間的過去，瓦斯和二氧化碳的相對、絕對涌出量總體呈現(xiàn)增大的趨勢。

目前常村煤礦對瓦斯含量較高的位置，采用的抽采方法主要如下：對掘進(jìn)進(jìn)行工作面邊掘邊抽，綜采工作面提前布置瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽及邊采邊抽，同時在專用瓦斯排放巷道內(nèi)進(jìn)行布置裂隙帶抽采鉆孔；采區(qū)回采完畢之后進(jìn)行采空區(qū)抽采。即采用邊掘邊抽、采前預(yù)抽、邊采邊抽、裂隙帶抽采、采空區(qū)抽采等多種形式綜合抽采方式進(jìn)行抽采。

2 煤層瓦斯特征分析

在3#煤層取芯，對其進(jìn)行煤層含氣量測定、氣組分分析和等溫吸咐等相關(guān)測試試驗(yàn)，從而可以獲得3#煤層瓦斯含量的特征。

2.1 煤層瓦斯含氣量及組分分析

通過對3#煤層的含氣量和氣組分析試驗(yàn)得到，3#煤層空氣干燥基的含氣量為7.95～11.12 m3/t，平均9.74 m3/t；干燥無灰基含氣量10.02～13.19 m3/t，平均為11.51 m3/t?？諝飧稍锘募淄楹?.73～10.71 m3/t，平均9.41 m3/t；干燥無灰基甲烷含量9.74～12.66 m3/t，平均11.15 m3/t。瓦斯氣組成分主要為：甲烷為95.87%～97.28%，平均96.76%；二氧化碳為0.39%～0.89%，平均0.50%；氮?dú)鉃?.04%～3.71%，平均2.75%；瓦斯中無重?zé)N存在。

3#煤層瓦斯含量為7.95～11.12 m3/t，平均9.74 m3/t。煤層含氣量一般受煤層厚度、埋深、煤的變質(zhì)程度、煤層圍巖封閉條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等多種因素控制。從常村煤礦3#煤層含氣量的分布特征看，含氣量高的區(qū)域?qū)?yīng)煤層埋藏相對深的區(qū)域，含氣量低的區(qū)域?qū)?yīng)煤層埋藏相對淺的區(qū)域?？刂埔蛩刂饕獮槊簩勇裆?，即煤層含氣量隨埋深增加而增大，局部受構(gòu)造、水文地質(zhì)條件影響。

2.2 煤層瓦斯吸附特征分析

表1為3#煤層中瓦斯解析結(jié)果。在常村煤礦多個井內(nèi)采集瓦斯氣體，經(jīng)過對煤層的瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)得到：3#煤層平衡水分為5.90%～6.41%，空氣干燥基蘭氏壓力變化1.59～1.87 MPa，平均1.73 MPa；空氣干燥基蘭氏體積變化23.57～28.95 cm3/g，平均26.95 cm3/g。干燥無灰基蘭氏壓力變化1.59～1.87 MPa，平均1.73 MPa；干燥無灰基蘭氏體積變化28.94～35.66 cm3/g，平均31.90 cm3/g。

表1 煤層瓦斯解析結(jié)果表

2.3 煤層瓦斯其他特征分析

根據(jù)試井注入、壓降測試，3#煤層滲透率為0.135 6～0.870 7 mD。就煤儲層而言，3#煤層屬于低透氣性煤層。

3#煤層底板最低標(biāo)高為+377 m，最高標(biāo)高為+494 m，煤層埋深為438～624 m。儲層溫度為14.89～25.01 ℃，儲層壓力0.223～1.709 MPa，儲層壓力梯度0.048～0.337 MPa/100 m，屬于欠壓儲層(壓力梯度小于0.95 MPa/100 m)。

3#煤層破裂壓力為6.939～10.683 5 MPa，破裂梯度為1.168～1.644 MPa/100 m，閉合壓力為5.448～8.615 MPa，閉合壓力梯度為1.443～1.644 MPa/100 m。

3 地面直井瓦斯抽采方案研究

3.1 地面瓦斯抽采方案選擇

目前，煤礦瓦斯地面抽采的主要技術(shù)可分為3類，直井洞穴完井開發(fā)技術(shù)體系、水平井開發(fā)技術(shù)體系、直井水力壓裂開發(fā)技術(shù)體系。

根據(jù)常村煤礦的煤儲層條件，3#煤層的滲透率較低，煤層中孔隙較小，其儲存瓦斯氣體的壓力較小，瓦斯含量較高，在綜合考慮周邊其他礦井的瓦斯抽采情況下，該礦井適宜采用直井水力壓裂技術(shù)方案。施工直井并對主采煤層進(jìn)行水力壓裂是煤層氣開發(fā)普遍采用的技術(shù)，幾乎適宜于所有可以開采的區(qū)域。通過水力壓裂在目標(biāo)煤層段形成一個垂直于煤層的狹長的石英砂支撐的人工裂縫，支撐裂縫半徑可達(dá)到數(shù)十米乃至百米。支撐裂縫不僅為煤層中的氣、水滲流提供了一個“高速”通道，同時更具價值的是將徑向流變成了線性流，大大降低了煤層氣產(chǎn)出過程中的瓶頸效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)值目的。

3.2 直井工藝設(shè)計(jì)

表2 井身質(zhì)量數(shù)據(jù)表

3.3 壓裂方案設(shè)計(jì)

水力壓裂技術(shù)包括2個過程，主要為壓前準(zhǔn)備工作和壓裂過程。壓前準(zhǔn)備工作包括通井、洗井、試壓、射孔4個方面，其具體操作為：下φ114 mm通徑規(guī)+φ73 mm油管落實(shí)人工井底深度，用清水沖砂至人工井底，并用1%KCl溶液洗井至進(jìn)出口水質(zhì)一致；試壓15 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降不超過0.5 MPa為合格；采用102搶、127彈電纜傳輸方式射孔，槍彈90°相位角螺旋布孔，孔密16孔/m，發(fā)射率不低于95%。壓裂過程包括配液、壓裂，根據(jù)對壓裂過程的記錄可知，在壓裂施工結(jié)束時，水力壓裂的入井總液量為2 405.2 m3，每個井平均入井液量達(dá)到801.7 m3，入井總砂量為142 m3，單井平均入井砂量47.33 m3。施工排量7～8 m3/min，破裂壓力7.1～29 MPa，一般泵壓6～18 MPa，平均砂比9%～12.6%。

隨著泵注排量的穩(wěn)定，泵的壓力穩(wěn)定并開始下降，表示壓裂過程正常，在加砂階段，壓力趨于穩(wěn)定，表示裂縫延伸通暢，最后階段壓力略微上升，表示裂縫擴(kuò)展方向集中，因此可以得出本次施工所有參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.4 水力壓裂效果分析

通過對常村煤礦3口井壓裂施工各項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析，對該區(qū)壓裂效果進(jìn)行了初步評價。

破裂壓力：該區(qū)破裂壓力為7.1～29 MPa，一般泵壓6～18 MPa，3#煤層應(yīng)力場總體偏低，部分區(qū)塊應(yīng)力場較高。

入井液量：入井液量702.60～891.06 m3，平均801.7 m3，施工排量為7～8 m3/min，符合大液量、大排量壓裂的設(shè)計(jì)思路。

入井砂量：入井砂量142 m3，平均入井砂量47.3 m3，符合壓裂設(shè)計(jì)要求。

壓裂效果：通過壓裂后壓力下降測試可知，3口井30 min的壓力下降值為2.6～15 MPa，降幅較大?？傮w看該區(qū)地面瓦斯抽采井壓裂后壓力擴(kuò)散較快，說明該區(qū)鉆井壓裂過程中主裂縫得到了較充分的延伸，但由于煤層內(nèi)中孔較少，小微孔較多，導(dǎo)致后期壓力擴(kuò)散速度逐漸變慢。

3.5 瓦斯實(shí)際抽采效果分析

在壓裂工作完成后，對其進(jìn)行了瓦斯抽采的試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄時間為開始產(chǎn)氣后3個月，在此期間內(nèi)，每個井實(shí)現(xiàn)排水15.4 m3/d，累積產(chǎn)氣32 583 m3，經(jīng)過持續(xù)排水降壓，使壓降漏斗影響范圍不斷增加，產(chǎn)氣量日益上漲，排采穩(wěn)定后預(yù)計(jì)產(chǎn)氣量為單井400 m3/d；平均瓦斯?jié)舛?7%，對抽采后煤層中瓦斯含量進(jìn)行解析，其瓦斯含量平均為7.57 m3/t，因此該抽采方案能夠?qū)崿F(xiàn)煤層瓦斯抽采的標(biāo)準(zhǔn)，降低瓦斯突出的危險性。

4 結(jié)論

(1)對常村煤礦3#煤層瓦斯的賦存條件進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對其瓦斯含量特征進(jìn)行了確定。

(2)提出了直井水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)，并對直井結(jié)構(gòu)方案、壓裂技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過對其進(jìn)行瓦斯抽采的試驗(yàn)分析得出，該方案可以實(shí)現(xiàn)平均日產(chǎn)氣量400 m3/d，并且煤層中瓦斯含量降低為7.57 m3/t，符合瓦斯抽采的標(biāo)準(zhǔn)，降低了瓦斯突出的危險性。