地面水力壓裂鉆井瓦斯抽采效果分析

屈花榮，楊 浩，劉 寧

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 桑樹坪煤礦，陜西 韓城 715400)

煤礦瓦斯災(zāi)害造成的社會(huì)影響惡劣、經(jīng)濟(jì)損失大，已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的“第一重大災(zāi)害”，煤礦開采前進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，既符合煤礦安全生產(chǎn)的要求，也是煤礦自身安全生產(chǎn)的需要。

目前，桑樹坪煤礦主要采用底板瓦斯巷穿層鉆孔預(yù)抽方式降低煤層瓦斯含量，這種方式工程量大、耗時(shí)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)接續(xù)，且無法對(duì)不具備開采條件的煤層做到全覆蓋。因此，探索一條安全、高效、經(jīng)濟(jì)的瓦斯綜合治理道路，對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)具有重要意義。為此，2020年與陜西浩興坤達(dá)新能源科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱浩興公司)合作，開展地面鉆井水力壓裂瓦斯抽采項(xiàng)目研究。

1 煤層水力壓裂工藝方法

煤層水力壓裂技術(shù)起源于油田的壓裂工藝，基本原理是利用高壓泵將壓裂液(水或其他液體)在一定的壓力下壓入煤層，在煤層內(nèi)部產(chǎn)生一定的張應(yīng)力，張應(yīng)力沿著煤層的自然裂縫面(層里面或者節(jié)理面)壓開裂縫，同時(shí)在壓裂液中加入一定粒度的石英砂，隨著液流的運(yùn)動(dòng)，石英砂沉留在裂縫中。當(dāng)泵壓撤出時(shí)石英砂將裂縫支撐，不使其在低壓作用下閉合，這樣便在煤層中形成高滲透性能的排放瓦斯的縫隙，從而改變裂縫周圍煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)，形成卸壓區(qū)域，增大煤體的透氣性，同時(shí)還可以濕潤(rùn)煤體，起到降低煤體的力學(xué)強(qiáng)度和降低煤塵的綜合效果，為高瓦斯低透氣煤層瓦斯治理提供新的途徑。

2 桑樹坪煤礦地面鉆井瓦斯抽采

2.1 地面鉆井基本概況

2020年4月至2020年9月，浩興公司在桑樹坪鎮(zhèn)水草塔村北偏東約600 m處(屬于桑樹坪煤礦南一采區(qū)3313-3315煤炭?jī)?chǔ)量區(qū)域)，分兩期施工2口實(shí)驗(yàn)井，分別編號(hào)為HS01-01H及HS01-02H。

HS01-01H井于2020年4月7日開始鉆進(jìn)，2020年7月26日套管試壓合格完井，鉆井總進(jìn)尺1 608.88 m，其中水平段進(jìn)尺951.16 m(見圖1)。從鉆孔軌跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，水平井筒距3號(hào)煤層頂板1.5～4.2 m。鉆井共計(jì)壓裂9段，裂縫平均長(zhǎng)230.3 m，寬84.7 m，高37.4 m。

圖1 HS01-01H井身結(jié)構(gòu)示意

HS01-01H鉆井施工垂直井筒期間，曾多次發(fā)生不間斷連續(xù)性漏失，累計(jì)漏失堵漏泥漿3 216 m3。HS01-01H井場(chǎng)距東側(cè)3號(hào)煤采空區(qū)邊界140 m，從漏失類型分析，排除地層層位漏失，多為裂縫和微裂縫漏失，且為縱向裂縫，通過采空區(qū)塌陷角與井漏關(guān)系分析，確定該井受到采空區(qū)塌陷的直接影響。

HS01-02H井于2020年7月30日開始鉆進(jìn)，2020年9月29日套管試壓合格完井，距HS01-01H井水平距離290～310 m。鉆井總進(jìn)尺1 550 m，其中水平段進(jìn)尺842 m(見圖2)，從鉆孔軌跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，基本沿設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工，水平井筒距3號(hào)煤層頂板3.5 m。鉆井共計(jì)壓裂8段，裂縫平均長(zhǎng)229.5 m，寬88.4 m，高25.1 m。

圖2 HS01-01H井身結(jié)構(gòu)示意

2.2 瓦斯抽采概況

兩口地面水力壓裂瓦斯抽采井于2020年12月28日正式投產(chǎn)，截至2021年05月11日，累計(jì)產(chǎn)氣40 360 m3。HS01-01H井使用螺桿泵進(jìn)行排采作業(yè)，投產(chǎn)66 d見套壓，開始解析，累計(jì)產(chǎn)氣31 807 m3，最大日均產(chǎn)氣824 m3(見圖3)。根據(jù)排采實(shí)際數(shù)據(jù)分析，煤層壓力為2.58 MPa，煤層壓力梯度為0.513 MPa/100 m，煤層解析壓力為0.97 MPa。

圖3 HS01-01H井產(chǎn)氣曲線

HS01-02H井使用無桿潛沒泵進(jìn)行排采作業(yè)，投產(chǎn)16 d見套壓，開始解析，累計(jì)產(chǎn)氣8 553 m3，最大日均產(chǎn)氣510 m3(見圖4)。根據(jù)排采實(shí)際數(shù)據(jù)分析，本井煤層壓力為0.92 MPa，煤層壓力梯度為0.185 MPa/100 m，煤層解析壓力為0.58 MPa。

圖4 HS01-02H井產(chǎn)氣曲線

3 地面鉆井瓦斯抽采效果分析

采用水力壓裂技術(shù)預(yù)抽煤層瓦斯，衡量效果的主要參數(shù)是鉆孔抽放瓦斯量及持續(xù)時(shí)間，根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)資料及HS01井組施工參數(shù)，結(jié)合135 d排采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，排采效果不理想的主要原因有以下三點(diǎn)。

1) HS01井組位于區(qū)塊最南部的構(gòu)造復(fù)雜帶，煤體結(jié)構(gòu)受區(qū)域構(gòu)造作用，以Ⅳ型糜棱煤為主，糜棱煤極不易解析；煤層解析壓力低，地層解析能量不足，不利于煤層解析，地質(zhì)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)對(duì)比

2) HS01井組按設(shè)計(jì)施工，兩口鉆井破裂壓力、停泵壓力較低，有多段為3～5 MPa，說明地層壓力及地應(yīng)力相對(duì)較低，地層為超欠壓地層，存在裂隙發(fā)育或與煤礦采掘擾動(dòng)區(qū)域溝通的可能。

HS01-02H號(hào)鉆井受煤礦擾動(dòng)區(qū)影響更大，北側(cè)11號(hào)煤層塌陷區(qū)影響范圍距井眼軌跡僅60～70 m，3317底板瓦斯抽放巷距井眼軌跡170 m，控制范圍有重疊，3317采面11號(hào)煤卸壓區(qū)域已累計(jì)抽放瓦斯710萬m3，使煤層壓力和煤層解析壓力更低，因此，HS01-02H井產(chǎn)氣量更低，壓裂參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 壓裂參數(shù)對(duì)比

3) 由于HS01井組3號(hào)煤層頂板砂巖分布范圍相對(duì)較小，砂巖類巖性占比低，導(dǎo)致水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫平均長(zhǎng)度、寬度相對(duì)較小，裂縫延展性差，壓裂效果不理想，壓裂監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 壓裂監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)兩口地面鉆井的水力壓裂及抽采效果分析，得到如下結(jié)論：

1) 地面鉆井水力壓裂抽采瓦斯效果的好壞取決于煤層賦存條件、原始瓦斯壓力、原透氣性以及產(chǎn)生砂縫的透氣性等因素。

2) 地面鉆井選址對(duì)后期瓦斯抽采效果影響很大，前期對(duì)地勘資料考慮不充分、分析不到位，選址存在較大弊端，導(dǎo)致兩口鉆井瓦斯抽采效果不理想。