地面壓裂鉆井與井下抽采鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

連曉陽

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030053）

井下煤層瓦斯的抽采通常有井下鉆孔抽采與地面鉆孔抽采兩種抽采方式，井下鉆孔抽采難度較大，投入資金較大，且資源利用困難，相比較而言，地面鉆孔抽采則有著安全性高、效果較好的優(yōu)點[1-3]。研究表明，西山礦區(qū)工作面瓦斯來源，本煤層瓦斯占65%，鄰近層瓦斯占25%，采空區(qū)瓦斯占10%。西山礦區(qū)開采的2#煤層透氣性較差，本煤層瓦斯抽采效果不好，因此，屯蘭礦12501工作面進行了地面壓裂鉆井瓦斯抽采技術(shù)試驗研究。

1 工程概況

屯蘭礦12501工作面位于礦井南五盤區(qū)，工作面南邊為12503采空區(qū)，東邊為斷層保護煤柱，北邊為四盤區(qū)12403、12405工作面，西邊為白草塔保護煤柱。工作面走向長度為1 751 m，傾斜長度為199 m，煤層平均厚度3.69 m，煤層傾角為1°～7°，煤的硬度低，煤層為較穩(wěn)定。工作面煤層瓦斯含量為12.7 m3/t，瓦斯壓力為2.14 MPa，煤層透氣性系數(shù)為1.62 m2/（MPa2·d），煤層自然發(fā)火類型為Ⅱ類，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高全部垮落綜合機械化采煤方法，工作面平均采高3.69 m，跟2#煤頂板和3#煤底板向前推進，兩端頭與巷道平緩過渡?；夭晒ば驗殡p滾筒采煤機割煤、裝煤→可彎曲刮板輸送機運煤→移架→推移刮板輸送機。

2 地面壓裂鉆井施工工藝

根據(jù)工程經(jīng)驗對屯蘭礦實施地面鉆井TLK-T1進行壓裂鉆井抽采瓦斯，鉆井距離12501工作面切眼以里260 m，鉆井距離12503采空區(qū)100 m，鉆井距離12501工作面軌道巷115 m，鉆井深480 m，鉆孔影響范圍為200 m，鉆井施工時限制壓力為35 MPa。

（1）鉆井開鉆工藝：

一開鉆井，采用表層套管，鉆頭尺寸直徑為311.1 mm，套管尺寸直徑為244.5 mm，型號為J55。二開鉆井采用生產(chǎn)套管，鉆頭尺寸直徑為215.9 mm，套管尺寸直徑為139.7 mm，型號為J55。

（2）壓裂工藝

壓裂是采用液體傳動壓力的原理，通過鉆井向煤層中以一定壓力注入具有一定粘度的液體，使得煤層達到破碎狀態(tài)，并使裂縫不斷延伸擴展，進而達到瓦斯通過裂縫傳遞的作用。

（3）排采集輸工藝

完成鉆井壓裂后，安裝井下抽采設備，將壓裂的液體通過抽采設備排出，減小井內(nèi)壓強，進而將煤層瓦斯解析出來。

（4）地面鉆井施工目的層位為2號煤層，共6支徑向孔分支（如圖1所示），各分支長度為100 m。在徑向井施工完成后進行水力壓裂，共注入液量550 m3，加入石英砂26 m3。

圖1 徑向分支

3 井下本煤層瓦斯抽采鉆孔布置

鉆孔設計及施工。

根據(jù)實驗室測定，12501工作面煤層瓦斯原始含量為12.7 m3/t，瓦斯含量較大，回采前需將瓦斯含量降低至8 m3/t以下。因此設計工作面進行本煤層瓦斯預抽，具體參數(shù)為：孔深210 m、鉆孔方位角90°、孔徑113 mm，間距為3 m，傾角0°～2°，設計鉆孔共217個，進尺共計45 570 m。實際施工鉆孔205個，缺少鉆孔的空白地帶采用膠帶巷鉆孔抽采瓦斯進行解決，實際進尺40 332 m。12501工作面軌道順槽壓裂區(qū)本煤層抽采鉆孔布置如圖2所示。

圖2 區(qū)本煤層抽采鉆孔布置

4 壓裂區(qū)瓦斯抽采效果

在屯蘭礦12501工作面軌道順槽形成瓦斯抽采系統(tǒng)后，將壓裂區(qū)鉆孔抽采與未壓裂區(qū)鉆孔抽采效果及參數(shù)進行對比：

壓裂區(qū)鉆孔參數(shù)為孔深210 m、方位角90°、傾角2°、孔徑113 mm，抽采參數(shù)為瓦斯?jié)舛?5%～80%、抽采量為0.3～0.5 m3/min、負壓為110 mmHg、節(jié)流為6 mmHg。

未壓裂區(qū)鉆孔參數(shù)為孔深210 m、方位角90°、傾角1°～3°、孔徑113 mm，抽采參數(shù)為瓦斯?jié)舛?0%～45%、抽采量為0.02～0.05 m3/min、負壓為150 mmHg、節(jié)流為1 mmHg。

對比分析可以得到，未壓裂區(qū)預抽鉆孔百米瓦斯抽采量為0.005 m3/min·100 m，壓裂區(qū)鉆孔百米抽采量0.009 6 m3/min·100 m。通過對壓裂區(qū)及未壓裂區(qū)鉆孔觀測可知，本煤層218#鉆孔預抽效果最為明顯，瓦斯?jié)舛葹?5%，單孔流量最大能夠達到0.5 m3/min，其余壓裂區(qū)瓦斯?jié)舛染?0%～75%，但是流量較小，壓裂區(qū)本煤層鉆孔抽采效果明顯?？梢钥偨Y(jié)得出：壓裂區(qū)本煤層瓦斯抽采鉆孔瓦斯?jié)舛容^高、抽采流量較大，相比較未壓裂區(qū)鉆孔瓦斯抽采量約增大十倍。

5 有效壓裂范圍確定

地面壓裂鉆井瓦斯抽采技術(shù)的關(guān)鍵在于地面壓裂鉆孔抽采范圍，其范圍的確定對于地面壓裂鉆井瓦斯抽采技術(shù)具有重要的指導意義。范圍確定主要由兩方面：一是沿煤層走向，二是沿煤層傾向。由于井下工作面瓦斯抽采范圍無法人工直接測定，因此采用示蹤技術(shù)，采用示蹤劑標定氣體的流動蹤跡，監(jiān)測示蹤氣體的濃度變化，進而掌握瓦斯抽采規(guī)律。

本次屯蘭礦12501工作面采用示蹤技術(shù)檢測地面壓裂鉆井瓦斯抽采效果的抽采半徑，采用SF6氣體（屬于無色無味的極其穩(wěn)定的氣體）做示蹤劑。由于煤層傾角較小，設定地面鉆井抽采煤層瓦斯沿煤層傾向和走向方向的抽采半徑大小相等。共釋放5次示蹤氣體。氣體分析采用SP-3420氣相色譜儀進行檢測。共采樣5天，前兩天，每10 min采集一次，后三天，每20 min采集一次。示蹤氣體檢測布置如圖3所示，示蹤氣體記錄如表1所示。

圖3 示蹤氣體釋放點和取樣點布置

表1 釋放SF6氣體記錄

根據(jù)取樣測試結(jié)果，地面井水力壓裂煤層增透半徑為103 m。

6 結(jié)語

針對屯蘭礦12501工作面煤層瓦斯含量較高及抽采設計等問題，采用地面鉆井煤層壓裂瓦斯抽采和井下煤層鉆孔瓦斯抽采相結(jié)合的技術(shù)進行瓦斯抽采。壓裂鉆孔附近200 m范圍內(nèi)煤層透氣性大幅提高，抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪坑辛嗣黠@的提高，其單孔抽采純量提高了近10倍；通過示蹤技術(shù)測得地面井水力壓裂煤層增透半徑為103 m。此項技術(shù)提高了瓦斯抽采效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)。目前，屯蘭礦地面抽采鉆井已達400口，其中193口壓裂，69口產(chǎn)氣。在控制排氣情況下，地面抽采煤層氣日抽采量已達4.4萬立方米，既推進了煤層氣的規(guī)?；_發(fā)利用，又深化了瓦斯治理工作，取得了很好的安全效果和經(jīng)濟效益。