淺談常村煤礦直井水力壓裂瓦斯抽采技術

郭 強

(潞安金源煤層氣開發有限責任公司，山西 長治 046299)

0 引言

近年來，我國在煤層氣地面預抽技術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沁水藍焰煤層氣有限責任公司，通過近二十年的實踐和總結，探索出煤炭與煤層氣一體化開發新模式，開發出具有自主知識產權的煤層氣成套技術，為我國煤炭礦區瓦斯綜合治理探索出了一條新的有效途徑[1-3]。晉煤集團寺河、趙莊等礦區采用地面打井抽放、地面壓裂井下抽放、井上下聯合抽采等瓦斯抽放形式，取得了顯著的成效。晉煤集團瓦斯治理開發情況表明，通過采前地面預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，長時間預抽可以大幅度降低瓦斯壓力，只要抽放達到一定時間，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、采前預抽、裂隙帶抽等，多種井下抽采方法和設備合力共采，勉強能滿足安全生產的瓦斯含量指標要求。有時也有因瓦斯抽采滯后，影響生產的現象。隨著煤層埋深的不斷增大，如果單靠傳統的井下抽采，很難解決瓦斯超標問題，因此有必要引進煤礦瓦斯地面預抽的新理念和先進技術。

1 礦井概況

常村煤礦生產能力為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水平開采后預測礦井絕對瓦斯涌出量為294.51 m3/min，最大達到432 m3/min，相對瓦斯涌出量為23.32 m3/t，經測定，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：對掘進進行工作面邊掘邊抽，綜采工作面提前布置瓦斯抽采鉆孔進行采前預抽及邊采邊抽，同時在專用瓦斯排放巷道內進行布置裂隙帶抽采鉆孔；采區回采完畢之后進行采空區抽采。即采用邊掘邊抽、采前預抽、邊采邊抽、裂隙帶抽采、采空區抽采等多種形式綜合抽采方式進行抽采。

2 煤層瓦斯特征分析

在3#煤層取芯，對其進行煤層含氣量測定、氣組分分析和等溫吸咐等相關測試試驗，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。空氣干燥基的甲烷含量7.73～10.71 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%；氮氣為2.04%～3.71%，平均2.75%；瓦斯中無重烴存在。

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、煤的變質程度、煤層圍巖封閉條件、地質構造、水文地質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，含氣量高的區域對應煤層埋藏相對深的區域，含氣量低的區域對應煤層埋藏相對淺的區域。控制因素主要為煤層埋深，即煤層含氣量隨埋深增加而增大，局部受構造、水文地質條件影響。

2.2 煤層瓦斯吸附特征分析

表1為3#煤層中瓦斯解析結果。在常村煤礦多個井內采集瓦斯氣體，經過對煤層的瓦斯吸附實驗得到：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 煤層瓦斯解析結果表

2.3 煤層瓦斯其他特征分析

根據試井注入、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#煤層底板最低標高為+377 m，最高標高為+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可分為3類，直井洞穴完井開發技術體系、水平井開發技術體系、直井水力壓裂開發技術體系。

根據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方案。施工直井并對主采煤層進行水力壓裂是煤層氣開發普遍采用的技術，幾乎適宜于所有可以開采的區域。通過水力壓裂在目標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，支撐裂縫半徑可達到數十米乃至百米。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出過程中的瓶頸效應，從而實現增加產值目的。

3.2 直井工藝設計

表2 井身質量數據表

3.3 壓裂方案設計

水力壓裂技術包括2個過程，主要為壓前準備工作和壓裂過程。壓前準備工作包括通井、洗井、試壓、射孔4個方面，其具體操作為：下φ114 mm通徑規+φ73 mm油管落實人工井底深度，用清水沖砂至人工井底，并用1%KCl溶液洗井至進出口水質一致；試壓15 MPa，穩壓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，發射率不低于95%。壓裂過程包括配液、壓裂，根據對壓裂過程的記錄可知，在壓裂施工結束時，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%。

隨著泵注排量的穩定，泵的壓力穩定并開始下降，表示壓裂過程正常，在加砂階段，壓力趨于穩定，表示裂縫延伸通暢，最后階段壓力略微上升，表示裂縫擴展方向集中，因此可以得出本次施工所有參數均達到設計指標。

3.4 水力壓裂效果分析

通過對常村煤礦3口井壓裂施工各項指標的綜合分析，對該區壓裂效果進行了初步評價。

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

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、大排量壓裂的設計思路。

入井砂量：入井砂量142 m3，平均入井砂量47.3 m3，符合壓裂設計要求。

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。總體看該區地面瓦斯抽采井壓裂后壓力擴散較快，說明該區鉆井壓裂過程中主裂縫得到了較充分的延伸，但由于煤層內中孔較少，小微孔較多，導致后期壓力擴散速度逐漸變慢。

3.5 瓦斯實際抽采效果分析

在壓裂工作完成后，對其進行了瓦斯抽采的試驗，試驗記錄時間為開始產氣后3個月，在此期間內，每個井實現排水15.4 m3/d，累積產氣32 583 m3，經過持續排水降壓，使壓降漏斗影響范圍不斷增加，產氣量日益上漲，排采穩定后預計產氣量為單井400 m3/d；平均瓦斯濃度97%，對抽采后煤層中瓦斯含量進行解析，其瓦斯含量平均為7.57 m3/t，因此該抽采方案能夠實現煤層瓦斯抽采的標準，降低瓦斯突出的危險性。

4 結論

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

(2)提出了直井水力壓裂瓦斯抽采技術，并對直井結構方案、壓裂技術方案進行了設計，通過對其進行瓦斯抽采的試驗分析得出，該方案可以實現平均日產氣量400 m3/d，并且煤層中瓦斯含量降低為7.57 m3/t，符合瓦斯抽采的標準，降低了瓦斯突出的危險性。