河南復雜煤礦區瓦斯地面抽采技術研究

張亞莉，成陽波

（1.河南省煤層氣開發利用有限公司，河南鄭州 450016；2.中海油田服務股份有限公司，天津 300450）

煤炭是河南省的主要能源，在經濟和社會發展中占有重要地位。但是河南省煤層地質條件復雜，瓦斯災害嚴重，嚴重制約著煤礦的安全、高效生產。通過地面成功抽采煤層氣，可以有效減少煤層瓦斯含量，降低瓦斯壓力和煤與瓦斯突出危險性，同時還可以作為清潔能源進行利用。如何實現采煤之前瓦斯的預抽，達到資源開發利用和煤礦減災的雙重目的，一直是人們關注的焦點。

1 河南復雜煤礦區儲層與瓦斯分布賦存特征

1.1 主要煤層特征

二1煤層為全省最主要的可采煤層，層位穩定，厚度0～33.20m，平均為5.35m；煤層結構一般屬簡單類型，但不同煤田夾矸發育情況不同，局部地區存在煤層分叉現象。其頂底板多為泥巖、砂質泥巖、中細粒砂巖等致密性巖石。各煤田主要可采煤層煤的變質主要受深層變質作用的影響。

1.2 河南省瓦斯分布特征

河南絕大部分礦區全部開采的是石炭—二疊系煤層，主要為中高變質煙煤和無煙煤，煤化程度較高。由于形成時代早，經歷過印支運動以來的多次構造運動作用，因此地質構造復雜，構造煤發育，瓦斯地質條件復雜。全省7大礦區中，有6個礦區為高瓦斯煤與瓦斯突出礦區。截至2008年底，全省144對國有重點煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井66對，占礦井總數的46%，其中煤與瓦斯突出礦井50對，占35%。

1.3 試驗礦區瓦斯賦存構造控制特征

根據河南省區域構造、瓦斯分布特征和瓦斯賦存構造控制特征，全省劃分為三個高突瓦斯帶和一個低瓦斯帶，分別是秦嶺造山帶北緣逆沖推覆構造系高突瓦斯帶，豫西強變形“三軟”煤層高突瓦斯帶，太行山造山帶東緣高突瓦斯帶和魯西南豫東斷隆低瓦斯帶。

平頂山礦區位于秦嶺造山帶后陸逆沖斷裂褶皺帶，受秦嶺造山帶的控制。煤的鏡質組反射率介于0.85%～1.64%，煤種主要為氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤。由于受秦嶺造山帶北緣逆沖推覆構造系的控制，瓦斯地質條件復雜，在目前開采深度內，測定的煤層瓦斯含量多在10m3/t 以上，為嚴重的煤與瓦斯突出礦區，但具備保護層區域性防治煤與瓦斯突出條件。

鶴壁礦區位于太行山隆起南段東側，新生代以來主要受太行山東緣斷裂帶控制。區二1煤層總體瓦斯生成、保存條件較好。鶴壁礦區主體構造為一系列北北東、北東和近南北方向展布的褶皺和斷裂構造，主要受北北東向構造控制，以斷裂為主，伴有發育程度不同的褶皺。青羊口斷層為礦區控制性地質構造，斷層走向長約100km，最大落差達到1 000m以上，北北東向延伸。北北東構造現今構造應力場為壓扭作用，使得該礦區為高瓦斯突出礦區。

2 平頂山礦區松軟低滲欠壓中煤級煤儲層垂直井地面抽采瓦斯

2.1 地質特征

受前期多重構造運動影響，平頂山礦區大部分煤層破壞強烈，軟煤（碎粒煤和糜棱煤）較發育，為松軟煤儲層。平頂山十三礦構造煤發育，煤質較軟，屬于碎粒煤～糜棱煤，平均瓦斯含量為10m3/t，最大含量為16.98m3/t，通過井下鉆孔抽采瓦斯已經難以達到降低煤層瓦斯含量的目的。地面煤層氣垂直井通過排水降壓的方式，增大儲層卸壓半徑，增加瓦斯抽采范圍，瓦斯抽采強度大，抽采瓦斯濃度高，能夠達到降低煤層瓦斯含量的目的。因此，基于儲層特征和瓦斯抽采的目的，需要在該區域布置地面煤層氣垂直井，抽采煤層瓦斯。

2.2 井型確定

平頂山十三礦主裂縫以NNE向為主，結合其斷層分布，該礦煤層氣地面預抽項目井網采用菱形網格狀布井。在主裂縫方向按照200～250m井間距、其垂直方向按150～200m井間距部署。根據煤層底板等高線預測圖，對平頂山十三礦預抽井進行設計，設計及實際鉆井情況如表1所示。

表1 平頂山十三礦預抽井設計及實際鉆井情況

續表

2.3 儲層改造

通過對地質及井位分析，結合前期鉆井工程情況優選部分井進行活性水氮氣輔助壓裂增產技術。儲層改造方案如表2所示。

表2 十三礦煤層氣井壓裂施工方案

2.4 瓦斯抽采情況

區塊內壓裂改造后的8口井自2013年2月底開始排采至2016年初關井期間瓦斯抽采情況，如表3所示。

表3 十三礦8口井瓦斯抽采情況表

平頂山中煤級松軟低滲欠壓煤儲層的活性水氮氣輔助壓裂增產技術試驗獲得了成功，試驗井SS-009井獲得了單井日產1 708m3的高產，刷新了河南煤層氣開發歷史高產紀錄，打破了傳統上松軟低滲儲層無法實現煤層氣高產的認識禁區。

3 鶴壁礦區松軟低滲低壓高煤級煤儲層U型井組分段壓裂地面抽采技術

3.1 地質特征

礦區南部井田內較多斷層相互切割穿插、產狀變化大、傾角變大，南部礦井較中、北部礦井受層滑構造作用顯著，在煤層底部構造煤普遍發育。從整體上看，鶴壁礦區煤體結構為塊煤（原生結構煤、碎裂煤）-軟煤（碎粒煤、糜棱煤）復合結構煤儲層。區域煤層埋深介于300～900m，埋深整體分布呈現出由西向東逐漸增加的趨勢，礦區煤儲層平均壓汞孔隙度為8.38%，瓦斯甲烷含量10.64～27.66mL/g。

3.2 井型選擇

針對鶴壁六礦，煤層厚度大，構造相對簡單，埋深600-800m的特點，為了加快井下瓦斯抽采量，緩解采掘銜接緊張、井下瓦斯治理工程量大等問題，在該地區嘗試采用水平井鉆井，且使用多段水力噴射壓裂工藝技術。綜合考慮經濟成本、地質條件、開采銜接、鉆井目的以及布井原則等，沿著礦井規劃設計的采煤工作面進風巷、回風巷的位置布置地面水平井，水平井與采煤工作面盡量平行設計，每個工作面布置兩組U型水平井。如圖1所示。

圖1 鶴壁六礦HB01-H1井組井身結構

3.3 儲層改造

根據水平井鉆探的地質數據以及井身結構，設計噴射壓裂改造的位置和噴射壓裂的密度，尤其對斷層構造等易突出的附近，加大改造密度和改造規模，以充分平衡應力集中區，和增加煤層與井筒的接觸面積，從而達到區域條帶消突的效果。對煤層井段實施分段壓裂改造，增大煤層接觸面積，提高裂縫導流能力，解除近井地帶污染，最大限量提高單井產量。HB01-HI井壓裂選點時，在有效壓裂段中，考慮壓裂的波及范圍，平均分布5個壓裂點，依次為：1233m(1228.48，1239.81)、1065m(1059.0，1070.48)、952m(946.89，958.16)、852m(846.77，859.90)、753m(747.29，758.18)。分段壓裂施工參數見表4。

表4 分段壓裂施工參數表

3.4 瓦斯抽采情況

鶴壁六礦HB01水平井實現軟煤煤層段水平鉆進817m，鉆遇率超過 90%。水平井五段水力噴射壓裂技術獲得了成功，完成了HB01井施工和長期排采生產。最高日產量達到

1 341m3，連續產氣超過24個月，累計產氣超過60萬m3。地面煤層氣開發不僅可以彌補能源不足，通過天然氣銷售獲得收益，而且地面煤層氣開發，大大降低了井下瓦斯治理費用及治理難度。

4 結論及認識

4.1 主要結論

河南煤層具有低壓、低滲、低飽和、高破壞的特性，通過在地面針對不同的煤層賦存條件采取有針對性的儲層改造手段，形成一定的規模產氣量，可以有效降低煤層瓦斯含量，改變應力分布，提高煤層的滲透率，降低瓦斯壓力和瓦斯突出危險性。針對平頂山十三礦的儲層特征和壓裂技術與工藝，研發了單向遞減控壓排采技術，實現了該類儲層的階段性高產，是松軟低滲欠壓煤儲層煤層氣井排采技術的重大創新。鶴壁六礦低滲低壓復合煤儲層水平井鉆井-多段噴射壓裂-排采技術取得重大突破，為該類型突出礦井瓦斯治理提供了技術支撐。

4.2 認識

復雜煤礦區地面抽采治理瓦斯技術上可行，通過不斷優化地面鉆井、壓裂、抽采技術工藝，降低開發成本，有望實現復雜煤礦區煤與煤層氣產業協同發展。