高瓦斯厚煤層地面預(yù)抽井改造再利用關(guān)鍵技術(shù)研究

魯 博

(1. 煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 048012；2. 易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 030012)

1 岳城礦概況

岳城煤礦位于晉城市沁水鄭村鎮(zhèn)，岳城井田面積為13.8597km2，可采資源儲(chǔ)量4435.9×104t，生產(chǎn)能力為1.5Mt/a。目前主要開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層厚度5.10～7.16m，平均厚度6.02m，平均傾角4°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采。平均瓦斯含量14.54m3/t，礦井回采過(guò)程中瓦斯涌出量大，屬高瓦斯礦井。3號(hào)煤位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，上距K8砂巖27.76～46.75m，平均34.91m；下距K7砂巖0～3.14m，平均1.06m。

岳城煤礦采用上、下分層開(kāi)采的方法，采空區(qū)為自然垮落。在上分層工作面開(kāi)采過(guò)程中，下分層工作面及鄰近層瓦斯大量涌入采動(dòng)擾動(dòng)區(qū)，致使上隅角容易出現(xiàn)瓦斯積聚，甚至造成工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限事故，該礦在地面施工了若干煤層氣預(yù)抽井，通過(guò)地面鉆井預(yù)抽以降低3號(hào)煤層瓦斯含量。

2 2301工作面地面預(yù)抽井基本情況

岳城礦2301工作面寬180m，長(zhǎng)1174.6m，可采煤量約82.58×104t，煤層埋深208～369m。2301工作面上布置有5口預(yù)抽地面井，井位、鉆完井及排采等基本情況如下。

2.1 地面預(yù)抽井布置情況

2301工作面共布置有5口預(yù)抽地面井(圖1)，大體上呈線狀展布，YC-050、YC-051、YC-052、YC-053及YC-054井間距均不超過(guò)400m。

圖1 預(yù)抽地面井布置情況

2.2 地面預(yù)抽井完井情況

5口預(yù)抽地面井的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)基本一致，以YC-050井為例，完井?dāng)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 地面預(yù)抽井(YC-050)完井?dāng)?shù)據(jù)

2.3 地面預(yù)抽井排采情況

5口地面預(yù)抽井排采基本情況見(jiàn)表2，可看出YC-053井歷史排采效果較好，該井在區(qū)段走向和傾斜方向上的中部，處于煤層向斜處，煤層厚度大，且附近發(fā)育小型正斷層。

表2 地面預(yù)抽井基本情況

3 地面預(yù)抽井改造再利用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地面預(yù)抽井優(yōu)選

在前期布置地面預(yù)抽井時(shí)，就需要結(jié)合井下準(zhǔn)備與回采巷道的空間位置，合理設(shè)置井位，以便于在后期將其改造為采動(dòng)井，實(shí)現(xiàn)一井多用。采場(chǎng)覆巖內(nèi)外邊緣區(qū)的拐點(diǎn)往往不是實(shí)際開(kāi)采邊界的正上方(圖2)，拐點(diǎn)在平面投影上與實(shí)際邊界的距離為拐點(diǎn)偏移距，偏向采空區(qū)方向時(shí)，拐點(diǎn)偏移距為正值，偏向煤柱一側(cè)時(shí)為負(fù)值。由于巖體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，對(duì)于井筒而言，布置在拐點(diǎn)偏向采空區(qū)一側(cè)一定范圍內(nèi)，相對(duì)穩(wěn)定安全。

圖2 拐點(diǎn)偏移距示意圖

基于現(xiàn)場(chǎng)巖移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析Ⅲ1308(上)觀測(cè)站按采厚2.86m的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.72，主要影響角正切tgβ=2.70，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.22，開(kāi)采影響傳播角θ=90°，右拐點(diǎn)偏移距s=30.5m=0.064H，上拐點(diǎn)偏移距s=48.3 m=0.103H，下拐點(diǎn)偏移距s=19.4m=0.043H，拐點(diǎn)偏移距平均為s=0.07H，H為煤層埋深。

基于煤層頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定區(qū)與裂隙空間分布區(qū)域特征，采動(dòng)區(qū)地面井應(yīng)優(yōu)先布置于地表沉降拐點(diǎn)連線偏向采場(chǎng)中線0.2L至0.4L(L為采煤工作面傾向長(zhǎng)度)區(qū)域范圍內(nèi)，且靠近于工作面回風(fēng)巷一側(cè)(圖3)。

圖3 采動(dòng)區(qū)地面井最優(yōu)布井區(qū)域示意圖

2301工作面5口預(yù)抽地面井井位至回風(fēng)巷距離為0.16L至0.64L之間(表3)，絕大部分井位位于地面采動(dòng)井最優(yōu)布井區(qū)域，且井場(chǎng)均大于 20m×20m尺寸，滿足修井、射孔等改造施工場(chǎng)地要求，滿足安裝地面井瓦斯安全抽采系統(tǒng)，故上述5口預(yù)抽地面井均具有一定改造潛力。

表3 2301工作面預(yù)抽地面井空間參數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述地面預(yù)抽井優(yōu)選條件，同時(shí)考慮井位與開(kāi)切眼的距離，首先選擇地面預(yù)抽井YC-050井進(jìn)行采動(dòng)井改造設(shè)計(jì)，然后根據(jù)抽采情況依次改造YC-051、052、053、054井。

3.2 預(yù)抽地面井改造工藝流程

3.2.1 通井控制

上述5口預(yù)抽井在2301工作面巷道掘進(jìn)時(shí)，提前采用水泥漿對(duì)井口局部封孔，因此，通井時(shí)不能發(fā)生通斜現(xiàn)象，以免損壞套管。以YC-050井為例，其生產(chǎn)套管外徑139.7mm、內(nèi)徑124.3mm，故采用φ118mm×1.2m通井規(guī)限速通至井底，若遇阻則在遇阻段進(jìn)行磨洗，直至通井規(guī)能順利到達(dá)井底為止。

3.2.2 洗井及防漏控制

通井結(jié)束后，采用清水進(jìn)行反復(fù)洗井。保證留有足夠的沉砂口袋，以便后續(xù)下橋塞、填砂、注漿等作業(yè)能夠順利進(jìn)行。《煤層氣井下作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》要求：射孔作業(yè)前，井筒應(yīng)按要求灌入壓井液，為保證井下安全及射孔作業(yè)順利進(jìn)行，在通洗井后，進(jìn)行井下防漏處理。

注水檢測(cè)封堵情況，若漏失量較大，則鉆開(kāi)水泥柱，下入橋塞重新封堵。

3.2.3 射孔

射孔段需選擇在覆巖裂隙發(fā)育、瓦斯聚集帶。因此，需要預(yù)測(cè)分析采動(dòng)冒落帶和裂隙帶高度。岳城煤礦采用的是分層開(kāi)采，分兩層開(kāi)采，先采上分層3m，再采下分層3.02m。結(jié)合岳城礦的實(shí)際地質(zhì)條件及開(kāi)采技術(shù)條件，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)采動(dòng)冒落帶和裂隙帶高度進(jìn)行了估算，并結(jié)合礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

(1)冒落帶高度

冒落高度與采高之間的關(guān)系可表示為：

H冒=(M-ΔM)/[(K-1)cosα]

(1)

式中：H冒為冒落帶高度，m；ΔM為冒落前覆巖下沉量，mm；M為采高，m；K為冒落巖塊的碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，°。

岳城礦覆巖主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖及中砂巖等，其頂板可認(rèn)為是中硬巖層，中硬巖層的碎脹系數(shù)K取1.35，根據(jù)頂板下沉經(jīng)驗(yàn)公式，ΔM=ηmL，其中η為下沉系數(shù)，一般取0.025～0.05; m為煤層厚度，取3m;L為控頂距離為4.39m，煤層傾角平均為4°。代入式(1)可得H冒值為6.69～7.63m。

依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，根據(jù)岳城礦覆巖為中硬巖層條件，其冒落帶高度的計(jì)算公式為：

Hc=(3～4)M

(2)

將M=3代入式(2)可得上分層開(kāi)采冒落帶高度為9～12m。根據(jù)岳城礦井下實(shí)際觀測(cè)情況，該礦冒落高度為16.48m。

(2)裂隙帶高度

依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，根據(jù)岳城礦覆巖為中硬巖層條件，其導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算公式為：

H裂=100M/(3.3n+3.8)+5.1

(3)

式中：H裂為裂隙帶高度，m；M為采高，m；n為煤分層層數(shù)，取2。

通過(guò)上式計(jì)算，上分層開(kāi)采裂隙帶高度為33.94m，兩層均開(kāi)采完的裂隙帶高度為62.98m。長(zhǎng)壁式綜采工作面分層開(kāi)采引起覆巖裂隙發(fā)育更高，結(jié)合煤層上方地面井深共225.98m，出于成本及實(shí)際效果綜合考慮確定射孔段長(zhǎng)度為56.5m。

3.3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為降低頂板覆巖移動(dòng)變形對(duì)井筒的破壞，對(duì)原煤層氣預(yù)抽井原進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化(圖4)。裂隙帶范圍內(nèi)套管射孔完成后，井內(nèi)安設(shè)φ114.3×8.5mm套管增強(qiáng)預(yù)抽井抗變形破壞能力。由于煤層埋深較淺。可以在井口位置處進(jìn)行懸掛，裂隙帶向下部分采用割縫套管，裂隙帶向上部分為完整套管。從而建立起井筒+割縫套管+射孔套管段+裂隙帶的煤層氣運(yùn)移通道。

圖4 優(yōu)化前后的地面預(yù)抽井井身結(jié)構(gòu)

4 改造工程效果驗(yàn)證

利用上述改造工藝及井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對(duì)YC-050、YC-052井進(jìn)行了改造，YC-051井、YC-053和YC-054井在通井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)井筒已經(jīng)錯(cuò)斷，不具備改造價(jià)值。YC-050井于2019年6月1日開(kāi)始進(jìn)行通洗井、射孔等改造作業(yè)，8月15日開(kāi)始間斷試機(jī)抽采，8月22日開(kāi)始連續(xù)抽采，此時(shí)回采工作面以已推過(guò)井口位置約3m，推過(guò)井口位置約82.3m位置時(shí)每日產(chǎn)氣量達(dá)到高峰，然后隨著回采工作面的不斷推進(jìn)日產(chǎn)氣量逐漸降低，2020年1月28日甲烷濃度過(guò)低停止抽采。YC-050累計(jì)抽采煤層氣量達(dá)94.5萬(wàn)m3，平均抽采量為5898.7m3/d，最高抽采煤層氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)85.0%，平均煤層氣體積分?jǐn)?shù)為51.1%(圖5)。

圖5 YC-050井生產(chǎn)運(yùn)行曲線

YC-052井2020年2月1日開(kāi)始進(jìn)行通洗井、射孔等改造作業(yè)，4月10日開(kāi)始間斷試機(jī)抽采，4月14日開(kāi)始連續(xù)抽采，此時(shí)回采工作面以已推過(guò)井口位置約19m，推過(guò)井口位置約58.4m位置時(shí)每日產(chǎn)氣量達(dá)到高峰，然后隨著回采工作面的不斷推進(jìn)日產(chǎn)氣量逐漸降低，6月22日抽采負(fù)壓過(guò)高停止抽采。YC-052累計(jì)抽采煤層氣量達(dá)38.7萬(wàn)m3，平均抽采量為5522.8m3/d，最高抽采煤層氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)84.0%，平均煤層氣體積分?jǐn)?shù)為70.5%(圖6)。

圖6 YC-052井生產(chǎn)運(yùn)行曲線

YC-052井抽采負(fù)壓較YC-050井高，且抽采量約占YC-050井的41%，究其原因，推測(cè)與井位有關(guān)：YC-050井處于采場(chǎng)O形圈，井位至回風(fēng)巷距離為0.16L(L為采煤工作面傾向長(zhǎng)度)，而YC-052井處于含煤地層背斜區(qū)，其井位至回風(fēng)巷距離為0.57L，相對(duì)于采動(dòng)區(qū)地面井最優(yōu)布井區(qū)域0.2L至0.4L范圍內(nèi)，因此，總體上YC-050井的井位相對(duì)優(yōu)于YC-052井。