王力

近十幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)煤層氣的開發(fā)科技有了明顯的提升，技術(shù)水平也在不斷地豐富，一些礦區(qū)提出了在地面建井對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽的方法，使得煤層氣抽采技術(shù)有了巨大的進(jìn)步。通過(guò)地面打井抽放、地面壓裂井下抽放、井上下聯(lián)合抽采等瓦斯抽放方法，可以在煤層開采之前降低煤層內(nèi)的瓦斯含量，降低煤層儲(chǔ)氣的壓力，在不斷地對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采的過(guò)程中，能夠有效處理煤層瓦斯突出的情況，避免煤層開采過(guò)程中出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，該方法在許多礦井進(jìn)行了實(shí)踐，獲得了顯著的效果。

山西某礦屬于高瓦斯礦井，該礦井對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采的方法包括本煤層抽采、邊掘邊抽、采前預(yù)抽、裂隙帶抽等，在這類瓦斯抽采措施下并配備多種設(shè)備共同作用，礦井瓦斯含量能夠勉強(qiáng)的符合安全生產(chǎn)，但工作過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)瓦斯超限的情況，嚴(yán)重影響到工作面的高效生產(chǎn)，而且設(shè)備成本花費(fèi)較大。因此本文基于該礦瓦斯地質(zhì)條件，提出了采用地面瓦斯直井抽采的方法，該方法能夠有效解決礦井瓦斯含量超限問(wèn)題。

1 瓦斯抽采概況

山西某礦主采煤層為3#煤層，厚度6.07m，煤層傾角為3°～8°，屬于近水平煤層，埋深平均為550m。3#煤層瓦斯壓力為0.76～1.46MPa，瓦斯含量為10.63 m3/t，礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量最大能夠達(dá)到432m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為23.32 m3/t，屬高瓦斯礦井。

2 地面瓦斯抽采技術(shù)分析

目前，常用的地面瓦斯抽采技術(shù)主要分為三類，分別為直井洞穴完井開發(fā)技術(shù)體系、水平井開發(fā)技術(shù)體系、直井水力壓裂開發(fā)技術(shù)體系，三種方法各有其利弊。

2.1煤層氣直井裸眼洞穴完井開發(fā)技術(shù)

煤層氣直井洞穴完井開發(fā)技術(shù)主要應(yīng)用于美國(guó)圣胡安盆地的高滲富集區(qū)。洞穴完井是一種直井裸眼完井增產(chǎn)技術(shù)，其增產(chǎn)機(jī)理是通過(guò)向煤層段注入高壓霧化空氣使井底流壓大于煤層破裂壓力而造成井壁的煤體被破壞，并在近井筒地帶形成放射狀裂縫，之后再經(jīng)快速放噴使已被微破裂的近井筒煤體進(jìn)一步破壞并被返排霧化空氣攜帶到井口。這樣反復(fù)注入、放噴，在煤層段形成一定規(guī)模的洞穴，并在洞穴的四周形成大量的放射狀的裂縫，從而達(dá)到增產(chǎn)的效果。

盡管洞穴完井增產(chǎn)效果明顯，但洞穴完井技術(shù)適應(yīng)的條件非常局限，應(yīng)用的前提是煤層厚度和硬度適中、煤層滲透率高、煤層頂板穩(wěn)定等。由于本礦井煤層埋深較深，瓦斯透氣性較低，屬于低透煤層，不適合采用洞穴完井抽采技術(shù)。

2.2地面施工水平井抽采技術(shù)

這種技術(shù)由美國(guó)的CDX公司率先研發(fā)而出，并在美國(guó)鋼鐵公司西弗吉尼亞州的煤層氣開發(fā)項(xiàng)目中施工了近60口羽狀水平井，取得了成效。2004年，奧瑞安公司在晉城礦區(qū)大寧煤礦成功地施工了第一口煤層氣多分支水平井（DNP02井），平均日產(chǎn)煤層氣2萬(wàn)立方米。繼大寧礦DNP02井成果之后，煤層氣多分支水平井倍受關(guān)注，中石油、亞美大陸、中聯(lián)煤分別在寧武、端氏、大寧、樊莊等地施工成批的煤層氣多分支水平井。

多分支水平井的主要優(yōu)點(diǎn)是增加了有效供給范圍，提高了單井產(chǎn)量。但其致命的缺點(diǎn)是成本昂貴、工程風(fēng)險(xiǎn)大、適應(yīng)條件苛刻。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤層氣多分支水平井適宜于煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（沒(méi)有厚層夾矸）、煤層厚度中等、煤層硬度大（不適宜于軟煤或構(gòu)造煤）。

由于本礦井煤層強(qiáng)度較低，煤層內(nèi)施工鉆孔的成功率較低，并且煤層受到工作面回采的影響較大，無(wú)法保證鉆孔能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，因此本礦井不具備采用地面施工水平井抽采瓦斯的條件。

2.3直井壓裂技術(shù)

施工直井并對(duì)主采煤層進(jìn)行水力壓裂是煤層氣開發(fā)普遍采用的技術(shù)，幾乎適宜于所有可以開采的區(qū)域。通過(guò)水力壓裂在目標(biāo)煤層段形成一個(gè)垂直于煤層的狹長(zhǎng)的石英砂支撐的人工裂縫，支撐裂縫半徑可達(dá)到數(shù)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(gè)“高速”通道，同時(shí)更具價(jià)值的是將徑向流變成了線性流，大大降低了煤層氣產(chǎn)出過(guò)程中的瓶頸效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)值目的。

根據(jù)該礦井的瓦斯儲(chǔ)存條件，3#煤層的滲透率較低，煤層中孔隙較小，其儲(chǔ)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(shù)方案。

3地面直井水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)

3.1直井工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井煤層情況，選取其中3口井進(jìn)行直井水力壓裂技術(shù)研究，編號(hào)為1、2和3號(hào)，直井工藝參數(shù)如表1所示。

井身施工工藝為：用311.1的鉆頭一開，進(jìn)入基巖10m處，下入鋼級(jí)J55，244.5×8.94mm表層套管，用G級(jí)油井水泥進(jìn)行固井，候凝48小時(shí)，然后再用215.9的鉆頭進(jìn)行二開鉆進(jìn)，鉆至3號(hào)煤層底板以下60m完鉆，下入鋼級(jí)J55，139.7×7.72mm生產(chǎn)套管，有效口袋長(zhǎng)度要求達(dá)到45m以上，用G級(jí)油井水泥進(jìn)行固井，套管完井。

3.2水力壓裂方案設(shè)計(jì)

采用水力壓裂技術(shù)主要包括兩個(gè)過(guò)程，分別為壓前準(zhǔn)備工作和壓裂過(guò)程。壓前準(zhǔn)備工作包括通井、洗井、試壓、射孔四個(gè)方面，具體操作為：下Φ114mm通徑規(guī)+Φ73mm油管落實(shí)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(jìn)出口水質(zhì)一致;試壓15MPa，穩(wěn)壓30分鐘，壓降不超過(guò)0.5MPa為合格;采用102槍、127彈電纜傳輸方式射孔，槍彈90相位角螺旋布孔，孔密16孔/米，發(fā)射率不低于95%。壓裂過(guò)程包括配液、壓裂，根據(jù)對(duì)壓裂過(guò)程的記錄可知，在壓裂施工結(jié)束時(shí)，水力壓裂的入井總液量為2405.2m3，每個(gè)井平均入井液量達(dá)到801.7m3，入井總砂量為142m3，單井平均入井砂量47.33m3。施工排量7-8m3/min，破裂壓力7.1-29MPa，一般泵壓6-18MPa，平均砂比9%-12.6%。

隨著泵注排量的穩(wěn)定，泵的壓力穩(wěn)定并開始下降，表示壓裂過(guò)程正常，在加砂階段，壓力趨于穩(wěn)定，表示裂縫延伸通暢，最后階段壓力略微上升，表示裂縫擴(kuò)展方向集中，因此可以得出本次施工所有參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.3水力壓裂效果分析

3.4瓦斯實(shí)際抽采效果分析

在壓裂工作完成后，對(duì)其進(jìn)行了瓦斯抽采的試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄時(shí)間為6個(gè)月，在此時(shí)間內(nèi)，每個(gè)井實(shí)現(xiàn)排水221.7m3，累積產(chǎn)氣21.9萬(wàn)m3，平均日產(chǎn)水量1.24m3/d，平均日產(chǎn)氣量1216m3/d，平均瓦斯?jié)舛?7%，對(duì)抽采后煤層中瓦斯含量進(jìn)行解析，其瓦斯含量平均為7.57m3/t，因此該抽采方案能夠?qū)崿F(xiàn)煤層瓦斯抽采的標(biāo)準(zhǔn)，降低瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

4結(jié)論

本文根據(jù)山西某礦井煤層瓦斯的賦存條件，提出了直井水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)，并對(duì)直井結(jié)構(gòu)方案、壓裂技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行瓦斯抽采的試驗(yàn)分析得出，該方案可以實(shí)現(xiàn)平均日產(chǎn)氣量1216m3/d，并且煤層中瓦斯含量降低為7.57m3/t，符合瓦斯抽采的標(biāo)準(zhǔn)，降低了瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

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