碎軟低滲煤層頂板水平井條帶瓦斯預抽技術

張東亮

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710054）

貴州西部煤礦區地質構造相對復雜，碎軟低滲煤層（群）發育，高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井居多，煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，歷來是我國煤礦瓦斯災害的重災區[1-3]。長期以來，貴州瓦斯防治技術和措施主要集中在煤礦井下，且伴隨采掘活動進行，受抽采技術方法和地質認識水平的限制，井下人員往往與煤層瓦斯“短兵相接”，在遇到構造異常或措施不當的情況下極易發生瓦斯事故[4]。地面鉆井預抽煤層瓦斯，由于工程措施在地面完成，具有安全性高、幾乎不受時間和空間限制等諸多優點，已成為煤礦瓦斯治理的重要方式[5-6]，且被認為是實現高瓦斯煤層向低瓦斯煤層轉變的根本途徑[5]。近年來，貴州省雖然進行了大量地面煤層氣抽采試驗，但并未取得顯著突破，由于碎軟低滲煤層（群）發育，普遍存在單井產量不高、產能維持時間短[7]等問題，現行的抽采技術尚無法滿足煤礦瓦斯高效治理的時空需求，通過地面抽采進行煤礦瓦斯治理的案例也鮮有報道。

以往，針對碎軟低滲煤層，缺乏行之有效的強化措施和抽采工藝[8-10]；碎軟低滲煤層塑性較強，直接在煤層中進行水力壓裂，強化增產效果不佳[10]；針對這個問題，“十二五”期間，以張群等[9-11]為代表的科研團隊通過科研攻關，提出了頂板水平井分段壓裂高效抽采模式，即將水平井的水平段布置在煤層頂板巖層，實施定向射孔和分段水力壓裂進行儲層強化和抽采的技術思路，并在淮北蘆嶺煤礦取得了良好的工程試驗效果，為碎軟低滲煤層地面瓦斯治理指明了方向。以貴州對江南煤礦首采面為例，將頂板水平井抽采技術工藝應用煤礦瓦斯條帶預抽和消突，通過井眼軌跡設計、射孔壓裂設計和產能模擬，開展碎軟煤層地面瓦斯預抽條帶消突方法研究，以期在礦井采掘活動進入工作面之前，消除煤與瓦斯突出威脅，提高礦井建設生產安全保障程度，為突出礦井“先抽后建”和煤礦瓦斯治理提供借鑒。

1 礦井概況

對江南煤礦屬籌建礦井，位于貴州省大方縣南部，設計產能90萬t/a，設計建設周期為6年。對江南井田構造復雜程度為中等，總體為傾向北西的單斜構造，地層傾角8°~15°，淺部斷層較為發育。含煤地層為二疊系上統龍潭組（P3l），含煤16~36層，含可采煤層 4層，分別是 M18、M29、M51和 M78，平均煤厚1.20~2.33 m。各煤層均屬于無煙煤，吸附能力較強，氣含量較高；據地勘報告和煤層氣參數井數據，可采煤層平均瓦斯含量15.88~18.26 m3/t[12]；空氣干燥基Langmuir體積31.63~36.31 m3/t，Lang muir壓力2.16~2.85 MPa。受構造影響，井田內碎軟煤層較為發育，儲層壓力梯度和地應力較高，煤層滲透性較差；6口煤層氣參數井13層煤的試井滲透率為0.01×10-15~0.51×10-15m2，平均為 0.1×10-15m2；儲層壓力梯度0.78~1.71 MPa/hm，平均為1.05 MPa/hm；地應力梯度2.17~2.78 MPa/hm。

由于對江南煤礦所在的黔北礦區為突出危險礦區，且周邊礦井發生過煤與瓦斯突出事故，加之瓦斯含量高、透氣性差，對江南煤礦可采煤層均按突出煤層進行管理和設計[13]。

對江南煤礦首采區為南一盤區，首采煤層為M78煤層，首采面（S17801）和備用面（S17802）位于南一盤區中部，工作面傾向長1 150～1 200 m，寬220 m。M78煤埋深500~700 m，煤厚1.70~2.10 m，平均1.90 m；煤層直接頂板為炭質泥巖（厚0.25~0.40 m），基本頂為粉砂質泥巖和粉砂巖（厚3.50~4.07 m），結構完整；煤層結構簡單，煤質碎軟，取心顯示多為碎塊狀和碎粒狀；M78煤層氣含量11.80~16.79 m3/t，平均14.41 m3/t，平均儲層壓力5.06 MPa，試井平均滲透率 0.10×10-15m2。根據設計，將在礦井建設的第5年開始首采面和備用面的準備工作，屆時工作面巷道掘進將面臨高壓力、高濃度瓦斯的威脅。對江南井田首采面布置示意圖如圖1。

圖1 對江南井田首采面布置示意圖

2 頂板水平井條帶預抽技術方法

條帶預抽主要是為了降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，消除工作面掘進條帶的瓦斯突出威脅，因此，水平井的井位和井眼軌跡的布置要必須與工作面布置參數相協調，并充分考慮地質構造、地形條件和對后期儲層改造和抽采的影響。

2.1 水平井軌跡方位布置

為了解決首采面回風巷和材料運輸巷未來掘進面臨的高瓦斯和煤與瓦斯突出威脅，設計布置2組水平井，分別為H1-V1和H2-V2。

由于對江南煤礦工作面設計走向與地層傾向（北西）一致，且與井田最小主應力方向（NE）近乎垂直。因此，2口水平井（H1-V1和H2-V2）的井眼軌跡與掘進巷道的走向平行，根據地形和布井條件，2口水平井的水平段長度均為860 m和870 m。其中，垂直井（V1和V2）布置于工作面深部，分別在M78煤層頂板洞穴完井；2口水平井（H1和H2）分別沿M78煤層頂板向地層下傾方向鉆進與直井（V1和V2）對接。垂直井位于構造低部位，既可以降低水平井鉆井施工難度，又有利于后期直井的排水降壓。工作面水平井軌跡方位布置圖如圖2。

圖2 工作面水平井軌跡方位布置圖

分段壓裂的裂縫半長一般可達100 m以上，縫高10余米，裂縫可貫穿下部巖層并延伸到煤層；巫修平、張群等[10-11]應用FracproPT壓裂模擬方法對頂板水平井（井眼軌跡位于煤層以上2 m）分段壓裂效果進行模擬，結果顯示，支撐裂縫半長可達到168.4 m，支撐縫高可達19 m。因此，為了盡可能地對掘進條帶進行強化抽采，且不影響巷道的掘進，2口水平井的井眼軌跡與首采面的回風巷和材料運輸巷的距離均設置為50 m，水平井井眼軌跡布置于M78煤層頂板粉砂巖、砂質泥巖中，距煤層0.5~3 m，2口水平井的水平距離為220 m。

如果將頂板水平井的井眼軌跡置于掘進巷中，在巷道掘進時勢必會破壞水平井眼，無法實現邊抽邊掘和后續抽采，且分段壓裂也會破壞頂板的完整性，將增加巷道頂板維護的難度。另一方面，在碎軟煤層中鉆井，極易發生井壁失穩、垮塌等井內事故；頂板巖層與碎軟煤層相比，結構更加完整，在頂板巖層鉆井，則可提高鉆井成功率，并為后續儲層強化創造條件。

2.2 定向鉆井

頂板水平井為“U”型井，由1口垂直井和1口水平井組成。其中，煤層頂板水平段鉆井、對接和套管固井是關鍵。垂直井鉆至M78煤層底界以下50 m完鉆，固井后對M78煤層及其頂板（煤層以上2 m）進行洞穴完井，洞穴直徑不小于0.5 m。

水平井采用三開井身結構（圖3），應用電磁波隨鉆測量系統（EMWD）[14-15]進行頂板水平段的鉆進，輔助以巖屑錄井、氣測錄井等方法，保障井眼軌跡在煤層頂界以上0.5~3 m；采用磁性導向鉆井技術（RMRS）[16]進行水平井與垂直井的對接。

2.3 定向射孔和分段壓裂

圖3 頂板水平井井身結構示意圖

水平井的井眼軌跡位于M78煤頂界以上0.5~3 m范圍，為了保證對下部煤層分段壓裂的成功，定向射孔必須穿透鋼套管、水泥環和煤層頂板，誘導壓裂縫向M78煤層中延伸。為此，采用泵注橋塞電纜射孔壓裂聯作技術[17]進行射孔和壓裂，該技術方法可實現橋塞坐封、定向射孔、光套管壓裂的連續作業，具有封隔可靠、射孔精確、壓裂效率高且段數不受限制等諸多優點[11,18]。H1-V1和H2-V2井三開套管固井完成后，均分為10段進行逐段射孔壓裂，段長70~90 m，采用活性水壓裂液，以16~40目（700～1 000 μm）蘭州石英砂為支撐劑，壓裂施工排量6~10 m3/min，單段壓裂加砂量不小于100 m3，施工限壓35 MPa。頂板水平井定向射孔和分段壓裂瓦斯抽采示意圖如圖4。

圖4 頂板水平井定向射孔和分段壓裂瓦斯抽采示意圖

單段射孔壓裂時，首先利用電纜泵送橋塞至設計位置點火坐封，然后上提射孔槍至預定深度完成定向射孔，射孔完成后，通過電纜拖動將射孔槍提出井口，以光套管方式進行加砂壓裂[11,18]。其中，定向射孔選擇102型射孔槍、配備127型超深穿透射孔彈，以45°相位角定向向下射孔，孔密為12孔/m，射孔彈發射率要求不低于95%。壓裂施工過程分為前置液注入、攜砂注入和頂替3個階段[18]，在前置液階段逐漸提高排量，壓開煤巖層，在煤巖層中形成裂縫；攜砂液階段，隨著加砂強度逐漸提高，壓裂液攜帶的石英砂由近及遠進入煤巖層裂縫中；頂替階段將井筒內的攜砂液全部注入到裂縫中。

3 效果預測

水平井分段壓裂全部完成后，分別在V1和V2井安裝抽油機和管式泵進行抽采。

采用CBM-SIM煤層氣藏數值模擬軟件建立地質模型，劃分網格，對水平井抽采效果進行預測，并通過編繪抽采3年、5年殘余瓦斯含量分布圖對首采工作面殘余瓦斯分布特征進行描述。產能模擬參數見表1。

表1 產能模擬參數表

預測結果顯示，頂板水平分段壓裂井單井最高產氣量為10 306 m3/d；氣井在抽采半年后達到產期高峰并開始衰減，抽采1年后衰減至5 740 m3/d，抽采3年后產氣量衰減至1 650 m3/d，這與M78煤層厚度較薄、氣源供給不足有關；連續排采10年，單井累計抽采瓦斯621.61×104m3。頂板水平分段壓裂井產能模擬曲線如圖5。

圖5 頂板水平分段壓裂井產能模擬曲線圖

分段壓裂產生的裂縫系統是由井眼逐漸向遠處擴展，裂縫發育程度隨著距井眼距離的增大而減弱，因此，頂板水平井的抽采影響范圍成條帶狀分布，抽采強度隨著距井眼距離的增加而減弱（圖6）；隨著抽采時間的持續，抽采影響條帶逐漸以井眼為中心向兩側擴展，煤層瓦斯不斷解吸并沿裂縫滲流進入井筒產出井口，抽采條帶的煤層瓦斯含量將持續下降，瓦斯壓力也逐漸釋放，突出危險性大大降低。由于近井地帶（距井眼70 m范圍）裂縫擴展最充分，導流能力最強，瓦斯解吸和抽采也最為充分。

圖6 首采面抽采3年和5年殘余瓦斯含量分布圖

連續抽采3年，除了抽采未覆蓋的小部分范圍，首采面大部分區域M78煤層瓦斯含量顯著降低，井眼兩側50 m范圍瓦斯含量由原始的11.80~16.79 m3/t降至 5.70~10.80 m3/t，綜合抽采率可達到24%；連續抽采5年，首采面大部分區域瓦斯含量可降至9 m3/t以下，備用面瓦斯含量也顯著降低，井眼兩側70 m范圍瓦斯含量進一步降至4.7~7.7 m3/t，綜合抽采率可達33%；屆時，北回風巷和材料運輸巷的掘進，煤與瓦斯突出危險性大大降低，首采面的準備可滿足《煤礦安全規程》關于新建突出礦井首采區“先抽后建”的要求[19]。

對于抽采未覆蓋區域，可根據需要，利用現有井場施工定向井對M78煤層進行水力壓裂和抽采，降低瓦斯含量和壓力，保障首采面掘進巷道的安全。

4 結 論

1）碎軟煤層頂板鉆井可提高水平井鉆井的成孔率，定向射孔可穿透鋼套管、水泥環和煤層頂板，誘導壓裂縫向煤層中延伸；分段壓裂形成的裂縫可有效溝通煤層和井筒，形成有效支撐的裂縫網絡和導流通道。

2）頂板水平分段壓裂井抽采影響范圍成條帶狀分布，抽采強度隨距井眼距離的增大逐漸降低，分段壓裂在近井地帶（距井眼0～70 m范圍）形成的裂縫寬度大，導流能力最強，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分；隨著時間的持續，抽采影響條帶逐漸以井眼為中心向兩側擴展。

3）采用頂板水平井分段壓裂抽采技術對碎軟低滲煤層進行條帶瓦斯預抽，可快速降低瓦斯含量和瓦斯壓力，解決條帶掘進和工作面準備面臨的煤與瓦斯突出威脅；按照接續關系合理部署，可滿足高瓦斯、突出礦井區域瓦斯高效治理的時空要求，是實現新建突出礦井“先抽后建”首采區瓦斯治理的有效手段。