地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用實踐

郭運海

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056000）

1 概 況

冀中能源峰峰集團(tuán)九龍礦為煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)開采的2號煤層為突出煤層。此次試驗區(qū)北三采區(qū)主采的2號煤層平均厚度5.8 m，埋藏較深，透氣性差，瓦斯含量達(dá)到9.51 m3/t。因存在深部礦壓大及水害威脅，保護(hù)層開采困難。經(jīng)考察研究借鑒油層氣開采技術(shù)，對北三采區(qū)瓦斯治理采取了地面區(qū)域瓦斯治理技術(shù)方案。

地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)，是在地面施工定向主孔后，采用徑向水平高壓水射流鉆孔技術(shù)在煤層內(nèi)鉆孔并采用液壓技術(shù)壓裂煤層，完成后在地面安裝抽采設(shè)備和水氣分離設(shè)備進(jìn)行瓦斯抽采。瓦斯治理主要工程分為地面主孔定向鉆孔工程、高壓水射流徑向水平孔工程、壓裂工程、監(jiān)測工程和瓦斯抽采工程。

2 地面主孔數(shù)量、位置確定

此次試驗以北三采區(qū)2號煤層計劃先開采的15237、15239工作面為試驗區(qū)域開展設(shè)計。該區(qū)段走向約1 000 m，傾向約400 m，儲量350萬t。定向主孔設(shè)計主要考慮因數(shù)：①煤層徑向水平孔壓裂影響范圍；②避開斷層發(fā)育和附近巷道、采空區(qū)等區(qū)域一定距離，以防止漏液造成壓裂失敗及井下鄰近巷道破壞事故。

根據(jù)該區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造及已有巷道、采空區(qū)位置情況，設(shè)計部署3口鉆井，井距300 m，其中1、3號為斜井，2號為垂直井。

鉆井布置示意如圖1所示。

圖1 鉆井布置示意Fig.1 Drilling layout

九龍礦野莊地面鉆井場地規(guī)格60 m×110 m，在鉆場內(nèi)布置3個鉆井，每個鉆井孔口間距10 m，孔底間距分別為290 m和250 m，鉆井深度均超過2號煤層以下50 m。

鉆井主要參數(shù)見表2。

表2 鉆井主要參數(shù)Table 2 Main drilling parameters

3 高壓水射流煤層徑向射孔方法及作用

主孔施工完成后，先采用特種鉆頭在煤層段套管開孔，開孔成功后使用帶噴嘴的高壓軟管，借助高壓水射流破巖作用，采用徑向水平高壓水射流成孔技術(shù)射孔作業(yè)。根據(jù)煤層厚度和煤體結(jié)構(gòu)特性，為引導(dǎo)壓裂裂縫在360°水平面向遠(yuǎn)處均勻延伸，提升壓裂效果，在煤層垂向分3層共施工9~10個不同方向徑向射孔。每孔孔徑50~70 mm、長約100 m，實現(xiàn)引導(dǎo)壓裂方向，延伸壓裂長度，達(dá)到壓裂煤體增加煤層透氣性目的。

高壓水射流徑向射孔示意如圖2所示。

圖2 高壓水射流徑向射孔示意Fig.2 High pressure water jet radial perforation

九龍礦野莊1號井在2號煤層施工10個徑向射流孔參數(shù)見表2（其余2井參數(shù)類似）。

表2 1號井在2號煤層施工10個徑向射流孔參數(shù)Table 2 Parameters of 10 radial jet holes in No.2 coal seam of No.1 well

4 壓裂方法與目的

壓裂工程是在施工水射流徑向水平鉆孔后，在鉆孔中安裝油管并在地面壓裂車的配合下在水平鉆孔中進(jìn)行壓裂。壓裂液使用1%kcl，支撐劑為石英砂，平均砂液比為10%，施工最高限壓為35 MPa。

2號煤層為突出煤層，透氣性差，瓦斯含量達(dá)到9.51 m3/t，常規(guī)瓦斯抽采方法治理難度大，效果差。采用在煤層中徑向射孔、壓裂的方法，可溝通主孔周圍半徑100～200 m的煤層，改變煤體原有結(jié)構(gòu)，有效提高煤層透氣性，可加速游離瓦斯和解吸瓦斯的抽采。壓裂情況見表3。

表3 壓裂情況表Table 3 Fracturing situation table

5 壓裂監(jiān)測工程

壓裂監(jiān)測是確定壓裂后煤體裂隙發(fā)育程度和范圍的監(jiān)測手段，工程采用地面密集臺陣數(shù)據(jù)采集方式，安設(shè)24套三分量檢波器采集站72道216個檢波器共同接受地下破裂地震數(shù)據(jù)，24套采集站分布在壓裂鉆孔的四周。

通過監(jiān)測地下三維破裂能量數(shù)據(jù)變化，分析監(jiān)測得到壓裂人工裂縫的具體方位及基本三維形態(tài)，計算壓裂裂縫的縫長、縫高和方位角參數(shù)。認(rèn)識壓裂施工參數(shù)變化過程與地下裂縫產(chǎn)生在時間上的相互關(guān)系，掌握該區(qū)煤層在壓裂破裂方面的特性，并評估壓裂施工效果。

通過微震監(jiān)測可知，3口井壓裂在徑向井引導(dǎo)下分布均勻，分布范圍大，實現(xiàn)了300 m×900 m區(qū)域內(nèi)全覆蓋，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

6 瓦斯治理效果

2020年12月5日~12月22日，地面抽采設(shè)備、氣水分離裝置、氣體燃燒裝置、排氣、排水管路全部安裝完畢，12月23日開始鉆孔排水。2021年3月3日對3口井開始排氣調(diào)壓工作，為了使瓦斯排采規(guī)模最大化，排采前期為穩(wěn)壓排采，單井24 h排采氣量控制在300 m3左右，3口井的壓力保持穩(wěn)定。進(jìn)入6月份后，單井日排采氣量逐步提升到400~450 m3，三口井日排氣量1 300 m3。后期將逐步增加排采氣量，預(yù)計穩(wěn)壓排采期將會持續(xù)半年以上。目前1號井排氣管道壓力0.38 MPa，日排氣量350 m3；2號井壓力0.76 MPa，日排氣量400 m3；3號井壓力0.82 MPa，日排氣量550 m3。截止8月22日，1號井累計排氣52 065 m3，2號井累計排氣59 835 m3，3號井累計排氣62 158 m3，累計排氣總量174 058 m3。

7 結(jié) 語

九龍礦地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)的成功應(yīng)用，為礦井瓦斯治理開創(chuàng)了一條全新技術(shù)路線。與傳統(tǒng)采用井下施工底板巖石巷穿層預(yù)抽鉆孔消突措施，并在回采期間施工頂板抽放巷、高位鉆場等治理瓦斯工程相比，工期時間短，治理費用較少，前景樂觀。目前，該技術(shù)正在峰峰集團(tuán)其他礦井推廣應(yīng)用。