高壓流體疏通煤礦采動區(qū)L型井方法研究

任 鴿，李 超

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012； 2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司,山西 太原 030000)

采動區(qū)地面 L 型井抽采是一種結(jié)合高位鉆孔抽采與地面直井抽采兩種技術(shù)特點的新型技術(shù)，與傳統(tǒng)地面 L 型水平定向井不同[1]，在采煤工作面推至距地面井一定位置時，隨著采煤工作面的推進，在采動卸壓影響下進行煤層氣抽采[2]. 目前該項工藝已在晉城礦區(qū)實踐成功[3]，解決高瓦斯礦井在回采過程中工作面及上隅角瓦斯超限問題，保障礦井生產(chǎn)安全[4].

但煤層氣L型采動井投運一段時間后，隨著煤礦工作面回采，地層會有不同程度的沉降，煤層裂隙會被煤粉或其它雜質(zhì)堵塞，阻礙煤層氣解吸和運移，使煤層氣采動井產(chǎn)能降低。另外，地層水滲透到煤層裂隙中，不能及時排出，也會造成氣井產(chǎn)氣量減低。目前氣井的解堵方法多采用重復(fù)壓裂[5]、水力噴射徑向鉆孔、井下多級強抽泵、爆燃解堵和電爆震解堵等工藝，應(yīng)用效果也不盡相同[6]，存在一定局限性。重復(fù)壓裂、水力噴射徑向鉆孔解堵工藝存在成本高、安全隱患大等問題，爆燃解堵和電爆震解堵不適宜煤層氣井，井下多級強抽泵對L型井不適用，因此，需尋找一種簡單實用、安全可靠的方法疏通煤層裂隙，提高煤層氣井產(chǎn)氣量。高壓流體疏通工藝是利用高壓氣體或小規(guī)模水力壓裂，解決煤層裂隙堵塞問題，成本較小，疏通后的煤層氣井產(chǎn)能迅速恢復(fù)，具有較高的經(jīng)濟效益。

1 高壓流體疏通工藝特點

1.1 高壓流體疏通工藝原理

該工藝是利用高壓流體疏通堵塞煤層裂隙。目前主要有兩種疏通方法：

1) 用清水疏通。隨著煤礦的采掘，地層會有不同程度的沉降，煤層裂隙會被煤粉或其它雜質(zhì)堵塞。采用高壓泵車將清水壓入煤層氣井，將堵塞的煤層裂隙重新疏通，使煤層氣采動井恢復(fù)生產(chǎn)能力。

2) 用空氣疏通。當(dāng)?shù)貙铀疂B透到煤層裂隙中，位置較低的地方很容易積水，積水排不出去，就會堵塞煤層裂隙，工作面逸散的煤層氣不能通過裂隙排出。此時，需要用壓縮機將氮氣或空氣壓縮后，經(jīng)高壓管柱進入井筒，將低洼處的積水吹散，重新疏通煤層裂隙，使煤層氣采動井恢復(fù)生產(chǎn)。高壓流體疏通氣井工藝流程見圖1.

1—采動區(qū) 2—采空區(qū) 3—套管 4—煤層 5—篩管 6—流體儲存罐 7—壓縮機 8—高壓管柱圖1 高壓流體疏通氣井工藝流程圖

1.2 工藝特點

1) 該工藝簡單實用，相比傳統(tǒng)水力壓裂，投資較小。

2) 利用高壓流體吹掃能重新疏通堵塞的煤層裂隙，使減產(chǎn)的煤層氣井恢復(fù)產(chǎn)能。

3) 疏通技術(shù)需井上下聯(lián)合實施，通過井下觀測高壓流體前進方向，可初步判斷疏通效果，并可在井下采煤工作面頂板處通過人為制造來壓，達到降低L型井水平段地應(yīng)力的效果，提高疏通成功幾率。

2 工藝實踐應(yīng)用

2.1 試驗井概況

試驗井位于沁水縣胡底鄉(xiāng)蒲池村附近，為解決胡底礦工作面瓦斯突出問題布置一口采動區(qū)L型地面抽采井。

L型井目的煤層為3#煤層上部20～60 m處，采用三開井身結(jié)構(gòu)[7]，一開采用d444.5 mm的鉆頭，鉆穿基巖下10 m，下入d377.7 mm表層套管，固水泥；二開井采用d311.1 mm的鉆頭,鉆至著陸點后下入d244.5 mm的套管，固水泥；三開采用d215.9 mm的鉆頭，鉆進至靶點完井，水平段約500余米(圖2).

圖2 L型井井身結(jié)構(gòu)圖

該井于2015年4月開鉆， 2016年5月，安裝水環(huán)真空泵抽放設(shè)備。曾進行多次試運行，無氣量顯示。2016年10月，胡底礦井下工作面已回采45 m，地面L型井抽采仍未見效，為此考慮對該井進行小型壓裂改造，溝通井下采動裂隙，提高抽放效果。

2016年10月20日進行清水壓裂，共使用清水180 m3，壓裂時套壓始終為0，油壓介于2.8～4.4 MPa，油壓較為穩(wěn)定。但壓裂后進行試抽采，仍不產(chǎn)氣，決定實施高壓流體吹掃作業(yè)方案。

2.2 試驗方案

1) 地面設(shè)施、設(shè)備。

井口安裝250標準井口，安裝過程確保密封。地面壓縮機達到以下性能要求：壓縮介質(zhì)為氮氣或空氣，保證吹掃排量大于30 m3/min.

2) 改造工藝。

吹掃完成后，再次安裝抽放設(shè)備進行試抽，如抽放效果仍未達到預(yù)期效果，可考慮對該井實施多次地面吹掃，以達到預(yù)期抽采效果。

2.3 施工過程及效果分析

本次試驗采用空氣進行吹掃疏通，共進行3次：

1) 考慮煤層厚度較大，煤層頂?shù)装鍨槟鄮r，該井水平段較長且在煤層上部，為疏通井筒及煤巖層裂隙，降低負壓抽采過程中的壓裂液水鎖效應(yīng)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，在首次吹掃時，采用大于30 m3/min排量注入。2016年10月31日進行空氣吹掃，用時1 h，0～40 min采用風(fēng)量為30 m3/min，40～60 min采用風(fēng)量為35 m3/min，共輸送風(fēng)量1 900 m3，井口壓力在5～15 min時由0.1 MPa升至0.15 MPa后降至0，其后一直維持在0，未出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，吹掃后，試抽，氣井仍不產(chǎn)氣。

2) 因第一次注入效果不明顯，需進行二次吹掃。為避免煤粉因風(fēng)量過大而產(chǎn)生運移積聚，再次堵塞裂隙，此次采用小風(fēng)量吹掃。2016年12月6日，進行第二次吹掃，用時1.42 h，風(fēng)量為15 m3/min，共輸送風(fēng)量1 275 m3，10～15 min井口壓力由0.1 MPa升至0.17 MPa再降至0，其后一直維持在0，未出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象。疏通后試抽，日產(chǎn)氣量最高達12 000 m3，甲烷濃度也逐漸增高，在50%～86%，但產(chǎn)氣量衰減較快， 20天后再次出現(xiàn)不產(chǎn)氣的現(xiàn)象(圖3).

圖3 第二次疏通后產(chǎn)氣量與甲烷濃度變化曲線圖

3) 在負壓抽采一定時間后，煤粉再次堵塞瓦斯運移通道，需采用大風(fēng)量注入進行疏通。2017年1月11日，進行第三次吹掃， 風(fēng)量為30 m3/min，用時1.5 h，共輸送風(fēng)量2 700 m3， 45～50 min井口壓力由0.05 MPa升至0.12 MPa再降至0.02 MPa，其后一直維持在0.02 MPa. 作業(yè)后試抽，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在12 000 m3/d左右，最大可達15 000 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)53天，甲烷濃度逐漸降低，這可能是由于隨著工作面的推進，回采工作逐漸接近尾聲，L型井抽采氣體來源由煤層逐步轉(zhuǎn)向采空區(qū)所致(見圖4).

圖4 第三次疏通后產(chǎn)氣量與甲烷濃度變化曲線圖

采動區(qū)L型井地面抽采技術(shù)，降低了工作面特別是上隅角瓦斯?jié)舛龋Ｕ狭嗣旱V安全生產(chǎn)。采動區(qū)L型井穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，對解決礦井采煤過程中瓦斯突出問題具有重要意義，L型井甲烷濃度與上隅角甲烷濃度最大值成負相關(guān)關(guān)系見圖5，隨著L型井甲烷濃度的增加，礦井上隅角甲烷濃度最大值逐漸降低。經(jīng)過三次高壓空氣吹掃疏通，胡底礦L型井產(chǎn)氣量恢復(fù)到12 000 m3/d，為井下采煤工作提供了安全保障。

圖5 疏通后礦井上隅角與L型井甲烷濃度變化曲線圖

3 結(jié) 論

1) 煤礦采動區(qū)L型井隨著井下工作面推進，裂隙會被煤粉或其它雜質(zhì)堵塞，影響地面抽采效果。高壓空氣吹掃疏通氣井是一種簡單實用的新方法。胡底礦L型井經(jīng)過3次疏通取得了良好效果，產(chǎn)氣量恢復(fù)到12 000 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)時間為53天。

2) L型井甲烷濃度與上隅角甲烷濃度最大值成負相關(guān)關(guān)系，隨著L型井甲烷濃度的增加，礦井上隅角甲烷濃度最大值逐漸降低。采動區(qū)L型井地面抽采技術(shù)，降低了工作面特別是上隅角瓦斯?jié)舛?，保障了煤礦安全生產(chǎn)。

3) 高壓流體疏通L型井成本低、規(guī)模較小，單次疏通可能達不到預(yù)期效果，需要多次作業(yè)， 且疏通后氣井穩(wěn)產(chǎn)時間較短，技術(shù)工藝還需進一步實踐改進。

參 考 文 獻

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