基于工作面全覆蓋的地面瓦斯高效抽采模式研究

方佳偉，韓保山，周加佳，王正喜，張丁亮，劉 嘉，徐建軍

基于工作面全覆蓋的地面瓦斯高效抽采模式研究

方佳偉1,2，韓保山2，周加佳2，王正喜2，張丁亮2，劉 嘉2，徐建軍2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對(duì)煤層碎軟、滲透性低、工作面瓦斯抽采難度大且效率低的問題，提出兩端對(duì)接分段壓裂頂板水平井組的工作面瓦斯抽采全覆蓋模式。選取淮北煤田宿縣礦區(qū)某礦井為例，依據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力與工作面展布特征，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)瓦斯地質(zhì)條件及煤層力學(xué)性質(zhì)分析，利用交叉偶極子聲波測(cè)井方法優(yōu)選水平井水平段布置方位，采用Fracpro PT的壓裂模擬技術(shù)確定水平井水平段距離71煤層的范圍，即布置在煤層頂板2 m以內(nèi)；采用抽采模擬技術(shù)對(duì)研究區(qū)試驗(yàn)工程進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，抽采3 a后工作面的瓦斯含量和壓力都大幅度降低，達(dá)到了工作面瓦斯抽采全覆蓋的要求。提出的抽采模式為國內(nèi)類似地質(zhì)條件煤礦地面瓦斯高效抽采提供一種手段。

瓦斯；全覆蓋抽采模式；頂板水平井；壓裂；數(shù)值模擬；淮北宿縣礦區(qū)

我國煤礦以高瓦斯及瓦斯突出礦井為主，煤層滲透性低、瓦斯抽采難度大，煤炭安全高效開采面臨巨大壓力[1-3]。近年來，地面瓦斯預(yù)抽在煤礦瓦斯治理中開始發(fā)揮作用，國內(nèi)很多煤礦都開展了不同程度的實(shí)踐及應(yīng)用[4-5]?；幢钡V區(qū)是國內(nèi)典型的高瓦斯與瓦斯突出礦區(qū)之一，具有煤體碎軟、滲透性低、瓦斯含量高、瓦斯壓力大等特點(diǎn)，常規(guī)的地面瓦斯抽采技術(shù)面臨鉆井成孔難、壓裂效果差等問題[6-7]；此外，礦區(qū)煤礦工作面布置走向長(zhǎng)度大，而地面抽采方式抽采范圍有限，也難以對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行全覆蓋抽采。

“十二五”期間，淮北礦業(yè)集團(tuán)蘆嶺煤礦開發(fā)了頂板水平井分段壓裂抽采模式，取得了國內(nèi)外碎軟低滲煤層地面瓦斯抽采效果的歷史突破[8-10]。鑒于此基礎(chǔ)，安徽恒源煤電股份有限公司聯(lián)合中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司擬在礦區(qū)X煤礦探索工作面全覆蓋的地面高效瓦斯抽采模式和技術(shù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

X煤礦位于淮北煤田宿縣礦區(qū)宿南向斜南端，斷層較發(fā)育。煤巖層產(chǎn)狀有一定起伏，平均傾角約14°。含煤地層包括二疊系山西組、下石盒子組及上石盒子組，含10個(gè)煤層(組)30余層，其中，32、61、71、82、9煤為主采煤層，瓦斯壓力高，瓦斯含量大。

地面井測(cè)試結(jié)果顯示，71煤吸附甲烷能力高，等溫吸附結(jié)果顯示，Langmuir體積為13.74 cm3/g(空氣干燥基)，Langmuir壓力為1.92 MPa；儲(chǔ)層壓力為6.63 MPa，臨界解吸壓力為1.8 MPa；瓦斯含量為6.63 m3/t (空氣干燥基)，滲透率較低，為0.15× 10–3μm2。根據(jù)煤礦的采掘接替計(jì)劃，3 a后將對(duì)Ⅱ三采區(qū)Ⅱ7133工作面71煤層進(jìn)行采掘。為了采掘安全，需提前進(jìn)行工作面瓦斯預(yù)抽，探究地面高效抽采模式。

2 工作面瓦斯抽采全覆蓋模式

2.1 抽采方式

Ⅱ7133工作面沿走向布置，長(zhǎng)約1 730 m，寬約195 m，71煤層頂板以泥巖為主。由于常規(guī)U型頂板水平井存在托壓?jiǎn)栴}，水平段延伸距離不超過1000 m，且沿碎軟低滲煤層水平鉆進(jìn)存在“鉆穴”問題，難以成孔[11]，采用常規(guī)的井型設(shè)計(jì)以達(dá)到工作面全覆蓋的瓦斯抽采效果，則需要部署兩組水平井組，極大地增加了瓦斯治理的成本和時(shí)間。

依據(jù)水平井技術(shù)特點(diǎn)和工作面布置情況，設(shè)計(jì)3口井的水平井組模式(圖1)，即兩口頂板水平井都對(duì)接同一口排采直井。3口井的抽采范圍基本可覆蓋整個(gè)工作面，不僅節(jié)省了1口排采直井施工工程費(fèi)用，而且有助于井組集約化管理，大大提高施工效率。直井設(shè)計(jì)二開井身結(jié)構(gòu)，套管洞穴完井，兩口水平井設(shè)計(jì)三開井身結(jié)構(gòu)，套管固井并與直井于洞穴處連通。

基于工作面展布和水平井工程特點(diǎn)，瓦斯抽采全覆蓋的布井模式有3種(圖2)，方式一、三為水平井水平段與工作面斜交，后者對(duì)地應(yīng)力方向有較高要求。方式二為水平井水平段與工作面水平段方位平行，地層的應(yīng)力分布決定了水力壓裂裂縫的產(chǎn)狀和延伸方向，壓裂裂縫在垂向上的延伸與層間最小水平主應(yīng)力大小有關(guān)。根據(jù)煤礦相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，水力壓裂縫在煤層中以井眼為中心擴(kuò)展，形態(tài)為橢圓形，長(zhǎng)軸平行于最大水平主應(yīng)力的方向延伸[12-13]，因此，設(shè)計(jì)水平井方位與最小水平主應(yīng)力方向平行，以最大程度地溝通煤層裂縫網(wǎng)格。

圖1 工作面全覆蓋瓦斯抽采模式示意

圖2 工作面水平井井位布置

交叉偶極子聲波測(cè)井資料顯示(圖3)，研究區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)是正斷層應(yīng)力狀態(tài)，即垂向主應(yīng)力v大于水平最大主應(yīng)力H大于水平最小主應(yīng)力h，且煤層與頂板最小水平主應(yīng)力的差異明顯，壓裂裂縫應(yīng)以垂直縫為主，垂向上容易穿層進(jìn)入目標(biāo)煤層。各向異性方位及水平最大主應(yīng)力方位為NNW— SSE，近似于SN方向，理論上壓裂裂縫方向?yàn)镾N方向，井向設(shè)計(jì)為東西向時(shí)可達(dá)到最佳的壓裂裂縫效果。而實(shí)際工作面水平段方位與正東西向有一個(gè)小角度夾角，若采用方式一布井，既難以滿足瓦斯抽采范圍的均勻覆蓋，也不能保證工作面兩端的壓裂效果，且總壓裂體積小；方式三相較于方式一，由于井組水平段方位幾乎完全平行于最小水平主應(yīng)力，因此，能達(dá)到最佳的裂縫體積；方式二雖然在一定程度上犧牲了壓裂縫體積，但是能保證瓦斯抽采范圍的均勻覆蓋和整個(gè)工作面的壓裂效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用方式二的布井模式(圖2)。

圖3 宿縣礦區(qū)主要煤層巖石力學(xué)參數(shù)成果

2.2 水平井水平段與煤層間距設(shè)計(jì)

頂板井水平段軌跡布置基本原則是保證裂縫的穿層壓裂效果。壓裂作業(yè)時(shí)從頂板泥巖段開始起裂，由于頂板泥巖的高彈性模量、高泊松比特點(diǎn)，導(dǎo)致裂縫起裂、延展困難，施工壓力高且形成復(fù)雜裂縫消耗壓裂能量，因此，要求水平井水平段井眼軌跡盡可能地靠近煤層段，使得穿層壓裂的“破壁”階段順利快速度過[14]。頂板井水平段軌跡距離煤層也不宜過近，否則會(huì)導(dǎo)致鉆井軌跡進(jìn)入煤層引起井壁失穩(wěn)等事故。

本次利用Fracpro PT數(shù)值模擬方法[15-16]對(duì)工作面全覆蓋的地面瓦斯高效抽采壓裂效果進(jìn)行模擬，模擬參數(shù)見表1。設(shè)定軌跡距離煤層頂板2 m，模擬結(jié)果顯示，縫高27.8 m，壓裂縫能穿過頂板泥巖和目標(biāo)煤層，半縫長(zhǎng)121 m，平均裂縫寬度6.586 m；裂縫能完全覆蓋工作面，形成較大的壓裂網(wǎng)體積。為此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工難度，設(shè)計(jì)水平井組水平段軌跡控制在垂直距離71煤層頂板2 m的范圍內(nèi)。

表1 水平井組數(shù)值模擬參數(shù)

3 試驗(yàn)區(qū)工程應(yīng)用

本次基于地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，采用電磁波傳輸信號(hào)的隨鉆測(cè)量?jī)x器(EMWD)進(jìn)行2口頂板井對(duì)接，通過實(shí)測(cè)方位伽馬值與二開71煤層及頂板伽馬值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡偏離情況，配合波浪間斷探煤技術(shù)，在無法判斷軌跡延伸方向與煤層頂板走勢(shì)的空間關(guān)系時(shí)，有控制地降低井斜角小于煤層視傾角，確保井眼位于煤層以上0.5~2.0 m內(nèi)。同時(shí)采用“大排量、大規(guī)模、高前置液比、中砂比”活性水壓裂技術(shù)和復(fù)合支撐劑工藝，對(duì)2口水平井共計(jì)20段進(jìn)行分段壓裂，累計(jì)用液量17 207 m3，累計(jì)石英砂量945 m3，以保證壓裂規(guī)模和強(qiáng)度。

3.1 壓裂縫監(jiān)測(cè)

采用地面微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)H2井第二、四、七段進(jìn)行壓裂縫監(jiān)測(cè)(表2和圖4)。結(jié)果表明，3段主裂縫均為垂直縫，裂縫影響高度平均為11 m，方向均為南北向且與井眼方向大角度斜交，驗(yàn)證了前面所述的最小水平主應(yīng)力方向判斷裂縫方向的準(zhǔn)確性。壓裂縫向主裂縫兩側(cè)發(fā)展較遠(yuǎn)，縫長(zhǎng)130~ 180 m，形成了較大的壓裂影響體積，與Fracpro PT數(shù)值模擬結(jié)果吻合。同時(shí)，微震點(diǎn)分布密集帶發(fā)生在射孔層下邊的71煤層附近，說明壓裂縫穿層進(jìn)入了煤層，71煤層段得到了充分改造，壓裂效果理想。

表2 宿縣礦區(qū)X礦井7133工作面H2水平井壓裂縫參數(shù)

注：上圖為正視，下圖為俯視。

3.2 抽采效果分析

為預(yù)先考察本次提出的抽采模式對(duì)工作面瓦斯抽采覆蓋的效果，利用CBM-SIM煤層氣藏?cái)?shù)值模擬軟件[17-18]進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

模擬結(jié)果顯示，工作面71煤層抽采3 a剩余瓦斯含量顯著降低(圖5)，距離水平井兩側(cè)60 m范圍內(nèi)，瓦斯含量由原先的近10 m3/t降到6 m3/t，綜合抽采率約40%。

圖5 宿縣礦區(qū)X煤礦7133工作面抽采3 a剩余瓦斯含量分布

在抽采5個(gè)月后即可達(dá)到產(chǎn)氣高峰，單日最高產(chǎn)氣量為5 698 m3；連續(xù)抽采3 a后，單井日產(chǎn)氣量仍可達(dá)到500 m3，井組累計(jì)產(chǎn)氣量可達(dá)到290萬m3(圖6)。

圖6 宿縣礦區(qū)X礦井組產(chǎn)能模擬曲線

4 結(jié)論

a. 針對(duì)淮北煤田宿縣礦區(qū)煤層碎軟、瓦斯壓力大和工作面瓦斯治理效率低的難題，提出了兩口水平井和一口直井對(duì)接的頂板水平井組分段壓裂模式，可實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯抽采全覆蓋，以降低瓦斯治理成本，提高抽采效率。

b. 利用交叉偶極子聲波測(cè)井方法，結(jié)合研究區(qū)地應(yīng)力與工作面展布特征，優(yōu)選了水平井水平段布置方位；利用Fracpro PT的壓裂模擬技術(shù)，確定了水平井水平段距離71煤層的范圍，即布置在煤層頂板2 m以內(nèi)。

c. 工作面瓦斯全覆蓋高效抽采模式抽采效果數(shù)值模擬顯示，抽采3 a后工作面的瓦斯含量和壓力都大幅度降低，62%的區(qū)域瓦斯含量可以降至6 m3/t以下。

請(qǐng)聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] 寧宇. 我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(1)：12–15. NING Yu. Progress of coalbed methane development and utilization technology in China’s coal mine areas[J]. Coal Science and Technology，2013，41(1)：12–15.

[2] 李景明，巢海燕，李小軍，等. 中國煤層氣資源特點(diǎn)及開發(fā)對(duì)策[J]. 天然氣工業(yè)，2009，29(4)：9–13. LI Jingming，CHAO Haiyan，LI Xiaojun，et al. Characteristics and development countermeasures of coalbed methane resources in China[J]. Natural Gas Industry，2009，29(4)：9–13.

[3] 申寶宏，劉見中，趙路正. 煤礦區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(1)：6–10. SHEN Baohong，LIU Jianzhong，ZHAO Luzheng. Status and prospects of coalbed methane industrialization in coal mining areas[J]. Coal Science and Technology，2011，39(1)：6–10.

[4] 巫修平，張群. 開發(fā)模式和增產(chǎn)技術(shù)對(duì)煤層氣采收率影響研究[J]. 中國煤層氣，2014，11(2)：20–24.WU Xiuping，ZHANG Qun. Study on influence of development mode and stimulation technique on the recovery of coalbed methane[J]. China Coalbed Methane，2014，11(2)：20–24.

[5] 張群. 關(guān)于我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的戰(zhàn)略性思考[J]. 中國煤層氣，2007，4(4)：3–5. ZHANG Qun. Strategic thinking on coalbed methane development in China’s coal mine areas[J]. China Coalbed Methane，2007，4(4)：3–5.

[6] 赫少攀，林青，張朝舉，等. 祁東井田地應(yīng)力場(chǎng)特征及其對(duì)煤與瓦斯突出的影響[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2014，8(4)：9–13. HE Shaopan，LIN Qing，ZHANG Chaoju，et al. Characteristics of in-situ stress field in Qidong mine field and its influence on coal and gas outburst[J]. Coal Geology & Exploration，2014，8(4)：9–13.

[7] 武華太. 煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采技術(shù)的研究和實(shí)踐[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(8)：1312–1316. WU Huatai. Research and practice of three-dimensional extraction technology of coal mine gas three zones[J]. Journal of China Coal Society，2011，36(8)：1312–1316.

[8] 李彬剛. 蘆嶺煤礦碎軟低滲煤層高效抽采技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2017，45(4)：81–84.

LI Bingang. Technology of CBM extraction in the crushed and soft coal seam in Luling coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(4)：81–84.

[9] 許耀波，朱玉雙，張培河. 緊鄰碎軟煤層的頂板巖層水平井開發(fā)煤層氣技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè)，2018，38(9)：70–75. XU Yaobo，ZHU Yushuang，ZHANG Peihe. CBM development technology for horizontal wells in roof rock formations adjacent to broken soft coal seams[J]. Natural Gas Industry，2018，38(9)：70–75.

[10] 巫修平，張群. 碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及控制機(jī)制[J]. 天然氣地球科學(xué)，2018，29(2)：268–276. WU Xiuping，ZHANG Qun. Fracture propagation law and control mechanism of horizontal wells in broken soft and low permeability coal seams[J]. Natural Gas Geoscience，2018，29(2)：268–276.

[11] 孫玉寧，王永龍，翟新獻(xiàn)，等. 松軟突出煤層鉆進(jìn)困難的原因分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(1)：117–121. SUN Yuning，WANG Yonglong，ZHAI Xinxian，et al. Analysis of difficulties in drilling soft and outburst coal seams[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：117–121.

[12] 李林地，張士誠，庚勐. 煤層氣藏水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律[J]. 天然氣工業(yè)，2010，30(2)：72–74. LI Lindi，ZHANG Shicheng，GENG Meng. Propagation of hydraulic fractures in coalbed gas reservoirs[J]. Natural Gas Industry，2010，30(2)：72–74.

[13] 康向濤. 煤層水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2014.

KANG Xiangtao. Research on hydraulic fracturing propagation rules in coal seam and gas extraction drilling optimization[D]. Chongqing：Chongqing University，2014.

[14] 韓保山. 構(gòu)造煤煤層氣壓裂方式及機(jī)制探討[J]. 煤礦安全，2019，50(7)：211–214. HAN Baoshan. Discussion on modes and mechanisms of pneumatic fracture in tectonic coal[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(7)：211–214

[15] 張群，葛春貴，李偉，等. 碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂煤層氣高效抽采模式[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(1)：150–159. ZHANG Qun，GE Chungui，LI Wei，et al. Efficient extraction mode of coalbed methane by staged fracturing in horizontal wells on broken soft and low permeability coal seams[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(1)：150–159.

[16] 巫修平. 碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及機(jī)制研究[D]. 北京：煤炭科學(xué)研究總院，2017.WU Xiuping. Research on control mechanism of fracture propagation of multi-stage hydraulic fracturing horizontal well in roof of broken soft and low permeable coal seam[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2017.

[17] 周加佳. 碎軟低滲煤層煤層氣直井間接壓裂技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：6–11.ZHOU Jiajia，Technology and application of indirect fracturing in CBM vertical well of broken and soft coal seam with low permeability[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：6–11.

[18] 張東亮. 碎軟低滲煤層頂板水平井條帶瓦斯預(yù)抽技術(shù)[J]. 煤礦安全，2019，50(4)：72–76. ZHANG Dongliang. Strip gas pre-pumping technology in horizontal well of broken soft and low permeability coal seam roof[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(4)：72–76.

Surface efficient gas extraction mode based on full coverage of working face

FANG Jiawei1,2, HAN Baoshan2, ZHOU Jiajia2, WANG Zhengxi2, ZHANG Dingliang2, LIU Jia2, XU Jianjun2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the problems of soft and broken coal seam, low permeability, difficulty in gas extraction and low drainage efficiency in working face, a full-coverage mode for gas extraction in working face through the horizontal well group with staged fracturing roof at both ends is proposed. Taking a mine in Suxian mining area of Huaibei coalfield as an example, based on the characteristics of in-situ stress and working face distribution, combined with the analysis of gas geological conditions and coal seam mechanical properties in the area, the cross section dipole sonic logging method was used to optimize the orientation of the horizontal section of the horizontal well, and the horizontal well was determined by the Fracpro PT fracturing simulation technology. The horizontal section was away from the coal seam 71arranged within 2 m of the top of the coal seam; the drainage simulation technology was used to predict the test project in the study area, the gas content and pressure of the working face have greatly reduced after 3 years of drainage, which meets the requirements of full coverage of gas drainage in working face. The extraction mode proposed in this paper provides a means for the efficient extraction of ground gas in domestic coal mines with similar conditions.

gas; full coverage extraction mode; roof horizontal well; fracturing; numerical simulation; Huaibei Suxian mining area

TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.012

1001-1986(2020)03-0081-05

2020-04-20；

2020-05-18

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFF0213801)

National Key R&D Program of China(2018YFF0213801)

方佳偉，1994年生，男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊簩託忾_發(fā). E-mail：935110235@qq.com.

方佳偉，韓保山，周加佳，等. 基于工作面全覆蓋的地面瓦斯高效抽采模式研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：81–85.

FANG Jiawei，HAN Baoshan，ZHOU Jiajia，et al. Surface efficient gas extraction mode based on full coverage of working face[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：81–85.

(責(zé)任編輯 范章群)