河南復(fù)雜煤礦區(qū)瓦斯地面抽采技術(shù)研究

張亞莉，成陽(yáng)波

（1.河南省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，河南鄭州 450016；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

煤炭是河南省的主要能源，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有重要地位。但是河南省煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著煤礦的安全、高效生產(chǎn)。通過(guò)地面成功抽采煤層氣，可以有效減少煤層瓦斯含量，降低瓦斯壓力和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，同時(shí)還可以作為清潔能源進(jìn)行利用。如何實(shí)現(xiàn)采煤之前瓦斯的預(yù)抽，達(dá)到資源開(kāi)發(fā)利用和煤礦減災(zāi)的雙重目的，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 河南復(fù)雜煤礦區(qū)儲(chǔ)層與瓦斯分布賦存特征

1.1 主要煤層特征

二1煤層為全省最主要的可采煤層，層位穩(wěn)定，厚度0～33.20m，平均為5.35m；煤層結(jié)構(gòu)一般屬簡(jiǎn)單類型，但不同煤田夾矸發(fā)育情況不同，局部地區(qū)存在煤層分叉現(xiàn)象。其頂?shù)装宥酁槟鄮r、砂質(zhì)泥巖、中細(xì)粒砂巖等致密性巖石。各煤田主要可采煤層煤的變質(zhì)主要受深層變質(zhì)作用的影響。

1.2 河南省瓦斯分布特征

河南絕大部分礦區(qū)全部開(kāi)采的是石炭—二疊系煤層，主要為中高變質(zhì)煙煤和無(wú)煙煤，煤化程度較高。由于形成時(shí)代早，經(jīng)歷過(guò)印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，因此地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造煤發(fā)育，瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜。全省7大礦區(qū)中，有6個(gè)礦區(qū)為高瓦斯煤與瓦斯突出礦區(qū)。截至2008年底，全省144對(duì)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井66對(duì)，占礦井總數(shù)的46%，其中煤與瓦斯突出礦井50對(duì)，占35%。

1.3 試驗(yàn)礦區(qū)瓦斯賦存構(gòu)造控制特征

根據(jù)河南省區(qū)域構(gòu)造、瓦斯分布特征和瓦斯賦存構(gòu)造控制特征，全省劃分為三個(gè)高突瓦斯帶和一個(gè)低瓦斯帶，分別是秦嶺造山帶北緣逆沖推覆構(gòu)造系高突瓦斯帶，豫西強(qiáng)變形“三軟”煤層高突瓦斯帶，太行山造山帶東緣高突瓦斯帶和魯西南豫東斷隆低瓦斯帶。

平頂山礦區(qū)位于秦嶺造山帶后陸逆沖斷裂褶皺帶，受秦嶺造山帶的控制。煤的鏡質(zhì)組反射率介于0.85%～1.64%，煤種主要為氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤。由于受秦嶺造山帶北緣逆沖推覆構(gòu)造系的控制，瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜，在目前開(kāi)采深度內(nèi)，測(cè)定的煤層瓦斯含量多在10m3/t 以上，為嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦區(qū)，但具備保護(hù)層區(qū)域性防治煤與瓦斯突出條件。

鶴壁礦區(qū)位于太行山隆起南段東側(cè)，新生代以來(lái)主要受太行山東緣斷裂帶控制。區(qū)二1煤層總體瓦斯生成、保存條件較好。鶴壁礦區(qū)主體構(gòu)造為一系列北北東、北東和近南北方向展布的褶皺和斷裂構(gòu)造，主要受北北東向構(gòu)造控制，以斷裂為主，伴有發(fā)育程度不同的褶皺。青羊口斷層為礦區(qū)控制性地質(zhì)構(gòu)造，斷層走向長(zhǎng)約100km，最大落差達(dá)到1 000m以上，北北東向延伸。北北東構(gòu)造現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為壓扭作用，使得該礦區(qū)為高瓦斯突出礦區(qū)。

2 平頂山礦區(qū)松軟低滲欠壓中煤級(jí)煤儲(chǔ)層垂直井地面抽采瓦斯

2.1 地質(zhì)特征

受前期多重構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，平頂山礦區(qū)大部分煤層破壞強(qiáng)烈，軟煤（碎粒煤和糜棱煤）較發(fā)育，為松軟煤儲(chǔ)層。平頂山十三礦構(gòu)造煤發(fā)育，煤質(zhì)較軟，屬于碎粒煤～糜棱煤，平均瓦斯含量為10m3/t，最大含量為16.98m3/t，通過(guò)井下鉆孔抽采瓦斯已經(jīng)難以達(dá)到降低煤層瓦斯含量的目的。地面煤層氣垂直井通過(guò)排水降壓的方式，增大儲(chǔ)層卸壓半徑，增加瓦斯抽采范圍，瓦斯抽采強(qiáng)度大，抽采瓦斯?jié)舛雀?，能夠達(dá)到降低煤層瓦斯含量的目的。因此，基于儲(chǔ)層特征和瓦斯抽采的目的，需要在該區(qū)域布置地面煤層氣垂直井，抽采煤層瓦斯。

2.2 井型確定

平頂山十三礦主裂縫以NNE向?yàn)橹?，結(jié)合其斷層分布，該礦煤層氣地面預(yù)抽項(xiàng)目井網(wǎng)采用菱形網(wǎng)格狀布井。在主裂縫方向按照200～250m井間距、其垂直方向按150～200m井間距部署。根據(jù)煤層底板等高線預(yù)測(cè)圖，對(duì)平頂山十三礦預(yù)抽井進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)及實(shí)際鉆井情況如表1所示。

表1 平頂山十三礦預(yù)抽井設(shè)計(jì)及實(shí)際鉆井情況

續(xù)表

2.3 儲(chǔ)層改造

通過(guò)對(duì)地質(zhì)及井位分析，結(jié)合前期鉆井工程情況優(yōu)選部分井進(jìn)行活性水氮?dú)廨o助壓裂增產(chǎn)技術(shù)。儲(chǔ)層改造方案如表2所示。

表2 十三礦煤層氣井壓裂施工方案

2.4 瓦斯抽采情況

區(qū)塊內(nèi)壓裂改造后的8口井自2013年2月底開(kāi)始排采至2016年初關(guān)井期間瓦斯抽采情況，如表3所示。

表3 十三礦8口井瓦斯抽采情況表

平頂山中煤級(jí)松軟低滲欠壓煤儲(chǔ)層的活性水氮?dú)廨o助壓裂增產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)獲得了成功，試驗(yàn)井SS-009井獲得了單井日產(chǎn)1 708m3的高產(chǎn)，刷新了河南煤層氣開(kāi)發(fā)歷史高產(chǎn)紀(jì)錄，打破了傳統(tǒng)上松軟低滲儲(chǔ)層無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤層氣高產(chǎn)的認(rèn)識(shí)禁區(qū)。

3 鶴壁礦區(qū)松軟低滲低壓高煤級(jí)煤儲(chǔ)層U型井組分段壓裂地面抽采技術(shù)

3.1 地質(zhì)特征

礦區(qū)南部井田內(nèi)較多斷層相互切割穿插、產(chǎn)狀變化大、傾角變大，南部礦井較中、北部礦井受層滑構(gòu)造作用顯著，在煤層底部構(gòu)造煤普遍發(fā)育。從整體上看，鶴壁礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)為塊煤（原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤）-軟煤（碎粒煤、糜棱煤）復(fù)合結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層。區(qū)域煤層埋深介于300～900m，埋深整體分布呈現(xiàn)出由西向東逐漸增加的趨勢(shì)，礦區(qū)煤儲(chǔ)層平均壓汞孔隙度為8.38%，瓦斯甲烷含量10.64～27.66mL/g。

3.2 井型選擇

針對(duì)鶴壁六礦，煤層厚度大，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，埋深600-800m的特點(diǎn)，為了加快井下瓦斯抽采量，緩解采掘銜接緊張、井下瓦斯治理工程量大等問(wèn)題，在該地區(qū)嘗試采用水平井鉆井，且使用多段水力噴射壓裂工藝技術(shù)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、地質(zhì)條件、開(kāi)采銜接、鉆井目的以及布井原則等，沿著礦井規(guī)劃設(shè)計(jì)的采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷的位置布置地面水平井，水平井與采煤工作面盡量平行設(shè)計(jì)，每個(gè)工作面布置兩組U型水平井。如圖1所示。

圖1 鶴壁六礦HB01-H1井組井身結(jié)構(gòu)

3.3 儲(chǔ)層改造

根據(jù)水平井鉆探的地質(zhì)數(shù)據(jù)以及井身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)噴射壓裂改造的位置和噴射壓裂的密度，尤其對(duì)斷層構(gòu)造等易突出的附近，加大改造密度和改造規(guī)模，以充分平衡應(yīng)力集中區(qū)，和增加煤層與井筒的接觸面積，從而達(dá)到區(qū)域條帶消突的效果。對(duì)煤層井段實(shí)施分段壓裂改造，增大煤層接觸面積，提高裂縫導(dǎo)流能力，解除近井地帶污染，最大限量提高單井產(chǎn)量。HB01-HI井壓裂選點(diǎn)時(shí)，在有效壓裂段中，考慮壓裂的波及范圍，平均分布5個(gè)壓裂點(diǎn)，依次為：1233m(1228.48，1239.81)、1065m(1059.0，1070.48)、952m(946.89，958.16)、852m(846.77，859.90)、753m(747.29，758.18)。分段壓裂施工參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 分段壓裂施工參數(shù)表

3.4 瓦斯抽采情況

鶴壁六礦HB01水平井實(shí)現(xiàn)軟煤煤層段水平鉆進(jìn)817m，鉆遇率超過(guò) 90%。水平井五段水力噴射壓裂技術(shù)獲得了成功，完成了HB01井施工和長(zhǎng)期排采生產(chǎn)。最高日產(chǎn)量達(dá)到

1 341m3，連續(xù)產(chǎn)氣超過(guò)24個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)氣超過(guò)60萬(wàn)m3。地面煤層氣開(kāi)發(fā)不僅可以彌補(bǔ)能源不足，通過(guò)天然氣銷售獲得收益，而且地面煤層氣開(kāi)發(fā)，大大降低了井下瓦斯治理費(fèi)用及治理難度。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

4.1 主要結(jié)論

河南煤層具有低壓、低滲、低飽和、高破壞的特性，通過(guò)在地面針對(duì)不同的煤層賦存條件采取有針對(duì)性的儲(chǔ)層改造手段，形成一定的規(guī)模產(chǎn)氣量，可以有效降低煤層瓦斯含量，改變應(yīng)力分布，提高煤層的滲透率，降低瓦斯壓力和瓦斯突出危險(xiǎn)性。針對(duì)平頂山十三礦的儲(chǔ)層特征和壓裂技術(shù)與工藝，研發(fā)了單向遞減控壓排采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該類儲(chǔ)層的階段性高產(chǎn)，是松軟低滲欠壓煤儲(chǔ)層煤層氣井排采技術(shù)的重大創(chuàng)新。鶴壁六礦低滲低壓復(fù)合煤儲(chǔ)層水平井鉆井-多段噴射壓裂-排采技術(shù)取得重大突破，為該類型突出礦井瓦斯治理提供了技術(shù)支撐。

4.2 認(rèn)識(shí)

復(fù)雜煤礦區(qū)地面抽采治理瓦斯技術(shù)上可行，通過(guò)不斷優(yōu)化地面鉆井、壓裂、抽采技術(shù)工藝，降低開(kāi)發(fā)成本，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜煤礦區(qū)煤與煤層氣產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。