基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究_方佳伟.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract 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 hori- zontal 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, com- bined with the analysis of gas geological conditions and coal seam mechanical properties in the area, the cross sec- tion dipole sonic logging 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 71 arranged 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. Keywords gas; full coverage extraction mode; roof horizontal well; fracturing; numerical simulation; Huaibei Suxian mining area 我国煤矿以高瓦斯及瓦斯突出矿井为主，煤层 渗透性低、瓦斯抽采难度大，煤炭安全高效开采面 临巨大压力[1-3]。近年来，地面瓦斯预抽在煤矿瓦斯 治理中开始发挥作用，国内很多煤矿都开展了不同 程度的实践及应用[4-5]。淮北矿区是国内典型的高瓦 斯与瓦斯突出矿区之一，具有煤体碎软、渗透性低、 瓦斯含量高、瓦斯压力大等特点，常规的地面瓦斯 抽采技术面临钻井成孔难、压裂效果差等问题[6-7]； 此外，矿区煤矿工作面布置走向长度大，而地面抽 采方式抽采范围有限，也难以对工作面瓦斯进行全 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 48 卷 覆盖抽采。 “十二五”期间，淮北矿业集团芦岭煤矿开发了 顶板水平井分段压裂抽采模式，取得了国内外碎软 低渗煤层地面瓦斯抽采效果的历史突破[8-10]。鉴于 此基础，安徽恒源煤电股份有限公司联合中煤科工 集团西安研究院有限公司拟在矿区 X 煤矿探索工作 面全覆盖的地面高效瓦斯抽采模式和技术。 1 试验区概况 X 煤矿位于淮北煤田宿县矿区宿南向斜南端， 断层较发育。煤岩层产状有一定起伏，平均倾角 约 14。含煤地层包括二叠系山西组、下石盒子组 及上石盒子组，含 10 个煤层组30 余层，其中， 32、61、71、82、9 煤为主采煤层，瓦斯压力高， 瓦斯含量大。 地面井测试结果显示，71煤吸附甲烷能力高，等 温吸附结果显示，Langmuir 体积为 13.74 cm3/g空气 干燥基，Langmuir 压力为 1.92 MPa；储层压力为 6.63 MPa，临界解吸压力为 1.8 MPa；瓦斯含量为 6.63 m3/t 空气干燥基，渗透率较低，为 0.15 10–3 μm2。根据煤矿的采掘接替计划，3 a 后将对Ⅱ三 采区7Ⅱ 133 工作面 71煤层进行采掘。为了采掘安全， 需提前进行工作面瓦斯预抽， 探究地面高效抽采模式。 2 工作面瓦斯抽采全覆盖模式 2.1 抽采方式 Ⅱ7133 工作面沿走向布置，长约 1 730 m，宽 约 195 m，71煤层顶板以泥岩为主。由于常规 U 型 顶板水平井存在托压问题，水平段延伸距离不超过 1000 m，且沿碎软低渗煤层水平钻进存在“钻穴”问 题，难以成孔[11]，采用常规的井型设计以达到工作 面全覆盖的瓦斯抽采效果，则需要部署两组水平井 组，极大地增加了瓦斯治理的成本和时间。 依据水平井技术特点和工作面布置情况，设计 3 口井的水平井组模式图 1，即两口顶板水平井都 对接同一口排采直井。3 口井的抽采范围基本可覆 盖整个工作面，不仅节省了 1 口排采直井施工工程 费用，而且有助于井组集约化管理，大大提高施工 效率。直井设计二开井身结构，套管洞穴完井，两 口水平井设计三开井身结构，套管固井并与直井于 洞穴处连通。 基于工作面展布和水平井工程特点，瓦斯抽采 全覆盖的布井模式有 3 种图 2，方式一、三为水平 井水平段与工作面斜交，后者对地应力方向有较高 要求。方式二为水平井水平段与工作面水平段方位 图 1 工作面全覆盖瓦斯抽采模式示意 Fig.1 Schematic diagram of gas drainage mode with full coverageof working face 平行，地层的应力分布决定了水力压裂裂缝的产状 和延伸方向，压裂裂缝在垂向上的延伸与层间最小 水平主应力大小有关。根据煤矿相似材料模拟实验 和微震实时监测结果，水力压裂缝在煤层中以井眼 为中心扩展，形态为椭圆形，长轴平行于最大水平 主应力的方向延伸[12-13]，因此，设计水平井方位与 最小水平主应力方向平行，以最大程度地沟通煤层 裂缝网格。 图 2 工作面水平井井位布置 Fig.2 Orientation layout of horizontal well trajectory in working face 交叉偶极子声波测井资料显示图 3， 研究区现 今地应力状态是正断层应力状态，即垂向主应力 σv 大于水平最大主应力 σH大于水平最小主应力 σh， 且 煤层与顶板最小水平主应力的差异明显，压裂裂缝 应以垂直缝为主，垂向上容易穿层进入目标煤层。 各向异性方位及水平最大主应力方位为 NNW SSE，近似于 SN 方向，理论上压裂裂缝方向为 SN 方向，井向设计为东西向时可达到最佳的压裂裂缝 效果。而实际工作面水平段方位与正东西向有一个 小角度夹角，若采用方式一布井，既难以满足瓦斯 抽采范围的均匀覆盖，也不能保证工作面两端的压 裂效果，且总压裂体积小；方式三相较于方式一， 由于井组水平段方位几乎完全平行于最小水平主应 ChaoXing 第 3 期 方佳伟等 基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究 83 力，因此，能达到最佳的裂缝体积；方式二虽然在 一定程度上牺牲了压裂缝体积，但是能保证瓦斯抽 采范围的均匀覆盖和整个工作面的压裂效果，结合 现场实际，采用方式二的布井模式图 2。 图 3 宿县矿区主要煤层岩石力学参数成果 Fig.3 Results of rock mechanical parameters of main coal seams in Suxian mining area 2.2 水平井水平段与煤层间距设计 顶板井水平段轨迹布置基本原则是保证裂缝的 穿层压裂效果。 压裂作业时从顶板泥岩段开始起裂， 由于顶板泥岩的高弹性模量、高泊松比特点，导致 裂缝起裂、延展困难，施工压力高且形成复杂裂缝 消耗压裂能量，因此，要求水平井水平段井眼轨迹 尽可能地靠近煤层段，使得穿层压裂的“破壁”阶段 顺利快速度过[14]。顶板井水平段轨迹距离煤层也不 宜过近，否则会导致钻井轨迹进入煤层引起井壁失 稳等事故。 本次利用 Fracpro PT 数值模拟方法[15-16]对工 作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采压裂效果进行模 拟，模拟参数见表 1。设定轨迹距离煤层顶板 2 m， 模拟结果显示，缝高 27.8 m，压裂缝能穿过顶板泥 岩和目标煤层，半缝长 121 m，平均裂缝宽度 6.586 m；裂缝能完全覆盖工作面，形成较大的压 裂网体积。为此，结合现场实际的施工难度，设计 水平井组水平段轨迹控制在垂直距离 71煤层顶板 2 m 的范围内。 表 1 水平井组数值模拟参数 Table 1 Main parameters of numerical simulation of horizontal well group 参数名称 数值参数名称 数值 煤层厚度/m 3.05 地层温度/℃ 33 煤层有效渗透 率/10–3 μm2 0.15 压裂液排量/ m3min–1 10.0 煤层最小主应力梯 度/MPam–1 0.019压裂液类型 活性水 顶板最小主应力梯 度/MPam–1 0.024 6 支撑剂 粒径/mm 0.420.84 和 0.841.18 泊松比 0.22 弹性模量/MPa 12 800 表皮系数 –5.42 3 试验区工程应用 本次基于地质导向技术，采用电磁波传输信号 的随钻测量仪器EMWD进行 2 口顶板井对接，通 过实测方位伽马值与二开 71煤层及顶板伽马值进行 对比，实时监测井眼轨迹偏离情况，配合波浪间断 ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第 48 卷 探煤技术，在无法判断轨迹延伸方向与煤层顶板走 势的空间关系时，有控制地降低井斜角小于煤层视 倾角，确保井眼位于煤层以上 0.52.0 m 内。同时采 用“大排量、大规模、高前置液比、中砂比”活性水 压裂技术和复合支撑剂工艺，对 2 口水平井共计 20 段进行分段压裂，累计用液量 17 207 m3，累计 石英砂量 945 m3，以保证压裂规模和强度。 3.1 压裂缝监测 采用地面微地震裂缝监测技术，对 H2 井第二、 四、七段进行压裂缝监测表 2 和图 4。结果表明， 3 段主裂缝均为垂直缝， 裂缝影响高度平均为 11 m， 方向均为南北向且与井眼方向大角度斜交，验证了 前面所述的最小水平主应力方向判断裂缝方向的准 确性。压裂缝向主裂缝两侧发展较远，缝长 130 180 m，形成了较大的压裂影响体积，与 Fracpro PT 数值模拟结果吻合。同时，微震点分布密集带发生 在射孔层下边的 71煤层附近，说明压裂缝穿层进入 了煤层，71煤层段得到了充分改造，压裂效果理想。 表 2 宿县矿区 X 矿井 7133 工作面 H2 水平井压裂缝参数 Table 2 Parameters of fractured cracks of horizontal well H2 in 7133 working face of X coal mine in Suxian mining area 压裂段 裂缝影响体 积/万 m3 主裂缝平 均半长/m 主裂缝平均 宽度/cm 裂缝影响 高度/m 主裂缝 方位/ 第二段 13.1 67.3 23.2 10.3 357.3 第三段 11.8 90.8 29.6 11.5 0.6 第七段 12.3 93.1 30.2 11.8 3.2 注上图为正视，下图为俯视。 图 4 宿县矿区 X 煤矿 7133 工作面 H2 水平井压裂缝产状 Fig.4 H2 horizontal well pressure fracture occurrence map in 7133 working face of X coal mine in Suxian mining area 3.2 抽采效果分析 为预先考察本次提出的抽采模式对工作面瓦斯 抽采覆盖的效果，利用 CBM-SIM 煤层气藏数值模 拟软件[17-18]进行模拟预测。 模拟结果显示，工作面 71煤层抽采 3 a 剩余瓦 斯含量显著降低图 5，距离水平井两侧 60 m 范围 内，瓦斯含量由原先的近 10 m3/t 降到 6 m3/t，综合 抽采率约 40。 图 5 宿县矿区X煤矿7133 工作面抽采3 a剩余瓦斯含量分布 Fig.5 Distribution of residual gas content in working face of X coal mine in Suxian mining area for 3 years 在抽采 5 个月后即可达到产气高峰，单日最高产气 量为5 698 m3；连续抽采3 a 后，单井日产气量仍可达到 500 m3，井组累计产气量可达到290 万m3 图6。 图 6 宿县矿区 X 矿井组产能模拟曲线 Fig.6 Simulation curve of well group productivity of X coal mine in Suxian mining area 4 结 论 a. 针对淮北煤田宿县矿区煤层碎软、瓦斯压力 大和工作面瓦斯治理效率低的难题，提出了两口水 平井和一口直井对接的顶板水平井组分段压裂模 式，可实现工作面瓦斯抽采全覆盖，以降低瓦斯治 理成本，提高抽采效率。 b. 利用交叉偶极子声波测井方法，结合研究区 地应力与工作面展布特征，优选了水平井水平段布 置方位；利用 Fracpro PT 的压裂模拟技术，确定了 水平井水平段距离 71煤层的范围，即布置在煤层顶 板 2 m 以内。 c. 工作面瓦斯全覆盖高效抽采模式抽采效果 数值模拟显示，抽采 3 a 后工作面的瓦斯含量和压 力都大幅度降低， 62的区域瓦斯含量可以降至 6 m3/t 以下。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 宁宇. 我国煤矿区煤层气开发利用技术进展[J]. 煤炭科学技 术，2013，41112–15. 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