寺河井田L型井产气效果影响因素的初步研究

张文君，李 超，王 争，周显俊

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司, 山西 晋城 048000)

寺河井田L型井产气效果影响因素的初步研究

张文君，李 超，王 争，周显俊

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司, 山西 晋城 048000)

山西晋煤集团部分高瓦斯矿井虽经采取本煤层抽放、顶板走向钻孔抽放等方法,在回采过程中回风瓦斯浓度仍然经常达到临界值,影响了工作面的安全生产。本文对已投运的3口L型井从井身结构差异、压裂前后运行曲线、压裂施工效果三方面进行分析,探寻影响L型井产气效果的工程因素,得出主要结论有:裸眼段平均坡度对L型井产气效果存在显著影响;水力压裂施工对L型井产气至关重要,而产气效果与压裂时工作面已采过裸眼段的长度和相对比例无直接关联。今后压裂时,建议提高最大排量并相应增大入地液量,以应对部分L型井可能存在的畅通程度较差的情况。

L型井;裸眼段坡度;水力压裂;产气效果

利用L型井在采煤工作面进行瓦斯快速释放,是近年来发展起来的一种新型高效瓦斯抽采技术,具有广阔的应用前景,可以有效改善瓦斯突出、矿井生产掘进难和生产衔接紧张等问题[1]。该项目的研究实践,能够有效解决晋煤集团瓦斯矿井采掘工作面上隅角瓦斯大、难管理的现状以及地面垂直采动井抽采范围小、施工井数多、投资大、施工难度大的问题[2]。

本研究立足于晋煤集团煤矿瓦斯治理现状,面向整个集团公司煤炭和煤层气勘探开发生产的双重需求[3],分析当前制约L型井产气的各种工程因素,主要从L型井的裸眼段长度、裸眼段坡度、相对比例、裸眼段垂深范围、实施压裂时的裸眼段已采长度和压裂压力变化情况等因素,分析对L型井产气量的影响,同时为煤层气新能源的开发提供技术支撑。

1 井身结构对比

SH14-L-01、SH15-L-01、SH15-L-02三口L型井采用类似的井身结构,即一开377.7 mm套管固井,二开244.5 mm套管固井,三开215.9 mm钻头裸眼完井(包括造斜段末端及整个水平段),存在的差异主要体现在裸眼段的平均坡度不同,详见表1。

表1 L型井基本参数

分析表1数据,并结合各井产气效果,可得出以下结论:a. L型井裸眼段的长度,对产气效果影响不明显,二者无直接必然相关性;b. 压裂时工作面已采过裸眼段的长度和相对比例,对产气效果影响不明显,二者无直接必然相关性;c. 裸眼段平均坡度对产气效果存在显著影响,平均坡度越大产气效果越好,平均坡度越小产气效果越差[4]。

2 压裂前后运行曲线对比

2.1 SH14-L-01井

该井位于寺河矿3313工作面,工作面长1 233 m,宽317 m,该工作面于2014年7月20日初采,工作面推进至250 m,地面L型井无量;9月13日,推进至251 m,L型井无气。2014年9月22日工作面已采314 m,实施水力压裂,压裂疏通作业完成后,该井出现井筒倒吸空气现象,当日产气,混合流量最高达1 200 m3/h,浓度最高达94%,具体抽采曲线见图1。

图1 SH14-L-01井压裂前后混合流量、浓度、负压变化曲线Fig. 1 Variation of flow, concentration, and negative pressure before and after fracturing in SH14-L-01 well

2.2 SH15-L-01井

位于寺河矿5303工作面,工作面长1 335 m,宽221 m,该工作面于2015年12月28日初采,2016年3月8日井下采煤工作面通过该井水平段末端,该井在压裂前数次试抽均不产气,4月4日工作面已采581.5 m,压裂后开始产气,甲烷浓度和混合流量显著提高,4月9日甲烷浓度突然下降,原因为井下限产,日进尺由平均11 m3/d下降至平均7 m3/d,井下绝对瓦斯涌出量减少,具体抽采曲线见图2。

图2 SH15-L-01井压裂前后混合流量、浓度、负压变化曲线Fig. 2 Variation of flow, concentration, and negative pressure before and after fracturing in SH15-L-01 well

2.3 SH15-L-02井

位于寺河矿5303工作面,工作面长1 335 m,宽221 m,该工作面于2015年12月28日初采,该井压裂前共试抽5次,5次试抽负压均在85 kPa以上,甲烷浓度不超过28%,流量近乎为0,2016年3月4日工作面已采304 m,实施水力压裂,压裂后开始产气。值得注意的是,压裂时井下工作面刚好采过该井裸眼段(该井裸眼段自井下工作面切眼开始分布在整个工作面中),其后随着井下采煤的不断推进,负压逐渐升高,混合流量逐渐降低,负压和混合流量呈相反变化,说明该井在工作面远离过程中抽采效果逐渐变差[5],具体抽采曲线见图3。

通过以上数据可知:a. 3口L型井均通过水力压裂措施实现了与井下的沟通,水力压裂施工对L型井有效抽采瓦斯产生了积极重要影响;b. 井下工作面生产进度的快慢,对L型井抽采甲烷浓度存在显著影响,工作面进尺减缓,抽采甲烷浓度显著下降,但下降存在一定时间的滞后;c. 井下工作面在采过L型井裸眼段后,随工作面继续推进,L型井抽采流量、浓度逐渐下降,抽采负压逐渐升高,抽采效果变差;d. 地面抽采负压与抽采流量呈现相反的变化趋势,而抽采负压与抽采浓度并无固定关联。

图3 SH15-L-02井压裂前后混合流量、浓度、负压变化曲线Fig. 3 Variation of flow, concentration, and negative pressure before and after fracturing in SH15-L-02 well

3 压裂施工效果对比

3.1 SH14-L-01井压裂施工

施工曲线图见图4,由图可知,该井压裂总液量180.94 m3,施工排量1.04 m3/min～4.12 m3/min,施工压力1.39 MPa～1.65 MPa,停泵压力0.74 MPa。

图4 SH14-L-01井压裂施工曲线图Fig. 4 Fracturing in SH14-L-01 well

3.2 SH15-L-01井压裂施工

施工曲线图见图5,由图可知,该井压裂总液量191.82 m3,施工排量2.46 m3/min～4.24 m3/min,施工压力0.30 MPa ～6.12 MPa,停泵压力0 MPa。

图5 SH15-L-01井压裂施工曲线图Fig.5 Fracturing in SH15-L-01 well

3.3 SH15-L-02井压裂施工

施工曲线图见图6,由图可知,该井压裂总液量194.0 m3,施工排量2.59 m3/min ～4.70 m3/min,施工压力0.08 MPa ～0.32 MPa,停泵压力0 MPa。

图6 SH15-L-02井压裂施工曲线图Fig. 6 Fracturing in SH15-L-02 well

对比3口L型井的水力压裂综合曲线,可得出以下结论:a. 总体来看L型井的压裂施工时的油压明显低于常规井的压力和原岩强度极限,说明L型井眼轨迹附近的地层受井下采动影响,顶板岩体强度显著降低；b. 3口井在主要施工参数方面,入地液量、施工排量、停泵压力均无明显差异,仅施工压力存在差异:SH14-L-01、SH15-L-02井施工压力一直保持平稳且不超过1.72 MPa,而SH15-L-01井压裂时的压力波动剧烈,初始压裂油压最高,达6 MPa,之后存在3次较为明显的波动,而该井压裂后抽采效果也明显差于另外2口井,表明SH15-L-01井裸眼段岩体强度更强,畅通程度更弱。今后压裂时,可从施工压力的变化幅度初步判断该井压裂后的畅通程度,同时建议增加现场泵车台数,提高最大排量并相应增大入地液量,以应对部分L型井畅通程度较差的情况。

4 结论

1)裸眼段平均坡度和水力压裂施工对L型井产气效果存在显著影响,而产气效果与压裂时工作面已采过裸眼段的长度和相对比例无直接关联,今后在设计时应根据实际情况,适当加大裸眼段坡度,在工作面投产后,在保证安全前提下,建议在顶板来压影响到裸眼段末端后,应及时进行压裂施工,以保证更长的抽采周期。

2)工作面进尺决定井下绝对瓦斯涌出量,在井内畅通前提下,抽采量和抽采浓度与进尺呈正相关,但抽采参数变化在时间上存在一定的滞后性,滞后时间与采空区裂隙空间游离态甲烷总量和抽采速率有关。

3)工作面采过裸眼段后,抽采量、抽采浓度、抽采负压都会逐渐变差,这是由L型井的采动产气机理决定的。

4)地面抽采负压与抽采流量呈现相反的变化趋势,而抽采负压与抽采浓度并无固定关联,这是由于抽采负压是由井内畅通情况决定的。在井内畅通程度较差的情况下,抽采负压对抽采流量和抽采浓度的影响很小,此时一味提高地面抽采负压并无明显效果,最佳措施是采取压裂使井内畅通。

5)今后压裂时,可从施工压力(油压)的变化幅度初步判断该井压裂后的畅通程度,同时建议增加现场泵车台数,提高最大排量并相应增大入地液量,以应对部分L型井可能存在的畅通程度较差的情况。

[1] 李国富, 龙威成. 晋城矿区瓦斯含量井上下测试结果对比分析[J]. 煤炭科学技术, 2015(2):44-48.

LI Guofu, LONG Weicheng. Comparison Analysis on Underground Mine and Mine Surface Gas Content Measuring and Testing Results in Jincheng Mining Area [J]. Coal Science and Technology, 2015(2):44-48.

[2] 赵小山, 李国富, 孙海涛,等. 寺河矿区地面采动区L型煤层气井抽采技术研究[J]. 能源技术与管理, 2016(3):6-9.

[3] 王保玉. 晋城矿区煤体结构及其对煤层气井产能的影响[D].北京:中国矿业大学(北京), 2014.

WANG Baoyu. Coal Body Structure and Its Impact on Production Capacity of Coalbed Methane Wells in Jincheng [D]. Beijing: China University of Mining & Technology (Beijing), 2014.

[4] 李金海,苏现波,林晓英,等. 煤层气井排采速率与产能的关系[J].煤炭学报,2009,34(3):376-380.

LI Jinhai, SU Xianbo, LIN Xiaoying,etal. Relationship Between Discharge Rate and Productivity of Coalbed Methane Wells [J]. Journal of China Coal Society,2009，34(3): 376-380.

[5] 张明山.煤层气排采中套压对产气量的影响[J].中国煤炭,2009(12):102-104.

ZHANG Mingshan. The Influence of Case Pressure on CBM Production in Draining and Collection [J]. China Coal, 2009(12):102-104.

(编辑:杨 鹏)

EngineeringFactorsofGasProductioninL-typeWellsinSiheMine

ZHANGWenjun,LIChao,WANGZheng,ZHOUXianjun

(ShanxiJinchengAnthraciteMiningGroupCo.,Ltd.,Jincheng048000,China)

Three L-type wells of Jincheng Coal Group are compared to explore the influential factors of gas production, in terms of structure difference, operational curves before and after fracturing, and fracturing effect. The results show that:the average slope of open hole significantly affects the gas production; hydraulic fracturing is critical for the gas production of the L-type wells; the gas production has no direct relationship with the length of the open slope and its relative scale. In addition, the digging length of working face determines the absolute quantity of gas emission. If the wells are unblocked, the digging length is positively correlated with the gas drainage quantity and concentration. On the other hand, the variation of drainage parameters lag behind and the lagging time is correlated with the total amount of free methane in fissure of goaf and drainage speed. When working face passes the open hole, the drainage amount, concentration, and negative pressure go worse gradually and the negative pressure shows the opposite trend with the drainage flow.

L-type well;slope of open hole;fracturing technique;affecting gas production

TE37

A

1672-5050(2017)01-0073-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.022

2016-11-22

张文君(1986-),男,河南沈丘人,大学本科,助理工程师,从事煤层气地面开发工作。