寺河矿地面井压裂瓦斯抽采技术研究

张文浩,王君宇,杨海鹏

(1太原理工大学矿业工程学院,太原 030024;2.山西省煤炭工业厅,太原 030012)

我国是瓦斯事故多发的国家,煤矿一旦发生瓦斯事故,往往会造成十分重大的人员伤亡和经济损失[1]。所以瓦斯的治理与预防已经成为煤矿安全生产的关键部分。近年来有关专家针对煤矿瓦斯抽放做了很多研究,抽放效率低下是瓦斯抽放工作的难点。研究发现,煤层卸压对提高煤层渗透率,增进瓦斯运移有着重要的影响。卸压增透对提高煤层瓦斯抽采起到积极的促进作用,也是治理煤与瓦斯突出的有效手段[2-6]。

寺河矿西区的煤层经过鉴定为煤与瓦斯突出煤层,在煤层下方进行岩巷掘进时,会涌出较大的瓦斯,已经严重影响到了正常的巷道掘进工作,所以瓦斯治理工作急需进行。结合寺河矿的地质条件决定在寺河矿进行煤层注水实验。煤层水压压裂是不同于传统的煤层注水的方法,煤层注水是利用钻孔像煤层中注水,通常是通过浸润的方式使得煤层湿润,而煤层水压压裂是通过高压水作用在煤层上,从而产生细小裂纹,然后逐渐扩展成宏观裂纹最终破裂的施工工艺。煤层水压压裂可以降低煤层强度,增大煤层透气性。

1 寺河矿西区煤层概况

本区煤层为3#煤层,煤层厚度6 m左右,埋深360 m左右,渗透率平均2.96 md,储层压力约2 MPa。在煤层下方约10.5 m进行岩巷掘进时,涌出较大的瓦斯,已严重影响巷道掘进工作。寺河矿西井区设计生产能力为4.0 Mt/a,西井区平均日产量为12 121 t。回采煤层为3号煤层,采用长壁大采高工作面采煤工艺,综采工作面回采率约为93%,西井区达到生产能力时共布置1个盘区1个长壁大采高工作面,井下共配备2个综掘工作面(煤巷)和2个普掘工作面(岩巷)保证回采工作面接替。

2 压裂增透实验

根据寺河矿西区的实际情况,结合地面预抽井的情况,确定在YH-056井进行布置油管压裂,地面井定向扩容压裂。地面井定向扩容压裂井下强化抽采示意图,见图1。钻孔施工设计：1)井下先从底板岩巷施工直径为Φ96 mm的定向钻孔，钻孔开始在稳定岩层内延伸65 m。2)井下先从底板岩巷施工直径为Φ153 mm的定向钻孔，钻孔开始在稳定岩层内延伸65 m。3)岩孔钻至设计孔深时退出钻具，用Φ193 mm钻头扩孔6 m，下入10 m的Φ153 mm钢套管封孔。4)用Φ96 mm钻头，采用定向钻井工艺钻孔，钻孔在煤层中延伸100 m。5)退钻，下入60 m长的Φ89 mm油管，并进行封孔。压裂液的配方为清水+0.05% ALD-608+0.05% XLD-108+0.5%KCl。压裂时先采用小排量1～2 m3/min，随后提高压力到15 Mpa，无明显异常后将排量增到3.5 m3/min后结束压裂作业。

根据所需考察的煤层瓦斯赋存特征,在水力压裂影响区域煤层布置4组不同间距的穿层瓦斯预抽钻孔,与未进行水力压裂区域煤层的穿层瓦斯预抽钻孔的预抽效果进行对比。

图1 地面井定向扩容压裂井下强化抽采示意Fig.1 Diagram of enhanced gas drainage of directional dilation fracturing in ground well

2.1 压裂孔抽采情况

在完成钻孔后进行了为期385 d的抽采作业,平均抽采量为4.4 m3/min,最高抽采量为8.8 m3/min,平均抽采浓度为60.2%,最高抽采浓度为92%。压裂瓦斯抽采量及瓦斯浓度,见图2。

图2 压裂瓦斯抽采量及瓦斯浓度Fig.2 Fracturing gas drainage and concentration

由图2可以看出,在抽采前期的抽采量和抽采瓦斯浓度曲线较为稳定,前八个月中瓦斯的平均抽采量为5.7 m3/min,平均抽采浓度为75.6%。在抽采后期,曲线有明显下降的趋势,这表明抽采量与抽采瓦斯的浓度显著降低,这是由于在采期间该区域内施工了较多的普通抽采孔和千米抽采孔。最后瓦斯浓度和瓦斯纯量逐渐降到0，顶煤巷道贯穿了压裂孔。

图3 千米孔1抽采数据分析Fig.3 Gas extraction data analysis of kilometer drilling 1

图4 千米孔2抽采数据分析Fig.4 Gas extraction data analysis of kilometer drilling 2

图3和图4分别为西三集中回风巷(与压裂位置同一巷道)的两个千米孔的抽采数据,从数据可以的得出千米孔的瓦斯百米抽采量的平均值仅为1.1 m3/min。在使用水力压裂的煤层段(长约100 m),抽采瓦斯的平均量为4.4 m3/min,抽采量明显大于普通钻孔,这说明压裂取得了良好的增透效果,起到了提高瓦斯抽采量的作用,降低了煤层中的瓦斯含量。

2.2 考察孔的抽采情况

根据制订的考察孔布置设计,布置的考查钻孔抽采情况见图5，钻场考察钻孔的抽采情况。由图5可知,单孔最大抽采瓦斯纯量为1.3 m3/min,最高抽采瓦斯浓度为86%,平均抽采纯量为0.87 m3/min,平均抽采瓦斯浓度为70%,从已观测到的压裂后瓦斯含量数据显示,压裂后压裂孔70 m范围的瓦斯含量平均为7.87 m3/t,与未压裂前比较降低了31.2%。

图5 钻场考察钻孔的抽采情况Fig.5 Gas drainage of inspecting boreholes

3 结束语

经过压裂后的抽采实验,累计瓦斯抽采纯量达到了2.439 4×106m3,最高抽采瓦斯纯量8.8 m3/min,平均抽采瓦斯纯量4.4m3/min,最高抽采浓度92%,平均抽采浓度为60.2%。与压裂位置同一巷道千米孔的抽采数据进行对比分析,可以看出压裂孔的瓦斯抽采量明显高于普通千米孔,说明压裂实验取得了显著的效果,有效的增加了煤层的透气性,提高了瓦斯抽采量,为煤矿安全回采提供了保障。