河南复杂煤矿区瓦斯地面抽采技术研究

张亚莉，成阳波

（1.河南省煤层气开发利用有限公司，河南郑州 450016；2.中海油田服务股份有限公司，天津 300450）

煤炭是河南省的主要能源，在经济和社会发展中占有重要地位。但是河南省煤层地质条件复杂，瓦斯灾害严重，严重制约着煤矿的安全、高效生产。通过地面成功抽采煤层气，可以有效减少煤层瓦斯含量，降低瓦斯压力和煤与瓦斯突出危险性，同时还可以作为清洁能源进行利用。如何实现采煤之前瓦斯的预抽，达到资源开发利用和煤矿减灾的双重目的，一直是人们关注的焦点。

1 河南复杂煤矿区储层与瓦斯分布赋存特征

1.1 主要煤层特征

二1煤层为全省最主要的可采煤层，层位稳定，厚度0～33.20m，平均为5.35m；煤层结构一般属简单类型，但不同煤田夹矸发育情况不同，局部地区存在煤层分叉现象。其顶底板多为泥岩、砂质泥岩、中细粒砂岩等致密性岩石。各煤田主要可采煤层煤的变质主要受深层变质作用的影响。

1.2 河南省瓦斯分布特征

河南绝大部分矿区全部开采的是石炭—二叠系煤层，主要为中高变质烟煤和无烟煤，煤化程度较高。由于形成时代早，经历过印支运动以来的多次构造运动作用，因此地质构造复杂，构造煤发育，瓦斯地质条件复杂。全省7大矿区中，有6个矿区为高瓦斯煤与瓦斯突出矿区。截至2008年底，全省144对国有重点煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井66对，占矿井总数的46%，其中煤与瓦斯突出矿井50对，占35%。

1.3 试验矿区瓦斯赋存构造控制特征

根据河南省区域构造、瓦斯分布特征和瓦斯赋存构造控制特征，全省划分为三个高突瓦斯带和一个低瓦斯带，分别是秦岭造山带北缘逆冲推覆构造系高突瓦斯带，豫西强变形“三软”煤层高突瓦斯带，太行山造山带东缘高突瓦斯带和鲁西南豫东断隆低瓦斯带。

平顶山矿区位于秦岭造山带后陆逆冲断裂褶皱带，受秦岭造山带的控制。煤的镜质组反射率介于0.85%～1.64%，煤种主要为气煤、肥煤、焦煤、瘦煤。由于受秦岭造山带北缘逆冲推覆构造系的控制，瓦斯地质条件复杂，在目前开采深度内，测定的煤层瓦斯含量多在10m3/t 以上，为严重的煤与瓦斯突出矿区，但具备保护层区域性防治煤与瓦斯突出条件。

鹤壁矿区位于太行山隆起南段东侧，新生代以来主要受太行山东缘断裂带控制。区二1煤层总体瓦斯生成、保存条件较好。鹤壁矿区主体构造为一系列北北东、北东和近南北方向展布的褶皱和断裂构造，主要受北北东向构造控制，以断裂为主，伴有发育程度不同的褶皱。青羊口断层为矿区控制性地质构造，断层走向长约100km，最大落差达到1 000m以上，北北东向延伸。北北东构造现今构造应力场为压扭作用，使得该矿区为高瓦斯突出矿区。

2 平顶山矿区松软低渗欠压中煤级煤储层垂直井地面抽采瓦斯

2.1 地质特征

受前期多重构造运动影响，平顶山矿区大部分煤层破坏强烈，软煤（碎粒煤和糜棱煤）较发育，为松软煤储层。平顶山十三矿构造煤发育，煤质较软，属于碎粒煤～糜棱煤，平均瓦斯含量为10m3/t，最大含量为16.98m3/t，通过井下钻孔抽采瓦斯已经难以达到降低煤层瓦斯含量的目的。地面煤层气垂直井通过排水降压的方式，增大储层卸压半径，增加瓦斯抽采范围，瓦斯抽采强度大，抽采瓦斯浓度高，能够达到降低煤层瓦斯含量的目的。因此，基于储层特征和瓦斯抽采的目的，需要在该区域布置地面煤层气垂直井，抽采煤层瓦斯。

2.2 井型确定

平顶山十三矿主裂缝以NNE向为主，结合其断层分布，该矿煤层气地面预抽项目井网采用菱形网格状布井。在主裂缝方向按照200～250m井间距、其垂直方向按150～200m井间距部署。根据煤层底板等高线预测图，对平顶山十三矿预抽井进行设计，设计及实际钻井情况如表1所示。

表1 平顶山十三矿预抽井设计及实际钻井情况

续表

2.3 储层改造

通过对地质及井位分析，结合前期钻井工程情况优选部分井进行活性水氮气辅助压裂增产技术。储层改造方案如表2所示。

表2 十三矿煤层气井压裂施工方案

2.4 瓦斯抽采情况

区块内压裂改造后的8口井自2013年2月底开始排采至2016年初关井期间瓦斯抽采情况，如表3所示。

表3 十三矿8口井瓦斯抽采情况表

平顶山中煤级松软低渗欠压煤储层的活性水氮气辅助压裂增产技术试验获得了成功，试验井SS-009井获得了单井日产1 708m3的高产，刷新了河南煤层气开发历史高产纪录，打破了传统上松软低渗储层无法实现煤层气高产的认识禁区。

3 鹤壁矿区松软低渗低压高煤级煤储层U型井组分段压裂地面抽采技术

3.1 地质特征

矿区南部井田内较多断层相互切割穿插、产状变化大、倾角变大，南部矿井较中、北部矿井受层滑构造作用显著，在煤层底部构造煤普遍发育。从整体上看，鹤壁矿区煤体结构为块煤（原生结构煤、碎裂煤）-软煤（碎粒煤、糜棱煤）复合结构煤储层。区域煤层埋深介于300～900m，埋深整体分布呈现出由西向东逐渐增加的趋势，矿区煤储层平均压汞孔隙度为8.38%，瓦斯甲烷含量10.64～27.66mL/g。

3.2 井型选择

针对鹤壁六矿，煤层厚度大，构造相对简单，埋深600-800m的特点，为了加快井下瓦斯抽采量，缓解采掘衔接紧张、井下瓦斯治理工程量大等问题，在该地区尝试采用水平井钻井，且使用多段水力喷射压裂工艺技术。综合考虑经济成本、地质条件、开采衔接、钻井目的以及布井原则等，沿着矿井规划设计的采煤工作面进风巷、回风巷的位置布置地面水平井，水平井与采煤工作面尽量平行设计，每个工作面布置两组U型水平井。如图1所示。

图1 鹤壁六矿HB01-H1井组井身结构

3.3 储层改造

根据水平井钻探的地质数据以及井身结构，设计喷射压裂改造的位置和喷射压裂的密度，尤其对断层构造等易突出的附近，加大改造密度和改造规模，以充分平衡应力集中区，和增加煤层与井筒的接触面积，从而达到区域条带消突的效果。对煤层井段实施分段压裂改造，增大煤层接触面积，提高裂缝导流能力，解除近井地带污染，最大限量提高单井产量。HB01-HI井压裂选点时，在有效压裂段中，考虑压裂的波及范围，平均分布5个压裂点，依次为：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)。分段压裂施工参数见表4。

表4 分段压裂施工参数表

3.4 瓦斯抽采情况

鹤壁六矿HB01水平井实现软煤煤层段水平钻进817m，钻遇率超过 90%。水平井五段水力喷射压裂技术获得了成功，完成了HB01井施工和长期排采生产。最高日产量达到

1 341m3，连续产气超过24个月，累计产气超过60万m3。地面煤层气开发不仅可以弥补能源不足，通过天然气销售获得收益，而且地面煤层气开发，大大降低了井下瓦斯治理费用及治理难度。

4 结论及认识

4.1 主要结论

河南煤层具有低压、低渗、低饱和、高破坏的特性，通过在地面针对不同的煤层赋存条件采取有针对性的储层改造手段，形成一定的规模产气量，可以有效降低煤层瓦斯含量，改变应力分布，提高煤层的渗透率，降低瓦斯压力和瓦斯突出危险性。针对平顶山十三矿的储层特征和压裂技术与工艺，研发了单向递减控压排采技术，实现了该类储层的阶段性高产，是松软低渗欠压煤储层煤层气井排采技术的重大创新。鹤壁六矿低渗低压复合煤储层水平井钻井-多段喷射压裂-排采技术取得重大突破，为该类型突出矿井瓦斯治理提供了技术支撑。

4.2 认识

复杂煤矿区地面抽采治理瓦斯技术上可行，通过不断优化地面钻井、压裂、抽采技术工艺，降低开发成本，有望实现复杂煤矿区煤与煤层气产业协同发展。