屈花榮，楊 浩，劉 寧

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 桑樹坪煤礦，陜西 韓城 715400)

煤礦瓦斯災害造成的社會影響惡劣、經濟損失大，已經成為制約煤礦安全生產的“第一重大災害”，煤礦開采前進行瓦斯抽采，瓦斯含量達到國家標準，既符合煤礦安全生產的要求，也是煤礦自身安全生產的需要。

目前，桑樹坪煤礦主要采用底板瓦斯巷穿層鉆孔預抽方式降低煤層瓦斯含量，這種方式工程量大、耗時長，嚴重影響礦井正常生產接續(xù)，且無法對不具備開采條件的煤層做到全覆蓋。因此，探索一條安全、高效、經濟的瓦斯綜合治理道路，對礦井實現(xiàn)安全高效生產具有重要意義。為此，2020年與陜西浩興坤達新能源科技有限公司(以下簡稱浩興公司)合作，開展地面鉆井水力壓裂瓦斯抽采項目研究。

1 煤層水力壓裂工藝方法

煤層水力壓裂技術起源于油田的壓裂工藝，基本原理是利用高壓泵將壓裂液(水或其他液體)在一定的壓力下壓入煤層，在煤層內部產生一定的張應力，張應力沿著煤層的自然裂縫面(層里面或者節(jié)理面)壓開裂縫，同時在壓裂液中加入一定粒度的石英砂，隨著液流的運動，石英砂沉留在裂縫中。當泵壓撤出時石英砂將裂縫支撐，不使其在低壓作用下閉合，這樣便在煤層中形成高滲透性能的排放瓦斯的縫隙，從而改變裂縫周圍煤巖體的應力狀態(tài)，形成卸壓區(qū)域，增大煤體的透氣性，同時還可以濕潤煤體，起到降低煤體的力學強度和降低煤塵的綜合效果，為高瓦斯低透氣煤層瓦斯治理提供新的途徑。

2 桑樹坪煤礦地面鉆井瓦斯抽采

2.1 地面鉆井基本概況

2020年4月至2020年9月，浩興公司在桑樹坪鎮(zhèn)水草塔村北偏東約600 m處(屬于桑樹坪煤礦南一采區(qū)3313-3315煤炭儲量區(qū)域)，分兩期施工2口實驗井，分別編號為HS01-01H及HS01-02H。

HS01-01H井于2020年4月7日開始鉆進，2020年7月26日套管試壓合格完井，鉆井總進尺1 608.88 m，其中水平段進尺951.16 m(見圖1)。從鉆孔軌跡監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，水平井筒距3號煤層頂板1.5～4.2 m。鉆井共計壓裂9段，裂縫平均長230.3 m，寬84.7 m，高37.4 m。

圖1 HS01-01H井身結構示意

HS01-01H鉆井施工垂直井筒期間，曾多次發(fā)生不間斷連續(xù)性漏失，累計漏失堵漏泥漿3 216 m3。HS01-01H井場距東側3號煤采空區(qū)邊界140 m，從漏失類型分析，排除地層層位漏失，多為裂縫和微裂縫漏失，且為縱向裂縫，通過采空區(qū)塌陷角與井漏關系分析，確定該井受到采空區(qū)塌陷的直接影響。

HS01-02H井于2020年7月30日開始鉆進，2020年9月29日套管試壓合格完井，距HS01-01H井水平距離290～310 m。鉆井總進尺1 550 m，其中水平段進尺842 m(見圖2)，從鉆孔軌跡監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，基本沿設計軌跡進行施工，水平井筒距3號煤層頂板3.5 m。鉆井共計壓裂8段，裂縫平均長229.5 m，寬88.4 m，高25.1 m。

圖2 HS01-01H井身結構示意

2.2 瓦斯抽采概況

兩口地面水力壓裂瓦斯抽采井于2020年12月28日正式投產，截至2021年05月11日，累計產氣40 360 m3。HS01-01H井使用螺桿泵進行排采作業(yè)，投產66 d見套壓，開始解析，累計產氣31 807 m3，最大日均產氣824 m3(見圖3)。根據(jù)排采實際數(shù)據(jù)分析，煤層壓力為2.58 MPa，煤層壓力梯度為0.513 MPa/100 m，煤層解析壓力為0.97 MPa。

圖3 HS01-01H井產氣曲線

HS01-02H井使用無桿潛沒泵進行排采作業(yè)，投產16 d見套壓，開始解析，累計產氣8 553 m3，最大日均產氣510 m3(見圖4)。根據(jù)排采實際數(shù)據(jù)分析，本井煤層壓力為0.92 MPa，煤層壓力梯度為0.185 MPa/100 m，煤層解析壓力為0.58 MPa。

圖4 HS01-02H井產氣曲線

3 地面鉆井瓦斯抽采效果分析

采用水力壓裂技術預抽煤層瓦斯，衡量效果的主要參數(shù)是鉆孔抽放瓦斯量及持續(xù)時間，根據(jù)礦井瓦斯地質資料及HS01井組施工參數(shù)，結合135 d排采數(shù)據(jù)進行分析，排采效果不理想的主要原因有以下三點。

1) HS01井組位于區(qū)塊最南部的構造復雜帶，煤體結構受區(qū)域構造作用，以Ⅳ型糜棱煤為主，糜棱煤極不易解析；煤層解析壓力低，地層解析能量不足，不利于煤層解析，地質參數(shù)對比見表1。

表1 地質參數(shù)對比

2) HS01井組按設計施工，兩口鉆井破裂壓力、停泵壓力較低，有多段為3～5 MPa，說明地層壓力及地應力相對較低，地層為超欠壓地層，存在裂隙發(fā)育或與煤礦采掘擾動區(qū)域溝通的可能。

HS01-02H號鉆井受煤礦擾動區(qū)影響更大，北側11號煤層塌陷區(qū)影響范圍距井眼軌跡僅60～70 m，3317底板瓦斯抽放巷距井眼軌跡170 m，控制范圍有重疊，3317采面11號煤卸壓區(qū)域已累計抽放瓦斯710萬m3，使煤層壓力和煤層解析壓力更低，因此，HS01-02H井產氣量更低，壓裂參數(shù)對比見表2。

表2 壓裂參數(shù)對比

3) 由于HS01井組3號煤層頂板砂巖分布范圍相對較小，砂巖類巖性占比低，導致水力壓裂所產生的裂縫平均長度、寬度相對較小，裂縫延展性差，壓裂效果不理想，壓裂監(jiān)測參數(shù)對比見表3。

表3 壓裂監(jiān)測參數(shù)對比

4 結 語

通過對兩口地面鉆井的水力壓裂及抽采效果分析，得到如下結論：

1) 地面鉆井水力壓裂抽采瓦斯效果的好壞取決于煤層賦存條件、原始瓦斯壓力、原透氣性以及產生砂縫的透氣性等因素。

2) 地面鉆井選址對后期瓦斯抽采效果影響很大，前期對地勘資料考慮不充分、分析不到位，選址存在較大弊端，導致兩口鉆井瓦斯抽采效果不理想。