鄧書(shū)軍 徐建軍 張震 李廣生
1. 貴州豫能投資有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550000 2. 中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司 陜西 西安 710054 3. 河南省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司 河南 鄭州 450016
貴州西部煤礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,碎軟低滲煤層(群)發(fā)育,高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井居多,煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大,是我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害的重點(diǎn)區(qū)域[1-5]。采取適當(dāng)?shù)牡孛嫱咚钩椴杉夹g(shù)方案,對(duì)采掘接續(xù)區(qū)(規(guī)劃區(qū))進(jìn)行超前瓦斯治理,是該區(qū)域煤礦生產(chǎn)企業(yè)共同面臨的亟待解決的問(wèn)題。有鑒于此,在貴州能源局的大力支持下,新田煤礦開(kāi)展了井上下“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”抽采煤層瓦斯示范項(xiàng)目規(guī)劃區(qū)地面瓦斯抽工程。
新田煤礦2014年投產(chǎn),礦井開(kāi)拓采用斜井下山開(kāi)拓,井田為一單斜構(gòu)造,煤層埋藏深度330~380m。根據(jù)煤層的賦存條件和井田水文地質(zhì)狀況,確定礦井以一個(gè)水平開(kāi)拓全井田,其中礦井一期劃分四個(gè)采區(qū)。采區(qū)之間的開(kāi)采順序本著先近后遠(yuǎn)原則進(jìn)行安排:一采區(qū)→二采區(qū)→三采區(qū)→四采區(qū)。新田煤礦采用分期建設(shè),目前正在進(jìn)行一期工程的建設(shè)。根據(jù)“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”抽采煤層瓦斯示范項(xiàng)目劃分,一采區(qū)為生產(chǎn)區(qū)和準(zhǔn)備區(qū),二采區(qū)為規(guī)劃區(qū),見(jiàn)圖1。
圖1 新田煤礦采區(qū)分布和“三區(qū)”劃分
新田煤礦屬煤與瓦斯突出礦井,主采的4、9號(hào)煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大。4號(hào)煤層最大甲烷含量30.00m3/t,最大瓦斯壓力2.32MPa;9號(hào)煤層最大甲烷含量29.62m3/t,最大瓦斯壓力2.94MPa;瓦斯災(zāi)害成為威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,嚴(yán)重制約了礦井正常的生產(chǎn)接續(xù)。
目前,煤層氣開(kāi)發(fā)井或地面瓦斯抽采井主要采用垂直井、定向井、多分支井、L型水平井及U型水平井等方式進(jìn)行地面抽采[5-8]。
由于新田煤礦井田范圍內(nèi)地面為典型的喀斯特地形地貌,道路條件較差,大部范圍道路大型設(shè)備不可通達(dá),地面工程選址難度大,為地面工程施工帶來(lái)的極大的困難,前期投資成本高。
一方面,采用直井或定向井的方式,面臨地面工程選址難度大、鉆前工程投資成本高等難題。另一方面,由于新田煤礦乃至整個(gè)貴州西部煤礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、多煤層發(fā)育、且主采煤層厚度小、煤體結(jié)構(gòu)差、外加地質(zhì)資料準(zhǔn)確度較低,若采用多分支井的方式、必然導(dǎo)致鉆井過(guò)程中塌孔埋鉆風(fēng)險(xiǎn)高,同時(shí)煤層鉆遇率也無(wú)法保證,進(jìn)而影響抽采效果。
鑒于此,在綜合分析地面井下條件的基礎(chǔ)上,在地面有限的空間內(nèi)根據(jù)地面條件,針對(duì)9號(hào)煤層,分別布置一組U型水平井和一口L型水平井,水平井井水平段鉆井層位位于緊鄰9號(hào)煤層的頂板巖層中,見(jiàn)圖2。
圖2 新田煤礦采地面瓦斯抽采井井位布置
兩口水平井均采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu),一開(kāi)采用Φ444.5mm鉆頭開(kāi)孔、下入Φ339.7mm套管,二開(kāi)采用Φ311.15mm鉆頭鉆進(jìn),下入Φ244.5mm至著陸點(diǎn),三開(kāi)采用Φ215.9mm頭鉆進(jìn),下入Φ139.7mm。為保證目標(biāo)層位鉆遇率,為保證水平段鉆井層位位于緊鄰9號(hào)煤層的頂板巖層中,在采用綜合地質(zhì)導(dǎo)向的基礎(chǔ)上,采區(qū)小間距多段主動(dòng)探煤頂?shù)膶?dǎo)向工藝,兩口井水平段的見(jiàn)煤率保持在10%左右,很大程度上的保證了軌跡控制質(zhì)量,同時(shí)又大大減小了煤層中鉆進(jìn)過(guò)程中的塌孔風(fēng)險(xiǎn),為后續(xù)的煤儲(chǔ)層改造創(chuàng)造了良好的條件。
由于鉆孔井眼軌跡基本位于9號(hào)煤層上部距離煤層頂界3m以內(nèi)范圍內(nèi),為了保證對(duì)9號(hào)煤層以及下部煤層分段壓裂工藝技術(shù)的成功,射孔必須要求穿透鋼套管、水泥環(huán)和煤層頂部的泥巖,保證壓裂時(shí)裂縫在9號(hào)煤層中延伸。因此采用垂直向下、直線均勻排列布孔方式,并結(jié)合超深穿透的復(fù)合射孔技術(shù),可以保證從造縫點(diǎn)延伸出的裂縫延伸到9煤層中,保證煤層段壓裂施工的成功。
壓裂工藝方便,采用泵送橋塞+射孔聯(lián)作分段壓裂工藝技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)儲(chǔ)層的多個(gè)水平段壓裂造縫,并最大限度地減少對(duì)儲(chǔ)層的傷害,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的有效保護(hù)和改造,改變滲流方式,增加影響半徑,擴(kuò)大泄流面積,充分發(fā)揮儲(chǔ)層資源潛力,最大限度提高儲(chǔ)層地質(zhì)儲(chǔ)量可動(dòng)用程度,達(dá)到提高單井產(chǎn)量的目的。
根據(jù)煤層氣排采規(guī)律及現(xiàn)場(chǎng)排采實(shí)際情況,將兩口井組排采劃分為4個(gè)階段進(jìn)行分析,即排水降壓階段、臨界產(chǎn)氣階段、產(chǎn)氣增加階段和產(chǎn)氣穩(wěn)定階段。
排水降壓階段,關(guān)閉套管閥門(mén),控制井下壓力降幅(壓降不大于0.03MPa/d),并隨時(shí)觀察水質(zhì)變化,防止煤粉、壓裂砂大量產(chǎn)出。以最大的合理排水量排采,逐步疏通主通道,在不堵塞滲流通道的前提下,持續(xù)降低井底流壓,并最大限度地采出煤層水,擴(kuò)大煤層壓降范圍。
臨界產(chǎn)氣階段,當(dāng)流壓下降至臨界解吸壓力時(shí),可能有少量的煤層氣開(kāi)始解吸,由于煤層開(kāi)始產(chǎn)氣,此階段動(dòng)液面波動(dòng)較大,要緩慢下降或穩(wěn)定井底流壓,防止解吸初期煤粉過(guò)量產(chǎn)出,并觀察產(chǎn)氣量的變化和水質(zhì)的變化。
產(chǎn)氣增加階段,當(dāng)套壓上漲至0.5MPa后開(kāi)始放產(chǎn),放套期間允許套壓稍微波動(dòng),套壓控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi),之后采用穩(wěn)套壓(套壓控制在0.25MPa左右)降液面排采,控制流壓降幅,擴(kuò)大壓降漏斗的范圍,增大解吸面積。
產(chǎn)氣穩(wěn)定階段該階段穩(wěn)定液面降套壓降流壓排采,流壓降幅控制在0.005MPa/d范圍內(nèi)(根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整),當(dāng)套壓降至0.05MPa后,維持該套壓排采;該階段注意液面變化,保持9煤至以上液柱相對(duì)穩(wěn)定。
在新田煤礦規(guī)劃區(qū)(即二采區(qū))一共施工兩口頂板巖層水平井,水平段總長(zhǎng)超過(guò)1500m,一共分19段進(jìn)行煤儲(chǔ)層增產(chǎn)壓裂改造施工,累計(jì)注入壓裂液超過(guò)23000m3,使用石英砂支撐劑超過(guò)1200m3。經(jīng)過(guò)一年多的排采,兩口水平井最高日產(chǎn)氣量均超過(guò)5000m3,最高日產(chǎn)氣量達(dá)到5000m3,截止2023年7月,兩口井累計(jì)產(chǎn)氣量超過(guò)了340萬(wàn)m3,抽采效果良好,很大程度上降低了井下區(qū)域條帶瓦斯含量。兩口水平井完成主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 兩口水平井完成情況統(tǒng)計(jì)表
1)規(guī)劃區(qū)示范工程2口水平井的成功實(shí)施,驗(yàn)證了在貴州黔西礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下通過(guò)煤層頂板分段壓裂水平井可以有效的進(jìn)行地面瓦斯預(yù)抽,一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)高瓦斯煤層的條帶瓦斯治理,較大程度減小井下瓦斯治理工作量及井下施工安全風(fēng)險(xiǎn)。
2)通過(guò)試驗(yàn)井的鉆完井、壓裂及排采施工,為新田煤礦乃至黔北、黔西礦區(qū)類(lèi)似煤礦區(qū)積累了施工經(jīng)驗(yàn)和并形成了適應(yīng)于本地區(qū)的一整套鉆完井、煤儲(chǔ)層增產(chǎn)改造工藝技術(shù)體系。
3)通過(guò)一年多的排采,XT-H1-V1井組最高日產(chǎn)氣量達(dá)到5192m3,XT-01H最高日產(chǎn)氣量超過(guò)5300m3。兩口井累計(jì)產(chǎn)氣量均超過(guò)170萬(wàn)m3,總產(chǎn)氣量超過(guò)340萬(wàn)m3。地面水平井控制范圍內(nèi)若按條帶長(zhǎng)800m、寬200m、煤厚3m計(jì)算,區(qū)域內(nèi)平均噸煤瓦斯含量在一年多抽采以后瓦斯含量可降低超過(guò)2m3,預(yù)計(jì)通過(guò)5年抽采,區(qū)域內(nèi)平均噸煤瓦斯含量可降低約5m3。