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。

1 礦井概況

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)。

2 抽采井型優(yōu)化

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

3 抽采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

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。

3.2 儲(chǔ)層改造關(guān)鍵技術(shù)

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。

3.3 精細(xì)化排采技術(shù)

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。

4 工程實(shí)踐效果

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

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

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。