高瓦斯突出基建矿井的井上下联合抽采实践

2021-03-15杨茂茂

山西化工 2021年1期

韦雷，杨茂茂

(晋煤集团郑庄矿井项目筹建处，山西晋城 048000)

引言

一直以来，煤矿瓦斯灾害事故是制约煤矿安全生产的主要因素之一。尤其对于基建矿井而言，对其瓦斯治理效果不佳往往直接影响到该矿井的建设进度和后续生产的安全性。目前，应用于实际矿井瓦斯治理的主要方式为对工作面瓦斯的抽采，包括井下钻孔抽采和地面钻井抽采[1]。其中，井下钻孔抽采已被广泛应用且具有成本低、可靠性高的优势；地面钻井抽采作为瓦斯治理的新技术具有安全性高、对生产影响小的特点。为进一步提高矿井瓦斯治理效果和速度，采用井上下联合抽采的方式对矿井瓦斯进行治理。本文以某基建矿井为例开展相关井上下联合抽采的研究。

1 工程概况

郑庄矿井位于山西省晋城市沁水县郑庄镇，矿井所处区域年气温-18.7 ℃～37.4 ℃,平均10.2 ℃,年降雨量412.5 mm～891.2 mm，年平均蒸发量为1 584.78 mm。雨季多集中于6月份～8月份。郑庄矿井为新建矿井，现处于矿井项目手续办理阶段，矿井设计采用立井开拓方式，在工业场地内共布置3个井筒，即，主立井、副立井和中央回风立井，主要服务于首采区块[2]。全井田划分为8个盘区，其中首采区块包括南一盘区、南二盘区。首采区块可采储量92.3 Mt，服务年限17.1年。矿井年设计生产能力4.00 Mt/a，井田内主采3号煤层，平均煤层厚度为5.29 m。经探测，该矿井煤层气的探明储量如表1所示。

表1 郑庄矿井煤层气的探明储量估算

2 井上下联合抽采技术

为提高郑庄矿井的工作面瓦斯的抽采效率和抽采速度，采用井上下联合抽采的方案对其工作面的瓦斯进行治理。井上下瓦斯联合抽采的示意图如图1所示。

图1 井上下瓦斯联合抽采示意图

如图1所示，井上下瓦斯联合抽采包括有地面井压裂、井下长钻孔抽采技术和煤层气地面抽采技术。其中，面井压裂、井下长钻孔抽采技术实现了煤层透气性的全覆盖式提高及采动区煤层瓦斯高效抽采，解决了单一煤层煤炭开采区难以区域卸压、瓦斯抽采效率低下、抽采达标时间较长等技术难题；采动区地面煤层气地面抽采技术充分利用煤层回采的卸压增透效应，运用地面钻井抽采采动卸压区、采空区煤层瓦斯，以解决采煤工作面回采过程中，采空区涌出瓦斯和上隅角瓦斯超限问题，结合郑庄矿井特征，其地面抽采主要有采动直井和采动L型井[3]。

2.1 地面钻井抽采实践

结合郑庄矿井的各种地质资料，并综合对其地质条件进行评估，确定具体井的目标煤层段和钻井时容易产生复杂事故的层段，在此基础上，优化设计煤层气井的井身结构。优化后郑庄矿井钻井的井身结果如图2所示。

图2 地面钻井井身结构示意图

郑庄井田采用直井和丛式井相结合的方式进行地面抽采，丛式井平台布置参考标准SY/T 6396-2014《丛式井平台布置》。防碰要求参考标准Q/HS 2016-2010《丛式井防碰与碰后处理要求》[4]。主要抽采目的层有3号、9号、15号煤。地面钻井涉及到的关键设备如表2所示。

表2 地面抽采主要钻井设备

地面抽采的钻井的实施方案分为一开作业和二开作业。一开作业：采用311.1 mm钻井，以钻穿地表黄土及松散岩石层，至基岩下10 m终孔为原则。二开作业：采用215.9 mm钻至15号煤层底板以下40 m终孔。

2.2 井下瓦斯抽采

井下瓦斯抽采主要通过对煤层气进行压裂改造所实现[5]。在地面抽采的基础上，结合油气勘探开发所采用的水水力加砂压裂将煤层中的瓦斯释放出来。通过压裂缝实现煤层天然裂缝和井筒的沟通；扩大排水降压范围，加速排水降压速度，加快煤层气的解吸，提高气井产气速度和产气量。煤层气井压裂工程主要包括射孔和水力压裂两部分。

2.2.1 射孔

射孔是指井筒固井后，在井筒中下入射孔器，将封堵的套管、水泥环甚至煤层射开，为煤层气流入井筒打开通道。根据射孔弹的类型，套管射孔完井通常可分为普通射孔完井和复合射孔完井。根据煤层强度低、易破碎的特点，该区设计采用普通射孔完井方式。结合以往煤层气预抽项目的经验，设计郑庄井田煤层气井的射孔采用常规电缆射孔方式，主要设备是：102射孔枪、YD102射孔弹，弹架、导爆索、射孔弹枪体、弹套、密封圈、减震器等。

2.2.2 水力压裂

煤层压裂是通过高压管汇将压裂液注入煤层，并在煤储层中产生裂缝，在压裂液注入的同时将支撑剂送入裂缝，以改善煤储层与井筒间的连通性，达到提高气井产能的目的。结合郑庄矿井地质条件及储层状况，为保证煤层的最佳效果其对应的相关压力施工工序及参数如下：施工砂比：压裂过程中，施工砂比应逐步增加，平均砂比不低于15%；施工排量：煤层气井单井施工平均排量不低于8 m3/min；施工压力：采用光套管压裂，施工泵压不超过35 MPa。