地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术应用实践

2022-12-09郭运海

煤炭与化工 2022年10期

郭运海

（冀中能源峰峰集团有限公司，河北邯郸 056000）

1 概况

冀中能源峰峰集团九龙矿为煤与瓦斯突出矿井，现开采的2号煤层为突出煤层。此次试验区北三采区主采的2号煤层平均厚度5.8 m，埋藏较深，透气性差，瓦斯含量达到9.51 m3/t。因存在深部矿压大及水害威胁，保护层开采困难。经考察研究借鉴油层气开采技术，对北三采区瓦斯治理采取了地面区域瓦斯治理技术方案。

地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术，是在地面施工定向主孔后，采用径向水平高压水射流钻孔技术在煤层内钻孔并采用液压技术压裂煤层，完成后在地面安装抽采设备和水气分离设备进行瓦斯抽采。瓦斯治理主要工程分为地面主孔定向钻孔工程、高压水射流径向水平孔工程、压裂工程、监测工程和瓦斯抽采工程。

2 地面主孔数量、位置确定

此次试验以北三采区2号煤层计划先开采的15237、15239工作面为试验区域开展设计。该区段走向约1 000 m，倾向约400 m，储量350万t。定向主孔设计主要考虑因数：①煤层径向水平孔压裂影响范围；②避开断层发育和附近巷道、采空区等区域一定距离，以防止漏液造成压裂失败及井下邻近巷道破坏事故。

根据该区段地质构造及已有巷道、采空区位置情况，设计部署3口钻井，井距300 m，其中1、3号为斜井，2号为垂直井。

钻井布置示意如图1所示。

图1 钻井布置示意Fig.1 Drilling layout

九龙矿野庄地面钻井场地规格60 m×110 m，在钻场内布置3个钻井，每个钻井孔口间距10 m，孔底间距分别为290 m和250 m，钻井深度均超过2号煤层以下50 m。

钻井主要参数见表2。

表2 钻井主要参数Table 2 Main drilling parameters

3 高压水射流煤层径向射孔方法及作用

主孔施工完成后，先采用特种钻头在煤层段套管开孔，开孔成功后使用带喷嘴的高压软管，借助高压水射流破岩作用，采用径向水平高压水射流成孔技术射孔作业。根据煤层厚度和煤体结构特性，为引导压裂裂缝在360°水平面向远处均匀延伸，提升压裂效果，在煤层垂向分3层共施工9~10个不同方向径向射孔。每孔孔径50~70 mm、长约100 m，实现引导压裂方向，延伸压裂长度，达到压裂煤体增加煤层透气性目的。

高压水射流径向射孔示意如图2所示。

图2 高压水射流径向射孔示意Fig.2 High pressure water jet radial perforation

九龙矿野庄1号井在2号煤层施工10个径向射流孔参数见表2（其余2井参数类似）。

表2 1号井在2号煤层施工10个径向射流孔参数Table 2 Parameters of 10 radial jet holes in No.2 coal seam of No.1 well

4 压裂方法与目的

压裂工程是在施工水射流径向水平钻孔后，在钻孔中安装油管并在地面压裂车的配合下在水平钻孔中进行压裂。压裂液使用1%kcl，支撑剂为石英砂，平均砂液比为10%，施工最高限压为35 MPa。

2号煤层为突出煤层，透气性差，瓦斯含量达到9.51 m3/t，常规瓦斯抽采方法治理难度大，效果差。采用在煤层中径向射孔、压裂的方法，可沟通主孔周围半径100～200 m的煤层，改变煤体原有结构，有效提高煤层透气性，可加速游离瓦斯和解吸瓦斯的抽采。压裂情况见表3。

表3 压裂情况表Table 3 Fracturing situation table

5 压裂监测工程

压裂监测是确定压裂后煤体裂隙发育程度和范围的监测手段，工程采用地面密集台阵数据采集方式，安设24套三分量检波器采集站72道216个检波器共同接受地下破裂地震数据，24套采集站分布在压裂钻孔的四周。

通过监测地下三维破裂能量数据变化，分析监测得到压裂人工裂缝的具体方位及基本三维形态，计算压裂裂缝的缝长、缝高和方位角参数。认识压裂施工参数变化过程与地下裂缝产生在时间上的相互关系，掌握该区煤层在压裂破裂方面的特性，并评估压裂施工效果。

通过微震监测可知，3口井压裂在径向井引导下分布均匀，分布范围大，实现了300 m×900 m区域内全覆盖，达到了预期设计目标。

6 瓦斯治理效果

2020年12月5日~12月22日，地面抽采设备、气水分离装置、气体燃烧装置、排气、排水管路全部安装完毕，12月23日开始钻孔排水。2021年3月3日对3口井开始排气调压工作，为了使瓦斯排采规模最大化，排采前期为稳压排采，单井24 h排采气量控制在300 m3左右，3口井的压力保持稳定。进入6月份后，单井日排采气量逐步提升到400~450 m3，三口井日排气量1 300 m3。后期将逐步增加排采气量，预计稳压排采期将会持续半年以上。目前1号井排气管道压力0.38 MPa，日排气量350 m3；2号井压力0.76 MPa，日排气量400 m3；3号井压力0.82 MPa，日排气量550 m3。截止8月22日，1号井累计排气52 065 m3，2号井累计排气59 835 m3，3号井累计排气62 158 m3，累计排气总量174 058 m3。