地面井水力压裂增透技术在立井快速揭煤中的应用

王永革，令狐建设

(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中对矿井安全构成严重威胁的灾害之一，其多发于煤巷掘进、井巷揭煤工作面，统计表明：煤巷掘进工作面突出次数最多，井巷揭煤工作面突出强度最大。与井下石门、斜巷揭煤相比，立井揭煤由于其受施工场地的限制，煤与瓦斯突出防治工作具有更多的特殊性和危险性[1]。自《煤与瓦斯突出防治规定》(2009)颁布实施以来，在区域、局部两个“四位一体”综合防突措施条件下，通过施工大量的钻孔预抽煤层瓦斯，能够保证井巷的安全掘进和顺利揭煤，但其瓦斯治理时间长、工序复杂，严重制约井筒施工进度。近些年来，诸多突出矿井采用预裂爆破、水力冲孔等增透手段[2-8]，提高其瓦斯抽采效率，在一定程度上缓解了揭开突出煤层工期较长的难题，但对于具有瓦斯含量大、渗透性差等特点的煤层群，揭煤期间防突工作仍然繁重。

实践表明，地面井预抽煤层瓦斯是矿井瓦斯治理的一种行之有效的措施，并已在大量矿区进行了成功试验和应用[9-12]，尤其是辅以大液量水砂压裂增透技术，通过提前施工地面井对突出煤层(群)进行预抽，换取时间、空间上的优势，为井筒快速揭开突出煤层提供了可行的技术途径。

1 工程概况

西上庄煤矿位于沁水煤田东北边缘，阳泉矿区南部，埋深较大，矿井按照煤与瓦斯突出矿井设计，可采煤层共7层，自上而下分别为3、6、8、9、12、15、15下号煤层，属煤层群开采。主立井井筒设计直径8.2 m，净断面积52.8 m2，垂深680 m，揭穿煤系地层后与 15下号煤层底板岩层中的大巷贯通，将揭露所有煤层，井筒检查孔测试3、6、8、9、12、15、15下号煤层瓦斯含量为13.57～17.15 m3/t，总体呈现瓦斯含量大、瓦斯压力高、渗透性系数低等特点。

2 井位选择及井身结构设计

2.1 井位选择

地面压裂井井位的选择应当考虑煤层地应力方向和水力压裂影响半径，确保压裂裂缝扩展到设计主立井井筒揭煤区域，将瓦斯驱替的同时增加该区域煤层透气性，以便于压裂增透后的瓦斯抽采，进而降低揭煤区域瓦斯含量。

水力压裂时煤层裂缝的延展方向取决于地应力中水平主应力的大小与方向，裂缝总是产生于强度最弱、拉应力最小的地方且沿最大主应力方向扩展[13-14]，这是井位设计的控制性因素。矿井水平最大主应力方向为北东向19.8°～50.9°。处于同一煤田的平舒矿近期4口煤层气井采用大液量(2 000 m3)、大排量压裂工艺，裂缝短半径长度分别为50、58、60、90 m，平均64.5 m。

综合考虑裂缝半径与矿井地应力方向，压裂井XW的井位选择有2个区域，如图1所示。首选区域位于井筒(风井、主井和副井)南偏西20°～50°，与井筒直线距离20～30 m内；备选区域位于井筒(风井、主井和副井)北偏东20°～50°，与井筒直线距离20～30 m内。

图1 压裂井XW可选位置示意图

因考虑到其他井筒的设计问题，本次井位选择在首选区域即设计地面井XW位于主立井井筒南偏西35°，与主井直线距离25 m，与主立井井筒的连线为北东方向，其压裂增透覆盖区域如图2所示。

图2 压裂井压裂增透覆盖区域

该布置方式压裂裂缝容易穿越或影响到井筒所揭煤层区，以地面井为中心形成一个高渗区并覆盖至井筒揭煤区域。同时在后期压裂时需采用裂缝实时监测和裂缝转向技术控制裂缝的走向，降低施工风险，以达到有效降低井筒揭煤过程中瓦斯突出危险性、提高井筒揭煤速度的目的。

2.2 井身结构设计及完井

地面压裂井井身采用两开设计，一开井段主要以第四系黄土或二叠系上石盒子组地层为主，该井段采用坂土浆作为钻井液，钻至深30 m位置，下入∅244.5 mm×8.94 mm×30 m表层套管，固井时水泥浆返至地面为合格。二开井段至15下号煤层以下60 m位置，全井段采用低固相钻井液，下入∅139.7 mm×7.72 mm×720 m生产套管，固井时水泥浆返深333.3 m为合格。

地面压裂井人工井底位于上统太原组地层，上距15下号煤层60.4 m，深719.4 m，一开井段表层套管下放22.8 m，二开井段生产套管下放719.4 m，完井井口高度0.3 m，水泥返深243.0 m，距3号煤层顶板290.3 m，经声波幅度测井检查，钻井期间井壁完好，未出现井漏、垮塌现象。

3 压裂参数设计及施工

3.1 压裂参数设计

西上庄煤矿属煤层群开采，由于各可采煤层均具有突出危险性，因此需对每层煤进行水砂压裂增透。为充分利用XW地面井，使单口井压裂效益最大化，采用自下而上分层射孔、填砂、投球分流转向压裂施工工艺。

压裂施工分5段进行，由于近距离煤层层间距过小，填砂工艺难以达到段间有效封隔的目的，因此将15、15下号煤层合为一段压裂，12、13号煤层合为一段压裂，8、9号煤层合为一段压裂；3、6号煤层间距 20.5 m，满足填砂压裂封隔工艺要求，3、6号煤层各为一段分别进行压裂。压裂液为清水，支撑剂为石英砂，压100 m3粒径为0.425～0.850 mm的石英砂，用于支撑较大裂缝；压82 m3粒径为0.212～0.425 mm的石英砂，用于支撑较小裂隙。填砂备用5 m3，每段加砂比2%～12%。射孔选用102/127枪型，90°螺旋布孔，射孔段每米16孔，全煤段射孔。压裂注水参数如下。

1)泵注压力

在压裂中压裂泵的泵注压力pw可表示为：

pw=pk-pH+pr+pf

(1)

式中：pk为煤层破裂压力；pH为压裂管路液注压力；pr为压裂液在管路中沿程摩擦阻力；pf为压裂液在管路末端孔眼处的摩擦阻力。

通过计算得到压裂泵的泵注压力pw为15～25 MPa，所选用压裂泵的额定压力应大于泵注压力pw。

2)压裂用液量

压裂注水量主要跟压裂半径、压裂孔径、煤层厚度及孔隙率有关，根据需要压裂的预定影响范围及煤岩层影响体孔隙率计算出单孔压裂压入水量。压裂用液量V按下式计算：

V=π(R-r)2Hφ

(2)

式中：R为预计压裂半径，m；r为孔眼半径，m；H为煤层厚度，m；φ为孔隙率，%。

经计算得到单煤层段或者合压煤层段注水量为500～1 000 m3，预计总注水量5 000 m3，压裂时根据现场实际情况随时调整注水量。

3.2 压裂施工

经通井、洗井、试压合格后，对15、15下号煤层进行射孔，打开套管与目标煤层之间的压裂通道，对15、15下合层进行压裂，依次注入前置液、携砂液、顶替液共计690 m3；为保证两层煤的压裂效果，对合层段进行投球，堵住部分射孔眼，使其产生二次裂缝，共投球38个，再次注入前置液、携砂液、顶替液共计426.78 m3。本段压裂加砂44.0 m3，加砂比为7.51%，施工压力11.89～30.66 MPa，流量2.02～9.06 m3/min，待井口压力降为0 MPa后，进行第一次填砂，砂面距13号煤层底板5 m，距井口634 m，探砂面合格后对12、13号合层进行压裂施工，直至完成 3号煤层压裂施工。煤层射孔、压裂数据如表1所示。

表1 煤层射孔、压裂数据

3.3 地面抽采

压裂结束后进行通井、洗井、试压，试压合格后下泵对井内瓦斯、水进行排采。自2019年12月 6日开始，累计抽采206 d，共抽采瓦斯246 320 m3，累计排水1 867 m3，日均抽采瓦斯量1 195 m3，最高日抽采瓦斯量2 116 m3，如图3所示。

图3 地面井抽采瓦斯量历史拟合曲线

从图3可以看出，前45 d为初期排水降液面阶段，抽采瓦斯量较少，液面在23 d内陆续降至各煤层底板位置，瓦斯抽采量持续上升并稳定在 1 100 m3/d以上，表明压裂井一定范围内形成高渗区，高渗区内裂缝发育、煤层透气性增加，抽采效果得到大幅度提升。

4 井筒揭煤效果检验

井筒检查孔测定3号煤层原始瓦斯含量为 15.44 m3/t，地面井抽采206 d后，主井井筒已掘进至3号煤层上方10 m处，实测3号煤层最大残存瓦斯含量为10.46 m3/t，瓦斯含量下降了4.98 m3/t，根据《防治煤与瓦斯突出细则》(2019)瓦斯含量指标临界值8 m3/t的要求，继续实施区域、局部两个“四位一体”综合防突措施。考虑到水砂压裂后煤层内裂隙发育、透气性系数增大，补充瓦斯抽采钻孔36个，抽采 5 d 后累计抽采瓦斯11 703 m3，打钻期间风排瓦斯 1 823 m3，根据瓦斯抽排量计算得到井筒轮廓线外12 m范围内3号煤层残存瓦斯含量为7.36 m3/t，现场实测残存瓦斯含量降至 7.76 m3/t，同时测定钻屑瓦斯解吸指标K1max值为0.21 mL/(g·min1/2)；主立井掘进至3号煤层顶板5 m处，采用钻屑瓦斯解吸指标进行预测，未超过《防治煤与瓦斯突出细则》(2019)推荐临界值；掘进至3号煤层顶板2 m处，采用钻屑瓦斯解吸指标进行最后的验证，仍未超过《防治煤与瓦斯突出细则》推荐临界值。

5 井筒揭煤

在距3号煤层顶板2 m处，经验证工作面无突出危险后，采用远距离放炮顺利揭开煤层，放炮后井筒内瓦斯浓度(CH4体积分数)最高达到1.93%，5 h后降至0.2%以下，如图4所示。井筒风机额定风量1 200 m3/min，期间累计涌出瓦斯约2 385 m3。最终，安全、快速地揭开了3号煤层。

图4 放炮后井筒内瓦斯浓度变化情况

经测算，采用常规预抽方式揭穿3号煤层，预计工期需120 d(预抽钻孔施工7 d，抽采时间93 d，掘进、效果检验20 d)；而采用该项技术，工期共计10 d，比常规方法提前了110 d，大大缩短了揭煤工期。

6 结语

通过优选压裂井位置，采用自下而上分层射孔、填砂、投球分流转向压裂施工工艺，对突出煤层群进行水砂压裂增加煤层透气性，在水力驱替和增透作用下，经过206 d的连续抽采，瓦斯含量明显降低。揭煤工期缩短至10 d，提高了揭煤防突工作效率。该工艺技术对突出煤层群立井揭煤具有时间和空间上的优势，为安全、高效揭煤奠定了基础，可为同类揭煤工程提供借鉴。