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浅谈井下水力压裂技术和地面采动井抽

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压裂改造 页岩气压裂 压裂优化设计 压裂储层筛选 压裂返排 压裂技术
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摘要 :在分析目前煤矿瓦斯治理存在问题的基础上,提出了利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的井下瓦斯抽采技术相结合的综合瓦斯治理措施,分别阐述了煤矿井下水力压裂和地面采动井的原理和应用情况,实践表明 :煤矿井下定向压裂增透消突成套技术可有效提高瓦斯抽采率,降低煤与瓦斯突出危险性,改善井下作业环境 ;地面采动井可“一井三用”,对抽放采动区域瓦斯效果较好。  关键词 :煤矿 ;瓦斯 ;水力压裂 ;采动井  目   录  前  言  ······························  1 一 、瓦斯灾害防治技术评析  ····················  1 (一) 瓦斯治理存在的问题及解决思路  ··············  1 (二) 井下水力压裂技术  ····················  2 (三) 地面采动井  ·······················  3 二、应用效果考察  ························  4 (一)水力压裂效果  ······················  4 (二)地面采动井效果  ·····················  4 三、结语  ····························  5 参考文献  ··························  5 1 浅谈井下水力压裂技术和地面采动井抽  采综合瓦斯治理技术探讨  前    言  我国是世界第一大产煤国,煤炭在我国一次能源消费中约占 70%左右,因而煤炭行业是关系我国国家经济命脉的重要基础产业。然而,煤炭行业又是我国安全生产形势最为严峻的行业之一,预防和控制煤矿重特大事故的发生,促进煤矿安全生产形势的根本好转已成为国家和政府层面上急需解决的重大问题,也是我国安全生产工作的核心任务。在所有煤矿灾害事故中,尤以瓦斯事故为重,其中主要以煤与瓦斯突出以及由瓦斯超限而造成的瓦斯爆炸为最主要的表现形式。近年来,虽然煤矿瓦斯防治工作已取得阶段性成效,但仍没有从根本上遏制重大瓦斯事故的发生, 2008 年 全国共煤矿发生瓦斯事故 182 起,死亡 778 人,其中较大瓦斯事故 63 起,死亡 290 人 ;重特大瓦斯事故 18 起,死亡 352 人〔 1〕。瓦斯灾害已成为制约高效集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素,常规或单一的瓦斯灾害防治技术已不能满足煤矿高效安全生产的需要,强化瓦斯抽采才是防止瓦斯灾害事故最有效的根本途径。针对我国煤层赋存条件复杂,瓦斯抽采率低的特点,提出利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的井下瓦斯抽采相结合的综合瓦斯治理新思路,以供商榷。  一、 瓦斯灾害防治技术评析  (一) 瓦斯治理存在的问题及解决思路  我国煤储层构造复杂,且煤层多强烈变形,多数煤田煤体构造破碎严重,Ⅲ、Ⅳ类煤所占比例较重,煤质松软、坚固性系数偏小,煤层透气性低,渗透率一般在 (0. 001~ 0. 1)× 10- 3μ m 范围内,瓦斯抽采效果不佳,造成瓦斯治理困难。而且随着采掘活动向纵深延伸,煤层瓦斯赋存以“三高一低” (高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性 )为主要特征,常规的瓦斯抽采技术难以发挥作用,抽采率低下,抽采效果不明显,瓦斯事故仍时有发生,因此,采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施势在必行。新版的《防治煤与瓦斯突出2 规定》第 6 条明确规定 :“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。突出矿井采掘工作做到不掘突出头,不采突出面。未按要求采取区域综合防突措施的,严禁进行采掘活动。”目前,煤与瓦斯突出防治主要有开采保护层、水力压裂和钻孔抽采 3 种技术措施。根据规定,对具有保护层开采条件的煤层应优先开采保护层使煤层整体卸压、消突 ;但对于不具备保护层开采条件的、单一、低透气性煤层,在实施防突措施时,水力压裂与井下常规瓦斯抽采技术相结合就显的尤为重要了。  因井下瓦斯抽采须与煤炭开采工序相协调,很难保证在抽采瓦斯、降低工作面瓦斯超限 压力的同时还达到煤炭高效开采的要求,常造成抽、掘、采接替紧张,而且各种井下抽采方法或多或少均存在一定的局限性,如煤矿井下顺煤层长钻孔抽采效率高、成本较低,但顺层钻孔施工经常遇到卡钻、喷孔等工程技术难题,尤其是在突出松软煤层,钻孔成孔率很低 ;穿层钻孔抽采方法抽采效率高,但必须辅助开挖顶板或底板岩巷进行抽采设备布置和钻孔施工,工期长、工程成本高 ;保护层卸压抽采面临着卸压效果和工程施工风险的难题等。若仅通过增强井下瓦斯抽采技术和规模来解决突出和瓦斯超限的问题,不仅影响企业煤炭产量,瓦斯治理成本也将大大增加,抽采效 果也受到限制。而地面采动井抽采则是一种抽采瓦斯、解决煤矿井下瓦斯超限难题的新方法,其施工在地面进行,不影响煤炭回采,在采区回采前便可以完成,同时可以连续进行采前预抽、采动抽采和采空区抽采,从而可实现对煤层瓦斯的全过程抽采和控制。  (二) 井下水力压裂技术  分析认为水力致裂的机理主要为 :通过高压驱动水流压入煤中原有的和压裂后出现的裂缝内,扩宽并伸展这些裂缝,进而在煤中产生更多的次生裂缝与裂隙,以便更好地沟通天然裂隙,增加煤层的透气性。煤矿水力压裂技术分地面和井下2 种,因地面水力压裂因不够灵活方便、成本高、压裂效果不明显而没有推广开来。目前井下水力压裂应用效果较好,主要以河南省煤层气开发利用有限公司自主研发的“煤矿井下定向压裂增透消突成套技术”为主流,该技术可在井下充分利用现有的开拓工程,针对不同煤层瓦斯地质条件编制不同的压裂方案,实施不3 同的压裂工艺,真正做到 “一面一策”、“一孔一策”。该技术不同于煤层注水,在压裂液中添加有一定浓度的表面活性剂,不仅可更好地湿润煤体,而且可改变煤体的力学特性,更多地采排瓦斯 ;现场工业试验表明 :该技术的实施起到了区域瓦斯治理的目的,可明显降低煤与瓦斯突出、煤尘爆炸和煤层自燃的危险性,提高瓦斯抽采效果 ;为低透气性、无保护层开采的煤层区域瓦斯治理和利用开创了一条新途径。  对于条件好的矿井,在实施水力压裂技术时,为更多地抽采煤层瓦斯,达到煤层气开采利用的目的,可利用泡沫压裂液实施压裂技术。泡沫压裂液具有静液柱压力低、滤失量小、携砂性能好 、助排能力强、对地层伤害小等优点〔 4〕,在相同条件下,可更好地提升压裂效果,但其成本较高。对于煤层压裂而言,一般选择 沫压裂液为主,这是因为 煤的吸附能力比 ,在实施压裂时可更多地置换出吸附态的煤层瓦斯。  (三) 地面采动井  地面钻井抽采采动煤层和采空区瓦斯是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术,是一种通过在采场地表施工垂直钻井到煤层采动可能形成的覆岩裂隙带或煤层内,通过预裂或者采动影响增强煤层的透气性,从而使得瓦斯能够尽可能多的经由煤岩体的裂隙网络通道和钻井直接抽采到地表,以达到降低回采工作 面瓦斯涌出量,缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。地面采动井一般均可做到采前预抽、采动抽采和采空区抽采,“一井三用” ;采前预抽主要用于采区回采前进行煤层气开发 ;采动抽采主要是利用回采工作面对煤岩体扰动提高其透气性的特点增强瓦斯抽采率、缓解通风压力 ;采空区抽采主要是解决回采工作面推过后采空区瓦斯,以降低采空区瓦斯向回采工作面涌出的量,解决回采工作面瓦斯超限的难题。该方法是提前将预采高瓦斯煤层中的瓦斯进行释放并加以利用,降低煤层中的瓦斯含量,从根本上解决煤矿瓦斯事故。  地面采动井的布孔位置直接关系到后期抽采效果的好坏,在满足总体抽采效能的同时,其布孔位置宜选取采场中间位置,以尽可能增加使用寿命 ;在倾斜煤层情况下,考虑到重力方向的影响,宜将地面钻井布井位置由采场中部向回风巷4 方向有所偏移,一般与回风巷的距离约为工作面斜长的 1/3;再钻孔垂向上,一般要求钻孔终孔位置在冒落带上方的裂隙带内,距开采层距离为 30~ 40 m 时最为合适。  二、 应用效果考察  (一) 水力压裂效果  2008 年 10 月,在中平能化集团十矿 24110 工作面机巷、风巷、对应的底抽巷实施了井下定向压裂增透消突技术。压裂后考察发现 : (1)煤层渗透率由原来的 0. 06 d)升至 48 d),提高了 800 多倍,钻孔平均瓦斯抽采浓度超过 45%,单孔纯瓦斯流量平均 0. 1~ 0. 37 m3/大单孔瓦斯浓度 90%,流量 0. 8m3/分单孔瓦斯抽采总量到 2. 5万 上,截至 2008 年 12 月, 24110 工作面剩余难采区段共抽采瓦斯 254. 06× 104个工作面剩余瓦斯储量 559. 3× 104占 45. 42%。  (2)在难抽采的 230 m 范围内测定的全部煤层残存瓦斯含量降到了 8 m3/t 以下,瓦斯压力都降到了 0. 74 下,消除了工作面前方煤体突出危险性。  (3)2009 年 1 月,对 24110 工作面实施压裂的区段回采时发现,最高日产量达 3 000 t,最大月产量 6. 5 万 t,比压裂前提高了 50%。回采中统计 90 次校检指标,共有 4 个指标超标,超标率为 4. 4%,远小于压裂前 13. 4%~ 16%的校检超标率,效检超标幅度显著降低,大幅度降低了防突措施工程量,有效提高了回采生产效率。  (4)在压裂影响范围内对各工序粉尘含量监测发现,压裂后割煤、钻孔施工工序粉尘含量均有大幅度降低,最大降幅达 58. 18%,有效改善了工作面作业环境,降低了职业病害发生率。  (5)与开采保护层措施相比,进行煤与瓦斯突出防治,在同样条件下,井下水力压裂技术每吨煤约 10 元左右,而开采保护层每吨煤需 120 元左右,约为开采保护层防突措施成本的 1/10。  (二) 地面采动井效果  2005 年 12 月,在淮南矿业集团张集煤矿北区 11418(W)首采工作面,采用 了5 以地面钻井为主,高抽巷、顶板抽放钻孔为辅的工作面瓦斯治理措施。考察发现〔 5〕 :张集煤矿的此次地面采动井主要抽采本煤层开采超前卸压瓦斯和上邻近层开采卸压瓦斯,抽出的瓦斯浓度高、纯量大,抽采最高浓度高达 96%。瓦斯抽放量最大达 32. 9 m3/放浓度达 50%~ 96%,瓦斯抽放纯量为 10~ 32. 9 m3/ d 的考察期内共抽出瓦斯 176 366 采效果显著。  工作面在回采过程中应用地面钻孔抽放措施后,回采工作面瓦斯抽放率达到75%,瓦斯浓度由 0. 5%降至 0. 2%~ 0. 3%,效果明显,有 效解决了工作面的瓦斯超限问题和安全回采,大大提高了工作面回采效率。  三、 结语  根据“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则”,明确提出利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的治理井下瓦斯抽采相结合的综合瓦斯治理新思路,得出如下结论 : (1)条件允许的情况下,应优先采用强制增透的瓦斯治理和井上下联合抽采的综合治理措施。  (2)不具备保护层开采的单一、低透气性煤层进行区域瓦斯治理时,应优先选择煤矿井下水力压裂措施。  (3)煤矿井下定向压裂增透消突成套技术不仅成本低廉,而且可有效提高瓦斯抽采率, 降低煤与瓦斯突出和煤尘爆炸危险性以及降低防突措施工程量,改善井下作业环境。  (4)地面采动井瓦斯抽采技术可做到“一井三用”,可从根本上达到降低回采工作面瓦斯涌出量,缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。  ( 5)我公司沙曲矿为煤与瓦斯突出矿井,采用此技术尤为重要。可以有效增大煤层透析性,提高抽放浓度,降低煤层赋存瓦斯含量,使得安全生产进一步得到保障。  参考文献 : 〔 1〕国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定·读本〔 M〕.北京 :煤炭工业出版社, 2009.  6 〔 2〕蔚远江,杨起.我国煤层气储层研究现状及发展趋势〔 J〕.地质科技情报, 2001,20(1):56- 60.  〔 3〕孙海涛.采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究〔 D〕.重庆 :重庆大学, 2008.  〔 4〕熊湘华.低压低渗透油气田的低伤害压裂液研究〔 D〕.南充 :西南石油学院, 2003.  〔 5〕张军,孙东玲,黄旭超,等.地面钻井抽放采动区域瓦斯技术的试验研究〔 J〕.矿业安全与环保, 2007, 34(1):1- 5.  

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