方佳伟，韩保山，周加佳，王正喜，张丁亮，刘 嘉，徐建军

基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究

方佳伟1,2，韩保山2，周加佳2，王正喜2，张丁亮2，刘 嘉2，徐建军2

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

针对煤层碎软、渗透性低、工作面瓦斯抽采难度大且效率低的问题，提出两端对接分段压裂顶板水平井组的工作面瓦斯抽采全覆盖模式。选取淮北煤田宿县矿区某矿井为例，依据研究区地应力与工作面展布特征，结合研究区内瓦斯地质条件及煤层力学性质分析，利用交叉偶极子声波测井方法优选水平井水平段布置方位，采用Fracpro PT的压裂模拟技术确定水平井水平段距离71煤层的范围，即布置在煤层顶板2 m以内；采用抽采模拟技术对研究区试验工程进行预测，结果显示，抽采3 a后工作面的瓦斯含量和压力都大幅度降低，达到了工作面瓦斯抽采全覆盖的要求。提出的抽采模式为国内类似地质条件煤矿地面瓦斯高效抽采提供一种手段。

瓦斯；全覆盖抽采模式；顶板水平井；压裂；数值模拟；淮北宿县矿区

我国煤矿以高瓦斯及瓦斯突出矿井为主，煤层渗透性低、瓦斯抽采难度大，煤炭安全高效开采面临巨大压力[1-3]。近年来，地面瓦斯预抽在煤矿瓦斯治理中开始发挥作用，国内很多煤矿都开展了不同程度的实践及应用[4-5]。淮北矿区是国内典型的高瓦斯与瓦斯突出矿区之一，具有煤体碎软、渗透性低、瓦斯含量高、瓦斯压力大等特点，常规的地面瓦斯抽采技术面临钻井成孔难、压裂效果差等问题[6-7]；此外，矿区煤矿工作面布置走向长度大，而地面抽采方式抽采范围有限，也难以对工作面瓦斯进行全覆盖抽采。

“十二五”期间，淮北矿业集团芦岭煤矿开发了顶板水平井分段压裂抽采模式，取得了国内外碎软低渗煤层地面瓦斯抽采效果的历史突破[8-10]。鉴于此基础，安徽恒源煤电股份有限公司联合中煤科工集团西安研究院有限公司拟在矿区X煤矿探索工作面全覆盖的地面高效瓦斯抽采模式和技术。

1 试验区概况

X煤矿位于淮北煤田宿县矿区宿南向斜南端，断层较发育。煤岩层产状有一定起伏，平均倾角约14°。含煤地层包括二叠系山西组、下石盒子组及上石盒子组，含10个煤层(组)30余层，其中，32、61、71、82、9煤为主采煤层，瓦斯压力高，瓦斯含量大。

地面井测试结果显示，71煤吸附甲烷能力高，等温吸附结果显示，Langmuir体积为13.74 cm3/g(空气干燥基)，Langmuir压力为1.92 MPa；储层压力为6.63 MPa，临界解吸压力为1.8 MPa；瓦斯含量为6.63 m3/t (空气干燥基)，渗透率较低，为0.15× 10–3μm2。根据煤矿的采掘接替计划，3 a后将对Ⅱ三采区Ⅱ7133工作面71煤层进行采掘。为了采掘安全，需提前进行工作面瓦斯预抽，探究地面高效抽采模式。

2 工作面瓦斯抽采全覆盖模式

2.1 抽采方式

Ⅱ7133工作面沿走向布置，长约1 730 m，宽约195 m，71煤层顶板以泥岩为主。由于常规U型顶板水平井存在托压问题，水平段延伸距离不超过1000 m，且沿碎软低渗煤层水平钻进存在“钻穴”问题，难以成孔[11]，采用常规的井型设计以达到工作面全覆盖的瓦斯抽采效果，则需要部署两组水平井组，极大地增加了瓦斯治理的成本和时间。

依据水平井技术特点和工作面布置情况，设计3口井的水平井组模式(图1)，即两口顶板水平井都对接同一口排采直井。3口井的抽采范围基本可覆盖整个工作面，不仅节省了1口排采直井施工工程费用，而且有助于井组集约化管理，大大提高施工效率。直井设计二开井身结构，套管洞穴完井，两口水平井设计三开井身结构，套管固井并与直井于洞穴处连通。

基于工作面展布和水平井工程特点，瓦斯抽采全覆盖的布井模式有3种(图2)，方式一、三为水平井水平段与工作面斜交，后者对地应力方向有较高要求。方式二为水平井水平段与工作面水平段方位平行，地层的应力分布决定了水力压裂裂缝的产状和延伸方向，压裂裂缝在垂向上的延伸与层间最小水平主应力大小有关。根据煤矿相似材料模拟实验和微震实时监测结果，水力压裂缝在煤层中以井眼为中心扩展，形态为椭圆形，长轴平行于最大水平主应力的方向延伸[12-13]，因此，设计水平井方位与最小水平主应力方向平行，以最大程度地沟通煤层裂缝网格。

图1 工作面全覆盖瓦斯抽采模式示意

图2 工作面水平井井位布置

交叉偶极子声波测井资料显示(图3)，研究区现今地应力状态是正断层应力状态，即垂向主应力v大于水平最大主应力H大于水平最小主应力h，且煤层与顶板最小水平主应力的差异明显，压裂裂缝应以垂直缝为主，垂向上容易穿层进入目标煤层。各向异性方位及水平最大主应力方位为NNW— SSE，近似于SN方向，理论上压裂裂缝方向为SN方向，井向设计为东西向时可达到最佳的压裂裂缝效果。而实际工作面水平段方位与正东西向有一个小角度夹角，若采用方式一布井，既难以满足瓦斯抽采范围的均匀覆盖，也不能保证工作面两端的压裂效果，且总压裂体积小；方式三相较于方式一，由于井组水平段方位几乎完全平行于最小水平主应力，因此，能达到最佳的裂缝体积；方式二虽然在一定程度上牺牲了压裂缝体积，但是能保证瓦斯抽采范围的均匀覆盖和整个工作面的压裂效果，结合现场实际，采用方式二的布井模式(图2)。

图3 宿县矿区主要煤层岩石力学参数成果

2.2 水平井水平段与煤层间距设计

顶板井水平段轨迹布置基本原则是保证裂缝的穿层压裂效果。压裂作业时从顶板泥岩段开始起裂，由于顶板泥岩的高弹性模量、高泊松比特点，导致裂缝起裂、延展困难，施工压力高且形成复杂裂缝消耗压裂能量，因此，要求水平井水平段井眼轨迹尽可能地靠近煤层段，使得穿层压裂的“破壁”阶段顺利快速度过[14]。顶板井水平段轨迹距离煤层也不宜过近，否则会导致钻井轨迹进入煤层引起井壁失稳等事故。

本次利用Fracpro PT数值模拟方法[15-16]对工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采压裂效果进行模拟，模拟参数见表1。设定轨迹距离煤层顶板2 m，模拟结果显示，缝高27.8 m，压裂缝能穿过顶板泥岩和目标煤层，半缝长121 m，平均裂缝宽度6.586 m；裂缝能完全覆盖工作面，形成较大的压裂网体积。为此，结合现场实际的施工难度，设计水平井组水平段轨迹控制在垂直距离71煤层顶板2 m的范围内。

表1 水平井组数值模拟参数

3 试验区工程应用

本次基于地质导向技术，采用电磁波传输信号的随钻测量仪器(EMWD)进行2口顶板井对接，通过实测方位伽马值与二开71煤层及顶板伽马值进行对比，实时监测井眼轨迹偏离情况，配合波浪间断探煤技术，在无法判断轨迹延伸方向与煤层顶板走势的空间关系时，有控制地降低井斜角小于煤层视倾角，确保井眼位于煤层以上0.5~2.0 m内。同时采用“大排量、大规模、高前置液比、中砂比”活性水压裂技术和复合支撑剂工艺，对2口水平井共计20段进行分段压裂，累计用液量17 207 m3，累计石英砂量945 m3，以保证压裂规模和强度。

3.1 压裂缝监测

采用地面微地震裂缝监测技术，对H2井第二、四、七段进行压裂缝监测(表2和图4)。结果表明，3段主裂缝均为垂直缝，裂缝影响高度平均为11 m，方向均为南北向且与井眼方向大角度斜交，验证了前面所述的最小水平主应力方向判断裂缝方向的准确性。压裂缝向主裂缝两侧发展较远，缝长130~ 180 m，形成了较大的压裂影响体积，与Fracpro PT数值模拟结果吻合。同时，微震点分布密集带发生在射孔层下边的71煤层附近，说明压裂缝穿层进入了煤层，71煤层段得到了充分改造，压裂效果理想。

表2 宿县矿区X矿井7133工作面H2水平井压裂缝参数

注：上图为正视，下图为俯视。

3.2 抽采效果分析

为预先考察本次提出的抽采模式对工作面瓦斯抽采覆盖的效果，利用CBM-SIM煤层气藏数值模拟软件[17-18]进行模拟预测。

模拟结果显示，工作面71煤层抽采3 a剩余瓦斯含量显著降低(图5)，距离水平井两侧60 m范围内，瓦斯含量由原先的近10 m3/t降到6 m3/t，综合抽采率约40%。

图5 宿县矿区X煤矿7133工作面抽采3 a剩余瓦斯含量分布

在抽采5个月后即可达到产气高峰，单日最高产气量为5 698 m3；连续抽采3 a后，单井日产气量仍可达到500 m3，井组累计产气量可达到290万m3(图6)。

图6 宿县矿区X矿井组产能模拟曲线

4 结论

a. 针对淮北煤田宿县矿区煤层碎软、瓦斯压力大和工作面瓦斯治理效率低的难题，提出了两口水平井和一口直井对接的顶板水平井组分段压裂模式，可实现工作面瓦斯抽采全覆盖，以降低瓦斯治理成本，提高抽采效率。

b. 利用交叉偶极子声波测井方法，结合研究区地应力与工作面展布特征，优选了水平井水平段布置方位；利用Fracpro PT的压裂模拟技术，确定了水平井水平段距离71煤层的范围，即布置在煤层顶板2 m以内。

c. 工作面瓦斯全覆盖高效抽采模式抽采效果数值模拟显示，抽采3 a后工作面的瓦斯含量和压力都大幅度降低，62%的区域瓦斯含量可以降至6 m3/t以下。

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Surface efficient gas extraction mode based on full coverage of working face

FANG Jiawei1,2, HAN Baoshan2, ZHOU Jiajia2, WANG Zhengxi2, ZHANG Dingliang2, LIU Jia2, XU Jianjun2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the problems of soft and broken coal seam, low permeability, difficulty in gas extraction and low drainage efficiency in working face, a full-coverage mode for gas extraction in working face through the horizontal well group with staged fracturing roof at both ends is proposed. Taking a mine in Suxian mining area of Huaibei coalfield as an example, based on the characteristics of in-situ stress and working face distribution, combined with the analysis of gas geological conditions and coal seam mechanical properties in the area, the cross section dipole sonic logging method was used to optimize the orientation of the horizontal section of the horizontal well, and the horizontal well was determined by the Fracpro PT fracturing simulation technology. The horizontal section was away from the coal seam 71arranged within 2 m of the top of the coal seam; the drainage simulation technology was used to predict the test project in the study area, the gas content and pressure of the working face have greatly reduced after 3 years of drainage, which meets the requirements of full coverage of gas drainage in working face. The extraction mode proposed in this paper provides a means for the efficient extraction of ground gas in domestic coal mines with similar conditions.

gas; full coverage extraction mode; roof horizontal well; fracturing; numerical simulation; Huaibei Suxian mining area

TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.012

1001-1986(2020)03-0081-05

2020-04-20；

2020-05-18

国家重点研发计划课题(2018YFF0213801)

National Key R&D Program of China(2018YFF0213801)

方佳伟，1994年生，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为煤层气开发. E-mail：935110235@qq.com.

方佳伟，韩保山，周加佳，等. 基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：81–85.

FANG Jiawei，HAN Baoshan，ZHOU Jiajia，et al. Surface efficient gas extraction mode based on full coverage of working face[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：81–85.

(责任编辑 范章群)