地面钻井压裂与井下水平钻孔联合瓦斯抽采研究

地面钻井压裂与井下水平钻孔联合瓦斯抽采研究

马骁宇

大庆钻探工程公司井下作业工程公司，吉林 松原  138000

摘要：为提高地面钻井与井下水平钻孔联合抽采效果，根据地面钻井压裂和井下水平钻孔施工工艺要求，通过理论分析、数值模拟及现场试验，研究了不同压裂参数和井下压裂裂缝长度对煤层瓦斯抽采效率的影响规律。结果表明：在同一井场，随着压裂参数增大，煤层最大割深和最大割宽度均减小；在相同压裂参数条件下，随着裂缝长度增大，最大割深和最大割宽度均减小；在同一压裂孔段储层范围内，裂缝长度越大煤层瓦斯抽采率越高。通过建立煤层瓦斯渗流力学模型和数学模型，分析了压裂孔段内煤体应力分布、煤体变形特征、孔隙结构等参数对煤层瓦斯解吸效果的影响规律。

关键字：地面钻井；压裂；井下水平钻孔；瓦斯抽取

引言：

随着我国煤矿开采深度的不断增加，矿井瓦斯压力逐渐增大，抽采难度不断增加。在此背景下，煤矿采用地面钻井技术抽采瓦斯已不能满足当前矿井瓦斯抽采要求，需对煤层进行压裂改造或水平钻孔施工。地面钻井是指将井下压裂改造成井上压裂的一种开采方式。目前，国内外在压裂技术方面的研究主要集中在压裂液及裂缝的类型、压裂液密度、应力强度因子、裂缝长度等参数对煤层气的解吸效果的影响规律上，而压裂液粘度对煤层瓦斯渗流规律影响的研究较少。国内研究方面主要集中在压裂裂缝长度与煤层气解吸效果之间的关系上，并没有考虑压裂液粘度变化对煤层气渗流机理及其解吸效果影响。因此，本文针对地面钻井压裂与井下水平钻孔联合抽采工艺要求，分析不同类型压裂参数和井下水平钻孔施工工艺对煤层瓦斯抽采效果影响规律。首先从理论上分析了压裂液粘度对煤体应力分布、煤体变形特征等参数影响；然后结合现场实际，通过理论与试验相结合的方法建立了煤层瓦斯渗流力学模型；最后基于计算结果分析和总结出了煤的损伤与应变能、渗流力场以及渗流速度之间相互联系等参数与煤层瓦斯解吸效果之间联系。

一、地面钻井压裂煤体力学模型

煤体的变形特征与其力学性质有关，煤的变形主要由内压驱动，而煤体的应力与其变形量呈负相关关系。在压裂裂缝尖端处存在一个由应变能引起的应力集中，煤体变形时应变能在裂缝内释放为内压作用，而煤体变形量与煤体内压力大小呈正相关关系。在压裂过程中，当压裂液流过煤体内孔时，煤体内孔隙压力和裂隙扩展压力均增加，应力重新分布并向裂隙扩展方向集中。随着裂缝长度的增加、裂缝倾角增加、压裂液密度增加和裂缝内气体排出速率增大，应力重新分布、裂隙扩展压力逐渐降低。由上述可知，煤层最大割宽度与最大割深均与压裂后渗透率呈负相关关系；随着裂缝倾角增大、压裂液密度增大和裂缝内气体排出速率增大，煤层渗透率呈负相关关系。

二．对于井下顺层钻孔瓦斯抽取的方法叙述

2.1关于井下顺层钻孔瓦斯抽取方法的选择

在选择最合理的抽取瓦斯方法前，要综合的考虑到矿井的实际情况。要根据瓦斯的实际来源以及煤层的瓦斯储量进行合理的方法制定，首先，需要做的就是对矿井的整体地质进行勘测，要对煤层瓦斯实际储量进行分析以及采掘巷道的布置方式要和实际的开发技术条件符合一致。另外，仔细考虑到煤矿瓦斯在矿层中的实际来源以及成分构成。要根据实际情况，最大可能的应用综合性的瓦斯抽级技术。尽可能的减少工作量，保证瓦斯抽取质量和效率。

2.2关于瓦斯抽取方法的应用布置

在钻孔时应该选用水平工作面的回风侧进行顺层水平钻口，在实际抽取之前要对瓦斯进行预抽取，保证抽取过程安全可靠。在抽取的过程中需要使用动卸压压抽取方式。同时，对于在井下顺层钻孔时整体抽取系统是处于负压状态，此时就应该对瓦斯抽彩系统中的管路进行合理化布置。通过明确瓦斯参数，让每一组的中空瓦斯能够顺利的进入回风槽内所布置的负压支管中。让整体的顺层钻孔瓦斯系统能够顺利完成工作【1】。

三、压裂参数对煤层瓦斯抽采效率的影响

通过数值模拟分析，确定压裂裂缝长度分别为4m、6m和9m。可以得出，当煤层最大割深增大到5m时，工作面压力增大，煤层瓦斯抽采效率增大较多；当最大割宽度为9m时，煤层负压系数减小，瓦斯抽采率减小。在裂缝长度为9m时，在同一井场同一裂缝长度下，煤层抽采效率最高【2】；但随着裂缝增长煤体应力水平逐渐增大，煤体的抗拉强度下降，导致煤层抽采效率降低。在同一裂缝长度下不同煤厚、不同裂缝深度、不同压裂压力下的抽采效果变化规律不同。压裂压力越高越有利于瓦斯解吸效果的改善；煤层抽采效果受煤厚影响较大；压裂压力在一定范围内随着裂缝长度增加而降低；煤体应力水平对煤层抽采效果影响明显。

四、现场试验

为检验数值模拟效果，在现场试验井场进行了理论与数值模拟对比分析。

1)地面钻井压裂方案：采用ZJ501-1-1型水平钻机+P690-6型压裂车进行压裂，井场地面施工过程中通过压裂车与水平钻机组合作业，实现一趟钻完成水平压裂作业。

2)井下水平钻孔施工方案：采用ZJ501-1-1型水平钻机+P690-6型压裂车抽排瓦斯为主，井下压裂裂缝长度10m为抽采煤层气技术参数，同时在地面钻井过程中进行压裂解吸瓦斯

【3】。

3)煤体瓦斯解吸效果评价：现场试验采用P690-6型压裂车抽采煤层气。从解吸效果看，地面钻井压裂方案的煤体瓦斯解吸效率明显高于井下水平钻孔抽采率。现场测定了在相同压裂参数条件下，裂缝长度对煤层解吸效果的影响规律，研究结果表明：裂缝长度为10m时，煤层气抽采率最高。

五、结论

1)相同压裂参数条件下，煤体应力分布范围和变形程度均随裂缝长度增大而变窄，煤样最大割深和最大割宽度均减小。2)煤层在不同压裂参数条件下，随着煤体变形程度增大，瓦斯抽采率减小；在同一压裂参数条件下，随着裂缝长度增大及裂缝间距增加，最大割深减小、最大割宽度减小、煤层瓦斯抽采率增加。3)压裂裂缝长度越长煤层瓦斯抽采效果越好。4)煤层瓦斯抽采结束后，煤体强度发生明显变化。5)不同煤层瓦斯解吸效果的变化规律为：在相同抽采条件下，同一井段储层范围内不同煤层之间解吸速度存在明显差异。随着裂缝长度增大，煤体强度不断降低、瓦斯解吸率降低。

六、主要创新点

1.结合我国煤层地质特点，采用数值模拟方法，分析了压裂裂缝长度和压裂参数对煤层瓦斯抽采效率的影响规律。

2.建立了考虑储层应力和煤体变形的数学模型。

3.结合压裂过程中压裂裂缝位置、宽度对煤层瓦斯抽采效率的影响，分析了煤层瓦斯解吸能力和解吸效果。

4.通过压裂试验确定了裂缝长度及位置。

5.通过数值模拟对裂缝作用下煤体应力分布进行分析，研究了裂缝长度和位置对巷道变形、瓦斯抽采效果的影响。

6.在不同地层压力条件下，确定了不同压裂液对煤体的作用效果。

7.在煤层气开发中，煤层气与瓦斯联合抽采成为一种有效途径，为联合抽采量增加提供理论基础。

8.为地面钻井与井下水平钻孔联合瓦斯抽采提供指导。

9.提出了一种利用压裂液进行地面钻井、井下水平钻孔瓦斯抽采工艺，提高了钻孔施工效率和煤层瓦斯抽采率。

结束语：

综上所述，地面压裂会对瓦斯产生驱替作用，导致局部区域游离瓦斯明显增多,形成瓦斯富集增高区。地面压裂对煤层有较好的增透作用,能提高百米钻孔流量.降低钻孔流量衰减系数 .有效促进井下瓦斯抽采.不仅有利于工作面防突,还能降低巷道掘进期间的瓦斯涌出量,提高巷道掘进速度。对于松软低透气性煤层，地面压裂对井下瓦斯抽采的影响具有时效性，井下抽采滞后地面压裂的时间越短，压裂对井下抽采的促进作用越明显。地面压裂后立即开展井下瓦斯抽采是解决松软低透气性煤层瓦斯治理难题的新方法。总体来说，伴随着我国在。瓦斯抽取领域的科技水平的不断进步，特别是针对于渗透率较高的瓦斯矿井。都可以优先考虑使用钻井亚列与井下水平钻孔联合出去瓦斯的工作方法对瓦斯进行最大效率的抽取。使用此样方法具有较高的经济性，同时还具备有超前的发展前景。

参考文献：

【1】马钱钱.地面钻井压裂对井下瓦斯抽采的影响研究[J].矿业安全与环保,2019:111-114.

【2】陶云奇,刘晓,蔺海晓.煤矿井下钻孔吞吐压裂增透抽采瓦斯技术研究[J].煤炭科学技术,2014:48.

【3】北京九尊能源技术股份有限公司.井下钻井、地面压裂和井下抽采相结合的瓦斯消突方法:[P].