虚拟储层抽采瓦斯技术探讨

1、虚拟储层抽采瓦斯技术探讨马 耕 1, 2, 巩春生 2(1. 中国矿业大学 (北京 资源与安全工程学院 , 北京 100083; 2. 河南煤业化工集团 , 河南 郑州 450046摘 要 :我国厚煤层储量丰富 , 但普遍瓦斯含量高 、 透气性差 、 抽采效果不理想 。 作者通过理论分 析 , 研究了提高单一厚煤层瓦斯抽采率的技术途经 。关键词 :单一煤层 ; 虚拟储层 ; 抽采瓦斯中图分类号 :TD712+. 62 文献标识码 :B 文章编号 :1003-496X(2009 05-0094-02我国 70%以上的煤层渗透率 <1 10-3 m 2, 属 于低透气性煤层 , 其透气性比美

2、国和澳大利亚低 2 3个数量级 , 钻孔有效排放半径和钻孔瓦斯流量 小 , 衰减快。特别是多数单一厚煤层井田 , 瓦斯含量 高 , 瓦斯压力大 , 煤层松软 , 抽采效果差。因此 , 研究 单一厚煤层瓦斯抽采技术模式 , 显得尤为重要。1 国内外厚煤层抽放概况世界各主要产煤国根据其煤层瓦斯赋存情况开 展了瓦斯抽采技术研究。煤层透气性好的国家如美 国、 澳大利亚等国家不仅开展了地面钻孔瓦斯抽采 工作 , 还成功地开展了井下近水平长距离钻孔抽采 , 地面弯曲钻孔抽采等工艺与技术。国内的平顶山、 芙蓉、 松藻、 淮南等开采煤层群的矿区都已成功采用 了穿层钻孔、 顺层钻孔、 顶板高位钻孔以及采空区抽

3、采相结合的综合抽采瓦斯技术 , 并取得了较好的效 果。但是 , 瓦斯抽采关键技术 , 特别是在软煤层钻进 工艺方面没有取得实质性突破。在我国鹤壁矿区、 焦作矿区、 郑州矿区等有煤与瓦斯突出危险的单一 厚煤层 , 瓦斯抽采的难点 在于煤层松软 , 有的呈粉 状 , 有的含水 , 打钻时喷孔、 塌孔、 堵孔和卡钻现象严 重 , 特别是含水煤层孔内煤粉变成煤泥糊或煤泥团 , 造成排粉困难 , 更容易出现堵孔卡钻等现象 , 难以增 加钻孔长度 , 甚至无法成孔 , 这也是造成郑州矿区荥 巩煤田二 1煤至今没有大规模开发的主要原因。2 储层水力压裂增透技术研究进展情况水力压裂也 称水压致 裂 , 原来

4、主要应 用于石 油、 天然气开采行业。目前在煤矿瓦斯抽采和煤层 气开发方面取得较大进展。, 对煤层的结构破坏过程不同于实验室中单轴压缩条 件下破坏过程。单轴压缩作用下煤的破坏是煤体在 外力作用下的破坏 , 而煤层注水压裂破坏是借助流 体水在煤层中各种弱面内 对弱面两壁面的 支撑作 用 , 使弱面发生张开、 扩展和延伸 , 从而对煤层形成 内部分割。这种分割过程一方面通过弱面的张开和 扩展增加了裂隙等弱面的空间体积 , 另一方面通过 裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通 , 从而形 成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种 裂隙连通网络的形成 , 才致使煤层的渗透率大提高。 近几年来 , 煤

5、炭科学研究总院、 中国矿业大学、 河南理工大学和辽宁工程技术大学先后在平顶山等 矿区进行了多次储层压裂增透技术工业性试验 , 压 裂后煤层透气性显著增加 , 抽采量大幅度提高。3 虚拟储层强化工艺抽采瓦斯技术设想尽管水力压裂技术在储层抽采方面发展较快 , 但对于 - 类煤 , 特别是呈粉状、 沙状的荥巩煤田 而言 , 水力压裂技术难以见效 , 在安全方面还存在风 险。从平顶山、 郑州、 鹤壁和焦作的实践证明 , 水力 压裂技术只有在 - 类煤中才能取得令人满意的 效果。目前的开发工艺对 - 类煤难以实现强化 抽采的目的 , 必须另辟蹊径 , 寻找其它的开发工艺。 煤与瓦斯区域防突措施中常用的、

6、 比较有效和 经济的方法之一是开采解放层。解放层的开采 , 改 变了被解放层的煤层瓦斯封存条件 , 煤层顶底板的 渗透性增强、 排驱压力降低 , 瓦斯大量从煤层中逸散 出来。使被解放层的瓦斯含量、 压力大大降低 , 使之 在开采过程中不发生突出或降低突出的危险性。 在单一厚煤层开采的矿井 , 不存在开采上、 下解 放层的条件。我们可以把煤层的一段顶板作为 虚 ,94煤 矿 安 全 (T ota l 414 问题探讨渗透性 , 然后从这一 虚拟储层 中抽采由储层扩散 来的瓦斯 , 达到抽采其下伏低渗透储层中瓦斯的目 的。水力压裂在岩层中形成裂缝的条件、 裂缝的扩 展及展布形态、 裂缝的发育特点等

7、 , 均与岩层所处地 应力状态、 结构构造特征、 力学物理性质、 压裂液性 质及其注入方式等因素密切相关。但是 , 客观内在 的关键因素是岩石的实际受力状态及其分布 , 以及 岩石的结构构造特征和力学物理特性。通过定向钻 孔泵注前置液以形成裂缝并延伸 , 而后泵注混有支 撑剂的携砂液 , 携砂液继续延伸裂缝 , 并携带支撑剂 深入裂缝内 , 与煤层直接联通 , 就能形成一条瓦斯高 导流能力通道。一般情况下 , 定向钻孔距煤层顶板的距离应以 13m 为宜 , 长度 5001000m, 注水压力 3070M Pa , 注水半径 20m 左右 , 支撑剂选用石英砂即可。 具体参数应根据工采区设计、

8、岩性情况和钻机性能 确定。虚拟储层水力压裂抽采钻孔平面布置如图 1 所示。图 1 虚拟储层水力压裂抽采钻孔布置示 意图虚拟储层抽放 , 作为一种区域治理措施 , 安全 可靠 , 不仅可以有效的抽采本煤层瓦斯 , 工作面回采 期间 , 走向钻孔还可以充分利用工作面采动和支承 , , , 现煤与瓦斯共采。同时 , 虚拟水力压裂技术还可以软化顶板 , 为煤层开采提供技术保证。 4 结束语(1 虚拟层 抽采瓦 斯 , 钻孔施 工方便 , 成 孔率 高 , 易于维护 , 抽采时间长。特别是对于开采 - 类煤的单一厚煤层矿井 , 研究推广水力压裂技术 , 实 施虚拟储层抽采 , 对提高矿井抽采率 , 实现科学安全 发展意义重大。(2 通过虚拟储层水力压裂强化工艺 , 改变了 储层瓦斯封存条件 , 煤层顶底板的渗透性增强 , 排驱 压力降低 , 大量瓦斯从煤层中逸散至虚拟储层 , 有利 于低渗透煤层瓦斯抽采。(3 走向钻孔还可以充分利用工作面采动和支 承压力的影响 , 抽采卸压带瓦斯 , 有效提高抽采率 , 实现煤与瓦斯共采。(4 井下虚拟储层水力压裂瓦斯区域治理项目 是一个多学科、 多领域复杂的系统工程 , 理论研究有 待进一步提高 , 技术参数也需要通过试验进