0 引 言
我国煤层气地质条件具有构造复杂、煤体结构破坏严重、渗透率普遍偏低的特点，直接引进国外煤层气抽采技术难以奏效。不管是从煤层气资源利用的角度还是煤矿瓦斯防治的角度，都决定了中国煤层气产业化发展必须走煤与煤层气协调开发的道路，实行煤层气地面与井下相结合的抽采方式[1]。
地面水力压裂是当前煤层气开发最主要的增产改造措施，具有施工方便、安全、影响范围大等优点，可以对煤矿瓦斯提前预抽，但也有施工成本高、抽采覆盖不均匀、抽采效果差异大等缺点；井下抽采具有针对性强、抽采密度高等优点，但也存在井下施工安全隐患大、压裂规模小等问题。因此晋煤集团积极探索井下千米长钻孔定向钻进技术，与地面抽采技术相配合，成功实现了地面与井下联合抽采，形成了“采煤采气一体化”的立体抽采模式，取得了较好的抽采效果[2-4]。
“十二五”期间，晋煤集团在赵庄井田一盘区部署施工了5口地面井开展试验，提出了在地面井煤层压裂增渗的同时，结合井下长钻孔部署的局部范围卸压增渗的方法。考察了试验区瓦斯含量、百米钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量及瓦斯浓度等相关参数，对压裂影响区和无压裂影响区抽采效果进行了对比分析。由于井下抽采作业与试验井地面压裂严重脱节，完井方式为裸眼完井，裂缝多分布在煤层顶板，导致抽采效果不理想 [5] 。 为了更合理地验证井下抽采效果，在地质条件类似的成庄井田布置了5口试验井，笔者围绕地面压裂影响范围、瓦斯抽采效果、地面井下衔接时间等方面开展研究，以促进该模式在不同矿区的推广应用。
1 地质概况
成庄井田位于沁水煤田南翼，晋城市西北20 km处，跨泽州和沁水两县。构造形态总体表现为倾向北西的单斜构造，主体构造上发育有宽缓的次级背向斜，地层平缓，倾角3°～15°，一般小于10°。区内发育落差较小、延展长度较短的高角度正断层，陷落柱较发育，以中小型圆柱形为主。井田面积74 km2，可采煤层为3、9、15号煤层，矿井核定生产能力达到8.3 Mt/a，主采3号煤层。井田内3号煤层平均瓦斯含量7.66～15.62 m3/t，平均值为10.19 m3/t；瓦斯压力为0.14～0.69 MPa；透气性系数为0.103 2～26.580 0 m2/(MPa2·d) [6-7] 。
地应力测试结果(表1)表明，测深311～338 m最大水平主应力σH为7.2～9.4 MPa，最小水平主应力σh为5.6～7.5 MPa，铅直应力σz 为8.1～8.8 MPa。根据工程经验，对测深内岩体应力水平进行分析可知，该应力水平为中等。最大水平主应力方向为N85°—88°E，该区域的最大水平主应力方向主要受区域地质构造(断层)的影响。
表1 地应力测试结果
Table 1 Ground stresses test result
序号孔深/mP0/MPaσt/MPaσH/MPaσh/MPaσz/MPaλσH方位13113.10.37.95.68.10.98N85°E23323.32.19.46.78.71.09N88°E33353.40.88.57.58.70.97—43373.40.67.26.28.80.82—
注：P0为岩石孔隙压力；σt为岩石抗拉强度；λ为最大水平主应力方向的侧压系数。
2 抽采工程布置
2.1 抽采钻孔布置
成庄井田采用斜井石门开拓方式，在井田浅部开凿一对斜井担负矿井的主、辅运输工作，主斜井标高为+730 m，副斜井标高为+640 m。另外，在井田中部还有2个立井：1个排矸进风井和1个中央回风井，排矸进风井担负进风和排矸任务，中央回风井担负全矿井的回风任务。一水平共划分为5个盘区，盘区走向长度平均为1 400～3 100 m。回采工作面走向长1 400～2 000 m，倾斜长度为200 m左右。各工作面共布置3条巷道，分别为运输巷、回风巷和尾巷，运输巷进风，回风巷和尾巷回风。
在成庄井田四盘区布置了5口地面井开展试验，采用地面水力压裂改造目的煤层，通过施工顺煤层长钻孔和煤层顶板长钻孔进行井下瓦斯抽采，达到快速降低吨煤瓦斯含量的目的(图1)。煤层埋藏深度304～476 m，完井方式为套管完井。
CZYC-07—CZYC-11为试验井编号
图1 试验井部署及顺煤层长钻孔示意
Fig.1 Well location selection and underground long boreholes
吸取赵庄井田试验井的经验教训，在完善成庄试验井方案时，刻意缩短了井下钻孔抽采时间与压裂时间的间隔(表2)。
表2 试验井压裂抽采时空关系
Table 2 Fracturing and extractiontemporal-spatial relationship
井号至巷道的距离/m至长钻孔的距离/m井下钻孔滞后压裂时间/月CZYC-072851495CZYC-0827610112CZYC-09329110CZYC-103011721CZYC-1140130215
2.2 裂缝监测方法
目前，煤层气井压裂裂缝监测方法主要有地面微地震裂缝监测法、大地电位法、井温测试法和井下微地震裂缝监测法等手段，本次裂缝监测方法主要采用地面微地震监测法和电位法，同时结合压裂前后邻近井生产情况进行综合分析。
地面微地震法监测人工裂缝是利用压裂施工中地层岩石破裂产生的微地震波，测定裂缝方位及几何形态等重要参数，即对微地震信息经过叠加和成图处理形成反映水力压裂裂缝大小的图像，它是时间、总翼长、翼不对称性、裂缝高度和裂缝方位的函数。实践证明，微地震监测法简便、直接、可靠，作业成本低，现场可及时处理，在煤层气井中应用广泛[8-11]。
电位法监测技术是以传导类电法勘探的基本理论为依据，多在水平地表的情况下，通过测量注入到目的层的高电离能量的工作液所引起的地面电场形态的变化，来解释获得注水推进方向及压裂裂缝方位等相关参数[12-13]。
3 工程实施效果分析
3.1 地面井煤层压裂效果
本次同时采用微地震监测法和大地电位法对CZYC-09、10、11井进行了压裂裂缝实时监测(表3)，同时通过分析邻近井压前、压后地面排采参数的变化，间接确定裂缝长度。
微地震监测方法以压裂井为中心，在周围选择6个监测台站，并用GPS测量各个台站与目标井的距离及方位，然后对6个监测台逐一进行调试。压裂开始的同时开机监测，直至压裂结束时停止监测，见表3。
电位法测试以试验井井口为圆心环形布置呈放射状对应的三环测点，测点间夹角15°，测环半径选择为30、50、70 m，三环共布置72个测点 ， 起始点方位角为0°。在裂缝产状及方位上，电位法监测结果与微地震法基本一致，但裂缝长度明显较短。导致这种差异的原因，可能由于地形原因，电位法测点布置间距比较小造成的。
通过对5口试验井周围300 m以内的生产井进行压前、压后排采数据对比分析，出现井底压力或产气量突变的井间距一般为：短轴方向100～160 m，长轴方向240～300 m，由此初步判断，压裂裂缝为短半轴50～80 m，长半轴为120～150 m的椭圆形区域。
3.2 井下瓦斯抽采效果分析
压裂影响区内外抽采效果对比见表4，CZYC-07压裂井压裂影响区内的瓦斯浓度和百米钻孔流量两参数比较，压裂区内分别是压裂区外的1.28和1.7倍。
CZYC-08压裂井压裂影响区内的瓦斯浓度和百米钻孔流量两参数比较，压裂区内分别是压裂区外的1.35和1.33倍。
CZYC-09压裂井压裂影响区内的瓦斯浓度和百米钻孔流量两参数比较，压裂区内分别是压裂区外的1.19和17.5倍。
CZYC-10压裂井压裂影响区内的瓦斯浓度和百米钻孔流量两参数比较，压裂区内分别是压裂区外的1.71和2.17倍。
CZYC-11井压裂影响区内瓦斯体积分数82%，百米钻孔流量是0.021 m3/min，由于压裂区外没有钻孔施工，未能进行数据监测，因此不予对比。
表4 压裂影响区内外抽采效果对比
Table 4 Comparison of fracturing in and out of affected area
井号百米钻孔流量/(m3·min-1·hm-1)瓦斯体积分数/% 压裂区内压裂区外压裂区内压裂区外提高幅度/%CZYC-070.0150.009 0725628.6CZYC-080.0360.027 0836822.1CZYC-090.2200.012 6897518.7CZYC-100.0260.012 0774571.1CZYC-110.021—82——
3.3 地面压裂与井下抽掘作业时空关系
3.3.1 地面压裂对井下长钻孔成孔率的影响
前人研究认为，在井下钻孔滞后地面压裂0～2个月时，煤层透气性系数增大，抽采效果较好，但煤体结构破碎，易出现塌孔、卡钻现象[14-15]。施工顶板定向长钻孔受压裂影响不明显，不容易塌孔，成孔率较高，且单孔进尺和最大孔深更大，抽采效果更好。
CZYC-07井以顺煤层长钻孔抽采为主(图2)，当钻孔进入压裂影响区范围内距中心靶区70 m的区域时，出现塌孔集中区(图2中煤体破碎区)，说明此区域为煤体破碎区。压裂区外出现塌孔集中的煤体破碎区，是因为此区域位于CZ-054抽采井的压裂影响范围，此外钻孔到达此区域时，钻孔深度达已有450 m左右，钻孔也容易出现塌孔。
图2 CZYC-07井钻孔施工分布示意
Fig.2 CZYC-07 well underground long boreholes distribution
CZYC-10井地面压裂与井下作业衔接较紧密，压裂后施工了部分煤层顶板定向长钻孔，成孔率高、抽采效果好。以压裂影响范围内的2014年的6号钻孔为例，平均体积分数在89%左右，百米钻孔流量0.79～1.78 m3/min，平均1.28 m3/min，并且维持5个多月后衰减很小(图3)，说明钻孔所在区域受地面压裂井的影响，煤层透气性显著增加，瓦斯大量释放，钻孔瓦斯来源持续稳定，提高了钻孔利用率，保证了良好的抽采效果。
图3 压裂影响范围内6号钻孔瓦斯抽采效果
Fig.3 Extraction effect of No.6 borehole in affected area of fracturing
3.3.2 抽采效果与压裂时间的关系
综合分析研究区抽采数据可知， CZYC-09、10井压裂与井下采掘衔接紧密，抽采效果最好； CZYC-07井压裂时间与井下钻孔考察时间间隔约5个月，抽采效果次之； CZYC-08井压裂时间与井下钻孔考察时间间隔1年，虽然压裂影响区内比影响区外的抽采数据有一定程度的提高，但是抽采效果并不很理想。这与赵庄井田试验结果基本一致，压裂效果随着时间的推移逐渐消失 [8] ，只有合理的滞后抽采衔接时间才能保持较高的抽采浓度和百米钻孔流量，实现抽采效益最大化。
4 结 论
1)成庄井田试验井煤层埋深304～476 m，地面微地震监测压裂裂缝形态以水平裂缝为主，裂缝长度285～378 m，大地电位监测压裂裂缝形态以水平裂缝为主，裂缝长度112～138 m，2种测试方法监测裂缝长度差距较大，但主裂缝方位基本一致(NE49°—NE81°)。根据井下钻孔抽采情况及地面邻近生产井的排采数据推测压裂影响区为长轴120～150 m、短轴50～80 m的椭圆区域。
2)压裂影响区内，瓦斯抽采浓度及百米钻孔流量都有明显提高，压裂影响区内百米钻孔瓦斯流量是压裂区外的1.33～17.50倍；压裂区内瓦斯浓度是压裂区外的1.19～1.71倍，平均提高了35%。
3)井下钻孔与地面压裂时空衔接越紧密，井下钻孔抽采效果越好，井下钻孔滞后地面压裂时间以不超过5个月为宜。受地面压裂的影响，煤体裂隙发育，结构破碎，钻孔施工困难，易出现塌孔、卡钻现象，钻孔施工速度较慢，成孔率低，影响抽采效果。建议地面压裂0～2个月内优先施工稳定性较好的顶板钻孔，待压裂裂缝与煤体达到新的动态平衡后再施工顺煤层钻孔。
4)根据压裂裂缝延展方向及影响范围，初步确定压裂井井底与已掘巷道、已施工钻孔的距离应大于150 m，以确保井下生产安全；但为了保证地面压裂与井下钻孔衔接的紧密性，此距离应小于200 m。
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