王凤林
基金项目:国家重点基础研究计划(973计划)(2009CB219606)“煤层气开发井间干扰机理与开发方式优选”
作者简介:王凤林,男,1977年9月生,主要研究方向地球信息科学和煤层气勘探开发;E-mail:wangfl@nccbm.com.cn;Tel:
(中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司,北京 100095)
摘要:我国高瓦斯矿井居多,目前井下瓦斯抽采难以满足煤炭企业快速发展的需要,本文在系统研究国内外煤矿区煤层气开发技术现状的基础上,结合我国煤矿煤层气储存及涌出特征,运用现代油气田开发以及煤矿煤层气开发的最新理论与研究成果,在采气采煤联合开发模式的基础上,提出在煤矿废弃矿井/永久采空区采用地面直井地面垂直井钻井技术进行地面间歇式负压抽采采,在煤矿采动影响区采用定向长水平钻井技术进行负压抽采煤层裂隙带,实现一井两用,提高煤层气开发效果,同时降低开采成本;在煤矿开采规划区利用远端对接U型井,实现规划阶段未采区煤层抽采、采动阶段二次完井裂隙带抽采、在采空区阶段进行间歇式抽采,实现一井三用,提高煤层气开发效果。该项技术的研究即提高煤层气的开发效果,又有效降低煤矿区的瓦斯突出和爆炸的危险,极大提高了煤炭生产的安全性。
关键词:煤矿区 煤层气 间歇式抽采 采动区 裂隙带
Coal Mining Area Coal Seam Gas Development Technology on the Ground
WANG Fenglin
(China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Corporation Limited,Beijing, 100095)
Abstract: China’s high gas coal mine, and at present, underground drainage to meet the needs of the rapid development of the coal enterprises.For this purpose,this article studies the system of CBM development technolo- gy on the basis of the domestic and foreign current situation, with China’s Coal Seam Gas Storage and emission characteristics and application of modern oil and gas field development and the latest theories and research of coal -bedgas development, abandons the mine pit/permanent worked-out section in the coal mine to use ground vertical shaft technology to carry on the ground intermittence type negative pressure to pull out picks, picks in the coal mine moves the influence area to use the directional long horizontal well drilling technology to carry on the negative pressure to pull out the mining coal lamination crack belt, realizes a well dual purpose, enhances the CBM development effect, simultaneously reduces the production cost; Docks the U well in the coal mining plan- ning area using the far-end, realizes the plan stage to pull out the mining coal level,to pick moves the stage two well completions to pull out picks the crevasse belt, to carry on the intermittent type in the worked-out section stage to pull out picks,realizes a well three to use, to enhance the CBM development effect.This technology’ s research namely enhances the development effect which the coal bed was mad,also reduces the coal mine area the gas to be prominent effectively and the detonation danger,enhanced the coal production security enormously.
Keywords: Coal mining area; CBM; the intermittent type pulls out picks; Mining subsidence area ; cre- vasse belt
1 概述
我国煤矿区煤层气资源丰富,也是研究治理煤层气较早的国家,目前除淮南、铁法等矿区采用地面抽采配合井下抽放的技术外,其他矿区主要采用的还是井下抽放技术。井下抽放技术存在的主要问题是:采用被动式抽放,预抽量和预抽时间严格受煤炭产量控制;气体最终采收率低,“边采边抽”模式造成瓦斯安全事故频发;气产品质量低,一般甲烷浓度在30%~50%;气资源浪费大,我国每年因采煤释放到大气甲烷超过150亿m3,其中通过抽放能被利用的量极为有限;对环境破坏大,是重要的温室气体。
为此加大煤矿区煤层气地面开发技术的研究成为当前科技工作者研究的重要课题,本文在系统研究国内外煤矿区煤层气开发技术现状的基础上,提出针对煤矿区不同开采阶段的煤层气开发技术。
2 国内外煤矿区地面煤层气开发技术现状
2.1 美国煤矿区地面煤层气开发技术现状
美国煤矿区通过采煤前预抽煤层气和采空区燃烧煤层气。针对不同地质条件下煤层渗透性、力学性质、井壁稳定性,形成了一套煤层气采前抽开发技术系列,主要包括:压裂开采、裸眼洞穴完井开采、羽状多分支水平井开发等;出于环保、卫生和安全原因的考虑,美国形成了控制下的采空区煤层气安全燃烧技术。
2.2 澳大利亚煤矿区地面煤层气开发技术现状
为了减缓温室气体的排放、增加清洁能源,煤层气的抽采和利用得到澳大利亚采矿公司和能源生产商的重视,双方共同制定煤炭和煤层气矿权重叠的解决方案。不同阶段井位部署方案:(1)短期煤层气井部署:煤层内抽排系统连通地表煤层气抽排管路;为便于煤炭更好的开采采用地表水平定向井;(2)中期煤层气井部署:为便于煤炭更好的开采采用地表水平定向井;(3)长期煤层气井部署:为实现煤层气商业化生产设计地表水平定向井。
煤层气地面开发井的设计采用了地质导向井的施工方法,首先在预抽工作面的合适位置施工一口垂直井,并将煤层孔段扩大到1.5~2.0m,然后下入筛管,筛管和扩大了的井壁之间填入砾料。这种垂直井的井身结构如图1所示。垂直井施工结束后,沿工作面方向向这口垂直井打中曲率半径(曲率半径200m左右)的定向井,进入煤层后沿煤层钻进,快接近垂直井时在垂直井的煤层孔段放入电磁信号源,装在水平孔定向钻具前端的导向系统接收其信号,测量水平孔的钻孔轨迹,并测出水平孔的钻孔轨迹和垂直井扩大段的相对位置和距离,指导水平孔的定向钻进,确保水平孔在煤层扩大段和垂直井对接,其过程如图2所示。
图1 垂直井井身结构示意图
图2 水平井和垂直孔贯通示意图
2.3 淮南煤矿区地面煤层气开发技术现状
淮南矿区是我国大型煤炭基地之一,也是全国煤矿瓦斯涌出量和抽放量高、瓦斯抽放利用最好的矿区之一。开采卸压层时,采用地面钻井抽采采动区卸压瓦斯。钻井一般布置在工作面的中部,钻井间距300m左右,单井流量5~18m3/min,浓度50%~95%,单井抽放纯瓦斯可达200万m3以上。采用地面钻井抽采采空区瓦斯时,钻井一般布置在距工作面回风巷30~50m左右,钻井间距120m左右,单井流量3~8m3/min,浓度30%~80%,单井抽放纯瓦斯可达100万m3以上[1]。
2.4 晋城煤矿区地面煤层气开发技术
晋城煤矿区采气采煤一体化开发技术路线:通过实施地面钻井、井下顺煤层长钻孔预抽、边采(掘)边抽、采空区抽放相结合的单一中厚煤层瓦斯综合治理模式,布置地面抽采钻井,从钻井密度上讲:一要考虑单井的抽采效果;二要考虑允许抽采的时间;三要考虑使煤层瓦斯均匀地降低,不留下局部瓦斯含量仍大、压力仍高,有突出危险的隐患[2]。
3 煤矿区地面煤层气开发技术
随着开采深度和集约化生产程度的迅速提高,地质条件越来越复杂,井下抽采难以满足煤炭企业快速发展的需要,煤矿区煤层气开发已成为制约矿井安全高效生产的关键因素。从时间上,煤炭企业的开发分为废弃矿井、永久采空区、采动区、规划区四个阶段[3]。根据不同阶段煤层气的富集规律,运用现代油气田开发技术,设计了相应的煤矿区煤层气开发技术。
3.1 废弃矿井/永久采空区煤层气开发技术
在废弃矿井和永久采空区内,煤层卸压更为充分,开采层内剩余煤和邻近煤层解析的煤层气涌入。该区域内的煤层气主要是游离气和吸附气。游离气主要分布于采空区范围内,向上向下随着裂缝的减少,游离气含量减少。根据负压抽放原理,使吸附气从煤层内解析,成为游离状态,并和原来的游离气一起沿可能的通道向外扩散运移。
根据该区域煤层气富集特点,采用地面垂直钻井,利用水环真空泵进行间歇式负压抽采,如图3所示。钻井采用二开(一开:钻头Φ311.1mm,套管Φ244.5mm;二开:钻头Φ215.9mm,套管Φ139.7mm),完钻层位煤层上2~5米。排采设备采用水环真空泵。排采中注意:(1)控制抽采负压,保证抽采质量;(2)定期检查,采样对气体进行分析测定,防止自燃发火。
图3 采空区直井负压抽采
图4 采动区水平井
3.2 采动区煤层气开发技术
受煤炭开采活动的影响,从纵向上看,在开采层的上部依次出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带与采空区漏风带相连,不易进行煤层气抽采。裂隙带位于冒落带上方,是抽采上邻近层煤层气的最佳地带。弯曲下沉带位于裂隙带上方,一般可达地表,由于距开采层较远,仅在靠近裂隙带的弯曲变形带还能有较好的抽采效果。在平面上考虑通风负压的作用,采动区的煤层气主要集中在靠回风巷一侧。
根据采动区煤层气富集规律,在该区域设置单主支的水平井,平面布置如图4所示,在回风巷1/3~1/2工作面宽度处。采用三开完井(一开:钻头Φ311.1mm,套管Φ244.5mm;二开:钻头Φ215.9mm,套管Φ139.7mm;三开:钻头Φ120.6mm,筛管Φ101.6mm),完钻在煤层顶板上的靠近冒落带的裂隙带内,具体根据矿井实际数据应用三带计算公式确定。该区域钻井注意在工作面初次来压之前施工,以确保井身结构稳定;排采注意对通风的影响,以及顶板水进入井筒形成水幔抑制抽采效果。总之,在该区域施工地面钻井要做好风险分析和经济效益分析。
在回采工作面采煤完成后,形成永久采空区,该井可以继续对采空区进行间歇式抽采,实现一井两用。
3.3 规划区煤层气开发技术
根据煤层气水平井的寿命8年,在煤矿的8年规划区外,双方生产没有交叉,采用常规的煤层气井钻井、排采技术为配合煤炭企业将高瓦斯矿井降为低瓦斯矿井,减少瓦斯灾难。在8年煤炭开采规划区内施工U型井,采用远程对接,如图5所示。
该U型井采用三开完井(一开:钻头Φ311.1mm,套管Φ244.5mm;二开:钻头Φ215.9mm,套管Φ139.7mm;三开:钻头Φ120.6mm,筛管Φ101.6mm)。为避免套管对煤层开采的影响,直井段煤层段下入玻璃钢管。当回采面距生产井200m时,提前在套管内下木塞,木塞高度为(冒落带+三分之一裂隙带),在木塞之上进行射孔。当回采面距生产井200m之前,采用排水降压的方式;当回采面距生产井200m之前,采用负压排采的方式;当回采面变为永久采空区时,采用间歇式负压排采,最终实现一井多用,延长煤矿区地面井的排采周期。
4 结论
根据我国煤矿区煤层气开发利用现状、储存及涌出特征,运用现代油气田开发以及煤矿煤层气开发的最新理论与研究成果,提出煤矿废弃矿井/永久采空区、采动区和规划区不同阶段的煤层气开发技术,即:(1)利用煤炭开采卸压,进行采空区地面直井钻井,筛管完井,采用间歇式负压抽采;(2)在采动区,利用采掘工作的超前压力,开采卸压,在顶板回风巷侧运用地面单支水平井进行负压抽采;(3)在8年规划区内,使用两主支的远程对接U型井,回采面距生产井200m之前,采用排水降压的方式;当回采面距生产井200m之前,采用负压排采的方式;当回采面变为永久采空区时,采用间歇式负压排采。只要煤炭和煤层气两个产业坚持总体规划,先采气、后采煤,煤层气的开采兼顾后续煤炭的开采的原则,就能从根本上杜绝煤矿安全事故,最大限度利用资源、保护环境,可以收到良好的安全效应、资源效应、环境效应和社会效应。
图5 规划区煤层气开发技术
参考文献
[1]袁亮.2010.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[J],中国煤炭,(06):5~12
[2]何辉,苏丽萍.2008.煤矿区“采气采煤一体化”的理论与实践探讨[C],2008年煤层气学术研讨会
[3]王凤林,徐祖成,胡爱梅.2010.采气采煤协调发展[J],煤矿安全,(10):100~101
[4]田文广,李五忠,周远刚等.2008.煤矿区煤层气综合开发利用模式探讨[J],天然气工业,(28):87~89
[5]李国君,刘长久.2005.铁法矿区地面垂直采空区井技术[J],中国煤层气,(2):7~10
