Surface well partition gas extraction technology system and engineering practice
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摘要:
为有效减少煤层瓦斯含量，实现瓦斯资源的高效利用并降低井下瓦斯治理难度，结合首山一矿现场地质特征，构建了地面井分区式瓦斯抽采技术，旨在实现矿区瓦斯治理体系化。基于采矿活动的时空分布特征，将井田划分为未采区、采动区和采空区，分区建立不同地面井进行瓦斯抽采，实现瓦斯治理向瓦斯利用并重转变。体系化瓦斯治理技术包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程4部分。综合考虑空间层位、煤层特征、地面位置、煤层回采和瓦斯赋存条件进行地面井井位选取。在采动区，基于煤层回采后垮落带和裂隙带高度，设计采动区直井和L型井井底层位分别位于裂隙带中上部，借助本煤层回采的卸压效果，实现区域内多煤层瓦斯高效抽采。设计了未采区L型井井身、采动区直井井身、采动区L型井井身和采空区直井井身。对未采区煤层进行水力压裂实现煤层增透，选用定向射孔+泵送桥塞式光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂，采用深穿透加强弹进行射孔作业，支撑剂采用0.841/0.42 mm石英砂。在首山一矿进行地面井分区式瓦斯抽采技术工程实践，统计了矿区内不同类型地面井瓦斯抽采情况，结果显示：采动区地面井单井瓦斯日产量最高可超过4万m3，单井累计瓦斯抽采量高达259.7万m3，井田区域内目前在抽钻井11口，累计抽采量高达1425.2万m3。现场效果检验表明实施地面井分区式瓦斯抽采技术可实现瓦斯的高效抽采，形成了“采一层治多层”的瓦斯治理模式。
Abstract:In order to effectively reduce the gas content of coal seam, realize the efficient utilization of gas resources and reduce the difficulty of underground gas management, combined with the geological characteristics of Shoushan I mine site, we built a surface well zoning gas extraction technology, aiming to realize the systemization of gas management in the mine area. Based on the spatial and temporal distribution characteristics of mining activities, the mine field was divided into unmined area, mined area and vacant area, and different surface wells were established for gas extraction in zoning, so as to realize the change from gas management to gas utilization. The systematic gas management technology includes four parts: scientific arrangement of surface wells, well structure and construction design, reservoir fracturing and permeability enhancement in unmined area, and drainage and gathering engineering. The selection of surface well locations is based on the spatial stratification, coal seam characteristics, surface location, coal seam recovery and gas storage conditions. In the mining area, based on the height of the collapse zone and fissure zone after coal seam retrieval, the straight wells and L-type wells in the mining area were designed to be located in the middle and upper part of the fissure zone, so that the gas can be extracted efficiently from multiple coal seams in the area with the effect of pressure relief of this coal seam retrieval. The L-shaped well body in the unmined area, the straight well body in the mined area, the L-shaped well body in the mined area and the straight well body in the mined area were designed. Hydraulic fracturing of the coal seam in the unmined area to achieve coal seam penetration increase, the composite fracturing process of directional injection & pumped bridge plug type light casing fracturing was selected to fracture the coal seam, deep penetration reinforcing bullet was used for injection operation, and 20/40 mesh quartz sand was used as proppant. In Shoushan No.1 Mine, the engineering practice of surface well zoned gas extraction technology was carried out, and the statistics of gas extraction from different types of surface wells in the mine area showed that: the maximum daily gas production from a single well in the mining area can exceed 40 000 m3, and the accumulated gas extraction from a single well is up to 2 597 000 m3, and 11 wells are currently being drilled for extraction in the well field area, with an accumulated extraction of up to 14 252 000 m3. Field effect test showed that the implementation of surface wells zoned gas extraction technology can achieve efficient gas extraction, forming a gas management model of “mining one layer to treat multiple layers”.
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Keywords:
- gas extraction /
- surface well /
- partition extraction /
- drilling /
- fracturing
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0. 引 言
煤层瓦斯（煤层气）是煤的伴生产物，属非常规天然气，由于其热值高且燃烧产物无污染等优点，是洁净、优质能源和化工原料[1-2]。瓦斯的温室效应是CO2的20多倍[3-4]，排放至大气中会加剧全球气候变暖，在井下煤层中赋存的大量瓦斯容易造成瓦斯突出、瓦斯超限等瓦斯问题[5-6]。在众多瓦斯抽采方式中，地面井用于瓦斯抽采既可以不影响井下的采掘作业又可以实现高浓度瓦斯的大量抽采[7]，具有良好的应用价值。
地面井瓦斯抽采可分为未采动预抽和采动卸压抽采瓦斯技术2类，前者主要抽采未采区煤层瓦斯，后者则是抽采煤层采动卸压过程中的邻近层瓦斯、采空区瓦斯和采动区瓦斯[8]。地面井瓦斯抽采受时空条件影响小且能够完全贯穿煤炭开采全过程[9]，近些年来在我国多个矿井中得到应用并且效果显著[10-13]。但我国地面井煤层气生产量仍面临巨大挑战，2020年我国煤层气地面产量为57.67亿m3，仅占当年全国天然气产量的3.07%，与“十三五”目标相差42.33亿m3，煤层气的生产仍存在“单井产量低、经济效益差”的问题[14-15]。寻求瓦斯抽采新技术、探索构建瓦斯抽采技术体系是实现瓦斯高效抽采的必由之路。文献[9]和[16]分别提出了井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式和“三区联动”的近距离突出煤层群区域瓦斯治理技术体系，现场应用效果良好，为瓦斯高效抽采提供了思路。
为提高煤炭生产过程安全性和瓦斯资源利用率，在首山一矿未采区、采动区和采空区3个区域布置地面直井或L型井进行分区式瓦斯抽采，现场数据显示地面井瓦斯稳定日产量可超过8000 m3，瓦斯抽采效果良好。在长期的工程探索和现场测量基础上形成了地面井分区式瓦斯抽采技术体系，以期为体系化瓦斯治理提供借鉴。
1. 含气层资源分布特征及资源量估算
1.1 煤层含气量分布特征
首山一矿含煤地层有石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，含煤系数为2.77%。赋存于山西组下部的二1煤层和下石盒子组的四2（戊9-10）煤层全区可采，下石盒子组的四3（戊8）和五2（丁5-6）煤层为大部可采煤层，五1（丁7）煤层为局部可采煤层。不同煤层厚度情况见表1。
表 1 各煤段主要煤层情况Table 1. Main coal seams of each coal section地层 煤段 煤层编号新（旧） 厚度/m 编号 厚度/m 两极（平均值） 下石盒子组 五 87 五2（丁5-6） 0~4.88（1.50） 五1（丁7） 0~1.86（0.68） 四 76 四3（戊8） 0~1.76（0.89） 四2（戊9-10） 0.90~5.15（2.64） 山西组 二 85 二1（己16-17） 2.76~10.22（5.50） 在井下取心后，在实验室进行室内解吸并对解吸气体的组分及其占比进行统计，如图1所示。由图1a可知，随着埋深的增大，CH4组分占比呈先增大后减小的趋势，但从丁5-6位置至己16-17位置，CH4组分占比总体呈增大趋势，由69.41%增大至78.81%。与CH4变化趋势相同，CO2和乙烷等重烃占比增大，分别由3.48%和2.67%增加至9.40%和7.28%，而N2占比总体呈降低趋势，这与煤层瓦斯赋存的垂向分带有关[17]。随着埋深的增大，瓦斯含量也整体呈增大趋势（图1b），平均瓦斯含量由5.54 mL/g增大至9.00 mL/g，煤组瓦斯含量最大值由15.80 mL/g增大至21.18 mL/g，这是由于随着埋深的增加，煤化过程中产生的瓦斯向上运移困难，大量的瓦斯仍赋存于煤层中。
1.2 含气层资源量估算
首山一矿主要含气层资源量估算是对主要含煤地层、顶底板围岩及其他含气层资源量的估算，主要由煤炭开采后井巷内残留的瓦斯、采煤作业余煤与煤柱瓦斯、尚未采掘区域瓦斯及顶底板围岩与其他含气层瓦斯等组成。计算煤系层包括己组煤、戊组煤、丁组煤，其中采空区和采动区资源量主要针对己16-17煤层进行估算。采用体积法对首山一矿采空区和未采区的瓦斯资源进行估算，计算公式为
Qc=ScHcDcCc10000cosα (1) 式中：Qc为瓦斯资源量，108m3；Sc为计算范围面积，104m2；Hc为平均煤厚，m；Dc为煤层平均密度，t/m3；Cc为煤层瓦斯含量，m3/t；α为煤层倾角，（°）。
煤系气资源量的计算公式为
Qx=SxHxDxCx10000cosβ (2) 式中：Qx为煤系气资源量，108m3；Sx为煤系气计算范围面积，104m2；Hx为含煤岩系平均厚度，m；Dx为含煤岩系平均密度，t/m3；Cx为含煤岩系平均瓦斯含量，m3/t；ρ为含煤岩系倾角，（°）。
采空区中瓦斯资源量为采空区空间游离瓦斯、垮落带中游离瓦斯和裂隙带中游离瓦斯之和。采空区空间游离瓦斯由煤炭采出率和采煤过程中释放的瓦斯组成。首山一矿采区煤炭采取率为87.5%，但部分地区受地质构造影响，采出率偏低，最终计算确定煤炭采出率按85%估算，则有：
Q′c=kScHcDcCc10000cosα (3) 式中：k=1−η1+η2，其中η1为煤炭采出率，取0.85；η2为采煤过程中遗留在采空区的瓦斯释放率，取0.10。
垮落带和裂隙带的瓦斯量估算公式为
Qm+Q1=η3Qw (4) 式中，η3为邻近层瓦斯排放率，取0.4；Qw为围岩砂岩气资源量，108m3。
基于式（1）—式（4），结合现场地质勘探资料，得到首山一矿瓦斯资源量估算表（表2）。从表中可以看出，首山一矿瓦斯资源估算总量为65.14×108 m3，其中己16-17煤层瓦斯资源量最丰富，占总量的59.36%，丁组煤瓦斯资源量最少，占总量的11.39%。与煤层含气量分布特征相似，随着埋深的增加，各煤层瓦斯资源量总和整体呈增大趋势。
表 2 瓦斯资源量估算Table 2. Estimation of gas resources区域 瓦斯资源量/108 m3 己16-17 戊9-10 戊8 丁组煤 未采区 31.08 10.89 8.16 7.42 采动区 5.09 未采 未采 未采 采空区 2.50 未采 未采 未采 总计 38.67 10.89 8.16 7.42 2. 分区式瓦斯抽采工程设计
2.1 地面井分区式瓦斯抽采技术体系
地面井分区式抽采体系化瓦斯治理是指在瓦斯治理过程中，各项瓦斯治理工程在时间和空间上的系统化和程序化实施[18]。包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程4部分（图2）。分区式抽采的关键是井田三区的划分及地面井的合理布置。三区包括未采区、采动区和采空区。未采区是指提前进行瓦斯治理工程规划，以实现区域防突为目标，3年后开展采矿活动的区域，该区域的瓦斯主要是本煤层赋存的瓦斯；采动区是指本煤层或邻近层回采后，周围岩层受扰动形成高透气性的区域，该区域内的瓦斯抽采量主要源于采掘引起的卸压瓦斯；采空区是指煤层回采结束后，工作面后方经过一定时间后能够形成瓦斯积聚的区域，该区域的瓦斯主要源于本煤层遗煤瓦斯解吸和邻近层瓦斯涌出。三区在时间和空间上具有明显的分布特征，巷道开拓和煤层回采形成采动区，煤层回采后形成采空区，而未采区在整个过程中则是逐渐转化为采动区和采空区。基于三区的时空分布特征，在未采区布置L型井，以大范围预抽煤层瓦斯，降低煤层瓦斯涌出量为目的；采动区中设计L型井和直井，确保采动卸压区卸压瓦斯的高效抽采；采空区范围布置直井，主要抽采裂隙带和垮落带中瓦斯，降低采空区瓦斯涌出量。地面井的分区式设计，可以实现以空间换取时间，优化瓦斯抽采的时空协调关系。
2.2 地面井井位科学布置
不同分区内地面井的位置需综合考虑空间层位、煤层特征、地面位置、煤层回采和瓦斯赋存条件并且有利于井地联合治理瓦斯（图3）。地面井位置应避开陷落柱、断层等复杂地质构造带、地面水库和自然保护区等特殊地区。在未采区，应优先选择厚度较大、含气量较高的煤层并避开5年内有采掘规划的区域，同时兼顾最大主应力方向，尽可能穿越更多天然裂隙，以实现瓦斯抽采量的最大化。在采动区，瓦斯由煤壁和散落碎煤中涌出，向采场附近裂隙区域中汇集，可将抽采层位布置于垮落带和裂隙带范围内。煤层上覆岩层属于中硬岩性，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，煤层回采后垮落带和裂隙带计算公式[19]如下：
Hk=100∑M4.7∑M+19±2.2 (5) Hli=100∑M1.6∑M+3.6±5.6 (6) 式中，Hk为垮落带高度，m；∑M为累积采厚，m；Hli为裂隙带高度，m。
由表1可知，己组煤层厚度范围为[2.76,10.22] m，平均煤厚5.5 m。计算得到己组煤垮落带高度范围为6.43～17.45 m，裂隙带高度范围为28.83～56.82 m。取平均煤厚5.5 m，对应垮落带高度范围为10.06～14.46 m，裂隙带高度范围为38.75～49.95 m。己组煤及其邻近煤层的埋深与厚度如图4所示，己16-17和戊9-10煤之间存在大量较薄的不可采煤层，己16-17煤层回采后，其卸压效果会影响上方不可采煤层与戊9-10。为充分借助己16-17煤层回采后的卸压效果并实现“采一层治多层”，将采动直井与采动L型井的井底层位分别布置在己组煤上方60 m和50 m处。
此外，为实现井地联合治理瓦斯，可将抽采位置控制在工作面风巷以下20～40 m，以便更好利用卸压效果提升单井产量。煤层回采后，采空区上覆岩层垮落、变形，由下而上依次形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带[20]，其中垮落带岩石松散破碎导致钻井困难，而裂隙带瓦斯聚集且钻井相对容易，可选择将抽采层位布置于采空区裂隙带内。此外，为保证瓦斯抽采的安全性和高效性，应选取遗煤自燃倾向性较小以及抽采风险较小的区域进行钻井。
首山一矿矿井面积26.9279 km2，基于上述位置布置原则并结合现场勘探资料，规划地面抽采井63口，未采区预抽L型井10口，采动区43口，其中采动直井（定向井）27口、采动L型井16口，在采空区布置地面直井10口。
2.3 井身结构及施工设计
采用井身结构主要有4种，分别是未采区L型井井身、采动区直井井身、采动区L型井井身和采空区直井井身。不同井身结构如图5所示，所有井身均采用三开井身结构。施工过程中，所有井的一开段均钻进至基岩20 m，然后下入表层套管。除采动L型井裸眼段、采动区直井三开和采空区三开外，其余施工段均需固井，水泥返至地面。施工未采区L型井时，二开导眼段定向造斜至井斜60°以上后稳斜钻进探煤，钻穿煤层15 m后停钻；二开主井眼段导眼封固回填后自预留侧钻点处重新定向造斜钻进，进入目的煤层不超过4 m，下入技术套管和可钻式浮箍、浮鞋，套管下至目的煤层顶板以上斜深1～3 m；三开水平段钻头出技术套管后，水平段在目标煤层中稳斜钻进，然后下入生产套管。施工采动区直井时，二开主井眼造斜钻至裂隙带上方10～15 m，然后下入技术套管和可钻式浮箍、浮鞋；三开直井段钻头出套管后，钻至目的煤层顶板以上40 m完钻，下入生产筛管，套管悬挂于二开套管端部。施工采动区L型井时，二开钻头钻至目标煤层顶板55～35 m，完钻后下入套管；三开钻至目标位置后，下入生产套管。施工采空区直井时，一开钻进至地层20 m，下入表层套管；二开钻进至漏风时止钻，最深不超过采空区上方50 m，下入套管；三开钻进至采空区，在二开套管底部悬挂打孔筛管完井。
2.4 未采区储层压裂增透
地面井采前压裂是通过水力压裂工艺提升井筒与煤层之间的连通性，利用排水造成井孔周围压降，使瓦斯快速解吸，达到有效抽采瓦斯的目的[21-22]。现场施工过程中，仅对未采区的煤层进行水力压裂。选用定向射孔+泵送桥塞式光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂，采用深穿透加强弹进行射孔作业，支撑剂采用0.841/0.42 mm石英砂。压裂位置为煤层两侧区域中泥质含量较低的区域，并避开断层等地进行洗井，直至进出口水性一致。压裂结束后进行压后放喷和补射孔操作，其中压后放喷是待压力降至4 MPa以下用3 mm油嘴放喷，放至压力为0，过程中使排液量在1 m3/h以内，以控制支撑剂及煤粉返吐；补射孔是指当放喷至压力为0后，对本井冲砂，然后再进行射孔。
2.5 排采与集输工程
未采区的煤层气排采用“排水-憋压-控压-稳产-衰减”的五段三压式排采思路（图6），排采各阶段以“缓慢、连续、稳定”为原则，防止因排采强度过大造成支撑剂与煤粉同出造成的设备故障等问题。排水段产出液体为残留压裂液和压裂释放后煤层孔隙水的混合液体，持续时间为2～4个月；憋压段是解吸瓦斯的憋压排采过程，该阶段后期会有大量气体从出水口逸出，持续时间为1～2个月；控压段将通过油嘴控制一定的套压进行放气，该阶段持续1～2个月；稳产高产段过程中煤基质收缩占据主导作用，地层供气能力增强，生产井套压、气量上涨；当井控范围内地层压力降低至废弃压力时，进入衰减段，可采用小型增压机延长井寿命。排采过程中所使用的排采设备主要有螺杆泵、有杆泵、射流泵及电潜泵及隔膜泵。采空区和采动区瓦斯抽采的主要设备采用水环真空泵进行抽采，其抽采过程不同于未采区煤层气排采。在对应位置安装完成相关设备后，进行抽采，当抽采达标后关停即可。
集输工程包括首山一矿63口井的井场集输、采气管线、集气阀组、集气支线、增压站的规划。规划以采空、采动井为主，预抽井为辅。采空井采用单井增压方式，通过采气管线集输至集气阀组；采动井采用水环真空泵抽采、单井增压方式，通过采气管线集输至集气阀组；预抽井瓦斯通过增压设备由采气管线集输至集气阀组。集气阀组的煤层气经过除尘、脱水、计量后、通过集气支线输送至增压站；增压站的煤层气经过进站除尘、出站高压脱水后，通过集气干线输送至下游管道或用户。
3. 现场效果检验
首山一矿目前已完成地面抽采井22口，其中采动井10口，采空井3口，水平对接井1组两口，水平井6口，预抽井1口。以首山一矿己16-17-12110工作面外段魏庄井场为例，该井场共布置地面抽采井5口，其中采动直井2口，采动L型井3口，主要目的是为试验煤炭开采形成采动（空）区后地面抽采井产气效果，同时考察己组煤开采卸压后对上部主采煤层戊9-10的卸压效果影响。
3.1 试验地点概况
己16-17-12110工作面设计走向长1536 m，倾斜长255 m，工作面标高为：−728.3～−765.6 m，可采储量309万t。该工作面煤层结构较为单一，平均倾角5°，平均厚度5.3 m，为一次采全高工作面，原始瓦斯压力最大1.25 MPa，原始瓦斯含量11.2 m3/t，工作面水文地质情况较简单，无大型地质构造。己组煤层顶板以上170 m左右为戊9-10煤层，平均厚度2.0 m。
3.2 地面井瓦斯抽采效果
12110工作面不同类型抽采井在统计抽采时间段内瓦斯抽采量如图7所示。1号采动L型井位于己组煤层顶板附近，受采动影响钻井日排采量1万m3左右，转入采空区抽采后，日产气量2000～5000 m3之间。抽采180 d后，由于邻近层瓦斯涌入造成日抽采量在增大。抽采期间累计排采瓦斯163.8万m3（图7a）。2号采动L型井位于戊组煤层中，平均日排采量3000 m3，累计排采瓦斯137.3万m3（图7b）。2号采动直井终孔位置距己16-17煤层顶板45 m，主要抽采工作面采动区卸压瓦斯及采空区瓦斯。在抽采初期，平均日产气量3万m3左右，最高日抽采量达到41100 m3，抽采效果显著，采面停止回采后，采动区转为采空区，日产气量仍保持在8000 m3左右，钻井累计产气量259.7万 m3（图7c）。3号采动直井终孔位置距己16-17煤层顶板60 m，单日最高产气量12359 m3，日产气量6000～10000 m3，工作面停止回采后，钻井抽采采空区瓦斯，日产气量稳定在3500 m3左右，抽采期间钻井累计产气量约72万 m3（图7d）。由图4可知，当己16-17煤层回采后，上方部分不可采煤层位于裂隙带范围内，戊9-10煤位于弯曲下沉带内，地面井的层位位于裂隙带中上部，可有效抽采不可采煤层中的煤层气资源，进而缓解因戊9-10回采过程中下部不可采煤层中的瓦斯借助底鼓裂隙带运移至其后方采空区而造成的瓦斯问题。同时，戊9-10位于弯曲下沉带内，地层变形对于透气性有一定改善作用。采后现场勘探表明，采动区地面井瓦斯抽采的实施，不仅实现了井下瓦斯的高效抽采，也考察了己组煤开采卸压后对上部戊9-10煤层的卸压效果，形成了“采一层治多层”的瓦斯治理模式。
4. 结 论
1）首山一矿各煤层瓦斯占比和瓦斯含量整体随埋深增大呈增大趋势，瓦斯占比由69.41%增大至78.81%，平均瓦斯含量由5.54 mL/g增大至9.00 ml/g；矿井瓦斯资源估算总量为65.14×108 m3，其中己16-17煤层瓦斯资源量最丰富，占总量的59.36%，丁组煤瓦斯资源量最少，仅占总量的11.39%。
2）提出了地面井分区式瓦斯抽采技术体系，即将矿区分为未采区、采动区和采空区并在三区内实施体系化瓦斯治理，包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程四部分。通过地面井的分区式设计，实现以空间换取时间，确保瓦斯抽采的时空协调。
3）基于三区特点，进行了地面井分区式瓦斯抽采工程设计。规划首山一矿地面井63口，设计4种适合不同区域的地面井井身结构和施工方法；在未采区采用水力压裂方式进行储层增透，选用定向射孔+泵送桥塞光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂；确定了瓦斯排采方法和井场集输、采气管线、集气阀组、集气支线、增压站的集输工程规划。
4）在首山一矿进行地面井瓦斯抽采现场试验，首山一矿井田区域所有地面井累计瓦斯抽采量为1425.2万m3，不同分区的地面井瓦斯抽采效果良好，能够保持长时间的稳定瓦斯日产量。地面井瓦斯抽采既实现了井下瓦斯的高效抽采，又能够实现“采一层治多层”，具有一定的推广应用价值。
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表 1 各煤段主要煤层情况
Table 1 Main coal seams of each coal section
地层 煤段 煤层编号新（旧） 厚度/m 编号 厚度/m 两极（平均值） 下石盒子组 五 87 五2（丁5-6） 0~4.88（1.50） 五1（丁7） 0~1.86（0.68） 四 76 四3（戊8） 0~1.76（0.89） 四2（戊9-10） 0.90~5.15（2.64） 山西组 二 85 二1（己16-17） 2.76~10.22（5.50） 
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表 2 瓦斯资源量估算
Table 2 Estimation of gas resources
区域 瓦斯资源量/108 m3 己16-17 戊9-10 戊8 丁组煤 未采区 31.08 10.89 8.16 7.42 采动区 5.09 未采 未采 未采 采空区 2.50 未采 未采 未采 总计 38.67 10.89 8.16 7.42
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