0.   引　　言

中国具有富煤贫油少气的能源格局，煤炭能源依然会在未来较长时间内居于能源结构中的重要位置^[1]。我国废弃矿井的数量达1.2万处，到2030年将达1.5万处^[2-3]，残留煤层气资源量将近5000×10⁸ m³，大力开发煤层气既能有效弥补我国天然气缺口^[4-5]，还可以有效缓解煤矿井下瓦斯突出、超限等问题^[6-7]，促进煤层气与煤炭协调开采^[8]。2022年，河南省天然气需求量为128×10⁸ m³，本省的天然气产量为3.9×10⁸ m³，对外依存度高达98%。省内煤系气资源量超过6.5×10¹² m^3[9]。开发煤系气资源能进一步提升河南省天然气自主供应保障能力；同时，可以降低煤中甲烷气体的含量与压力，提高煤矿安全生产能力。“三区联动”抽采是煤矿区地面抽采煤层气的主要手段，其已在晋城、淮南、淮北和鸡西等多个矿区进行了产业化应用^[10-12]。但平顶山矿区具有煤层间距大、含气层段多、煤层透气性低等特点^[13]，上述矿区的成功技术无法直接应用。笔者采用气测录井和含气量测试相结合方法，识别出主要含气层位，评价了东部5对矿井的采动区和采空区的煤系气资源量；构建了地面采动L型水平井−地面采动直井/定向井和地面采空直井联作的多煤层联合卸压立体抽采模式，进行了工程示范，以期为该区及相似地质条件下多煤层卸压立体抽采利用煤系气提供参考和借鉴。

1.   平顶山东部矿区煤系气资源量评价

1.1   研究区主要含气层判识

1.1.1   研究区概况

平顶山矿区位于河南省中部，东西长约40 km，南北宽约20 km，面积650 km²。大地构造位置处于华北古板块南缘，区内断块隆起，四周凹陷。矿区主体构造为李口向斜，轴向北西50°，走向290°～310°；两翼地层基本对称，倾角5°～15°，本文研究的东部5对矿井包括平煤八矿、十矿、十二矿、十三矿和首山一矿（图1）。

图  1  平顶山矿区地理位置及构造图^[14]

Figure  1.  Geographical location and tectonic setting of Pingdingshan mining area^[14]

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区内主要含煤沉积为石炭−二叠系含煤地层，包括太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组。主力煤层为山西组下部的二₁煤层和下石盒子组的四₂煤层，其平均厚度分别为6.15 m和2.64 m。二₁煤层埋深为700～1 200 m，四₂煤层埋深为530～1 050 m，2层煤的平均层间距为170 m(图2)。二₁煤层的镜质组最大反射率为1.41%～1.73%；四₂煤层的镜质组最大反射率为1.32%～1.65%。二₁煤层的实测含气量为1.05～26.00 m³/t，平均为12.36 m³/t；四₂煤层的实测含气量为2.00～16.21 m³/t，平均为9.77 m³/t。

图  2  平顶山矿区含煤地层综合柱状图^[14]

Figure  2.  Comprehensive columnar diagram of coal-bearing strata in Pingdingshan mining area^[14]

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1.1.2   主要含气层判识

PCK-01井的气测录井全烃值表明：二₁煤层顶板200 m范围内存在3处主要含气段，即：四煤组、三煤组、二₁煤层顶板60 m范围内的砂岩/泥质砂岩互层段（图3）。其中，四煤组的钻时和全烃体积分数分别为9～16 min/m和0.135%～0.643%，全烃体积分数基值为0.073 7%，全烃体积分数与体积分数基值的比值介于1.83～8.72，平均为5.02。

图  3  PCK-01井气测录井全烃、钻时分布

Figure  3.  Distribution of total hydrocarbon and drilling time in gas logging of Well PCK-01

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三煤组的钻时、全烃体积分数分别为7～14 min/m和0.362%～0.581%，全烃体积分数基值为0.0762%，全烃体积分数峰值与基值的比值介于4.75～7.62，平均为6.01。

二₁煤层顶板60 m左右的砂岩、泥质砂岩互层气测异常段的总厚度达22 m，其钻时和全烃体积分数分别为5～13 min/m和3.128%～16.319%，全烃体积分数基值为2%，全烃体积分数与体积分数基值的比值为1.56～8.16，平均为4.57。

1.2   评价方法与结果

1）资源量评价方法

平顶山东部5对矿井煤系气资源量由煤炭开采后井巷内的残留气、遗煤气、未采区及顶底板围岩气等组成。目前煤系气资源量计算方法主要包括物质平衡法、体积法、资源构成法、下降曲线法、气藏数值模拟法、类比法^[15-19]。本次采用体积法分别对采空区和采动区的煤系气资源量进行计算。

采空区煤系气资源量为采空区中游离气量、垮落带中游离气量、裂隙带中游离气量之和^[15-16]，即：

式中，Q_c为采空区煤系气资源量，10⁸ m³；Q_y为采空区空间游离气量，10⁸ m³；Q_k为垮落带中游离气量，10⁸ m³；Q_l为裂隙带中游离气量，10⁸ m³。

采空区游离气量受煤炭采出率和采煤过程中甲烷气体释放率控制。其中，煤炭采出率按85%计算^[20]，采煤过程中遗留在采空区的甲烷气体释放率按10%计算。则：

式中，$\eta _1$为煤炭采出率，本次取85%；$\eta _2$为采煤过程中遗留在采空区的甲烷释放率，本次取10%。S_c为计算范围面积，10⁴ m²；H_c为平均厚度，m；D_c为平均容重，t/m³；C_c为平均瓦斯含量，m³/t；α为含煤岩系倾角，（°）。

本次垮落带和裂隙带的瓦斯量计算公式为

式中，$\eta _3$为煤邻近层瓦斯排放率，本次取平均值40%；Q_w为围岩砂岩气资源量，10⁸ m³。

采动区资源量计算按照未采区体积法计算^[18-19]，煤系气资源量的计算公式为

式中，Q_x为煤系气资源量，10⁸ m³；S_x为煤系气计算范围面积，10⁴ m²；H_x为含煤岩系平均厚度，m；D_x为含煤岩系平均容重，t/m³；C_x为含煤岩系平均瓦斯含量，m³/t。

垮落带和裂隙带中的游离气来自二₁煤层顶板60 m范围内的围岩气，不同层间距和甲烷气体排放率的关系如图4所示。

图  4  层间距和甲烷气体排放率关系^[21]

Figure  4.  Relationships between layer spacing and gas emission rate^[21]

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计算面积由采掘工程平面图直接求出；煤层及含煤岩系的容重为钻孔取心测试结果的平均值；煤层及含煤岩系厚度为钻孔厚度平均值；煤层含气量由实测含气量与埋深拟合关系得出；煤系气含气量确定由气测录井全烃值与实测含气量拟合关系得出。

2）资源量计算结果

平顶山矿区东部5对矿井采动区和采空区的煤系气总资源量为46.36×10⁸ m³。其中，采动区煤系气资源量为26.36×10⁸ m³，采空区煤系气资源量为20.00×10⁸ m³（表1）。

表  1  平顶山东部五矿采动区和采空区资源量

Table  1.  Resources in active mining area and gob area of five mines in eastern Pingdingshan mining area

区域	矿井	资源量/108 m3					占比/%
		二1煤	二1煤砂岩气	三煤段	四煤段	总计
采动区	八矿	3.65	0.80	1.77	1.13	7.35	27.88
	十矿	2.85	0.68	0.25	3.07	6.85	25.99
	十二矿	1.90	0.76	0.22	—	2.88	10.93
	十三矿	1.61	0.16	0.05	—	1.82	6.90
	首山一矿	5.09	0.77	1.60	—	7.46	28.30
	小计	15.10	3.17	3.89	4.20	26.36	—
采空区	八矿	2.49	—	—	—	2.49	12.45
	十矿	3.02	—	—	3.99	7.01	35.05
	十二矿	3.03	—	—	1.61	4.64	23.20
	十三矿	3.36	—	—	—	3.36	16.80
	首山一矿	2.50	—	—	—	2.50	12.50
	小计	14.40	—	—	5.60	20.00	—
总计	—	29.50	3.17	3.89	9.80	46.36	—

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2.   平顶山矿区煤系气地面高效抽采模式与应用

2.1   地面高效抽采技术体系

2.1.1   采动井高效抽采技术体系

1）采动覆岩三带分布

随着采煤工作面的推进，煤层顶板存在采动“三带”^[22-23]。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中关于中硬岩层垮落带和裂隙带高度计算公式分别为

式中，H_k为垮落带高度，m；M为采煤厚度，m；H_li为裂隙带高度，m。

根据研究区煤系地层分布特征和式（5）、式（6），计算出垮落带和裂隙带平均高度分别为41.9 m和133 m，垮裂带平均总高度为174.9 m，四煤段在采动影响范围内，计算结果与首山一矿“垮裂带”实测结果基本吻合。其分布如图5所示^[24-25]。

图  5  采动覆岩“垮裂带”示意

Figure  5.  Schematic diagram of “collapse -fracture zone” of overburden caused by mining

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2）采动区井位、层位及井身结构优化

布井原则：基于“地质−工程一体化”的指导思想，避开断层及陷落柱构造，首选甲烷气体富集区；综合考虑井筒稳定性、气体抽采量和抽采浓度，选择地形平缓且交通便利的位置，同时避开井下巷道的影响范围。

布置区域：根据文献[26]中建立的采动井沿倾向布置的位置计算式（7），结合研究区地层和开采条件，计算出采动井最佳井位水平投影应在0.17～0.28倍采长，且靠近回风巷条带区域。根据前期先导性试验采动井抽采浓度与工作面距离变化趋势，结合工作面周期来压步距18～25 m，避开周期来压整数步距以保证抽采效果。因此，走向上采动井的井间距一般为80～100 m（图6）。

图  6  采动区最优井位、层位部署示意

Figure  6.  Schematic diagram of optimal well position and layer deployment in mining area

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式中，L为煤层气地面井落底位置距回风巷水平投影距离，m；b为“O”形圈中瓦斯浓度高、含气量大的区域距“O”形圈边界的距离，一般取“O”形圈平均宽度的1/3～2/3，m；H为落底位置距煤层底板垂直距离，m；α为覆岩卸压角，(°)。

井身结构优化：采动区井型主要有直井（定向井）和L型水平井。受采动影响，采动区地面井易发生剪切、拉伸、弯曲破坏，造成井筒变形、气体运移通道堵塞^[27-29]。因此，采动井井身结构优化的根本目的是保证井筒在采动影响下的稳定性和产气通道的畅通性。优化前后井身结构变化见表2和图7。

表  2  优化前后井身结构参数对比

Table  2.  Comparison of wellbore structural parameters before and after optimization

井型	传统设计	优化后设计	优点
采动直井/定向井	①三开井身结构：一开ø444.5 mm+二开ø311.1 mm+三开ø215.9 mm钻头及一开ø339.7 mm钢级J55+二开ø244.5 mm钢级N80+三开ø139.7 mm钢级N80长圆扣套管；②筛管一般布置在煤层顶板60 m范围	①二开井身结构：一开ø444.5 mm+二开ø311.1 mm钻头及一开ø339.7 mm钢级J55+二开ø244.5 mm钢级P110+分级箍+ø219.1 mm钢级P110梯型扣套管；②筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部	①井身结构由三开优化为二开，提高了钻进效率；②在套管易变形段增加了孔径，既降低了采动影响井筒错断可能性，又保证了井筒产气通道的畅通性；③套管扣型由梯形扣替代长圆扣，钢级由P110替换N80，提高了套管抗变形能力；④实现了多气源共采
采动L型水平井	①在煤层顶板某一岩层中钻进；②套管扣型为长圆扣；③二开套管及三开筛管钢级为N80	①水平段轨迹为微下行轨迹，角度1°～3°；②套管扣型为梯型扣；③三开筛管钢级为P110	①水平段轨迹优化为下行轨迹，防止钻孔积水堵塞产气通道；②套管扣型由梯形扣替代长圆扣，钢级由P110替换N80，提高了套管抗变形能力

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图  7  采动直井（定向井）、L型水平井井身结构

Figure  7.  Well structure diagram of mining vertical well (directional well) and L-shaped horizontal well

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2.1.2   采空区地面高效抽采技术体系

1）采空区井位和层位优化设计

布井原则：采空区井位部署需要综合考虑地面情况、地质方面和采空区瓦斯富集区等。地面情况选择与采动井一致，地质方面避开断层及陷落柱构造，根据采空区瓦斯运移规律，在采空区上部易形成气体富集区域。

布置区域：根据覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征及裂隙带横向分布规律可知，裂隙带一般在回风巷和进风巷向采空区内倾30～50 m范围。采空区的甲烷气体主要集中在靠回风巷一侧。倾向上，采空区井一般布置在距离回风巷30～50 m的区域；垂向上，一般距二₁煤层顶板40～60 m完钻。

井身结构优化：传统采空井三开一般不下筛管；若下入筛管，一般布置在煤层顶板60 m范围内。本次固井封堵了平顶山砂岩含水层和四₂煤顶板砂岩裂隙含水层；同时三开下入筛管，筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部。优化后设计如图8所示。主要优点为：①固井防止了平顶山砂岩含水层和四₂煤顶板砂岩裂隙水向井筒渗漏，保证了产气通道的畅通性；②三开下入筛管，防止了煤层破碎坍塌掉块堵塞产气通道；筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部，实现了多气源共采。

图  8  采空井井身结构

Figure  8.  Structure diagram of goaf shaft

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2.2   立体抽采模式

为了达到“采一层抽多层”的效果，基于采动井布置原则，具备地面施工条件区域，在二₁煤层回采工作面前方采用三角形井网布置采动直井/定向井。不具备地面施工采动直井/定向井的区域，利用已有的采动直井/定向井的井场，分别布置二₁煤层和四₂煤层的采动L型水平井；水平段分别位于二₁煤煤层顶板40～60 m范围和四₂煤层顶板2 m左右；距进风巷和回风巷0.17～0.28倍采长平行布置2口二₁煤层和四₂煤层的水平井。基于采空井布置原则，在采空区靠近回风巷布置采空井。通过采动区和采空区联合抽采，保证工作面从回采初期至回采结束无抽采盲区和抽采的连续性，实现了局部二区联动煤系气抽采（采空区、采动区）。当工作面推过采动井时，原采动井逐步过渡为采空井抽采。同时，利用采动卸压可有效抽采二₁煤层上覆的三煤组、四煤组的甲烷气体，通过纵向上多层位采动卸压抽采和横向上多种井型（直井、定向井、L型水平井）无盲区抽采，实现了多层位、多区、多气源地面瓦斯立体抽采（图9）。

图  9  卸压立体抽采模式

Figure  9.  Pressure relief three-dimensional extraction mode diagram

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2.3   应　用

PCD-01井是首山一矿二₁煤层的采动定向井，该井位于己_15-17-12100工作面。2020年12月开始排采，最大日产气量17 846 m³/d，累计产气量292.78×10⁴ m³，平均产气量6 640 m³/d，平均甲烷体积分数98.17%（图10）。

图  10  PCD-01井瓦斯抽采变化曲线

Figure  10.  Extraction curve of well PCD-01

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PCDL-01井是首山一矿二₁煤层的采动L型水平井，该井位于己_15-17-12110工作面。2022年2月开始排采，最大日产气量14 613 m³/d，累计产气量335.52×10⁴ m³，平均产气量4 153.82 m³/d，平均甲烷体积分数80.12%，平均井口负压为−0.057 kPa。近30 d日产气量2 494～2 873 m³/d，平均日产气量2 649 m³/d（图11）。

图  11  PCDL-01井瓦斯抽采变化曲线

Figure  11.  Extraction curve of well PCDL-01

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PCDL-02井是首山一矿四₂煤采动L型水平井，该井位于己_15-17-12120工作面，抽采受二₁组煤采动卸压影响后四₂煤层的煤系气。2022年12月开始排采，最大日产气量21003 m³/d，累计产气量295.20×10⁴ m³，平均产气量8 511 m³/d，平均甲烷体积分数94.44%，平均井口压力−8.27 kPa（图12）。

图  12  PCDL-02井瓦斯抽采变化曲线

Figure  12.  Extraction curve of well PCDL-02

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PCK-01井是首山一矿二₁煤层的采空井，该井位于己_15-17-12041工作面。2021年1月开始排采，最大日产气量12 285 m³/d，累计产气量558.52×10⁴ m³，平均产气量5 312 m³/d。平均甲烷体积分数70.69%，平均井口压力−1.20 kPa。近30 d日产气量2 467～6 275 m³/d，平均日产气量4 390 m³/d（图13）。

图  13  PCK-01井瓦斯抽采变化曲线

Figure  13.  Extraction curve of well PCK-01

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根据4口典型煤系气井产气曲线，结合落底位置对其产气规律和差异进行分析，分析结果见表3。

表  3  典型井的产气规律和产气差异

Table  3.  Gas production patterns and differences in typical wells

井型(井号)	落底位置	产气规律	产气差异
采动直/定向井 (PCD-01)	垂向上，距二1煤层顶板66 m；倾向上，距回风巷0.25倍采长	急速达到产气高峰后呈负指数函数下降；最大日产气量17 846 m3；平均甲烷体积分数98.17%	抽采二1煤层及裂隙带中上部至四煤组的煤系气，气源广，产气量高，甲烷浓度高
采动L型水平井 (PCDL-01)	垂向上，距二1煤层顶板50～55 m；倾向上，距回风巷0.17倍采长；水平段长316 m	产气初期波动，达到高峰后呈负指数下降；最大日产气量14 613 m3；平均甲烷体积分数80.91%	初期裂隙存在“形成—变窄—进一步扩大”过程，产气量呈现由高到低再到高峰的变化；主要抽采二1煤层的卸压气，气源单一，空气的混入导致甲烷浓度降低
采动L型水平井 (PCDL-02)	垂向上，距四2煤层顶板2 m；倾向上，距回风巷0.28倍采长；水平段长529 m	达到产气高峰后呈负指数下降；最大日产气量21 003 m3；平均甲烷体积分数94.44%	主要抽采裂隙带上部三煤组和四煤组煤系气，气源较广，甲烷浓度高
采空直井 (PCK-01)	垂向上，二1煤层底板完钻；倾向上，距回风巷0.28倍采长	初期产气量逐渐升高，达到产期高峰后负指数下降；最大日产气量12 285 m3；平均甲烷体积分数70.69%	初期裂隙通道不畅通，随着抽采进行，裂隙通道变得畅通，产气量上升；抽采二1煤层及裂隙带中上部至四煤组的煤系气，气源广；但落底层位低，混入空气较多导致甲烷浓度降低

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截至2024年4月30日，平顶山矿区煤层气地面井累计抽采纯量达5 258.8×10⁴ m³，其中发电利用741.5×10⁴ m³、管输利用3 017.5×10⁴ m³、CNG利用717.9×10⁴ m³、尼龙城利用25.3×10⁴ m³，总利用量达到3 735.4×10⁴ m³，率先在河南省实现了商业化。首山一矿己_15-17-12110工作面地面采动直井最高日产气量达到4.1×10⁴ m³/d，打破了河南省地面钻井单日甲烷气体抽采纪录。

3.   结　　论

1）通过气测录井与含气量测试等手段，精准判识了煤系主要含气层段和含气量，并采用体积法计算出平顶山矿区东部五矿采动区和采空区煤系气资源量分别为26.36×10⁸ m³和20.00×10⁸ m³。

2）基于“O”型圈理论和“防−抗−让”的思想，创建了大口径、避开岩体变形强烈区和提高套管强度的采动区稳孔技术体系。

3）构建了采空区地面井长周期稳产高效的抽采技术体系，形成了“地面采动直井/定向井−地面采动L型水平井−采空井”联作的立体卸压抽采模式，实现了多气源立体抽采。