顿巴斯矿区地面煤层气抽放的先进工艺

科如绍克·杰尼索维奇 图尔钦·安德烈耶维奇

谢维列夫·烈昂尼多维奇 尤什科夫·亚历山德罗维奇

(顿涅茨克钢铁公司，乌克兰 83000)

顿巴斯矿区地面煤层气抽放的先进工艺

科如绍克·杰尼索维奇 图尔钦·安德烈耶维奇

谢维列夫·烈昂尼多维奇 尤什科夫·亚历山德罗维奇

(顿涅茨克钢铁公司，乌克兰 83000)

本文讲述乌克兰顿巴斯矿区的煤层气抽放和利用，分析了综合开发和利用瓦斯的新方案，并选择伯克罗夫斯科矿务局做为实施方案的地点，该矿务局是乌克兰最大矿务局，年产800万t煤。实践证明从地面抽放瓦斯的优越性，每年要建设约50口抽放井的方法，顿涅茨克钢铁公司选用Ultra Single 150型 (加拿大)钻机，进行钻孔。阐述这种钻机结构和使用方法，速度达到约60m/h，每昼夜速度达到620m，比原有钻机提高速度2～3倍，使用多晶体PDC型钻头，一个钻头可钻深7000多m。在煤层气利用方面，采用热电联产气体活塞式发电站，可供矿务局所需电量的54%，效益好，可推广。

综合开发利用 快速钻进 发电站

1 概况

顿巴斯煤田是乌克兰主要的燃料能源基地。近年来，顿巴斯不仅被看作为产煤区，而且也被看作是大型含气区域。顿巴斯煤矿可能抽采的煤层气量完全可以和乌克兰已探明的天然气储藏量相媲美。

鉴于乌克兰已探明的天然气储藏量并不大，因此应高度重视从煤层抽采煤层气来弥补天然气开采量不足的可能性。顿巴斯矿区的煤层气资源估计为12万亿m3，应当指出，煤层气的成分和热值与天然气是相同的。每年，顿巴斯矿井的抽气系统提取25亿m3煤层气，其中仅3亿m3煤层气被有效利用。

2 综合开发利用方案

2.1 方案的内容

近期，根据顿巴斯矿区的实际情况，制定出煤层气综合开发和利用方案，其内容包括:(1)对煤矿的煤层气进行有计划的预抽放;(2)用地面钻井对回采工作面和采空区进行煤层气抽放。

预抽放是采矿作业开始前抽采煤层气，目的是减少其进入巷道并防止瓦斯突出。美国威德福公司正在在顿巴斯矿区进行试验作业。日常抽放是从回采工作面和采空区经过地面钻出的井孔抽排。目前，顿涅茨克钢铁公司正在实施该项作业。采用创新技术和方法可大大缩短了钻井的施工工期。

2.2 方案的实施

波克罗夫斯科矿务局被推荐作为该方案的实施地点，它是顿巴斯煤田具有代表性的采煤企业。矿井的采煤作业在800多米深的d4煤层进行，该煤层是易发生煤和瓦斯突出的地层。该矿务局是乌克兰最大的矿务局，年采煤800万t。正如矿务局高产回采工作面的开采经验所证实，瓦斯的存在降低了采煤速度，由于必须保持其在巷道空气中的安全含量，也使采矿作业的实施复杂化。然而，使回采工作面中的瓦斯状况正常的通风系统的功能是有限的。

此外，与从采掘巷道中所钻的孔相比，从地面钻孔抽气更有自己的优越性。

(1)从地面钻孔不依赖采矿巷道的状况，也不干预生产过程;

(2)使用地面钻机钻孔作业的生产效率高，使用地面钻孔提取瓦斯的产量，比从井下巷道钻孔抽采效率提高几倍;

(3)现代化钻井工艺可以从一口井钻出几口倾斜水平井，这大大减少了钻井作业的费用，从而减少了配置钻机的土地占用面积。

2.3 实施的结果

根据上述这些经验使顿涅茨克钢铁公司首次在乌克兰制订并开始实施煤矿瓦斯综合开发和利用方案，该方案基于采用创新技术解决方法、采用新工艺和新设备的多方案战略。方案规定预先对煤层进行抽采，继而开采高产煤层或对不可采的煤层进行煤气化。众所周知，依靠采用预先抽放工艺，把煤矿体中瓦斯的天然含量降低50%以上，可以显著提高生产的安全性，并大大地降低抽放地段的准备和开采费用。

通过地面钻井对采空区进行抽放的工艺，纳入日常抽放，减少瓦斯向巷道的排放量是在采矿作业过程中进行的。它的特殊性在于，作为一项辅助措施，它是在通风系统和地下抽放系统达不到时采用，但任何情况下也不能替代井下抽放。

公司制订了利用地面钻井对采空区进行抽放的方案。该方案的主要特点是规定一年建设约50口抽放井，这些井间的距离为300m，并配有相应的基础设施。

按采煤段长度布置的抽放井，布孔的方法应考虑到采煤地段瓦斯排放量增长周期和气体排放递减的周期。

方案的主要解决方法是精确协调采煤速度和抽放井的钻采时间。抽放井的钻采时间应当在回采工作面接近它但不小于30m的距离之前结束。

3 采用新设备新工艺

3.1 采用新钻机机组

考虑到所完成的任务范围广和对钻机机组的要求很高，顿涅茨克钢铁公司选用加拿大Ultra Single 150型钻机。

该机的特点是成组配备，设备安装的期限短，使用时不必建造沉淀池的钻井液封闭式净化系统，钻塔的稳定性高，从而排除了钻探时用拉杆固定它的必要性。

在抽放方案实施过程中发现，考虑到地面钻井的时间和回采工作面的采煤速度，需要钻井速度的最佳化。为此，对完成部分钻井作业的消耗时间进行了时间分析，得以形成减少钻井作业时间所需的方法。

为了保证钻井在煤系地层构造复杂地质条件下的垂直度，研究出各种方案的钻铤布局使用工艺，确保了降低井孔轴线与井孔垂直中心线的偏差。

为确保钻井过程中钻井液循环全部或部分消耗时井帮的稳定性，提出向钻井液注入专用填料。此外，还开发出使用以聚合物为基础的添加剂配方，以提高钻井液的优质参数。为了保持钻井液的最佳参数，使用了Brandt公司的4级净化系统，而对于更进一步的净化，则在净化单元的组成中附加了离心机。

3.2 采用电动钻头

顿巴斯矿区建造地面抽放井的创新技术解决方法是采用钻井井底螺旋式电动钻头。工作面螺旋式电动头的使用显示出该工艺提高钻井速度和确保钻井垂直度所需参数的高效率。达到顿巴斯矿区创记录的速度约60m/h。该工艺的采用使钻井速度提高2～3倍。

为了提高钻探的机械速度，对世界主要制造商的各类钻头进行了试验。被认可为破碎岩石最佳的是多晶体PDC型钻头，它确保一个钻头可钻深7000多米。

为了完成管外间隙充填固井作业，在钻机机组中配有基于加拿大肯沃斯型 (Kenworth)的牵引设备水泥灌注设备。

从2011年5月至今，顿涅茨克钢铁公司共钻抽放井60000多米。最大钻进速度达到620m/昼夜。

乌克兰石油天然气开采公司缺乏采用同等级钻机的经验，因此，在开采过程中形成并且旨在改善工艺作业的先进钻探方法及减少建设时间的每个技术解决方法都是创新的。施工结束后，每口抽放井配备有管接头和防护罩。

4 热点联产发电站

无论是井下方式，还是经过地面钻井开采的煤层气，都是经过支线管网送达真空泵站。气体从泵站输送到热电联产发电站进行发电。由6台Jenbacher JMS-620装置 (总电功率18.2兆瓦，热功率17.5兆瓦)和Hofgas喷射装置组成的热电联产气体活塞式发电站一期建设已经完成并投产。新设备可确保矿务局54%的自身电能需求，主要区域的70%热能需求由电站来保障。在这种情况下，电站生产的电的售价要比国家电费的价格便宜1/7，而其热能比市政锅炉房的热能便宜1/10。由于使用热能效率达35%以上的先进热电联产工艺，使得效率提高节约能源。相当重要的是，热电联发电站在相当大程度上也减轻了矿区的自然环境压力。

对于热电联产气体活塞式发电站的工作来说，输入的煤层气的浓度应当在20%～85%范围内，而压力应当在5～30千帕范围内。

鉴于真空泵站出口上瓦斯的预计压力，以及保证热电联产气体活塞式发电站入口上气体的所需压力，敷设气体管道特选用了φ630毫米聚乙烯管。聚乙烯管的焊接使用了德国Roweld P630B2焊接机。

5 结论

(1)顿巴斯煤矿煤层气储量可以与乌克兰已探明的天然气储藏量相媲美。

(2)必须着手开发煤层气抽采的新工艺，改进现有工艺。

(3)分阶段强化和不断在现有生产煤矿中从煤层抽采煤层气，可以极大地提高采矿安全和采煤的产量及利润率，在采气的同时，使矿山的经营多样化。

［1］伊利亚绍夫М.А.，列维特В.В.，菲拉托夫Ю.В..煤层瓦斯部门概况 ［M］.基辅:纳乌科瓦杜姆卡，2011.

［2］伊利亚绍夫 М.А.，阿加弗诺夫 А.В.，科朱绍克О.Д..基于先进工艺的煤矿床预先抽放 ［J］.“顿涅茨克钢铁公司”创新文摘，2012，3，13-14.

［3］库热利С.В..“波克罗夫斯克耶’矿务局的钻井速度记录”［J］.乌克兰煤炭，2012，2，6-7.

［4］伊利亚绍夫М.А.，科朱绍克О.Д.，图尔钦В.А.，舍维列夫В.Л.，皮利佩茨В.И..顿巴斯钻探抽放井时使用工作面螺旋式电动机［J］.格柳卡扣弗幸福杂志，2012，12，12-14.

Advanced CBM Drainage Techniques in Donetsk Mining Area

Kozhushok O.D.，Turchin V.A.，Shevelev V.L.，Yushkov E.A.
(Donetsk Steel Group，ukraine 83000)

The article introduces the drainage and utlizatione of CMM in Donetsk，Ukraine.，and analyses the new project of CMM development and tulization.The Pokrovckoy Mining Bureau，the largest mining bureau in Ukraine with an annual coal output of 8 million tons，was chosen to carry out the project.The practice shows the advantage of CMM drainage from the surface.There are around 50 drainage wells built each year.The Donetsksteel Company chooses the Ultra Single 150 model drilling rig to complete the drilling process.This drilling rig has a drilling speed of 60 m/h，and a 620 meters day/night drilling length can be reached.It has increased the drilling speed 2 to 3 times than the old model.The rig uses the PDC broach which has a drill depth of 7000 meters.About the useage of gas，the piston cogeneration power plant can cover 54%of the Bureau’s need.The benefits is singificant and worth to be popularized.

Development and use;rapid drilling;power plant

科如绍克·杰尼索维奇，毕业于圣彼得堡矿业学院，矿山工程师，任顿涅茨钢铁公司自然资源利用工艺创新处处长。

(责任编辑 韩甲业)