煤矿采掘区煤层气开发规律及模式探讨

刘 忠 张 聪 彭 鹤 方慧丽

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000;2.中国地质大学 (北京)能源学院，北京 100083)

煤矿采掘区煤层气开发规律及模式探讨

刘 忠1，2张 聪1彭 鹤1方慧丽1

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000;2.中国地质大学 (北京)能源学院，北京 100083)

位于山西沁水盆地南部的樊庄南部煤层气井区，既是华北油田煤层气井平均单井产量最高、也是产量出现明显递减的区块。研究这种开发情况后，认为与煤矿采掘有密切相关性。通过调查区块相邻煤矿的采掘情况，总结与煤矿采掘相关的煤层气井排采，获得了该类煤层气井的开采特征;同时进行了相关的煤基质收缩、应力变化等理论性探讨。受煤矿掘进影响的煤层气井有正反两方面表现，在实际开发中，掌握两者间的辩证关系，有利于提高资源利用率，提高经济效益。

煤矿采掘 煤层气开发 煤基质收缩 应力变化 辩证关系

华北油田山西煤层气勘探开发分公司开发区块涉及到多个煤矿，今后与煤矿矿权重叠区的开发工作，需要建立一种新模式。本文以开发规律受煤矿采掘影响的樊庄南部井区为例进行了探讨。在调查、掌握煤矿的巷道建设、开采面掘进及采空区范围等基础上，通过研究生产井的排采动态、地下应力变化，同时结合中国煤炭科工集团雷毅等对煤矿与煤层气协调开发模式研究。认为煤矿掘进对煤层气地面抽采有正反两个方面的作用，提出用辩证的方法去看待、新的模式协调处理两者关系，既有利于资源的高效、合理利用，又可以避免资金的无效投入。

1 相邻煤矿及掘进影响情况

樊庄南部井区范围内有3个正在开采的煤矿，分别是隶属于沁河能源的端氏煤矿、曲堤煤矿和隶属于晋煤集团的坪上煤矿。该区块钻探的77%的煤层气井的矿权与三个煤矿重叠。目前受煤矿掘进影响的井主要有钻探井未投产、低产报废、高产气井产量大幅下降等。

2 与煤矿采掘相关的煤层气井开发情况

2.1 一般煤层气井开发特点

国内总结的高阶无烟煤的煤层气井开发特点，一般有如下五个方面:一是储层压力总体上与埋深呈线性正相关。二是煤层吸附/解吸含气量，遵循Langmuir等温方程式。三是各类煤层气藏，基本见不到明显游离气。四是煤层气井产出水，主要有层内、层间、外源水三种类型，解吸前一般产水3～5m3，纯排水时间100天左右。五是直井日产气差异大，但总体遵循日产500～3000m3井为主的正态分布。

2.2 受煤矿采掘影响的煤层气井开发特点

樊庄南部井区煤层气井开发特点有别于一般的高阶无烟煤层气井，渗透率与一般的煤层气直井排采情况不一致，不同与沁南高煤阶煤层气富集高产原因。

(1)储层压力系统发生了较大变化，与煤层埋深的正相关性较差。邻近煤矿井的储层压力系数在0.04～0.83之间，平均为0.41。压力与埋深的线性关系差，数据离散性较大，线性拟合的相关系数不到20%(图1)。

(2)解吸状况与一般煤层气井不同，存在游离气。受煤矿采掘影响井中，29.6%的井储层压力低于1.0MPa，投产即解吸产气，表明投入开发前解吸产生了游离气。

图1 临近煤矿井储层压力与埋深关系

(3)解吸时间短，解吸前日产水量小、累产水量低。平均解吸时间24.4天，解吸前平均日产水 1.7m3/天、平均累产水 60.4m3。

(4)受煤矿采掘影响井，总体上以日产气量较高井为主，日产气5000～10000m3的井数，占同类井的77.8%。

2.3 主要形成原因

煤矿采掘区影响范围内的储层压力、渗透率发生了改变。樊庄南部井区注入压降测试的原始渗透率平均1.3mD，相对较低，后期渗透率明显较高，与采掘的应力变化有关。据煤矿研究资料，储层压力越邻近于煤矿巷道及回采区前方，随着开采时间(开采时间的长短，用t1、t2、t3表示)增加、开采范围 (与采出边界的距离，用L1、L2和L3表示)扩大，储层压力下降的越低 (图2)。储层渗透率的变化与储层压力相反，随着采掘时间增加、煤层采出范围扩大，造成水平方向应力增加，引起煤层基质沿裂隙的强烈收缩，增加了裂隙宽度，渗透率明显增高 (图3)。压力的变化没有渗透率的变化剧烈。

图2 巷道及回采区前方储层压力随时间变化图

再者，由于煤矿开采时对煤层水的强烈抽排作用，明显减少了裂隙内含水情况。

2.4 利用不同生产特点判定受采掘影响距离

(1)储层压力低于0.8MPa，具有投产即解

1—煤层或煤矿采空区边界;λ1—原始渗透率;λ2—开采后影响渗透率吸、低套压、低气量、低水量、稳产时间短等特点井，与巷道或采空区距离一般小于500m，开发效果差。

(2)处在煤矿瓦斯预抽放范围内，储层压力下降到2.0MPa左右，储解压差接近于0，具有投产很快解吸、产气量高、水量少、高产稳产期短等特点井，与巷道或采空区距离500～1000m范围。

(3)由于增加了水平应力，由广义虎克定律可知，将引起煤基质收缩，增加裂隙宽度，渗透性得到有效改善，整体渗透率较高，不同与其他区块煤层渗透率在水平空间展布明显异性。具有正常的储层压力系统，正常的解吸压力，投产后单井产气量上升快，高产稳产时间长，生产效果较好。该类井与巷道或采空区距离一般在1000m以上。个别井距离巷道或采空区超过2000m，仍有上述开发特点。

3 煤矿掘进与煤层气开发的新模式探讨

3.1 基于煤矿安全的煤层气开发模式

雷毅等通过总结晋城地区煤矿区内煤炭开采情况，建立了煤层气与煤炭协调开发模式 (图4)，该模式服务于煤炭安全生产，对于完全未开发的煤矿，具有较好指导作用。但对于煤层气开发与煤炭矿区重叠区块，会造成资源与资金浪费。典型如樊庄南部井区。

图4 煤层群条件下煤层气与煤炭协调开发的布局模式

3.2 基于资源、资金高效利用的新模式探讨

为了避免类似樊庄南部井区无效钻探煤层气井较多情况，依据煤层气井开发规律，按照空间角度探讨了新的煤层气开发模式 (表1)。

按照这种开发模式，钻探煤层气井进行地面开发:一是距离巷道或采空区500m以内时，不考虑地面钻井。二是距离巷道或采空区500～1000m时，煤层气井开发要紧密结合煤矿掘进程度，与煤矿签订合作计划，可以有效减少资金风险，煤层气井投产后要加快排采进度，实现共赢;三是加大距离巷道或采空区1000m以外煤层气井的产能建设工作，可有效提高单井产气量。

3.3 新模式下现场已开展工作及成效

针对樊庄南部井区与煤矿的矿权重叠情况，开展了两个方面工作，均取得了较好成效。一是距离巷道或采空区500～1000m内井，通过负压抽排工具，提高日产气。二是距离巷道或采空区1000m以外，利用煤层渗透率变好条件，开展产建工作，从实际钻探情况来看，直井日产气超过5000m3/d，水平井日产气超过50000m3/d。

4 结论与建议

(1)煤层气地面开发受到地下煤炭开采的影响，不考虑煤矿掘进对其影响，不利于降低资金风险及提高煤层气资源利用水平。

表1 煤矿与煤层气矿权重叠下的煤层气开发模式表

(2)临近煤矿采掘区的煤层气井，由于受到储层压力、应力、渗透率、含气量等变化的影响，表现出了解吸时间短、产水量小、产气量差异大、易形成高产井等不同与一般煤层气井的开发特点。

(3)该类井的开发特殊性，决定了其开发工作不能按照传统的时间模式进行，而应该综合考虑与煤矿掘进的空间距离，根据不同距离，采取不同的开发对策。

(4)掌握煤矿与煤层气矿权重叠区煤层气井的开发模式，可以有效降低资金风险，提高煤层气井的单井产量，并达到提高资源利用率的最终目的。

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Discussion on Coalbed Methane Development Rules and Modes in Coal Mining Areas

LIU Zhong1，2，ZHANG Zhong1，PENG He1，FANG Huili1
(1.Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000;2.School of Energy Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083)

The wells of southern Fanzhuang CBM block which are located in the southern Qinshui Basin，have the highest single well average gas production of Huabei Oilfields Company and is the markedly declined area.The study results show the high level gas production and declined phenomenon is caused by coal mining.With the investigate of neighboring coal mines and their mining progress，summarizing the relationship of CBM well production an coal mining，this paper concludes the development characters of CBM wells nearby mining areas and discuss the theory of coal matrix shrinkage and stress variety.In CBM exploitation，the mining of coal bed makes a strong impact on surface wells’production，which could increase and decrease gas production.We should administer the two side dialectic relationship，which helps us improve resource utilization and economic effectiveness.

Coal mining;CBM development;coal matrix shrinkage;stress variety;dialectic relationship

国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》——山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程 (二期)(2011ZX05061)和中国石油股份公司科技重大专项《沁水煤层气田勘探开发示范工程》(2010E-2208)

刘忠，高级工程师，现任中国石油山西煤层气勘探开发分公司地质研究所副所长，长期从事煤层气勘探开发技术研究工作。

(责任编辑 黄 岚)