晋城矿区煤与煤层气共采研究进展及急需研究的基本问题

贺天才,王保玉,田永东

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城 048006)

晋城矿区煤与煤层气共采研究进展及急需研究的基本问题

贺天才,王保玉,田永东

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城 048006)

晋城矿区是我国最大的无烟煤生产矿区,自投产以来,受制于矿井煤层高瓦斯含量,常规井下抽采难以满足矿井安全高效生产的需要。晋煤集团通过探索地面抽采技术、井下抽采技术和地面与井下联合抽采技术,形成了“采煤采气一体化”的立体抽采模式,称为“晋城模式”,并在国内推广应用,取得了好的效果。基于晋城矿区实际,提出了煤与煤层气共采的基本概念,分析了煤与煤层气共采研究现状,介绍了“采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理模式、地面抽采关键技术和井下抽采关键技术,并提出了今后一段时间内的努力方向和急需研究的几个基本问题。

晋城矿区;煤与煤层气共采;研究进展;抽采技术;三区联动

我国煤田地质构造复杂,高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井众多,随着煤炭开采深度的增大,煤层瓦斯问题愈趋严重。2013年全国发生各类煤矿事故604起,其中,瓦斯事故57起,给人民生命财产造成极为严重的损失,因此煤矿瓦斯已成为影响我国煤矿安全高效开采的主要因素[1]。

早在1733年,英国一家煤矿首次进行了煤矿瓦斯抽放和管道输送的尝试。1844年又有另一个发生过瓦斯爆炸事故的矿井将采空区的瓦斯抽放至地面。19世纪后期,英国的威尔士开始进行从煤层中抽排瓦斯的试验。英国生产矿井中45%的瓦斯通过管道抽排到地面进行利用。20世纪40年代,德国的一座煤矿首次大规模利用瓦斯[2-5]。

我国的煤层气(煤矿瓦斯)抽采可追溯到20世纪50年代的煤矿井下瓦斯抽采。1952年,在辽宁的抚顺矿务局龙凤煤矿进行了井下瓦斯抽采试验并获得成功。通过50 a的发展,我国煤矿井下瓦斯抽采,由最初为保障煤矿安全生产的“抽采”发展到“抽采-利用”,之后又进一步发展成“抽采-利用-环保”的商业理念。抽采技术也由早期的只能对高透气性煤层进行本煤层抽采,而逐渐发展到对低透气性煤层进行邻近层卸压抽采[6-10]。

20世纪70年代,美国的一些煤矿业主为了减少煤矿瓦斯灾害,试图利用石油天然气开采技术进行瓦斯抽放,通过一段时间的试验,获得成功。之后,实现了煤层气地面商业开发,并形成煤层气产业。产业界和学术界基于煤层气吸附理论,研究并形成了一套完善的煤层气开采理论和技术体系,即煤层气产出遵循“排水-降压-采气”的开发理论,从煤层气藏的双重孔隙和各向异性以及地层条件下研究甲烷气的吸附-渗流机理,但对高煤级煤层气缺乏相应的有效技术[10-12]。随着美国煤层气地面开采的成功和对煤层气商业价值与能源战略地位的认识不断提高,20世纪70年代末,我国开始参考美国的有关理论进行煤层气地面开发的研究和试验,尤其在“八五”期间积极进行了煤层气可采性的理论探索。“九五”以来,我国煤层气勘探开发集中在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘、铁法盆地和阜新盆地[11-13]。截至2013年底,国内各有关部门、单位以及一些外国公司出资,在我国施工各类煤层气井14 000余口,多个煤层气开发区块已取得较好的产气效果,并实现了一定规模的商业化生产。

“煤与煤层气共采”是将煤与煤层气作为资源一起开发,包括先采气、后采煤协调开发和采煤采气一体化,即充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率等。目前,以保护层卸压和强化预抽技术为代表的区域性瓦斯治理技术,称为“淮南模式”,已在国内多煤层高瓦斯矿区广泛应用[14-16]。

20世纪90年代初,随着山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司(简称“晋煤集团”)东部老区煤炭资源逐步衰竭,煤炭开采不得不向西部新区转移。西部新区煤炭开采面临的主要问题是瓦斯含量太高,生产实践证明仅仅靠传统的瓦斯抽采,不能满足矿井衔接和安全生产的需要,如何有效降低煤层瓦斯含量成为了制约煤矿安全生产的首要问题。为了实现煤矿安全高效生产,从根本上解决瓦斯问题,晋煤集团开始从地面和井下两个方面治理瓦斯,并针对我国许多地区实行单一煤层开采,井下和地面抽采煤层气(瓦斯)的情况,晋煤集团成功开发了煤矿规划区、开拓准备区、生产区“三区”联动煤层气开发模式,建立了立体抽采工艺与配套技术,称为“晋城模式”,并在国内推广应用,取得了非常好的效果[17-19]。

煤与煤层气两种资源具有同源共生的特点,决定了煤炭开采与煤层气开发密切相关且相互影响。通过地面煤层气抽采能有效降低煤层气含量,有利于煤炭资源的安全开采和采掘活动的衔接;煤炭开采引起岩层移动,使邻近层的透气性显著提高,有利于煤层气资源的高效开发。但煤炭开采与煤层气开发如何协调共采,是目前煤与煤层气共采急需解决的关键科学问题。

1 晋煤集团煤层气抽采现状

晋煤集团是全国520家重点企业之一,拥有6对生产矿井,核定生产能力为3 060万t,拥有当今世界先进的采矿设备、现代化的洗选加工系统,是我国重要的优质无烟煤生产基地。

为解决晋煤集团煤矿瓦斯问题,从1992年开始,原晋城矿务局与中美能源公司合作在沁水盆地南部晋城矿区潘庄井田开展煤层气勘探和试验,施工了一个7口井组成的井组。1993年完成第1口煤层气参数井(潘1井),1994年施工了潘2井生产试验井,经压裂、排采,煤层气产量最高峰值达10 000 m3/d,这是沁水盆地第1口有工业价值的煤层气产气井。1995—1996年,相继完成了潘3井、潘4井,经压裂、排采,最高产气量分别达12 000 m3/d和6 000 m3/d。1997年,完成潘5井、潘6井、潘7井的钻探,并对潘1井进行了扩眼下套管完井,当年对4口井进行压裂,经排采最高产气量达到2 500～7 000 m3/d,后维持在1 000～3 000 m3/d。

为全面启动地面煤层气抽采工作,晋煤集团在2003年8月成立了蓝焰煤层气公司,专门从事地面煤层气抽采工作,其目标是通过地面煤层气抽采降低煤层含气量、解决煤矿瓦斯安全问题。截至2013年底,山西蓝焰煤层气公司已完成煤层气地面预抽井达5 030口,年钻井情况如图1所示。历年煤层气抽采和利用情况如图2所示。

图1 晋煤集团地面煤层气钻井数量变化趋势Fig.1 The number of wells drilled change trend of Jincheng Anthracite Mining Group

图2 晋煤集团煤层气抽采利用情况直方图Fig.2 Coal-bed methane extraction and utilization situation of Jincheng Anthracite Mining Group

据2013年统计,全国煤层气总地面抽采量30.00亿m3;其中山西蓝焰煤层气公司煤层气产量14.17亿m3。地面煤层气抽采总量占全国的50%。煤层气产品销往全国7个省、20多个地市。目前,晋煤集团在沁水盆地南部已成为我国具有商业性开发价值的煤层气生产企业,形成了一套完善的、具有独立自主知识产权的“清水钻进、活性水压裂、定压排采、低压集输”煤矿区煤层气地面预抽和井上下联合抽采技术体系,在高变质无烟煤层中获得了较为理想的单井工业气流,实现了单井产气突破,创建了一定规模的生产试验井组的煤层气开发示范工程,率先创立了“采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理新模式,解决了井下瓦斯抽采受时间、空间等条件限制的问题,为我国煤炭矿区瓦斯综合治理、保证高瓦斯矿井安全生产探索出了一条新的有效途径。

2 “采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理模式

晋煤集团提出从两个方面研究煤层气的抽采技术和工程示范:一是借鉴美国的地面煤层气开发理论,对于5 a以上的采煤规划区实施地面煤层气开发,研究适用于本区域的煤层气地面开发工艺技术,研究的主要方向是降低开发成本;二是改进井下瓦斯抽采工艺技术,扩大抽采范围,提供足够的抽采时间,确保煤层瓦斯含量降低到规定值以下。同时加强煤层气利用技术研究,开拓煤层气利用市场,在解决煤矿安全生产问题的同时,提高经济效益。

2.1 “采煤采气一体化”开发模式

晋煤集团通过长期的技术研发和工程示范,突破了无烟煤矿区煤层气地面抽采的“禁区”,进行无烟煤矿区地面煤层气抽采大规模工业性试验,创立了“采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理模式,形成“变被动治理瓦斯为主动开发利用瓦斯”的理念。

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,实现煤炭与煤层气资源的合理开发、综合利用及两类产业的健康发展。通过多年的实践和研究,探索出“采煤采气一体化”主要包括以下3方面内容:①在时间上,保持瓦斯预采与矿井的开发协调一致,形成地质勘探、地面预抽、矿井建设、煤炭开采、采中抽采、采后抽采的煤与煤层气开发的科学序列;②在空间上,保证地面煤层气抽采井位的布置与矿井开拓与采掘布置衔接相适应;③在功能上,努力实现煤层气井“地质勘探、采前抽、采动抽、采后抽”的一井多用技术[21-22]。

2.2 三区联动井上下立体抽采技术

基于“采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理模式和思路,根据煤炭开发时空接替规律,将煤矿区划分为煤炭生产规划区(简称规划区)、煤炭开拓准备区(简称准备区)与煤炭生产区(简称生产区)3个区间,探索形成了三区联动井上下立体抽采技术(表1和图3),进一步突出了煤炭开采和煤层气开发统筹规划,煤层气地面抽采与井下抽采在时间和空间上必须与煤矿生产相结合,通过抽采为煤炭开采创造出安全开采的条件。“采煤采气一体化”开发模式包括如下:

(1)规划区开采模式:规划区的煤炭资源一般在5～8 a甚至更长时间以后方进行采煤作业,留有充分的煤层气预抽时间。煤炭规划区,可以采用地面直井、丛式井、水平井等多种方式进行最大限度的超前预抽,实现煤与煤层气两种资源的有效协调开发,最好提前15 a进行预抽。

(2)准备区开采模式:准备区是煤炭生产矿井近期(一般为3～5 a内即将进行回采的区域)。煤炭开拓准备区,一般在3～5 a转化为煤炭生产区,超过5 a以上会增加维护成本,时间太短因瓦斯解吸时间不足会造成瓦斯含量和瓦斯压力不达标。晋煤集团首创了井上下联合抽采技术,充分发挥“地面压裂技术”与“井下定向长钻孔技术”的优势叠加,为准备区加速转化为生产区创造了条件。

表1 三区联动立体抽采技术体系Table 1 Technology of three-region integrated CBM stereo-extraction

图3 三区划分及抽采条件示意Fig.3 Three-region divided and pumping conditions schematic diagram

(3)生产区开采模式:生产区即煤炭生产矿井现有生产区域;煤炭生产区,虽然已经实现了区域抽采达标,但为保障煤炭安全高效生产,仍然需要进行本煤层钻孔抽采。如果瓦斯含量和瓦斯压力高于煤矿安全生产容许阈值,应实施边抽边采同时采动区地面抽采技术,提高煤层气抽采率。

3 煤与煤层气共采关键技术

3.1 煤层气地面抽采

晋煤集团针对无烟煤特点,经过不断探索、实践、总结,在钻井、压裂、排采和集输等关键环节探索出一套成熟工艺技术,突破了无烟煤不适合地面煤层气开发的“禁区”,为我国煤层气地面开发利用的第1个成功范例[23]。

3.1.1 煤层气井钻井技术

(1)直井清水快速钻进技术。

经过理论探索及现场实践,在晋城矿区,通过清水欠平衡快速钻进技术,以清水代替泥浆作为钻井介质,采用低钻压、大钻进液循环排量钻进,获得更快的钻进速度,清水钻进技术既能达到快速钻进的目的,同时又能满足井身质量的要求,且清水钻进成本低,能有效降低钻井成本。

(2)煤层气水平井钻采技术。

煤层气多分支水平井是20世纪90年代中后期在常规油气水平井和分支井的基础上发展起来的一项煤层气开采技术。美国的CDX公司率先为美国钢铁公司在西弗吉尼亚州的煤层气开发项目施工了近60口羽状水平井,取得了成效。继2004年奥瑞安能源国际设计并组织施工的第1口煤层气多分支水平井(DNP02井)成功之后,煤层气多分支水平井钻采技术发展迅速。随着煤层气多分支水平井被规模化应用,煤层气水平井钻采技术由单主支多分支水平井向双主支多分支水平井方向发展。

3.1.2 煤层气井压裂技术

考虑到晋城矿区煤储层特点及压裂工艺的要求,对压裂液的添加剂、压裂液性能及经济成本进行了优化,其优化基本原则为:与水源和储层的配伍性良好;滤失低,压裂液效率高,能造长缝;携砂能力强;摩阻低,稳定性良好;残渣低,容易返排;货源广,价格低。

煤层气井的增产改造技术,已由单一的活性水大排量加砂压裂朝着大排量中砂比活性水压裂、液氮泡沫加砂压裂和清洁压裂液压裂等更科学的增产改造技术方向发展。

3.1.3 煤层气井排采技术

煤层气主要以吸附状态存在于煤基质的微孔隙中,煤储层压力必须低于气体的临界解吸压力,煤层气才能解吸出来,在实际生产中是通过排水降压来实现采气。煤层气井排采技术也由定性的定压排采朝着智能化控压控粉定压排采方向发展。

3.1.4 煤层气低压集输技术

煤层气井集输的特点和难点有两点:一方面,煤层气井大都采用网格状布井,井间距离一般为几百米,井间距小,井的数量多,同时煤层气井的单井产气量低,井口压力低,不同煤层气井的气产量和井口压力差别很大,气井的日产气量可能从几百立方米到几千立方米不等,井口压力也从略高于大气压与十几个大气压之间变化,产气量和压力高的煤层气井往往影响产气量和压力低的煤层气井,因此煤层气井的集输要求尽量降低气井之间压力差异的相互干扰;另一方面,煤层气的生产要求降低煤层气井的井口压力,以提高气井的产量,因此,煤层气井的集输要求尽量降低管道工作压力。

3.2 煤层气井下抽采

针对晋城矿区井下抽采实际情况,采用区域递进式抽采技术、条带迈步式抽采技术和千米长钻孔定向钻进技术,与地面煤层气抽采技术相配合,成功实现了地面与井下联合抽采,建立了井上下联合抽采技术体系[23-24]。

3.2.1 区域递进式抽采技术

在采煤工作面生产的同时,利用巷道向接替面施工定向长钻孔,实施区域抽采,实现回采工作面与接替工作面的循环递进、良性接替,如图4所示。

图4 区域递进式抽采示意Fig.4 Regional progressive pumping schematic diagram

3.2.2 条带迈步式抽采技术

矿井掘进按双巷或多巷组织生产。一条巷道掘进,其他巷道前方布置条带式定向长钻孔抽采,抽采达标后进行掘进,多条巷道循环往复,如图5所示。

图5 条带迈步式抽采示意Fig.5 Moving style strip pumping schematic diagram

该技术的成功应用,对实现井上下联合抽放提供了技术支撑。

3.2.3 千米长钻孔定向钻进技术

随着我国煤炭综采技术的推广和发展,对煤层气抽采量和抽采效率提出更高的要求。对于高瓦斯矿区实施沿煤层长钻孔瓦斯抽采技术,进行本煤层模块抽采可减少专用巷道掘进量、减少钻孔工程量、缩短工作面准备时间、降低吨煤成本,同时可满足高产高效综采技术的要求,为煤矿的安全生产提供有力保障。近10 a来,晋煤集团通过引进澳大利亚千米钻机和通过与煤炭科学研究总院合作,在晋城西区和成庄煤矿进行了有益的探索,逐渐形成了以顺煤层模块式钻孔抽采工艺技术为主的煤矿井下顺煤层大口径千米长钻孔钻进工艺技术。

4 煤与煤层气共采综合效益分析

4.1 安全效益

通过实施煤层气地面抽采工程,有效释放煤层的流体能量,利用煤层气地面抽采效果评价技术,得到准确的煤层气含量变化规律,为煤矿的设计、生产、安全和通风方式的选择提供理论依据,并对下一步的抽采计划安排都起到了指导作用,使煤层气地面抽采和井下煤炭生产的衔接更加合理有序。

(1)寺河矿东区抽采效果检测。

2012年,在寺河矿东五盘区布置14口抽采效果检验井,该区原始煤层气含量为18.98～29.02 m3/t,经过2005年1月至2012年7月的地面预抽,经取芯检验确定本区域3号煤层剩余含气量为8.47～13.76 m3/t,平均为10.51 m3/t,含气量降幅达55% (图6(a)和图7)。

图6 东区和西区抽采前后煤层含气量对比Fig.6 The contrast diagram of coal-bed gas content of gas drainage before and after in east area and west area

(2)寺河矿西区抽采效果验证。

2012年,在寺河矿西二盘区布置8口抽采效果检验井,该区原始煤层气含量为20.30～26.33 m3/t,经过2007年1月至2012年7月的地面预抽,经取芯检验确定本区域3号煤层剩余含气量为11.98～18.07 m3/t,平均为14.13 m3/t,含气量降幅达42% (图6(b)和图7)。

4.2 综合经济效益

4.2.1 间接经济效益

(1)降低了煤矿投入,增加了作业空间。《寺河矿东井区接替盘区瓦斯抽采设计》初始设计抽采工程投入52 334万元,根据抽采效果评价调减后降低工程投入达7 476万元。井下瓦斯抽采管直径由650 mm减至500 mm,节省了大量的煤矿井下巷道占用空间。

图7 煤层气井排采过程中剩余气含量变化曲线Fig.7 The residual gas content change curves of CBM wells

(2)提高了掘进速度。东五盘区141口地面井连续8 a的抽采,使得寺河矿2012年煤矿井下该盘区巷道掘进速度大幅度提高,比预计工期提前4个月,缩短工期35%,且未发生1次瓦斯超限事故。

(3)煤矿井下巷道布置数量将大幅度减少。经15 a地面抽采后,由于瓦斯含量大幅度下降,预期减少施工2条巷道,可由原来的“3进2回”通风方式变为“2进1回”通风方式;仅东五盘区即可节省巷道掘进费用约8 000万元;减少了煤柱压煤,仅东五盘区预期可多产出煤炭1 300万t。累计节约煤矿井下抽采成本430亿元。

4.2.2 直接经济效益

截至2013年底,寺河矿累计地面抽采煤层气36亿m3,井下抽采近30亿m3,相当于减排9 000万t二氧化碳,累计实现收入100亿元。

5 煤与煤层气共采急需研究的基本问题

煤与煤层气两种资源具有同源共生的特点,决定了煤炭开采与煤层气开发密切相关且相互影响。通过地面煤层气抽采能有效降低煤层气含量,有利于煤炭资源的安全开采和采掘活动的衔接;煤炭开采引起岩层移动,使邻近层的透气性显著提高,有利于煤层气资源的高效开发。但是目前煤与煤层气共采程度低,地面煤层气井普遍产量低、不稳定;煤与煤层气共采开发模式及开发配套技术不完善。特别是煤与煤层气共采地质理论与方法和三区联动立体抽采理论与技术,是目前煤与煤层气共采急需解决的两个基本问题。

5.1 煤与煤层气共采地质理论与方法

(1)煤与煤层气赋存地质规律。

煤层厚度、煤储层孔渗性、含气性和煤的吸附与解吸特性等,是煤与煤层气共采地质研究的一个重要内容;而沉积作用和构造演化、水动力活动及热力场分布等区域动力学条件又对煤储层特征及温压条件有直接的影响,这些因素相互耦合从而决定了煤层气在储层中的富集程度,直接影响煤层气开发效果。

(2)岩石力学特性及地应力场变化规律。

系统分析煤、岩石物理力学性质,揭示影响煤、岩石物理力学性的控制因素,分析煤、岩力学性质对煤储层水力压裂的控制作用。分析煤储层地应力场特征,揭示地应力分布规律;建立煤储层渗透性与现今地应力之间的相关关系和模型,探讨其作用机理,为有效开发煤层气提供理论依据。

(3)煤与煤层气共采水文地质条件。

水文地质条件控制着煤层气的保存和运移,是影响煤层气富集和后期生产的重要地质因素。从水文地质条件分析入手,分析煤层气随地下水运移逸散作用和水力封闭控气作用;研究水文地质条件对煤与煤层气开采的影响,揭示煤层气生产过程中煤层压降的扩展规律,并进行煤与煤层气共采的水文地质条件评价与分类,为煤与煤层气勘探共采提供理论依据。

5.2 三区联动立体抽采理论与技术

(1)煤与煤层气资源特性与工程适配。

基于煤矿区煤炭开采分区模式(生产区、准备区、规划区等三区)以及煤炭开采衔接顺序,通过现场检测和样品测试分析,研究生产区、准备区、规划区的煤与煤层气资源开采条件及其工程技术的适配性,优化适宜不同区的煤与煤层气开采技术,促进煤与煤层气安全高效共采。

(2)煤与煤层气共采时空优化。

依据三区煤炭开发时空接替规律、不同区带煤层气开采技术特点和煤矿安全规程要求,通过测试和研究,创建掘进和回采的瓦斯安全阈值测算模型和方法,优化三区联动煤与煤层气共采时空衔接关系,探索区域递进式三区联动立体抽采模式,实现煤炭的安全高效开采和煤层气资源的有效抽采。

(3)煤矿瓦斯灾害防治理论与技术。

通过对煤炭生产区、准备区、规划区的煤层岩石力学测试和三区的瓦斯参数动态检测,研究瓦斯赋存、涌出、突出规律及影响因素,探索高突瓦斯矿井防突消突的基础理论和技术,优化三区递进时空关系和矿井掘、抽、采的时空衔接和三区联动立体抽采技术,探索并形成煤矿瓦斯灾害防治理论与技术,实现高瓦斯矿井的煤与煤层气安全高效开采。

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Development and issues with coal and coal-bed methane simultaneous exploitation in Jincheng mining area

HE Tian-cai,WANG Bao-yu,TIAN Yong-dong

(Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng 048006,China)

Jincheng mining area is China’s largest anthracite coal production area with high gas content.Conventional underground drainage is not sufficient to meet the requirements of mine safety and efficient coal production.Through exploring ground drainage technology,underground drainage technology and ground and underground combined drainage technology,Jincheng Anthracite Mining Group has developed an“Integrated Coal Mining and Gas Extraction”3D extraction method named“Jincheng Mode”.This mode is used widely in China,and has achieved good results.Based on the actual situation in Jincheng mining area,this paper presents the basic concept and analyzes the current research status of coal and coal-bed methane simultaneous extraction,introduces the mine gas control model of“coal and coalbed methane simultaneous extraction”and the key technologies of ground drainage and underground gas drainage.Also the future direction and some basic problems needed for further study will be discussed.

Jincheng mining area;coal and coalbed methane simultaneous extraction;research progress;drainage technology;three-region integrated

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1779-07

2014-07-20 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05063);山西省科技重大专项资助项目(20111101001)

贺天才(1963—),男,山西晋城人,教授级高级工程师,博士。E-mail:hetianc@163.com

贺天才,王保玉,田永东.晋城矿区煤与煤层气共采研究进展及急需研究的基本问题[J].煤炭学报,2014,39(9):1779-1785.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8022

He Tiancai,Wang Baoyu,Tian Yongdong.Development and issues with coal and coal-bed methane simultaneous exploitation in Jincheng mining area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1779-1785.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8022