晋城矿区典型区煤层气地面抽采效果分析

李国富,李贵红,刘 刚

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城 048006;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054)

晋城矿区典型区煤层气地面抽采效果分析

李国富1,李贵红2,刘 刚1

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城 048006;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054)

地面抽采煤层气被认为是降低煤层瓦斯含量、解决煤矿安全问题的有效途径,地面抽采效果得到煤矿企业的普遍关注,但一直缺乏工程验证。以晋城寺河矿东五盘区为研究区,其煤层气地面抽采效果评价主要基于两个方面,首先将区块内14口参数检验井的现今含气量数据与原位含气量进行了对比,评价了含气量实际降低情况;其次运用煤储层数值模拟软件(CBM-SIM),通过对141口气井近7 a生产数据的历史拟合、参数修正,开展产能预测,预测了含气量随抽采时间变化规律和未来10 a、15 a的抽采效果。研究结果表明煤矿区地面煤层气抽采可以有效降低煤层瓦斯含量,通过近7 a的地面抽采,寺河矿东五盘区煤层含气量由23 m3/t降至10.51 m3/t,下降幅度平均为55%;通过储层数值模拟得出,抽采7 a、10 a和15 a后3号煤层剩余含气量分别为10.07,7.31, 4.35 m3/t,降低幅度分别达57%,69%和82%。

煤层气;抽采效果;原位含气量;现今剩余含气量

在煤矿区地面抽采煤层气后对降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力的实际效果究竟如何?这是煤矿企业普遍关注的问题[1],需要从不同方面进行确认,以便为矿井瓦斯治理工作和采煤采气一体化提供科学的决策依据。

早在1976年,为解决煤矿瓦斯安全问题,美国矿业局曾联合美国钢铁公司在Alabama州Oak Grove煤矿开展采前预抽煤层气的项目,共施工23口井,抽采14 a后,截至1990年,煤芯含气量测试数据显示,原位含气量下降了73%[2],这是有记载的第1个地面煤层气抽采效果检验项目。

晋城无烟煤矿业集团寺河矿为高瓦斯矿井,瓦斯灾害一直困扰煤矿的安全高效生产,含气量大于16 m3/t的区域采煤前必须进行煤层气地面预抽[3-6],实现采煤采气一体化[7-9]。武华太认为在晋城矿区实行的三区联动立体抽采可显著提高煤矿瓦斯抽采水平;张遂安认为在煤矿区全面推行采煤采气一体化势在必行;何辉等认为在瓦斯含量大于16 m3/t的煤矿区应该在矿井建设前5～8 a进行地面抽采。根据晋煤集团2009年施工的1口抽采效果检验井的数据粗略估计,在晋城寺河矿通过地面预抽煤层气可以使含气量平均每年降低1.36～2.40 m3/t[10]。

笔者认为,准确测定或预测地面抽采煤层气后的剩余煤层瓦斯含量和瓦斯压力,能够为煤炭采掘和井下抽放设计提供依据,对采煤采气一体化意义重大。结合排采数据历史分析,准确运用数值模拟软件预测地面抽采煤层气后的剩余煤层瓦斯含量和瓦斯压力随抽采时间的变化规律,还可以确定合理的地面井间距,提高地面抽采经济效益。为了评价煤层气地面抽采效果,2012年初至4月份,晋煤集团结合“十二五”国家科技重大专项在寺河矿区施工了22口煤层气抽采效果检验井,其中东五盘区14口,西二盘区8口。

评价地面抽采效果的指标主要包括气含量、储层压力、累计产气量、采收率、日最高产气量、稳产期日均产气量等[11-12]。笔者以东五盘区为例,以14口工程验证井的数据和141口生产井数据为基础,通过对原位含气量和现今含气量实测数据对比直接验证和储层数值模拟预测,评价和预测了寺河东五盘区煤层气地面抽采效果。

1 典型区优选及地质概况

1.1 典型区优选原则及结果

寺河矿具有较长的煤层气地面开采历史,自1994年PZ-002井开始排采以来,目前全矿区共有煤层气地面开发井近千口,已进入规模化开发,煤层气地面井布局基本均衡,且3号煤层参数变化不大,故选择了寺河矿东五盘作为煤层气地面抽采效果评价区,首先通过原位含气量和现今剩余含气量对比,然后结合生产数据历史拟合分析、检验区煤储层再描述、剩余气预测,进一步验证和预测含气量随抽采时间变化规律。

1.2 寺河矿东五盘区地质概况

寺河矿区位于沁水盆地东南缘的单斜构造,构造形迹以宽缓褶皱为主,主要有山西组3号煤层和太原组15号煤层。3号煤厚6.02～6.73 m,平均6.18 m,整体上具有从北到南逐渐变厚的趋势;埋深327.42～429.42 m,平均347.23 m;含气量4.34～25.88 m3/t,平均12.01 m3/t;煤体结构以原生结构为主。15号煤厚0.30～6.17 m,平均3.21 m;埋深350～700 m,总体变化趋势是沿中部沁河一带,煤层埋深最浅,向北东方向和西南方向埋深加大;含气量7.73～38.70 m3/t,平均19.98 m3/t。

东五盘区位于寺河矿区北部,研究区内无大、中型断层发育,隐伏陷落柱较发育。基本构造形态为一向斜构造,并伴有次一级褶曲发育,向斜轴位于东五盘区中部,近SN向延伸,两翼宽缓,倾角一般小于10°。3号煤厚为4.96～6.73 m,平均为6.01 m,一般埋深200～440 m;15号煤厚为0.80～5.45 m,平均为3.10 m,区内埋深为300～540 m。东五盘区整体上为高含气量区域,实测含气量为18.98～29.02 m3/ t,平均为23.68 m3/t。

该区域储层稳定、煤体结构完整、高含气量、高渗透率,具有非常好的煤层气地质条件,是气井获得高产的先决条件[13-15]。

2 典型区煤层气抽采特征

2.1 煤层气勘探开发概况

晋煤集团早在20世纪90年代开始在原潘庄矿区(现寺河扩区)进行煤层气地面抽采,2004年后本着地面煤层气抽采降低煤层含气量、提高煤矿安全生产程度的目标,进行了大规模地面煤层气抽采,煤层气地面抽采工作一直坚持至今。

目前,寺河煤矿东五盘区有地面煤层气抽采井141口,均为垂直井,开采目标层为3号煤层,施工主要分两批。1992—1997年中美合资晋丹能源研究开发公司在东五盘区进行煤层气勘探试验,施工了编号为PZ01～PZ07的潘庄7口井试验井组,对其中两口井测试了含气量,该井组中PZ02井自1994年开始排采至今,其余6口井受20世纪末煤炭低谷影响排采间断,但自 2005年 12月份一直持续排采至今。2004—2005年,东五盘区又陆续施工了134口煤层气井,对其中26井测试了含气量,自2006年2月起排采至今。

2.2 产气特征

(1)套压。与国内其他区域相比,东五盘区煤层气井的套压较高,在 0.19～1.45 MPa,平均值0.47 MPa。大部分气井近7 a的排采期间,基本上套压都能维持在0.4～0.5 MPa,非常稳定,有力地保证了气井的稳产高产。

(2)产气量。东五盘区累计煤层气产量达10.68×108m3,整体产量较高,141口气井中,单井平均日产气量在449～10 285 m3,平均值4 450 m3,最高单井产量为27 884 m3/d。

(3)产水量。东五盘区累计产水达33×104m3,整体上单井产水量较低,单井日产水量0～79.5 m3,一般5 m3,个别气井不产水。

3 抽采效果评价

3.1 煤层原位含气量分析

在本次施工抽采效果检验井之前,东五盘区共有28口井的原始含气量测试数据,测试方法为自然解吸法。本项目利用28口井的含气量测试数据绘制了东五盘区原始含气量图(图1),数据基准全部采用空气干燥基。

图1 东五盘区3号煤层原始瓦斯含量等值线Fig.1 In-situ gas content contour of coal seam No.3 in the 5theast panel

东五盘区整体上为高含气量区域,实测含气量为18.98～29.02 m3/t,平均为23.68 m3/t。总体上含气量由东向西、由南向北呈增大趋势(图 1),呈现以SH093(28.21 m3/t)和PZ-1(29.02 m3/t)为中心及SH060(28.12 m3/t)为中心的高值区,中间夹以SH055(18.98 m3/t)为中心的局部含气量稍低区域,SH013—SH031—SH002井一线以东为接近和低于20 m3/t的区域,该区域是依据邻区钻孔确定的。

3.2 地面井抽采效果验证分析

为验证煤层气地面抽采效果,2012年,晋煤集团结合“十二五”国家科技重大专项“山西晋城矿区采气采煤一体化煤层气开发示范工程(2011ZX05063)”在寺河东五盘区专门施工了14口抽采效果检验井(图2)。

图2 东五盘区剩余含气量测定点位置Fig.2 The gas content measurement location in the 5theast panel

3.2.1 测试点分布

测试参数井分布于A,B,C,D四个区域,设计原则主要考虑就近有测过原位含气量的生产井,含气量测试方法为快速加温解吸法,使用数据基准同样为空气干燥基。本次14口抽采效果检验井的测试结果被认为代表着目前煤层的剩余含气量,通过现今剩余与原位含气量对比得到含气量降低情况,据此对东五盘区煤层气地面抽采效果进行了评价。

3.2.2 剩余煤层含气量评价

14口抽采效果检验井的测试成果表明,东五盘区剩余煤层含气量为8.47～13.76 m3/t,平均为10.51 m3/t,总体上3号煤层含气量降幅达55%,煤层气地面抽采效果非常明显。为了便于更客观地刻画和说明抽采效果,以下分4个区域论述煤层气的地面抽采效果,含气量降低情况见表1,东五盘区剩余瓦斯含量如图3所示。

区域A位于老七口井附近,是抽采时间最长的一个区域。目前,7口单井产气量在4 000 m3/d左右,累计产气量达到0.33亿m3。在该区域布置了3个参数检验井,评价邻近井的抽采效果。区域A的原位平均含气量24.94 m3/t,剩余含气量11.36 m3/ t,地面抽采后含气量平均下降了54%。

表1 东五盘区目前剩余含气量与原位含气量对比Table 1 The contrast of residual and in-situ gas content in the 5theast panel

根据前期资料,区域B为高瓦斯区域,原位含气量在25 m3/t以上,区域B内布置2011ZX-CC-02, 2011ZX-CC-03,2011ZX-CC-04,2011ZX-CC-05煤层气参数检验井。区域 B的原位平均含气量为20.84 m3/t,剩余含气量为9.56 m3/t,地面抽采后该区域含气量平均下降了55%。

据资料显示,区域C煤层含气量较高,原位含气量在24 m3/t左右。根据不同方向和距离,该区域布置SHZK-05,SHZK-06,SHZK-07,SHZK-04,SHZK-03煤层气参数检验井。与地面抽采前相比,区域C含气量整体下降了60%,原位含气量为25.0 m3/t,剩余含气量为10.11 m3/t。

图3 东五盘区剩余瓦斯含量等值线Fig.3 The residual gas content contour in the 5theast panel

D区域煤层原位含气量相比B,C区域略低,在 22 m3/t左右。该区域根据不同方向和距离,布置SHZK-01,SHZK-02,SHSF-01煤层气抽采效果测试井。区域D原位含气量为21.5 m3/t,剩余含气量为11.15 m3/t,整体下降了51%。

根据以上实测剩余含气量数据与原位含气量数据对比可知,东五盘区3号煤层剩余含气量有明显降低,含气量下降幅度为45%～69%,平均为55%。说明地面煤层气预抽能有效降低抽采范围的煤层含气量。

值得注意的是,东五盘区的煤层原位含气量是基于自然解吸法测的,而2012年施工的抽采效果检验井所测现今含气量全部运用了快速加温解吸法。这两种测试结果的差别,会影响到抽采效果对比。快速测定法的准确率一般＞90%(误差±10%)[16-19]。东五盘区真实的地面煤层气抽采效果取决于自然解吸法和快速加温解吸法之间的方法误差。这有待于进一步的研究。

3.2.3 抽采效果的综合运用

(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,根据抽采效果评价成果,调减后抽采工程投入为44 858万元,共计降低工程投入达7 476万元。同时井下瓦斯抽采管直径由650 mm减小至500 mm,节省了大量的煤矿井下巷道占用空间。

(2)提高了掘进速度:由于在东五盘区布置了141口井进行了连续8 a的抽采,寺河矿2012年井下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)为寺河矿地面井井网设计、抽采工艺控制等提供了定量依据。

4 煤层气井抽采效果数值模拟分析

为了能够更客观地评价寺河矿东五盘区地面煤层气抽采效果,运用煤层气储层模拟软件(CBM-SIM)来拟合煤层气井的历史生产数据,修正参数。通过参数井历史拟合修正后,东五盘区渗透率调整为0.7×10-3～25.8×10-3μm2,平均6.93× 10-3μm2。渗透率值的分布范围广,说明储层具有强的非均质性。

在开展气井生产历史拟合、修正储层参数的基础上,对东五盘区内141口井15 a内的煤层气总产能作了预测(表2)。最高日产气量为77.34×104m3,平均日产气量 27.69×104m3。模拟 7 a累计产气11.31×108m3,实际7 a累计产气10.68×108m3;模拟10 a累计产气13.61×108m3,15 a累计产气16.07× 108m3。

表2 东五盘区141口井产能整体模拟结果及抽采效果Table 2 141 wells production simulation and extraction effect in the 5theast panel

剩余含气量随抽采时间变化曲线如图4所示, 7 a剩余含气量 10.07 m3/t,10 a剩余含气量7.31 m3/t,15 a剩余含气量4.35 m3/t。

图4 东五盘区煤层现今剩余含气量变化曲线Fig.4 The residual gas content variation in the 5theast panel

含气量降低值随时间变化规律如图5所示,7 a含气量降低幅度达57%;10 a含气量降低幅度达69%;15 a含气量降低幅度达82%。这一数据与美国Alabama州Oak Grove煤矿14 a的地面抽采效果比较接近。

东五盘区施工的抽采效果检验参数井测得近7 a 3号煤层含气量下降了11.84 m3/t,平均降低幅度达55%,储层数值模拟的结果降低幅度为57%,比实测结果略高。

综上所述,储层模拟的结果显示,煤层气排采使煤层含气量大幅度降低,东五盘区排采7 a后含气量均可下降50%多,排采10 a后可下降70%左右,排采15 a后可下降80%多。

图5 东五盘区含气量逐年降低规律曲线Fig.5 The annually descending trend of gas content in the 5theast panel

将煤储层模拟预测的结果与原始/剩余瓦斯含量对比结果进行分析,东五盘区地面抽采7 a,平均降幅55%,储层数值模拟降幅57%,两者基本接近。

5 结 论

(1)寺河矿东五盘区经过长期的地面抽采,有效降低了煤层含气量。经过近7 a的地面抽采,东五盘区3号煤层含气量下降幅度平均为55%,剩余含气量为10.51 m3/t。

(2)通过储层数值模拟(CBM-SIM)得出,抽采7 a后3号煤层剩余含气量为10.07 m3/t,降低幅度达57%,10 a降低幅度达69%,15 a剩余含气量为4.35 m3/t,含气量降低幅度达82%。

(3)这一成果为寺河矿地面井井网设计、抽采工艺控制等提供了定量依据,帮助寺河矿实现了降低煤矿投入,增加了作业空间,提高掘进速度的目的,实现了采煤采气一体化。

[1] 田永东,张遂安,张典坤,等.山西晋城采煤扰动区地面煤层气井抽采效果地质分析[J].高校地质学报,2012,18(3):563-567.

Tian Yongdong,Zhang Suian,Zhang Diankun,et al.Geological analysis of drainage effects on CBM wells in the coal-mining-disturbed area of Jincheng,Shanxi Province[J].Geological Journal of China Universities,2012,18(3):563-567.

[2] Joseph Ayoub,Lief Colson,Jerry Hinkel,et al.Learning to produce coalbed methane[R].Schlumberger Oil Field Review,1991:27-37.

[3] 武华太.煤矿区瓦斯三区联动立体抽采技术的研究和实践[J].煤炭学报,2011,36(8):1312-1316.

Wu Huatai.Study and practice on technology of three-zones linkage 3D coalbed methane drainage in coal mining area[J].Journal of China Coal Society,2011,36(8):1312-1316.

[4] 李国富,侯泉林.沁水盆地南部煤层气井排采动态过程与差异性[J].煤炭学报,2012,37(5):798-803.

Li Guofu,Hou Quanlin.Dynamic process and difference of coalbed methane wells production in southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2012,37(5):798-803.

[5] 李国富,李 波.晋城矿区煤层气三区联动立体抽采模式[J].中国煤层气,2014,11(1):3-7.

Li Guofu,Li Bo.The model of three-zones linkage 3D coalbed methane drainage in Jincheng coal mining area[J].China Coalbed Methane,2014,11(1):3-7.

[6] 何 辉,苏丽萍.煤矿区“采煤采气一体化”的理论与实践探讨[A].中国煤炭学会煤层气专业委员会,中国石油学会.2008年煤层气学术研讨会(国内)论文集(中文)[C].北京:地质出版社,2008:447-453.

[7] 张志义.晋煤集团高瓦斯矿井煤层气抽采及利用效果[J].煤炭技术,2008,27(11):91-92.Zhang Zhiyi.Effect of extraction and application of coal seam gas in high gassy mine of Jincheng Coal Industry Group[J].Coal Technology,2008,27(11):91-92.

[8] 张遂安.采煤采气一体化理论与实践[J].中国煤层气,2006,3 (4):14-16.

Zhang Suian.Theory and practice about integrated coal mining and gas extraction[J].China Coalbed Methane,2006,3(4):14-16.

[9] 李国富,何 辉,刘 刚,等.煤矿区煤层气三区联动立体抽采理论与模式[J].煤炭科学技术,2012,40(10):7-11.

Li Guofu,He Hui,Liu Gang,et al.Theory and style on technology of three-zones linkage 3D coalbed methane drainage in coal mining area [J].Coal Science and Technology,2012,40(10):7-11.

[10] 都新建,田永东,何庆宏,等.寺河矿区煤层气地面抽采效果检测垂直井施工及数据分析[A].叶建平,傅小康,李五忠.中国煤层气技术进展—2011年煤层气学术研讨会论文集[C].北京:地质出版社,2011:433-441.

[11] 降文萍.地面煤层气抽采效果评价指标初探[J].资源与产业, 2010,12(5):61-67.

Jiang Wenping.Evaluation index of surface extraction of coalbed methane[J].Resources&Industries,2010,12(5):61-67.

[12] 李国彪,李国富.煤层气井单层与合层排采异同点及主控因素[J].煤炭学报,2012,37(8):1354-1358.

Li Guobiao,Li Guofu.Study on the differences and main controlling factors of coalbed methane wells between single-layer and multi-layer drainage[J].Journal of China Coal Society,2012,37(8):1354-1358.

[13] 田文广,李五忠,周远刚,等.煤矿区煤层气综合开发利用模式探讨[J].天然气工业,2008,28(3):87-89.

Tian Wenguang,Li Wuzhong,Zhou Yuangang,et al.Comprehensive CBM development and utilization model in coal mines[J].Natural Gas Industry,2008,28(3):87-89.

[14] 李贵红,张 泓,张培河,等.晋城煤层气分布和主导因素的再认识[J].煤炭学报,2010,35(10):1680-1684.

Li Guihong,Zhang Hong,Zhang Peihe,et al.The renewed understanding for the distribution of coalbed methane and the controlling factor in Jincheng[J].Journal of China Coal Society,2010,35 (10):1680-1684.

[15] 孟召平,田永东,李国富,等.煤层气开发地质学理论与方法[M].北京:科学出版社,2010.

[16] 孟召平,张纪星,刘 贺,等.考虑应力敏感性的煤层气井产能模型及应用分析[J].煤炭学报,2014,39(4):593-599.

Meng Zhaoping,Zhang Jixing,Liu He,et al.Productivity model of CBM wells considering the stress sensitivity and its application analysis[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):593-599.

[17] Meng Zhaoping,Li Guoqing.Experimental research on the permeability of high-rank coal under a varying stress and its influencing factors[J].Engineering Geology,2013,162:108-117.

[18] 庞湘伟,景兴鹏,王伟峰,等.基于加温解吸法的煤层气含量实验研究[J].煤矿安全,2010,41(11):1-3.

Pang Xiangwei,Jing Xingpeng,Wang Weifeng,et al.The elementary study of coalbed gas content based on Heating desorption[J].Coal Mine Safety,2010,41(11):1-3.

[19] 庞湘伟.煤层气含量快速测定方法[J].煤田地质与勘探, 2010,38(1):29-32.

Pang Xiangwei.Rapid determination of coalbed methane content [J].Coal Geology&Exploration,2010,38(1):29-32.

Analysis on the ground extraction effect of coal-bed methane at typical area in Jincheng,China

LI Guo-fu1,LI Gui-hong2,LIU Gang1

(1.Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng 048006,China;2.Xi’an Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group,Xi’an 710054, China)

Ground extraction of coal-bed methane(CBM)is considered as an effective way to reduce coal seam gas content and warrant coal mine safety.Taking the 5thEast Panel at Sihe coal mine in Jincheng as an example,based on the reservoir simulation data in 14 inspection wells and 141 production wells,the ground CBM extraction effect has been assessed.Firstly,by comparing the in-situ gas content and present gas content from 14 inspection wells,the degassing effect was evaluated.Secondly,by conducting the reservoir history matching and the simulation of 141 production wells,the future degassing effect was predicted.The results show that the degassing effect of the ground gas drainage is obvious at the 5thEast Panel in Sihe Coal Mine after the 7-year ground gas extraction.The present gas content drops to 10.51 m3/t from the in-situ gas content of 23 m3/t and the descending range averages 55%;Using reservoir simulation,the residual gas contents are 10.07,7.31 and 4.35 m3/t after 7-year,10-year and 15-year drainage respectively,and the descending range are 57%,69%and 82%respectively.

coal-bed methane;extraction effect;in-situ gas content;present residual gas content

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1932-06

2013-07-25 责任编辑:韩晋平

“十二五”国家科技重大专项资助项目(2011ZX05063,2011ZX05040-003);山西省科技重大专项资助项目(20111101001)

李国富(1965—),男,山西晋城人,教授级高级工程师,博士后。Tel:0356-3669879,E-mail:13834068216@163.com

李国富,李贵红,刘 刚.晋城矿区典型区煤层气地面抽采效果分析[J].煤炭学报,2014,39(9):1932-1937.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8026

Li Guofu,Li Guihong,Liu Gang.Analysis on the ground extraction effect of coal-bed methane at typical area in Jincheng,China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1932-1937.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8026