煤炭规划区地面煤层气井预抽技术体系

2019-03-21周雷雷

煤 2019年3期

周雷雷

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048006)

基于煤炭开发时空接替规律，可将煤矿区域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”)及煤炭生产区(简称“生产区”)，规划区的煤炭资源一般在5～10 a甚至更长时间以后才开始采煤作业[1]。我国煤矿大多是高瓦斯矿井，使得矿井煤炭资源开采过程中瓦斯事故频发且瓦斯事故所占比例较大，瓦斯已极大制约着矿井的安全高效生产[2-4]。《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ/T1026-2006)明确规定：凡通风方式无法解决瓦斯问题的高瓦斯矿井，必须建立永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统。通过预抽进而降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，保障后期煤炭的安全高效生产。从治理瓦斯的角度，晋煤集团于20世纪90年代初期在寺河矿首次开展了地面煤层气垂直井预抽工程，单井最高产气量达10 000 m3/d，煤层气预抽效果极为理想[5]，为采煤采气一体化绿色生产迈出了坚实一步。我国经过近三十年的技术研究和工程实践，迄今已形成了比较完善的地面煤层气井采前抽(预抽)、采动抽和采后抽的三区(规划区、准备区及生产区)联动的“采煤采气一体化”技术体系[5-7]。

1 地面垂直井预抽技术

地面垂直井在煤层气开发中扮演着重要的“角色”，是最常见、普通的井型之一，具有井身结构简单、施工技术难度小、适应多煤阶煤层气预抽等优点，但亦有井控范围小、抽采效率低、井场多、占地面积广及井场基建工程量大等劣势。地面垂直井常采用二开井身结构，基于煤储层物性特点，主要形成了裸眼洞穴完井(见图1(a))、筛管裸眼洞穴完井(见图1(b))和套管射孔压裂完井(见图1(c))等三种类型[8-9]。

洞穴完井系指在煤层段裸露，通过在煤层段人工造穴形成“大肚子”。根据煤层段裸露和下筛管情况，可分为裸眼洞穴完井(图1(a))和筛管裸眼洞穴完井(图1(b))两种类型，二者在美国科罗拉多和圣胡安盆地等中低煤阶高渗煤层中应用尤为广泛，一些地区单井平均产气量超过14 300 m3/d，预抽煤层气效果极为理想[10]。裸眼洞穴完井和筛管裸眼洞穴完井技术在我国煤层气开发过程中已有应用，但总体效果极不理想，绝大部分气井未形成工业性气流，显示了该技术的适应范围和局限性。而地面垂直井套管射孔压裂完井技术则在我国应用较为广泛，特别是在沁水盆地南部高煤阶煤层气预抽中获得了巨大经济效益[11]。

2 地面定向井预抽技术

地面定向井是油气勘探领域较为复杂和先进的钻井技术之一，它是由测斜、导向工具及特殊井下工具等对钻井轨迹或井眼轨迹进行有效、精准控制，使钻具沿着特定方向钻达预定目标层位的钻井工艺技术[12]。经过数十年发展，定向井技术日臻成熟且形成了多种定向井井型，主要有U型井、V型井、L型井、羽状水平井等四种。

图1 煤层气地面垂直井井身结构及完井方式示意

2.1 地面煤层气U型井预抽技术

U型井是定向井的特殊井型之一，因其井控面积大、抽采效率高、适合多种煤类等特点，因而在煤层气开发中应用越来越多[13]。但U型井在构造复杂、煤体结构破碎严重及复杂地貌矿区适应性极差，投资风险极高。U型井一般由一口定向水平井(又称“工程井”)和一口洞穴直井(又称“排采井”)组成，水平井的水平段靶点末端与洞穴直井相连通，两口井形成一个“U”字形的井筒结构(见图2)[14]。煤层气U型井水平段采用沿煤层倾向从高端向低端钻进，洞穴直井位于低端且与水平井水平段靶点末端连接，可有效利用地下水重力效应，有利于排水和排出煤粉，实现煤层气井的高效抽采。根据开发煤层的煤体结构及渗透性情况，U型井水平段有裸眼完井(见图2(a))、筛管裸眼完井(见图2(b))和套管固井射孔压裂完井(见图2(c))三种类型。

图2 地面煤层气U型井完井方式示意

地面煤层气U型井技术在山西保德、沁水柿庄、霍林河盆地、鄂尔多斯盆地均已成功实施应用，气井产气效果理想，特别是在沁水盆地南部高煤阶无烟煤区，效果尤为显著，平均单井日产气量高达1万m3[13]。该技术在松软低渗煤层中亦具有较好的适应性，2015年晋煤集团在赵庄矿3号松软煤层中施工了一口U型井，平均产气量维持在5 000 m3/d以上[15]。

2.2 地面煤层气V型井预抽技术

V型井是基于U型井演化而来的一种特殊定向井，系指由两组呈一定夹角的水平井共用一口洞穴直井组成，形成“V”字形的井筒结构[16](见图3)。与U型井相比，其具有更大的井控面积、更广的抽采范围、更高的抽采效率、适应煤阶范围广、井场占地面积小等优点。但其在构造复杂、煤体结构破碎严重及复杂地貌矿区适应性极差，抽采成效保障极低。V型井技术集成了随钻地质导向、煤层造穴、三井对接、多井眼完井等多项先进的钻井技术[16]。V型井技术特点是利用两组U型井水平段由沿煤层倾向从高端向低端钻进，洞穴直井位于低端且与水平井水平段靶点末端连接，这样地下水通过两个水平井眼分排流向洞穴直井，进而增加了排水、排煤粉能力和提高采气效率。

图3 V型井井身结构示意(mm)

根据开发煤层的煤体结构及渗透性情况，V型井水平段可采用裸眼完井、筛管裸眼完井和套管固井射孔压裂完井三种类型。目前， V型井技术在延川南、沁水盆地南部晋城矿区等高煤阶矿区煤层气开发中已实施应用，煤层气预抽效果良好[16-17]。

2.3 地面煤层气L型井预抽技术

L型井又称单分支水平井，系指最大井斜角保持在90°左右，并在目的层中钻进一定长度的水平段的特殊定向井，其井身结构呈“L”字型[18]，采用三开井身结构(见图4),该井型与地面煤层气垂直井相比，具有井控范围大、抽采动用煤层气资源广、抽采效率高、适用性强、占地少等特点，与U型井具有异曲同工之处[19]。但L型井对排水采气设备要求高，在构造复杂、煤体破坏严重及地貌复杂矿区适应性同样极差，投资风险亦极高，抽采成效得不到保障。根据开发煤层的煤体破坏情况和煤层渗透性情况，L型井水平段可选用裸眼完井(图4(a))、筛管裸眼完井(图4(b))和套管固井射孔压裂完井(图4(c))三种类型。

图4 L型井井身结构示意

L型井排水、采气均为同一井筒，因此，对排采设备较为苛刻，常采用射流泵、电潜螺杆泵等排水大、排粉能力强的举升系统完成排水降压、采气过程[20]。目前，这种井型已规模化的应用，实现了资源集约化开发、集中化管理，运行低成本、排采高效率[21]。

2.4 地面煤层气羽状水平井预抽技术

羽状水平井又称多分支水平井，系指在一个主水平井眼的两侧再钻出多个分支井眼的气井，呈“羽毛状”[22](图5)。它是常规水平井和分支井的结合体[23]，是近年来发展起来的一项新兴的煤层气开采技术。与U型井、V型井和L型井相比，水平羽状分支井具有井控面积更大、导流能力强、储层污染小、井场占地面积小、抽采效率和煤层气采出程度更高等优势，但对地质条件、煤体结构、煤层厚度及其稳定性要求高，单井投资费用大，工艺技术复杂[24-25]。

图5 羽状分支水平井结构示意

近年来，美国CDX国际公司率先把羽状水平井应用于西弗吉尼亚州煤层气开发项目，取得了低渗、中低阶煤层高效抽采煤层气的成功。我国在煤层气开发中引进了羽状水平井技术，先后在晋城、宁武、保德、韩城等地煤层气区块成功实施，煤层气预抽效果良好[26-27]，特别是晋城煤层气区块内的寺河煤矿SP-01羽状水平井，单井产气量基本稳产在20 000 m3/d以上。