我国煤矿区煤层气井上下联合抽采研究进展

张福涛

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国煤层气资源十分丰富，埋深2000m以浅的煤层气地质资源储量为36.81×1012m3，与我国陆上天然气资源量相当，其中可采资源量为10.87×1012m3，是我国重要的非常规天然气资源[1]。我国自20世纪80年代开始引进国外煤层气勘探与开发技术，经过不断地消化和改良，支撑了我国煤层气地面井开发的发展。但我国煤层气赋存地质条件复杂，盆地原型及构造样式多变，煤层气成藏地质条件与国外存在很大区别，具有成煤时间早、演化程度高、构造变动强烈等特点，因此，国外成熟的煤层气开发技术不能完全适应于我国煤层气赋存地质特征，这也决定了我国煤矿区煤层气开发技术必须走自主创新的道路[2，3]。

我国煤层渗透性低、煤层气抽采效果差，传统的煤层气(瓦斯)抽采手段难以满足煤矿区煤层气高效抽采和煤矿瓦斯高效治理需要。长期以来，煤炭与煤层气作为典型的共生矿藏，主要实行“先采气，后采煤”的开发模式。随着对煤炭开采与煤层气开发相关关系认识的不断深入，“十一五”以来，初步形成了“煤层气与煤炭协调开发模式”[3，4]，通过协调煤层气抽采和煤炭开采在时间和空间上的关系，并充分利用采动效应对煤层进行卸压增透，从而达到优化煤层气抽采方案、提高抽采效果的目的，主要形成了“晋城模式”、 “两淮模式”和“松藻模式”等煤层气开发模式[5-8]。我国煤层气开发地质条件的特殊性决定了煤层气产业化发展必须走煤层气与煤炭协调开发的道路，且应实行煤层气地面开发和井下抽采相结合的煤层气资源开发利用的方案。“十一五”期间，在晋城矿区进行了地面和井下联合抽采先导性试验，实现了地面和井下两种开发方式的联合，在井上下联合抽采方面获得了一定经验，但尚未形成完善的地面和井下联合抽采技术体系[9]。

基于煤炭开采时空接替规律，创新煤层气抽采工艺及关键技术，是实现煤矿区煤矿安全、能源开发双重效益并举的必由途径，需进一步开展现场试验研究工作，探索新的井上下联合抽采技术，深化井上下联合抽采技术内涵。鉴于此，笔者在总结“十一五”以来我国煤矿区煤层气井上下联合抽采技术研究现状的基础上，分析现阶段技术发展存在的问题，提出了针对我国煤矿区煤层气井上下联合抽采技术研究方向的建议。

1 井上下煤层气联合抽采技术类型

根据煤层气抽采目的、抽采对象、抽采条件和资源条件的不同，形成了不同开发方式，总体上分为煤矿瓦斯井下抽采和煤层气地面钻井开发两大类。煤矿瓦斯井下抽采是从煤矿开采安全需要出发，将煤矿瓦斯抽放逐步发展成一套完善的煤矿区煤层气开发方式，借助煤炭开采工作面、巷道，通过采前预抽采、采中采动抽采和采后采空区抽采等方式开发煤层气。煤层气地面钻井开发是借助常规油气开采技术，通过施工直井或定向井，经储层改造后实施排水—降压—采气来开采煤层气资源[10]。

在煤矿区，煤层气(瓦斯)地面与井下开发方式并存，突破煤矿瓦斯井下抽采和煤层气地面开发两个独立产业模式的局限性，理顺煤炭生产与煤层气开发之间的协调关系，通过地面与井下联合抽采是实现煤矿区煤层气(瓦斯)资源抽采最大化的重要途径。随着煤矿区煤层气开发技术的发展，地面与井下联合抽采煤层气演化出了多种技术形式，包括开发方式的联合、抽采通道的联合、施工技术的联合等。

2 开发方式联合

煤层气开发方式的联合是指煤层气地面开发与矿井瓦斯井下抽采在时间顺序上进行联合，即在井下生产之前，在采煤规划区先通过地面钻井配合增产等措施预抽原始煤层的煤层气，随着井下采掘活动的推进，当规划区变为生产区，再进行煤矿瓦斯井下抽采，最终形成先地面、后井下的煤层气联合开发模式，如图1所示。

图1 煤层气井上下抽采开发方式联合

在煤矿区煤层气实际抽采过程中，地面钻井和井下钻孔作为两个独立的煤层气抽采单元，没有产生煤层气联合协同开发效果。此外，地面井煤层气抽采量低、抽采时间长，井下钻孔瓦斯抽采效率低、瓦斯治理周期长，这都极大地限制了煤矿区煤层气抽采效果。突破煤矿瓦斯井下抽采和煤层气地面开发两个独立产业模式的局限性，是实现煤矿区煤炭与煤层气资源协调开发的重要前提。煤层气抽采工艺上的井上下联合实现的技术瓶颈是：①如何建立井上下联合抽采通道；②如何实现地面排水采气与井下负压抽采工艺的融合。

3 施工技术联合

3.1 条带式井上下联合抽采

条带式井上下联合抽采是指在未进行地面预抽的规划区或准备区，对拟开设的水平大巷、盘区(带区)大巷、工作面巷道，在其两侧施工常规地面钻井，完井后进行储层压裂改造，然后进行地面煤层气抽采；当巷道掘进后，施工近水平瓦斯抽采定向钻孔连通地面井压裂影响区，也可根据需要对井下长钻孔实施井下压裂，以便实现井下钻孔与地面压裂井裂隙网的高效互连，此时，停止地面煤层气抽采，改为井下钻孔负压抽采[11]，如图2所示。

图2 条带式井上下联合抽采

条带式井上下联合抽采具有两方面的技术优势：一方面通过地面钻井实施水力压裂这一有效的储层改造措施，在影响区内形成大量的人工裂缝，使抽采通道与煤储层中的天然裂隙有效连通，可扩大抽采范围、提高抽采效率[12]；另一方面，在井下施工近水平定向长钻孔，通过轨迹控制实现多个地面工程井压裂影响区的“串联”，能够发挥井下钻孔施工成本低、布孔灵活的优势，主要适用于煤层结构完整、力学强度高、构造相对简单的煤矿区。

进行条带式井上下联合抽采的突出的难题是井下近水平定向长钻孔通过压裂影响区的钻进技术：地面工程井压裂区内的煤体被改造后，裂隙发育，且充填有压裂液、支撑剂，煤体结构破碎，这使得钻孔进入压裂区后极易出现喷孔、塌孔、卡钻等事故，钻进成孔难度大。同时，井下水平定向长钻孔施工完成后，压裂影响区内孔段孔壁稳定性差，易发生孔壁坍塌而堵塞抽采通道，严重的甚至将导致井下近水平定向钻孔大部分抽采孔段失效。

3.2 地面井与井下长钻孔连通压裂联合抽采

地面井与井下长钻孔连通压裂联合抽采是通过在地面施工垂直井，在井下沿煤层施工定向长钻孔，借助定向钻进技术使地面直井与井下长钻孔交汇贯通，随后对井下定向长钻孔进行有效封孔，利用地面压裂设备通过地面井对目标抽采区域及井下钻孔进行压裂作业，实现对抽采区域的增透改造后进行抽采，其产气方式主要分为井下采气和地面采气两种，如图3所示。针对碎软煤层定向钻孔成孔困难问题，有学者提出首先施工地面直井进行水力压裂，对目标煤层进行预抽，然后在目前煤层下底板岩巷施工放射状穿层钻孔进行二次瓦斯抽放，对突出煤层卸压消突。

图3 地面井与井下长钻孔连通压裂联合抽采

地面直井与井下长钻孔连通压裂后进行采气，在施工技术层面上实现了井上下联合，其潜在技术优势是：一方面可提高煤层气抽采效率和速度，地面直井与井下长钻孔连通压裂后，沟通了更多的煤层裂隙，以较少数量的井下钻孔实现煤层气高效抽采。另一方面，连通压裂增大了井下长钻孔的抽采影响范围，因此在井下区域抽采时可增大井下长钻孔的布置间距，减少钻孔施工作业量，进而缩短煤层气抽采工程的建设周期，主要适用于煤层结构较完整、渗透率低的煤矿区。

地面直井与井下长钻孔连通压裂可有效沟通井筒、钻孔和煤层中裂隙，扩大井/孔的抽采影响范围，理论上具有一定的先进性。但这种联合抽采方式存在一定的局限性，表现为：①井孔联合压裂，效果不可控，裂缝的起裂和延伸随机性较大，煤层气抽采效果有待进一步考察；②压裂前需将井下钻孔孔口段密封，因地面压裂装备供液能力强，压裂时在井下钻孔内可形成高的静压力，对孔口密封承压能力要求较高，实施难度较大，因此，技术层面的缺陷限制了这种联合抽采方式在实际煤层气开发工程中的应用。而地面直井与井下穿层钻孔联合抽采需要施工专门的底板岩层巷道，且放射状穿层钻孔施工工程量大、施工周期长，造成工作面采掘衔接紧张。

3.3 立体压裂联合抽采

“立体压裂”地面与井下联合抽采的核心思想是借助井下巷道已揭露的地面煤层气开发直井井筒实现地面水力压裂设备与井下水平定向钻孔之间的“连通”，进而利用地面压裂设备对井下水平定向钻孔实施水力加砂压裂改造，达到增大孔壁周围煤岩体的透气性、提高瓦斯抽采效率，扩展单孔瓦斯有效抽采的范围、减少钻孔施工工作量和缩短煤矿瓦斯预抽时间等目的，如图4所示。

图4 立体压裂联合抽采

立体压裂联合抽采可以充分利用地面宽敞的场地摆放大型压裂机械设备，以实现更大规模的井下近水平钻孔的压裂。“立体压裂”地面与井下联合抽采在施工技术层面上具有潜在优势，可大幅提高井下钻孔的压裂规模，理论上可形成更大范围的压裂影响区、增加钻孔抽采范围，提高抽采效率，主要适用于地面钻井条件相对简单、井下近水平长钻孔成孔率高的煤矿区。然而，这种联合抽采方式客观上存在一定的局限性，钻孔压裂效果不可控，难以实现全孔段均匀压裂。

3.4 顶板压裂联合抽采

在地面施工垂直井和水平井，保证水平井层位位于裂隙带与弯曲下沉带之间，且靠近待回采煤层回风巷一侧，并在垂直井底部扩径，降低垂直井与水平井的对接难度，完井后在地面对水平井进行压裂作业。工作面圈闭时，密闭水平井，通过直井利用压裂裂缝对煤层及上覆围岩气体进行抽采。采煤前，将靠近采煤工作面水平井段密封，从回风巷和进风巷向煤层中施工对穿钻孔，利用地面直井和井下近水平钻孔进行负压抽采，直到煤层瓦斯含量降到标准值，工作面正常回采；采煤中及采后，针对本煤层、采空区及顶板裂隙带瓦斯，首先将采空区密闭，将初次来压后所对应的水平井段用密封装置密封，利用垂直井、水平井和井下采用梯度负压模式进行瓦斯抽采；当周期来压形成后，水平井段被分割，从直井井口和水平井井口分别实现瓦斯抽采，以此循环直至工作面回采结束[13]，如图5所示。

图5 顶板压裂联合抽采

顶板压裂立体化联合抽采形成了采前、采中和采后的三区抽采模式，从时间和空间上实现了煤层气井上下联合立体化抽采，具有一井多用的优点。在煤层顶板实施分段压裂增产改造，相比于在煤层中实施压裂优势明显，顶板水平井分段压裂技术已在我国淮北矿区取得了良好的煤层气抽采效果，连续3个月日产气量达10000m3以上[14]。采前，利用井下钻孔与水平井压裂缝贯穿，实现井上下立体化联合抽采；边采边抽阶段，煤层得到充分卸压，利用压裂裂缝与采动裂隙有效沟通，显著提高煤层气抽采效率，主要适应于煤层结构破碎、渗透率低、井下定向长钻孔钻进成孔困难的煤矿区。

但这种联合抽采方式也存在着其技术上的弊端，在煤层回采过程中顶板覆岩发生变形破坏，地面直井及水平井井身结构遭到破坏[15]，影响煤层气抽采效果。

3.5 井/孔对接联合抽采

针对具有突出危险性的煤层，在地面施工多分支水平井，在井下施工近水平钻孔，并使井下近水平钻孔与地面多分支水平井部分井眼对接连通，随后将地面多分支水平井封闭，将井下近水平钻孔连接到瓦斯抽采系统中进行负压抽采，抽采通道组成如图6所示。本质上是地面、井下煤层气开发施工技术联合，一定程度上发挥了地面多分支井与井下近水平钻孔开发煤层气技术的各自优势。

图6 立体压裂联合抽采

首先，地面多分支水平井本身是一项高效煤层气开发技术，多分支井眼增加了煤层的裸露面积，扩展了煤层中气体流动的泄流面积。其次，地面多分支水平井的施工不受井下巷道条件的限制，同时从地面施工多分支井与在井下施工水平定向长钻孔相比，钻进成功率更高。最后，地面井下钻孔/井对接联合抽采技术利用井下负压瓦斯系统进行抽采，摆脱了地面排采系统的限制，地面布井位置更加灵活，可回避安装、维护地面排采装备和集输管汇系统等，辅助工程量小，安全性和技术性更高，主要适应于煤层透气率低、地面钻井条件简单、满足多分支水平井施工的煤矿区。

地面多分支水平井与井下近水平钻孔的精确对接是必须要解决的关键技术难题，同时地面多分支水平井在井下煤层气抽采过程中也存在塌孔堵塞瓦斯运移通道等问题。

4 井上下联合抽采研究展望

在我国煤层气勘探程度和研究程度较高的地区，特别是煤层气地面钻井开发取得成功的煤矿区，随着井下采掘活动的推进，部分地面煤层气开发井逐渐进入井下抽采钻孔影响范围，如何充分发挥地面直井与井下水平长钻孔作为煤层气开发通道的技术优势，寻求新的、能够实现煤层气高效开发方式是亟待探索的科学问题，对此，提出研究地面直井与井下近水平钻孔联合抽采煤层气技术，一是实现抽采通道的联合，二是实现抽采工艺的联合。在开发方式、施工技术层面实现地面井下联合的基础上，充分利用地面与井下配套设施及各自的技术优势是实现煤矿区煤层气高效开发重要技术途径，进一步实现了抽采工艺的地面井下联合。

地面直井与井下近水平钻孔联合抽采技术原理如图7所示，抽采通道方面：地面直井与井下近水平钻孔联合抽采技术实施所依托的抽采通道由“地面抽采直井+煤层压裂区+井下近水平长钻孔”三部分构成，其中，煤层压裂区的压裂裂隙是井下近水平长钻孔与地面直井井筒相连通的“桥梁”，三者构成立体化的井上下联合抽采通道。在抽采工艺方面，利用近水平长钻孔在井下集中控制放水，通过直井井筒在地面以无动力方式采气，实现排水采气分离作业，二者均以无外加动力的方式进行，并可充分利用地面煤层气集输系统收集高浓度煤层气。抽采通道和抽采工艺两方面进行井上井下联合，实现煤矿区煤层气高效开发。

图7 地面直井与井下近水平钻孔联合抽采

地面直井与井下近水平钻孔联合抽采通道的建立方式：根据井下采掘巷道布置情况，选取适宜范围内的地面压裂直井作为目标井，在井下设计施工近水平长钻孔，控制其轨迹沿目标煤层延伸，并进入地面直井压裂区，实现与目标直井井筒的连通，过压裂区后继续向前钻进一定深度，增加钻孔采气影响范围，提高抽采效果。

立体化抽采通道是实施地面直井与井下近水平钻孔联合抽采技术的基础，地面直井与井下近水平钻孔通过煤层压裂区内的压裂裂缝连通，而这种连通是通过精确控制井下近水平钻孔的轨迹进入目标直井压裂区实现的，具备以下技术优势：

1)由“地面直井+煤层压裂区+井下近水平钻孔”构成的立体化联合抽采通道在结构形式上具有与地面多分支水平井相似的特点，目标煤层中的近水平钻孔段增加了煤层气有效供给范围、提高了导流能力，利于高效开发煤层气。

2)地面直井与井下近水平钻孔联合抽采技术采取“井下排水，地面采气”的方式生产，立体化抽采通道中近水平钻孔内聚集的瓦斯/煤层气经压裂裂缝、地面直井井筒采出，与井下近水平钻孔负压抽采相比，采出的煤层气浓度高且稳定，可利用性好。

3)地面直井与井下近水平钻孔联合抽采技术利用井下近水平钻孔集中控制排水，不需要配置专门的排水设备；通过地面直井采气，不需要配置动力设备，这种联合抽采工艺采气过程中维护管理成本低，经济性更好。

4)地面直井与井下近水平钻孔联合抽采可利用低产或停止产气的地面压裂直井作为目标井，通过在井下施工相对应的水平定向长钻孔建立立体化抽采通道、并实施联合抽采工艺，可使其增产或“重新”产气，实现挖潜及进一步延长地面井服务年限，使地面煤层气开发井利用程度达到最大化。