山西省废弃矿井采空区煤层气地面抽采实践

2020-04-29赵向东

中国煤层气 2020年1期

赵向东

(山西燃气集团有限公司，山西 030032)

近年来实施的煤炭去产能政策，促使一批资源枯竭及落后产能矿井加快关闭，形成大量的关闭/废弃矿井。国能煤炭(2016)334号《国家能源局关于印发煤层气(煤矿煤层气)开发利用“十三五”规划的通知》明确指出：关闭矿井残存煤层气抽采利用或将成为煤层气产业新的增长点，应建设一批示范工程，并研发推广关闭矿井残存煤层气抽采利用技术。而我国矿井煤层气抽采现阶段仍主要集中在开采前预抽采和开采中卸压抽采，真正意义上的关闭矿井煤层气抽采尚处于探索阶段，真正利用关闭矿井进行煤层气抽采的实例较少。

图1 三开氮气钻井工艺流程图

据测算，目前我国煤矿采空区(废弃矿井)中残留煤层气资源量近5000亿m3，仅山西省就达726亿m3，采空区煤层气具有十分可观的开发利用潜力。近年来，山西晋城煤业集团先后在省内晋城、西山、阳泉、左权等矿区施工了采空区、废弃矿井煤层气抽采井135口，目前运行55口，日抽采利用气量达9.4万m3，累计利用气量约1.3亿m3。经过多年摸索实践，初步在煤炭采空区(废弃矿井)煤层气资源评价、地面钻井技术、抽采工艺、装备研发、技术攻关、标准制定等方面建立了成套技术体系，使采空区地面抽采利用实现了过程可控、利益可期，为有效消除采空区瓦斯逸出灾害、高效利用采空区煤层气(瓦斯)资源、促进矿区绿色发展提供了宝贵经验。

1 钻进工艺

对比水力钻井和压缩气体钻井技术的优缺点，水力钻井技术的钻井液在采空区裂隙发育区漏失严重，且泥浆极容易堵塞产气裂隙，因此选择压缩气体钻井技术。基于此，开发了适合煤矿采空区钻井的新型钻井工艺，该工艺采用两段式钻井，即在钻井的一开和二开选择压缩空气作为井内循环介质。

当三开钻进至采空区上部裂隙发育区，采空区内煤层气通过裂隙运移至井筒内。若此时仍使用压缩空气作为循环介质，运移至井筒内的采空区瓦斯与压缩空气混合后，必然使甲烷体积分数处于爆炸极限范围内，钻井存在极大的安全隐患，因此选择压缩氮气作为井内循环介质，氮气介质相比空气介质可抑制甲烷爆炸，极大地提高了钻井安全性。三开氮气钻井工艺流程如图1，使用膜制氮设备制备工业氮气，并通过压缩机将氮气压入钻杆中。分段式的工艺设计，在大规模钻井时，可合理安排每口钻井的钻进时段，此种模式下不需要每台钻机配备膜制氮设备，提高膜制氮设备使用效率。

选用压缩空气(氮气)作为循环介质，在采空井钻井时对钻井工艺参数进行了优化，主要包括循环介质、钻压、钻速、排量等，开展了采空区井过裂隙带钻井技术试验，既降低了采空井钻井成本，又可有效钻至采空区3号煤层底板10m位置处，满足生产要求，取得了较好的效果。

在一开段为防斜，采用了小钻压吊打的方法，同时为达到防塌的目的，采用小泵量、小钻压、低转速的钻进方式，确保了稳定性；在二开、三开段穿越采空区时，循环介质存在漏失严重，返浆(气)困难甚至不返浆(气)，容易造成坍塌、掉钻、埋钻事故，根据实际情况采用大风量冲孔、憋压冲孔、空气泡沫循环等方法，切实有效的解决了钻孔施工中的掉块、卡钻等复杂情况，达到最大限度的节约成本，提高钻效，缩短周期的目的。表1为空气钻井在不同井段时钻进参数变化表。

表1 空气钻井在不同井段时钻进参数变化表

地面采空井完井采用连续固井技术，一开典型套管串结构为引鞋+套管鞋+表层套管，二开典型套管串结构为：引鞋+套管鞋+旋流短节+套管+回压凡尔+一根套管+承托环+套管串+联顶节+水泥头，主要固井设备有水泥车、水泥储灰罐、混合漏斗、混合罐、压风机车、流量计车及相关附属设备等。

2 地面分级抽采工艺

针对废弃矿井采空区煤层气抽采浓度差异大的特点，考虑到煤层气抽采安全性和高效性，将废弃矿井采空区煤层气抽采利用分为高浓度(CH4>30%)和低浓度(CH4≤30%)煤层气抽采利用技术体系。图2为废弃矿井采空区分级抽采利用技术体系示意图，根据煤层气浓度差异，采用不同抽采设备，并匹配不同抽采工艺进行开发。此外，废弃矿井采空区煤层气可就地用作分布式发电机燃料，为抽采设备提供稳定动力。

图2 废弃矿井采空区分级抽采利用技术体系示意图

2.1 高浓度煤层气抽采利用技术

采空井是一种煤层气抽采新井型，不同于常规预抽井“排水降压”的产气机理，其实质上是使用螺杆/漩涡增压机组抽采设备人为制造并传播压力降至采空区内部裂隙空间，使游离煤层气在压降作用下运移至抽采设备内，从而进一步降低井底流压，促进采空区残煤吸附气的解吸，最终使采空区残煤解吸速度与抽采设备抽采能力平衡，达到稳定抽采煤层气的目的。主要抽采工艺流程为：井口(压力表)→阀门→阻火器→单向阀→阀门→增压机组→缓冲罐→阀门→流量计→阀门→集输管网。

2.2 低浓度煤层气抽采利用技术

我国绝大多数煤矿采取直接排空方式处理低浓度煤层气，低浓度煤层气(CH4≤30%)不能直接通过增压机集输利用，但目前尚无专门针对野外地面抽采条件的低浓度煤层气提纯利用系统。为充分利用低浓度煤层气资源(CH4≤30%)，通过针对性地开展集成创新，研究了一套具有安全抽采、甲烷提纯以及增压集输等功能的分布式提纯系统。

基于分布式提纯系统设计思路，设计了如图3的低浓度煤层气安全提纯系统，主要包括安全抽采子系统和变压吸附子系统。安全抽采子系统由闸阀、单向阀、放水器、防爆阻火器、电动阀、水环真空泵、压缩机、冷干机和气体缓冲罐组成。安全抽采子系统运行流程为：在负压抽采下，抽采至地面的低浓度煤层气依次经单向阀、闸阀、放水器、阻火器的安全保障后进入煤层气真空压缩机，从负压开始压缩，将压力升高到0.2MPa左右。冷干机可进一步将煤层气中大部分水分冷冻分离。

图3 低浓度煤层气安全提纯和增压输送系统工艺流程

3 应用效果

(1)晋城矿区

晋城矿区采空井共施工54口，运行25口，日产量约4.5万m3。钻井主要分布在晋圣永安宏泰、岳城、侯村、枣坡沟、润宏、庆城、古书院等矿区；如2013年在晋圣永安宏泰煤矿施工了一口废弃矿井煤层气抽采井JSCK-02井，并成功实现产气，初始产能达6000m3/d,经过6年的抽采，目前该井仍保持日产量约3000m3。

(2)西山矿区

西山矿区采空井共施工56口，运行20口，日产量约3.5万m3，主要分布在屯兰、马兰、东曲等矿区。抽采的高浓度煤层气直接并网管输利用，部分低浓度煤层气资源就地提纯利用。

(3)阳泉、晋中矿区

阳泉矿区采空井共施工18口，运行8口，日产量约0.8万m3，主要分布在乐平、石岗、黄岩汇等矿区，抽采的高浓度煤层气直接并网管输利用，部分低浓度煤层气资源提纯到安全浓度再进行利用。晋中左权矿区采空井共施工9口，运行2口，日产量约0.6万m3，主要分布在坪上矿区。