煤矿采空区煤层气地面开发技术及工程应用−以沁水盆地晋城矿区为例

2022-06-07周显俊李国富李江彪

煤田地质与勘探 2022年5期

周显俊，李国富，李超，王争，李江彪

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城 048012；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西太原 030031；3.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048006)

我国煤矿90%以上为地下矿井，其中50%～70%为高瓦斯矿井。伴随我国长期高强度的煤炭开采形成面积巨大的采空区，袁亮等[1-2]研究表明，预计到2030 年，我国关闭矿井数量将达15 000 处，巨大的煤矿采空区/关闭矿井蕴藏着丰富的煤层气资源。煤矿采空区煤层气是一种赋存于煤矿采空区的非常规天然气，随着煤层气勘探开发工作的不断深入，煤矿采空区煤层气已成为地面煤层气抽采的重要资源之一[3]。

煤矿采空区空间形态及煤层气富集规律研究是采空区煤层气地面抽采的基础，刘天泉[4]在采动岩体的破坏特征与范围方面，提出了岩体变形的空间分带论。钱鸣高[5-6]、许家林[7]等提出关键层理论并在此基础上揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙“O”形圈分布特征。近10 年以来，我国学者主要针对煤矿采空区的上覆岩层裂隙、地面精准探测采空区方法和采空区地面钻完井技术进行研究。韩丹丹[8]、屠世浩[9]等研究了采空区垮落岩体空隙率分布及渗透率演化规律；郇恒飞[10]、林井祥[11]等研究了煤矿采空区及其积水区的探测方法；孟召平等[12]研究建立了废弃矿井煤层气资源量评价模型和方法。在采空区上覆岩层裂隙及裂隙带岩层渗透率研究的基础上，进一步开展采空区钻井井位层位优选、过程控制和负压抽采研究[13-17]。但采空区井钻井过程对采空区上覆岩层裂隙产生影响，上覆含水层通过裂隙渗入采空区的积水，导致采空区井煤层气抽采量不高、衰减快等问题。针对上述问题，基于不同采煤工艺下不同采空区形态分析，结合采空区煤层气渗流特性，研究提出了采空区井布置原则和抽采技术，探索水力冲孔在提高采空区裂隙带岩层渗透率方面的应用，提出采用泡沫欠平衡钻井技术解决钻井岩粉侵入采空区裂隙带的问题，为煤矿采空区煤层气井地面开发提供参考。

1 采空区煤层气开发影响因素

1.1 不同采煤工艺下的采空区煤层气赋存特征

晋城矿区按煤矿井下采煤工艺可分为房柱式采煤和长臂式垮落法采煤，由于采煤工艺的不同，矿区内存在大量形态不一、尺寸各异的矿井采空区。不同采煤工艺下采空区覆岩破坏程度不同，根据晋城矿区典型地质条件与煤岩力学参数，研究了不同采煤工艺下采空区的空间形态。房柱式采煤(图1a)，由于预留大量保护煤柱，有效承载了采煤后应力变化，采空区上覆岩层没有明显的弯曲、离层和垮落；长臂式垮落法采煤(图1b)，采用垮落法管理顶板，采煤后采空区上覆岩层出现明显的弯曲、离层和垮落，自上而下形成弯曲下沉带、裂隙带和垮落带。

图1 晋城矿区不同采煤工艺形成的采空区裂隙发育特征Fig.1 Fracture development characteristics of the goaf formed by different mining techniques in Jincheng mining area

孟召平等[12]研究认为煤矿采空区煤层气主要以吸附态赋存在煤柱及残留煤层、邻近未采煤层中。房柱式采煤因对邻近煤层扰动很小，采空区煤层气主要以煤柱吸附式存在，且与采空空间内游离态煤层气形成动态吸附解吸平衡；长臂式垮落法采煤效率高，本煤层遗留煤炭少，吸附煤层气少，但采煤对邻近煤层扰动较大，增加了邻近煤岩层的透气性，邻近煤层的煤层气通过裂隙运移至采空区，基于此，长臂式垮落法采煤工艺，其采空区煤层气由采空区遗留煤中煤层气和邻近煤层解吸运移至采空区煤层气组成。

1.2 采空区积水

因不同采煤工艺下采空区裂隙发育特征的差异，导致采空区积水特征也不同，房柱式采煤采空区上覆岩层未受明显破坏，上覆地层水很难通过致密泥岩层渗流到采空区，其采空区原始积水量少，但在进行采空区煤层气地面开发时，地面钻井连通了上覆含水层和采空区，上覆含水层内承压水通过井筒流入采空区，如图2 所示，现场钻井过程中承压水通过井筒涌出。

图2 采空区煤层气井钻井过程中井筒涌水Fig.2 Wellbore water gushing during CBM well drilling in the goaf

长臂式垮落法采煤上覆岩层受到明显破坏，上覆地层水通过裂隙带和垮落带裂隙流入采空区，汇聚在采空区地势低洼处，且积水补给能力强，此类型采空区表现出低处积水、高处积气特点。

1.3 采空区裂隙带岩层渗透率

采用长臂式垮落法采煤工艺形成的采空区空间内存在大量裂隙，采空区空间随着时间的增长而不断压实稳定，这些裂隙的尺寸会不断缩小但不会消失，且各类型裂隙尺寸相对于整个采空区空间很小，基于此，将有各类采动裂隙的煤矿采空区视为多孔介质。

多孔介质的孔隙率和渗透率不是相互独立的，很多学者建立了基于孔隙率的渗透率计算公式，其中Kozeny-Carman 方程[18-20]表示岩石渗透率与孔隙率、岩石比表面积之间关系，是多孔介质渗流领域最著名的半经验公式，其表达式为：

式中：k为多孔介质渗透率，m2；n为多孔介质孔隙率，%；c为Kozeny-Carman 常数；S为固体相比表面积，m2/g。

2 采空区井位布置及钻井

2.1 采空区井位布置

采空区井一般采用垂直井身结构，基于此类井身结构提出以下井位布置原则：①依据采空区积水探测结果，结合煤层底板等高线数据，将采空区井布置在采空区积水区域之外；② 针对房柱式采煤形成的采空区空间形态(图3a)，采空区井应避开保护煤柱最终完钻至采空区空间内；如图3b 所示，长臂式垮落法采煤后会在终采线设置密闭墙，用于封闭已完成回采的工作面，由于密闭墙的支撑作用，处于终采线附近的采空区上覆岩层不易垮塌，同时结合”O”形圈理论[6]，该类工作面布置采空区井最优钻井区域为”O”形圈边界连线和采场边界之间靠近终采线一侧；③采空区井位布置要考虑地面建筑物及附着物对井场钻井施工及抽采影响。

图3 煤矿采空区井井位布置Fig.3 Well location layout in the coal mine goaf

2.2 采空区钻井

采空区钻井一般采用三开井身结构，即一开钻穿表土层至稳定基岩层后套管固井，二开钻进至采空区上覆裂隙带顶部后套管固井封闭含水层，三开钻进至采空区后割缝套管完井，具体施工参数见表1。

表1 采空区煤层气井钻井施工参数Table 1 Drilling construction parameters of CBM well in the goaf

采空区井一开、二开钻井与常规煤层气井钻井并无区别，采用水力钻井或空气钻井均可，针对三开钻进水力钻井方式钻井液漏失严重的情况，采用大排量空气作为循环介质进行钻井；对于煤矿井下遗留煤炭有自燃倾向的采空区，为保证钻进安全，将钻井循环介质由空气转换为氮气，抑制井下遗留煤炭自燃。

3 采空区井抽采技术

3.1 负压抽采

煤矿采空区的煤层气来源于煤柱及残留煤层、邻近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气[3]，采空区煤层气抽采首先是采空区游离气，游离气赋存压力降低后促使吸附气解吸，实现采空区煤层气连续抽采。采空区游离气的赋存压力远低于未开采煤储层压力(表 2)，游离气赋存压力不足以将大量煤层气通过采空区井筒输送至地面，因此，采空区井地面抽采一般采用负压抽采。

表2 煤矿采空区煤层气赋存压力Table 2 CBM occurrence pressure in the coal mine goaf

在进行负压抽采系统设计时，抽采系统压损计算公式[21]为：

式中：pf为某段管路的摩擦阻力，Pa；L1为管路长度，m；Δ为混合瓦斯相对空气的密度；Q为某段管路的混合瓦斯流量，m3/h；K0为系数，根据管径确定；d为管路内径，cm；py为管道系统中设备固有压损，Pa。

3.2 排水采气一体化抽采

在使用负压抽采设备进行采空区煤层气地面抽采过程中，采空区上覆岩层承压涌水积聚在井筒底部，水对煤的甲烷解吸影响试验中，与干燥煤样相比，饱和水煤样的甲烷解吸初速度减小了67.0%～67.5%，甲烷解吸总量减小了89.9%～92.0%[22]，因此，采空区积水会极大降低遗留煤炭甲烷的解吸量，进而严重降低地面采空区井的煤层气抽采量。为有效解决采空区上覆岩层承压涌水对抽采效果的影响，对采空区井抽采系统进行优化改进，如图4 所示，具体方法为：在三开完井后将抽采泵通过直径73 mm 油管下至采空区井底部，并在井口安装油管悬挂及密封装置，井底积水通过油管抽排至地面；在二开固井套管上连接煤层气抽采泵，通过油管与二开固井套管之间的环形空间将煤层气抽采至地面集输系统。

图4 采空区煤层气井排水采气一体化抽采系统Fig.4 Integrated drainage and gas extraction system for CBM wells in the goaf

4 工程应用及试验

4.1 研究区概况

岳城矿位于沁水盆地南部，井田分为南北两区，南区为3 个小矿资源整合区，3 号煤层采用房柱式开采；北区为主力生产区，3 号煤层采用走向长臂式垮落法开采。主要可采煤层为3、9、15 号煤层，3 号煤层厚度4.31～6.90 m，平均6.13 m，原始煤层气含量11.67～18.25 m3/t；9 号煤层厚0.30～1.29 m，平均0.88 m，原始煤层气含量12.62～18.65 m3/t；15 号煤层厚1.83～3.65 m，平均2.76 m，原始煤层气含量15.21～24.59 m3/t。岳城矿井田范围内共有采空区积水17 处，积水总面积318 078 m2，采空区积水总量385 123 m3；其中，北部井田积水面积223 644 m2，采空区积水量263 361 m3，南部井田积水面积94 434 m2，采空区积水量121 762 m3。

4.2 排水采气一体化抽采工程应用

YCCK-03 井位于岳城矿井田北区，2008 年该井采煤工作面完成3 号煤开采，形成采空区。采用三开井身结构进行钻井，即一开使用ø311.15 mm 钻头钻井至29.5 m，下入ø273.1 mm 的表层套管完井；二开使用ø241.3 mm 钻头钻井至210 m，下入ø193.7 mm 技术套管封固上部含水层；三开钻井至284 m，在二开套管末端悬挂ø139.7 mm 割缝套管完井。

该井于2015 年9 月投运，使用地面采气设备连接井筒直接进行负压抽采，煤层气平均抽采混量约为3 000 m3/d，甲烷体积分数85%～95%，运行2 个月后抽采混量降至0，经井下视频确认井筒内有积水，积水位置为井口以下122 m，积水深度为162 m。针对这一问题，采用上述排水采气一体化抽采系统，使用直径73 mm 油管下入抽采泵组合，并安装地面抽水和采气设备，如图5 所示，改造后平均抽采混量为4 000 m3/d左右，抽水采气后煤层气日均抽采混量提高33.3%，甲烷体积分数基本维持不变。

图5 YCCK-03 井抽采系统优化前后抽采曲线Fig.5 Drainage curves before and after optimization of YCCK-03 well drainage system

4.3 采空区井水力冲孔工程试验

当采空区地面钻井施工钻进至采空区上部裂隙带时，空气携带着钻井岩粉进入裂隙带，堵塞采空区煤层气运移通道，为解决这一问题，探索使用高压水冲刷采空区裂隙带内的钻井岩粉，以YCCK-27 井水力冲孔试验作为典型井进行分析，该井位于岳城矿井田北区，于2019 年1 月开始钻井施工，井身结构采用上述三开结构，在使用空气作为循环介质钻进至采空区上部裂隙带时，存在明显的井下漏风和井口不能上返岩屑现象。该井安装抽采设备运行后，煤层气平均抽采混量600 m3/d 左右，低于设计值，2019 年5 月对该井实施水力冲孔改造，使用清水作为冲孔液，石英砂作为支撑剂，具体施工参数见表3。

表3 水力冲孔改造施工参数Table 3 Construction parameters of hydraulic punching reconstruction

如图6 所示，水力冲孔改造结束后，对该井进行抽采，平均抽采混量与施工前对比没有明显提高。采用同样的水力冲孔方式对同类型采空区井进行改造，改造前后采空区井日均抽采量最高增长率为11.30%(表4)。分析试验效果不好的原因，认为在水力冲孔工艺设计上将整个裸眼段作为施工的目的层段，该层段为采空区上覆裂隙带和垮落带，导致高压水从垮落带处大量流失后并未有效作用于裂隙带，建议后续可考虑井筒内下入桥塞封住垮落带，将水力冲孔层段确定在采空区上覆裂隙带。