采动区煤层气井布置关键技术研究

摘要：在煤层开采过程中，岩层运动形成大量的裂隙可以作为瓦斯的流动通道。在采动区的合适位置布置煤层气井，可以保证煤层气开发的效果。结合了煤层开采岩层运动的规律，重点分析了在采动区布置煤层气井的关键因素。首先，分析了采动过程中煤层气富集有利区优选机理。其次，分析了采动过程中煤层气井的变形机理。最后，对煤层井的布置进行探讨。结果表明：采动区煤层气井应该布置在回风巷侧且地表沉降拐点连线和采场中心线之间的区域；为了保持煤层气井的稳定性，钻井应该采用二级结构和三级结构。

关键词：采动区煤层气开发岩层运动煤层气井

中图分类号：TD82;TE37

ResearchonKeyTechnologiesfortheLayoutofCoalbedMethaneWellsinMiningAreas

LIZheyuan1LIRonglei2FENGYunfei2

1.GuizhouCoalbedMethaneEnergyDevelopmentCo.，Ltd.，Liupanshui，GuizhouProvince，553000China;2.GuizhouResearchCenterforCoalbedMethaneandShaleGasEngineeringTechnology，Guiyang，GuizhouProvince，550081China

Abstract：Intheprocessofcoalmining，thestratamovementcreatsalargenumberoffracturesthatcanserveasflowchannelsforgas.Theplacementofcoalbedmethanewellsintheappropriatelocationofminingareascanensuretheeffectofcoalbedmethanedevelopment.Thispapercombinesthelawofthestratamovementduringcoalminingtofocuseonthekeyfactorsofthelayoutofcoalbedmethanewellsinminingareas.Thepaperfirstanalyzesthe optimizationmechanismofthefavorableareasofcoalbedmethaneenrichmentduringmining，thenanalyzesthedeformationmechanismofcoalbedmethanewellsintheminingprocess，andfinallydiscussesthelayoutofcoalbedmethanewells.Thefindingsindicatethatcoalbedmethanewellsinminingareasshouldbearrangedonthesideofthereturnairroadwayandtheareabetweentheconnectionlineofsurfacesubsidenceinflectionpointsandthecenterlineofthestope，andthatthewelldrillingshouldadoptsecondaryandtertiarystructuresinordertomaintainthestabilityofcoalbedmethanewells.

KeyWords：Miningarea;Coalbedmethanedevelopment;Stratamovement;Coalbedmethanewell

煤层气开发不仅可以获得清洁能源，还可以降低煤层开采时引发的灾害。目前，国家相关部门已经发布了多个政策性文件，加快煤层气的开发和利用，减少瓦斯对生态的污染，促进煤炭工业的可持续发展[1]。但是，煤层气资源开发的总体效果并不理想，煤层气的抽采量距离国家制定的目标还有很大的差距[2-3]。因此，如何加快煤层气的高效开发依然是关注的重点内容之一。在煤炭开采时，进行煤层气开发是一种有效的方式，但是需要选择合适的煤层气井位置和使煤层气井不受岩层运动的影响。

1煤层气富集有利区优选机理

煤层开采后，被保护层受采掘扰动，原始地应力条件平衡被打破，应力降低使岩体发生变形破坏。随着工作面的回采，煤层顶板开始垮落，并释放岩层压力。在采空区不断被矸石压实时，煤壁受到支撑压力的作用产生大量的裂隙。在采动初期，采空区中心附近的岩层裂隙发育最为彻底。随着回采的进行，采空区中心处逐渐被压实，而靠近采空区边缘由于受到煤柱的支撑作用裂隙仍能保持较好的畅通。因此，煤矿开采后，采空区四周的岩层裂隙内游离瓦斯相对较多。数值模拟研究表明，裂隙发育区的范围与开采范围存在显著的相关性。

在回采过程中，当工作面推进距离小于离层产生的距离时，离层范围随着工作面的推进范围越来越大，反之，则离层范围随着工作面的推进产生迁移。被保护层的离层裂隙始终位于工作面后方的采空区中央。在采动影响稳定后，离层裂隙在停采线附近的一部分区域内会保持稳定，而这个采动稳定区域具有高渗透性，非常利于煤层气的抽采[4]。

采动过程中煤层气受应力释放的影响，当储层应力降低至甲烷临界解吸压力后，甲烷将解吸并扩散到孔隙中，孔隙中游离态甲烷浓度逐渐升高，在浓度差的作用下甲烷分子发生扩散，当压力差和浓度差消失，甲烷分子将停止运移。因此，煤层气富集区往往具有较好的空渗条件，应是应力释放最为强烈的区域。

煤层气富集区按其来源特征，可以分为开采阶段煤层气富集区和采动稳定阶段煤层气富集区。在采动影响稳定后，采空区上方的裂隙带会被压实，向采空区周边的采场类型带内转移，形成“O”形圈空间瓦斯聚集区。因此，在这个区域内布置煤层气井，就可以实现煤层气的高效开发。

2采动期井筒结构变形机理

当煤层未被开采时，此时套管不受采动影响处于垂直状态。但是随着工作面的推进，上覆岩层由于受到采动的影响开始发生缓慢的水MnQssuzxGvQyl/IT4yPvOKWcstwvFPGGWNetPR8cPWQ=平移动，工作面继续往前推进，距离钻井的距离也越来越小，岩层受到的扰动更加剧烈，而此时岩层水平移动也逐渐增大，由于各岩层的力学性质和地应力条件不同，其水平移动距离各不相同。采动期岩层运动主要分为水平移动和向下移动。煤层开采后，套管受力平衡被打破，当应力超过套管钢材的强度时，即可以导致套管破坏。按照套管破坏时的受力状态，可将套管的破坏分为剪切破坏和拉压破坏两种破坏形式[5]。

当剪切力逐渐超过套管的刚性强度时，套管过渡为塑性状态，并发生塑性弯曲，在此过程中，支撑套管的水泥环逐渐失稳，发生破裂，套管由垂直状态转变为斜直状态，并向采空区的方向倾斜。随着工作面继续往前推进，离钻井的距离更近，而此时下部的岩层受采动的影响较上部的更为剧烈，即此时下部岩层的水平移动速度的增加速率较快，因此当岩层的水平移动未达到最大值之前，不同层位岩体位移量不同，套管的状态就会由斜直状态转变成“S”状态，如图1（a）所示。“S”型井体最大斜率处往往是岩层性质突变面，即岩层交界处；开采煤层上覆岩体受地应力及重力作用逐渐形成三带，因此，井位附近的岩体将受超前采动影响形成离层，并牵动井体向下运移，致使井体发生拉伸变形（如图1（b）），因此，需要针对三带的不同力学和变形状态，对井筒进行分段防护。

3采动区卸压煤层气地面井布置分析

3.1煤层气井的位置

针对井筒的破坏特性，为了尽可能减小采动对地面井的破坏，保证井筒的畅通，提出如下采动区地面井布置原则。

（1）地面井的位置应考虑采动对井身结构和有利于煤层气抽采两个方面。

（2）应尽量避免地面井受到剪切和离层拉伸最严重的区域。在回采时，距离工作面位置不同时，产生的水平和垂直方向的运动强度不同。在综合考虑井筒结构稳定性的情况下，井筒应该布置在地面沉降的拐点和采场中线之间的区域内。

（3）还要考虑到井下瓦斯治理的效果。在采场风流的影响下，将井筒布置在工作面回风侧的巷道时，可以对上隅角的瓦斯起着很好的治理作用。考虑到产能的影响，煤层气井最好处于裂隙长期稳定的区域。在采动作用下，裂隙发育且长期保持稳定区域位于采空区的周边，即靠近工作面开切眼、进回风巷等位置附近。因此，将煤层气井布置在这些区域附近有利于长期产气。

在综合以上几个方面的影响后，动采区煤层气应该布置在回风巷侧的地表沉降拐点和采场中心线之间的区域，如图2所示。

3.2井身结构优化

根据前述上覆岩层裂隙发育与瓦斯渗流过程分析，煤矿采动区地面井的设计在考虑钻井抗采动影响能力、抽采效果的条件下必须对地面井各井段的岩层移动影响、套管选型、水泥环参数优化等进行逐级优化设计，并在地面井区域布置和安全抽采控制方面统筹兼顾。地面卸压煤层气钻井主要有井身二级结构和三级结构两种方案，具体如图3所示。

地面井设计成二级结构时，一开钻进深度应该穿过施工区域表土覆盖层与风化带岩层，并深入基岩50m以下，同时钻进深度不低于100m；二开钻进深度应该深入到煤层覆岩垮落带内，下入生产套管+筛管，同时下入分节箍，其中套管下深至采空区上100m，筛管下深至采空区上10m，即地面井底应位于开采引起的覆岩裂隙区瓦斯富集带内，二开封固，水泥返至地面，受采高的影响，卸压范围较小，可以对筛管附近岩层进行扩孔卸压。

地面井设计成三级结构时，一开钻进深度应该穿过施工区域表土覆盖层与风化带岩层，并深入基岩10m以下，下入表层套管，对环空使用硅酸盐高强水泥封固；二开钻进深度应该达到煤层覆岩导水断裂带上方10～15m的位置，下入套管，套管高出地表0.5m，对环空使用硅酸盐高强水泥封固；三开钻进深度应该深入到煤层覆岩冒落带内，采用悬挂方式固定筛管。

为保证地面井的抽采效果，施工过程中应该控制裂隙场道气通道的完整性和污染。由于采动区岩层破坏严重，钻井施工过程中容易发生塌孔和钻井液泄漏的问题。对于非生产阶段施工时，对于漏液严重的区域应该采用灌浆堵孔。

4结语

在煤矿开采过程中，同时进行煤层气开发兼具安全效益和经济效益。可以充分利用岩层运动过程中产生的裂隙，加快煤层气的抽采。在采动区布置煤层气井，井筒不仅要处于裂隙发育区，还要能抵抗岩层运动产生的变形。煤层气井应该布置在回风巷侧且地表沉降拐点连线和采场中心线之间的区域。为了保持煤层气井的稳定性，钻井应该采用二级结构和三级结构。

参考文献

[1] 李丹，苏现波.煤与煤层气资源开发全过程阶段划分及其开发效果评价[J].煤炭科学技术，2023，51（3）：137-147.

[2] 朱瑞静，穆满根，荆丽波，史江涛.我国煤层气开发现状及展望[J].能源与环境，2020（4）：24-25.

[3] 陈天，易远元，李甜甜等.中国煤层气勘探开发现状及关键技术展望[J].现代化工，2023，43（9）：6-10.

[4] 朱家伟.煤层气储层破坏机理及其影响分析[J].科技资讯，2023，21（19）：173-176.

[5] 王平，张维平，齐照东.煤层气井修井储层保护带压作业工艺和关键设备应用分析[J].石化技术，2023，30（10）：152-154.