雞西井田地面煤層氣開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

周加佳

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710054）

我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，煤層氣資源豐富，由于煤層氣既是一種潔凈能源，同時(shí)又是威脅煤礦安全生產(chǎn)的爆炸性氣體。因此，進(jìn)行煤層氣的地面開(kāi)發(fā)具有三重重要意義：（1）可作為一種新型潔凈能源，彌補(bǔ)常規(guī)能源的不足；（2）降低礦井瓦斯災(zāi)害；（3）減少礦井瓦斯排空，降低溫室效應(yīng)，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。具有十分重要的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)意義。

在高瓦斯礦井采煤過(guò)程中，采前預(yù)抽瓦斯（煤層氣）是防治瓦斯的根本措施。煤礦井下抽采煤層瓦斯由于受到煤礦開(kāi)采進(jìn)度、巷道工程部署等因素的限制，在時(shí)間和空間上很難實(shí)現(xiàn)采煤與采氣的協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)。從地面開(kāi)發(fā)煤層氣具有超前距離大、抽采時(shí)間長(zhǎng)，采收率高的特點(diǎn)，近年來(lái)被認(rèn)為是治理礦井瓦斯災(zāi)害新的有效途徑，已經(jīng)受到業(yè)界的高度重視。

雞西井田隸屬于黑龍江省雞西市，是深部、薄煤層、煤層群開(kāi)采的典型井田，煤層氣資源豐富，是東北部地區(qū)的代表井田。同時(shí)雞西井田又屬于高瓦斯礦井，隨著生產(chǎn)規(guī)模、開(kāi)采深度和開(kāi)采范圍的不斷增大，瓦斯災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)成為制約雞西井田煤礦安全生產(chǎn)的絆腳石。因此2012年，結(jié)合“十二五”國(guó)家重大油氣專項(xiàng)《煤礦區(qū)煤層氣抽采產(chǎn)能預(yù)測(cè)技術(shù)》，在黑龍江省雞西井田實(shí)施1口煤層氣地面垂直井開(kāi)發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施獲取井田儲(chǔ)層參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，評(píng)估雞西井田地面煤層氣開(kāi)發(fā)的可行性，優(yōu)化適合雞西井田的地面煤層氣開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)。

1 雞西井田煤層氣地質(zhì)及儲(chǔ)層特征

1.1 地層及構(gòu)造特征

井田內(nèi)含煤地層主要為穆棱組和城子河組。兩組地層含煤層數(shù)較多，但僅3煤層、14煤層基本全區(qū)可采。目標(biāo)煤層14煤層厚度為0.16～2.34 m，平均1.24 m，兩者在井田范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出由西向東呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，尤以井田東南部厚度最大。

受雞西煤田的構(gòu)造控制，梨樹(shù)井田以東西向的背、向斜褶曲為主，南北向或北西向高角度斷層（規(guī)模較大）橫切褶曲軸，此外，還發(fā)育近東西、北東、北西向規(guī)模較小的斷層，構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，各煤層塊狀、粉狀均見(jiàn)。

1.2 儲(chǔ)層特征

14煤層的儲(chǔ)層壓力為7.30 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度為8.93×10-3MPa/m，其稍低于靜水壓力梯度，故該區(qū)地層為正常壓力儲(chǔ)層，有利于煤層氣排采。14煤層的臨界解吸壓力為7.06 MPa，相應(yīng)地，臨儲(chǔ)比較高為0.967。同時(shí)采用蘭氏方程結(jié)合儲(chǔ)層壓力及臨界解吸壓力數(shù)據(jù)，獲取14煤層氣含量為11.49 m3/t，相應(yīng)地，含氣飽和度為99.35%，飽和度較高，有利于煤層氣解吸。

14煤層的滲透率為0.67 mD，與國(guó)內(nèi)同煤級(jí)的其它地區(qū)比較，該區(qū)14煤層滲透性相對(duì)較好。分析其原因，一方面，其煤體結(jié)構(gòu)中塊狀、碎粒狀及粉狀均見(jiàn)，主要為碎裂結(jié)構(gòu)煤，且內(nèi)生裂隙發(fā)育裂隙密度>40條/5 cm，未見(jiàn)充填；另一方面，地應(yīng)力測(cè)試顯示，14煤層閉合壓力為16.45 MPa，應(yīng)力梯度為2.01×10-2MPa/m，該區(qū)14煤層地應(yīng)力場(chǎng)正常。

該區(qū)煤層屬于深部、薄煤層、煤層群開(kāi)采的典型區(qū)域。但煤層氣含量大，含氣飽和度高，煤層發(fā)育條件好，具有較好的煤層氣生氣、儲(chǔ)氣以及運(yùn)移條件，為煤層氣開(kāi)發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)由于該區(qū)煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，滲透性能好，為煤層氣增產(chǎn)提供了有利條件，因此該區(qū)煤層氣資源具有很大的開(kāi)發(fā)潛力。

2 鉆完井工藝技術(shù)

試驗(yàn)井部署原則主要考慮選擇構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層厚度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層含氣量高的區(qū)域，選擇該區(qū)14煤層作為試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)煤層，采用垂直井開(kāi)發(fā)方式。

井田內(nèi)主要鉆遇的地層以碎屑巖為主，故井身結(jié)構(gòu)采用常規(guī)二開(kāi)結(jié)構(gòu)及套管程序，即一開(kāi)采用Φ346.1 mm牙輪鉆頭，鉆至基巖面下20 m后，下入J55Φ273.1 mm表層套管，封固地表疏松層，建立井口，固井水泥漿返至地面；二開(kāi)采用Φ215.9 mm鉆頭，鉆至14煤層底板以下60 m完鉆，下入J55Φ139.7 mm生產(chǎn)套管，人工井底883.55 m。二開(kāi)為了減小鉆井液對(duì)煤層的傷害，采用低固相低密度鉆井液進(jìn)行快速鉆進(jìn)。

在固井工程中二開(kāi)采用變密度水泥漿固井工藝技術(shù)，水泥漿密度先小后大，以減小固井水泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，固井質(zhì)量?jī)?yōu)異。試驗(yàn)井采用了套管射孔完井方法對(duì)目標(biāo)煤層段進(jìn)行射孔，共射開(kāi)3.62 m，射開(kāi)煤厚3.13 m，目標(biāo)層段射孔發(fā)射率高達(dá)100%。

3 壓裂工藝技術(shù)

3.1 壓裂工藝

針對(duì)雞西井田煤層薄、煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)較好的儲(chǔ)層特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)樵撁簩恿严断到y(tǒng)保存完整，主要為碎裂結(jié)構(gòu)煤，滲透率高，在前期試壓過(guò)程中煤層有兩次明顯破裂現(xiàn)象，破裂壓力21.7 MPa。因此在壓裂過(guò)程中加大了壓裂加砂規(guī)模和施工排量，采用大排量，大砂量，中砂比的活性水壓裂工藝技術(shù)。通過(guò)對(duì)14煤的加砂情況進(jìn)行分析，加砂相對(duì)比較順利，施工排量7.7～8.1 m3/min，平均砂比13.86%。實(shí)際壓裂過(guò)程中由于供水原因，進(jìn)行了二次加砂壓裂，共加砂54.2 m3，累計(jì)用液量662.5 m3，壓裂施工曲線（見(jiàn)圖1）。

3.2 壓裂分析

結(jié)合壓裂施工曲線和壓后分析可以看出，針對(duì)煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，滲透率高的煤儲(chǔ)層，采用大排量、大砂量、中砂比的壓裂工藝技術(shù)能夠大大提高壓裂液的攜砂能力，更好的形成寬而長(zhǎng)的、具有一定導(dǎo)流能力的支撐裂縫，有效提高儲(chǔ)層泄流面積，提高產(chǎn)能。

壓后采用微地震裂縫監(jiān)測(cè)手段對(duì)14煤的壓裂效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示830.30～836.22 m層段壓裂時(shí)產(chǎn)生的壓裂裂縫為垂直縫，同時(shí)有T型裂縫，方位為43.3°，總縫長(zhǎng)259.7 m，影響裂縫高度7.9 m。同時(shí)通過(guò)井溫測(cè)裂縫高度結(jié)果表明14煤層全部壓開(kāi)，并且形成了具有一定縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力的壓裂裂縫。

4 排采工藝技術(shù)

4.1 排采設(shè)備

（1）依據(jù)該區(qū)的水文地質(zhì)資料、煤儲(chǔ)層特征和地層供液能力，采用抽油機(jī)+管式泵的排采方式。

（2）采用井下永置式電子壓力計(jì)，同時(shí)安裝地面無(wú)線傳輸系統(tǒng)，實(shí)施井底流壓、溫度等數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精細(xì)化管理。

（3）采用智能旋進(jìn)漩渦氣體流量計(jì)，能夠有效抵抗氣體中夾雜的水分和雜質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響，耐腐蝕，穩(wěn)定可靠，大大提高了設(shè)備計(jì)量的準(zhǔn)確性。

4.2 排采工作制度

（1）泵掛位置的確定主要取決于區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)和已有排采井生產(chǎn)狀況，由于雞西井田煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，且在壓裂放噴過(guò)程中吐煤吐砂現(xiàn)象較少。因此根據(jù)泵掛原則，排采過(guò)程中將泵直接下至14煤層下方以有效提高泵效。該井在排采過(guò)程中泵效一直保持在90%以上，動(dòng)液面穩(wěn)定下降，排采效果顯著。

（2）煤層氣井排采主要有兩種工作制度，一種是定壓排采，另一種是定產(chǎn)排采。為防止激動(dòng)儲(chǔ)層顆粒，避免吐砂吐煤粉，該井采用定壓排采方式。井底流壓的控制以少吐砂、少吐粉為判別原則。

（3）根據(jù)氣井產(chǎn)水、產(chǎn)氣的情況，氣井的產(chǎn)氣狀態(tài)可以劃分為穩(wěn)定降壓、臨界產(chǎn)氣、氣量快速增加、穩(wěn)定產(chǎn)氣和氣量衰五個(gè)階段（見(jiàn)表1）。在排水降壓過(guò)程中為了最大限度的讓壓降漏斗擴(kuò)散完全，使煤層充分解吸，排采中嚴(yán)格把握“平穩(wěn)、安全、階段性調(diào)整”的原則，分階段制定排采工作制度，實(shí)時(shí)調(diào)整排水強(qiáng)度，實(shí)行精細(xì)化管理，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

表1 排采各階段特點(diǎn)和控制措施

4.3 排采試驗(yàn)效果

由于雞西井田具有良好的煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件，并且初步形成了一套適合雞西井田深部薄煤層煤層氣地面開(kāi)發(fā)的鉆完井、壓裂和排采工藝技術(shù)體系。通過(guò)煤層氣試驗(yàn)井半年多的排采研究，現(xiàn)場(chǎng)排采施工連續(xù)，排采制度合理，降壓速度平穩(wěn)，較好地保護(hù)了煤層，取全取準(zhǔn)了各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，截止到2013年6月11日，動(dòng)液面610.05m，井底流壓 2.309 MPa（見(jiàn)圖2）。日產(chǎn)氣1977m3，日產(chǎn)水0.5 m3，最高產(chǎn)氣量達(dá)到2 023.2 m3/d。累計(jì)產(chǎn)氣量26萬(wàn)m3，累計(jì)產(chǎn)水231 m3（見(jiàn)圖3），具有上產(chǎn)快，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)異效果。

5 結(jié)論

（1）雞西井田屬于深部薄煤層開(kāi)發(fā)，但該區(qū)煤層具有煤體結(jié)構(gòu)、滲透性以及含氣性相對(duì)較好的煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)特征，有利于煤層氣地面開(kāi)發(fā)。

（2）鉆完井過(guò)程中采用低固相低密度鉆井液和變密度水泥漿固井工藝技術(shù)，很好的減小了對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，有利于煤層氣的產(chǎn)出。

（3）采用大排量、大砂量、中砂比的壓裂工藝技術(shù)能夠很好的形成具有一定導(dǎo)流能力的支撐裂縫，有效提高儲(chǔ)層泄流面積，提高產(chǎn)能。

（4）煤層氣排采是煤層氣開(kāi)發(fā)工藝過(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)排采設(shè)備和排采工作制度的優(yōu)化，采用定壓排采方式，嚴(yán)格把握“平穩(wěn)、安全、階段性調(diào)整”的原則，分階段制定排采工作制度，實(shí)行精細(xì)化管理，最大限度的讓壓降漏斗擴(kuò)散完全，使煤層充分解吸，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

（5）在雞西井田進(jìn)行地面煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，初步形成了一套適合雞西井田深部薄煤層煤層氣地面開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)體系。不但取得了優(yōu)異的產(chǎn)氣效果，而且可以通過(guò)地面抽采治理井下礦井瓦斯災(zāi)害，減少大氣污染保護(hù)環(huán)境，說(shuō)明地面煤層氣開(kāi)發(fā)在雞西井田是切實(shí)可行的，具有很大的開(kāi)發(fā)潛力。不但為礦井瓦斯治理提出新的解決途徑，同時(shí)也為加快雞西以及類似地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)利用的步伐奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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