頓巴斯礦區(qū)地面煤層氣抽放的先進(jìn)工藝

科如紹克·杰尼索維奇 圖爾欽·安德烈耶維奇

謝維列夫·烈昂尼多維奇 尤什科夫·亞歷山德羅維奇

(頓涅茨克鋼鐵公司，烏克蘭 83000)

頓巴斯礦區(qū)地面煤層氣抽放的先進(jìn)工藝

科如紹克·杰尼索維奇 圖爾欽·安德烈耶維奇

謝維列夫·烈昂尼多維奇 尤什科夫·亞歷山德羅維奇

(頓涅茨克鋼鐵公司，烏克蘭 83000)

本文講述烏克蘭頓巴斯礦區(qū)的煤層氣抽放和利用，分析了綜合開(kāi)發(fā)和利用瓦斯的新方案，并選擇伯克羅夫斯科礦務(wù)局做為實(shí)施方案的地點(diǎn)，該礦務(wù)局是烏克蘭最大礦務(wù)局，年產(chǎn)800萬(wàn)t煤。實(shí)踐證明從地面抽放瓦斯的優(yōu)越性，每年要建設(shè)約50口抽放井的方法，頓涅茨克鋼鐵公司選用Ultra Single 150型 (加拿大)鉆機(jī)，進(jìn)行鉆孔。闡述這種鉆機(jī)結(jié)構(gòu)和使用方法，速度達(dá)到約60m/h，每晝夜速度達(dá)到620m，比原有鉆機(jī)提高速度2～3倍，使用多晶體PDC型鉆頭，一個(gè)鉆頭可鉆深7000多m。在煤層氣利用方面，采用熱電聯(lián)產(chǎn)氣體活塞式發(fā)電站，可供礦務(wù)局所需電量的54%，效益好，可推廣。

綜合開(kāi)發(fā)利用 快速鉆進(jìn) 發(fā)電站

1 概況

頓巴斯煤田是烏克蘭主要的燃料能源基地。近年來(lái)，頓巴斯不僅被看作為產(chǎn)煤區(qū)，而且也被看作是大型含氣區(qū)域。頓巴斯煤礦可能抽采的煤層氣量完全可以和烏克蘭已探明的天然氣儲(chǔ)藏量相媲美。

鑒于烏克蘭已探明的天然氣儲(chǔ)藏量并不大，因此應(yīng)高度重視從煤層抽采煤層氣來(lái)彌補(bǔ)天然氣開(kāi)采量不足的可能性。頓巴斯礦區(qū)的煤層氣資源估計(jì)為12萬(wàn)億m3，應(yīng)當(dāng)指出，煤層氣的成分和熱值與天然氣是相同的。每年，頓巴斯礦井的抽氣系統(tǒng)提取25億m3煤層氣，其中僅3億m3煤層氣被有效利用。

2 綜合開(kāi)發(fā)利用方案

2.1 方案的內(nèi)容

近期，根據(jù)頓巴斯礦區(qū)的實(shí)際情況，制定出煤層氣綜合開(kāi)發(fā)和利用方案，其內(nèi)容包括:(1)對(duì)煤礦的煤層氣進(jìn)行有計(jì)劃的預(yù)抽放;(2)用地面鉆井對(duì)回采工作面和采空區(qū)進(jìn)行煤層氣抽放。

預(yù)抽放是采礦作業(yè)開(kāi)始前抽采煤層氣，目的是減少其進(jìn)入巷道并防止瓦斯突出。美國(guó)威德福公司正在在頓巴斯礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè)。日常抽放是從回采工作面和采空區(qū)經(jīng)過(guò)地面鉆出的井孔抽排。目前，頓涅茨克鋼鐵公司正在實(shí)施該項(xiàng)作業(yè)。采用創(chuàng)新技術(shù)和方法可大大縮短了鉆井的施工工期。

2.2 方案的實(shí)施

波克羅夫斯科礦務(wù)局被推薦作為該方案的實(shí)施地點(diǎn)，它是頓巴斯煤田具有代表性的采煤企業(yè)。礦井的采煤作業(yè)在800多米深的d4煤層進(jìn)行，該煤層是易發(fā)生煤和瓦斯突出的地層。該礦務(wù)局是烏克蘭最大的礦務(wù)局，年采煤800萬(wàn)t。正如礦務(wù)局高產(chǎn)回采工作面的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)，瓦斯的存在降低了采煤速度，由于必須保持其在巷道空氣中的安全含量，也使采礦作業(yè)的實(shí)施復(fù)雜化。然而，使回采工作面中的瓦斯?fàn)顩r正常的通風(fēng)系統(tǒng)的功能是有限的。

此外，與從采掘巷道中所鉆的孔相比，從地面鉆孔抽氣更有自己的優(yōu)越性。

(1)從地面鉆孔不依賴采礦巷道的狀況，也不干預(yù)生產(chǎn)過(guò)程;

(2)使用地面鉆機(jī)鉆孔作業(yè)的生產(chǎn)效率高，使用地面鉆孔提取瓦斯的產(chǎn)量，比從井下巷道鉆孔抽采效率提高幾倍;

(3)現(xiàn)代化鉆井工藝可以從一口井鉆出幾口傾斜水平井，這大大減少了鉆井作業(yè)的費(fèi)用，從而減少了配置鉆機(jī)的土地占用面積。

2.3 實(shí)施的結(jié)果

根據(jù)上述這些經(jīng)驗(yàn)使頓涅茨克鋼鐵公司首次在烏克蘭制訂并開(kāi)始實(shí)施煤礦瓦斯綜合開(kāi)發(fā)和利用方案，該方案基于采用創(chuàng)新技術(shù)解決方法、采用新工藝和新設(shè)備的多方案戰(zhàn)略。方案規(guī)定預(yù)先對(duì)煤層進(jìn)行抽采，繼而開(kāi)采高產(chǎn)煤層或?qū)Σ豢刹傻拿簩舆M(jìn)行煤氣化。眾所周知，依靠采用預(yù)先抽放工藝，把煤礦體中瓦斯的天然含量降低50%以上，可以顯著提高生產(chǎn)的安全性，并大大地降低抽放地段的準(zhǔn)備和開(kāi)采費(fèi)用。

通過(guò)地面鉆井對(duì)采空區(qū)進(jìn)行抽放的工藝，納入日常抽放，減少瓦斯向巷道的排放量是在采礦作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行的。它的特殊性在于，作為一項(xiàng)輔助措施，它是在通風(fēng)系統(tǒng)和地下抽放系統(tǒng)達(dá)不到時(shí)采用，但任何情況下也不能替代井下抽放。

公司制訂了利用地面鉆井對(duì)采空區(qū)進(jìn)行抽放的方案。該方案的主要特點(diǎn)是規(guī)定一年建設(shè)約50口抽放井，這些井間的距離為300m，并配有相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

按采煤段長(zhǎng)度布置的抽放井，布孔的方法應(yīng)考慮到采煤地段瓦斯排放量增長(zhǎng)周期和氣體排放遞減的周期。

方案的主要解決方法是精確協(xié)調(diào)采煤速度和抽放井的鉆采時(shí)間。抽放井的鉆采時(shí)間應(yīng)當(dāng)在回采工作面接近它但不小于30m的距離之前結(jié)束。

3 采用新設(shè)備新工藝

3.1 采用新鉆機(jī)機(jī)組

考慮到所完成的任務(wù)范圍廣和對(duì)鉆機(jī)機(jī)組的要求很高，頓涅茨克鋼鐵公司選用加拿大Ultra Single 150型鉆機(jī)。

該機(jī)的特點(diǎn)是成組配備，設(shè)備安裝的期限短，使用時(shí)不必建造沉淀池的鉆井液封閉式凈化系統(tǒng)，鉆塔的穩(wěn)定性高，從而排除了鉆探時(shí)用拉桿固定它的必要性。

在抽放方案實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，考慮到地面鉆井的時(shí)間和回采工作面的采煤速度，需要鉆井速度的最佳化。為此，對(duì)完成部分鉆井作業(yè)的消耗時(shí)間進(jìn)行了時(shí)間分析，得以形成減少鉆井作業(yè)時(shí)間所需的方法。

為了保證鉆井在煤系地層構(gòu)造復(fù)雜地質(zhì)條件下的垂直度，研究出各種方案的鉆鋌布局使用工藝，確保了降低井孔軸線與井孔垂直中心線的偏差。

為確保鉆井過(guò)程中鉆井液循環(huán)全部或部分消耗時(shí)井幫的穩(wěn)定性，提出向鉆井液注入專(zhuān)用填料。此外，還開(kāi)發(fā)出使用以聚合物為基礎(chǔ)的添加劑配方，以提高鉆井液的優(yōu)質(zhì)參數(shù)。為了保持鉆井液的最佳參數(shù)，使用了Brandt公司的4級(jí)凈化系統(tǒng)，而對(duì)于更進(jìn)一步的凈化，則在凈化單元的組成中附加了離心機(jī)。

3.2 采用電動(dòng)鉆頭

頓巴斯礦區(qū)建造地面抽放井的創(chuàng)新技術(shù)解決方法是采用鉆井井底螺旋式電動(dòng)鉆頭。工作面螺旋式電動(dòng)頭的使用顯示出該工藝提高鉆井速度和確保鉆井垂直度所需參數(shù)的高效率。達(dá)到頓巴斯礦區(qū)創(chuàng)記錄的速度約60m/h。該工藝的采用使鉆井速度提高2～3倍。

為了提高鉆探的機(jī)械速度，對(duì)世界主要制造商的各類(lèi)鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn)。被認(rèn)可為破碎巖石最佳的是多晶體PDC型鉆頭，它確保一個(gè)鉆頭可鉆深7000多米。

為了完成管外間隙充填固井作業(yè)，在鉆機(jī)機(jī)組中配有基于加拿大肯沃斯型 (Kenworth)的牽引設(shè)備水泥灌注設(shè)備。

從2011年5月至今，頓涅茨克鋼鐵公司共鉆抽放井60000多米。最大鉆進(jìn)速度達(dá)到620m/晝夜。

烏克蘭石油天然氣開(kāi)采公司缺乏采用同等級(jí)鉆機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，因此，在開(kāi)采過(guò)程中形成并且旨在改善工藝作業(yè)的先進(jìn)鉆探方法及減少建設(shè)時(shí)間的每個(gè)技術(shù)解決方法都是創(chuàng)新的。施工結(jié)束后，每口抽放井配備有管接頭和防護(hù)罩。

4 熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)發(fā)電站

無(wú)論是井下方式，還是經(jīng)過(guò)地面鉆井開(kāi)采的煤層氣，都是經(jīng)過(guò)支線管網(wǎng)送達(dá)真空泵站。氣體從泵站輸送到熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電站進(jìn)行發(fā)電。由6臺(tái)Jenbacher JMS-620裝置 (總電功率18.2兆瓦，熱功率17.5兆瓦)和Hofgas噴射裝置組成的熱電聯(lián)產(chǎn)氣體活塞式發(fā)電站一期建設(shè)已經(jīng)完成并投產(chǎn)。新設(shè)備可確保礦務(wù)局54%的自身電能需求，主要區(qū)域的70%熱能需求由電站來(lái)保障。在這種情況下，電站生產(chǎn)的電的售價(jià)要比國(guó)家電費(fèi)的價(jià)格便宜1/7，而其熱能比市政鍋爐房的熱能便宜1/10。由于使用熱能效率達(dá)35%以上的先進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)工藝，使得效率提高節(jié)約能源。相當(dāng)重要的是，熱電聯(lián)發(fā)電站在相當(dāng)大程度上也減輕了礦區(qū)的自然環(huán)境壓力。

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)氣體活塞式發(fā)電站的工作來(lái)說(shuō)，輸入的煤層氣的濃度應(yīng)當(dāng)在20%～85%范圍內(nèi)，而壓力應(yīng)當(dāng)在5～30千帕范圍內(nèi)。

鑒于真空泵站出口上瓦斯的預(yù)計(jì)壓力，以及保證熱電聯(lián)產(chǎn)氣體活塞式發(fā)電站入口上氣體的所需壓力，敷設(shè)氣體管道特選用了φ630毫米聚乙烯管。聚乙烯管的焊接使用了德國(guó)Roweld P630B2焊接機(jī)。

5 結(jié)論

(1)頓巴斯煤礦煤層氣儲(chǔ)量可以與烏克蘭已探明的天然氣儲(chǔ)藏量相媲美。

(2)必須著手開(kāi)發(fā)煤層氣抽采的新工藝，改進(jìn)現(xiàn)有工藝。

(3)分階段強(qiáng)化和不斷在現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦中從煤層抽采煤層氣，可以極大地提高采礦安全和采煤的產(chǎn)量及利潤(rùn)率，在采氣的同時(shí)，使礦山的經(jīng)營(yíng)多樣化。

［1］伊利亞紹夫М.А.，列維特В.В.，菲拉托夫Ю.В..煤層瓦斯部門(mén)概況 ［M］.基輔:納烏科瓦杜姆卡，2011.

［2］伊利亞紹夫 М.А.，阿加弗諾夫 А.В.，科朱紹克О.Д..基于先進(jìn)工藝的煤礦床預(yù)先抽放 ［J］.“頓涅茨克鋼鐵公司”創(chuàng)新文摘，2012，3，13-14.

［3］庫(kù)熱利С.В..“波克羅夫斯克耶’礦務(wù)局的鉆井速度記錄”［J］.烏克蘭煤炭，2012，2，6-7.

［4］伊利亞紹夫М.А.，科朱紹克О.Д.，圖爾欽В.А.，舍維列夫В.Л.，皮利佩茨В.И..頓巴斯鉆探抽放井時(shí)使用工作面螺旋式電動(dòng)機(jī)［J］.格柳卡扣弗幸福雜志，2012，12，12-14.

Advanced CBM Drainage Techniques in Donetsk Mining Area

Kozhushok O.D.，Turchin V.A.，Shevelev V.L.，Yushkov E.A.
(Donetsk Steel Group，ukraine 83000)

The article introduces the drainage and utlizatione of CMM in Donetsk，Ukraine.，and analyses the new project of CMM development and tulization.The Pokrovckoy Mining Bureau，the largest mining bureau in Ukraine with an annual coal output of 8 million tons，was chosen to carry out the project.The practice shows the advantage of CMM drainage from the surface.There are around 50 drainage wells built each year.The Donetsksteel Company chooses the Ultra Single 150 model drilling rig to complete the drilling process.This drilling rig has a drilling speed of 60 m/h，and a 620 meters day/night drilling length can be reached.It has increased the drilling speed 2 to 3 times than the old model.The rig uses the PDC broach which has a drill depth of 7000 meters.About the useage of gas，the piston cogeneration power plant can cover 54%of the Bureau’s need.The benefits is singificant and worth to be popularized.

Development and use;rapid drilling;power plant

科如紹克·杰尼索維奇，畢業(yè)于圣彼得堡礦業(yè)學(xué)院，礦山工程師，任頓涅茨鋼鐵公司自然資源利用工藝創(chuàng)新處處長(zhǎng)。

(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))