煤礦采掘區(qū)煤層氣開發(fā)規(guī)律及模式探討

劉 忠 張 聰 彭 鶴 方慧麗

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)能源學(xué)院，北京 100083)

煤礦采掘區(qū)煤層氣開發(fā)規(guī)律及模式探討

劉 忠1，2張 聰1彭 鶴1方慧麗1

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)能源學(xué)院，北京 100083)

位于山西沁水盆地南部的樊莊南部煤層氣井區(qū)，既是華北油田煤層氣井平均單井產(chǎn)量最高、也是產(chǎn)量出現(xiàn)明顯遞減的區(qū)塊。研究這種開發(fā)情況后，認(rèn)為與煤礦采掘有密切相關(guān)性。通過調(diào)查區(qū)塊相鄰煤礦的采掘情況，總結(jié)與煤礦采掘相關(guān)的煤層氣井排采，獲得了該類煤層氣井的開采特征;同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的煤基質(zhì)收縮、應(yīng)力變化等理論性探討。受煤礦掘進(jìn)影響的煤層氣井有正反兩方面表現(xiàn)，在實(shí)際開發(fā)中，掌握兩者間的辯證關(guān)系，有利于提高資源利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

煤礦采掘 煤層氣開發(fā) 煤基質(zhì)收縮 應(yīng)力變化 辯證關(guān)系

華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司開發(fā)區(qū)塊涉及到多個(gè)煤礦，今后與煤礦礦權(quán)重疊區(qū)的開發(fā)工作，需要建立一種新模式。本文以開發(fā)規(guī)律受煤礦采掘影響的樊莊南部井區(qū)為例進(jìn)行了探討。在調(diào)查、掌握煤礦的巷道建設(shè)、開采面掘進(jìn)及采空區(qū)范圍等基礎(chǔ)上，通過研究生產(chǎn)井的排采動(dòng)態(tài)、地下應(yīng)力變化，同時(shí)結(jié)合中國(guó)煤炭科工集團(tuán)雷毅等對(duì)煤礦與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式研究。認(rèn)為煤礦掘進(jìn)對(duì)煤層氣地面抽采有正反兩個(gè)方面的作用，提出用辯證的方法去看待、新的模式協(xié)調(diào)處理兩者關(guān)系，既有利于資源的高效、合理利用，又可以避免資金的無效投入。

1 相鄰煤礦及掘進(jìn)影響情況

樊莊南部井區(qū)范圍內(nèi)有3個(gè)正在開采的煤礦，分別是隸屬于沁河能源的端氏煤礦、曲堤煤礦和隸屬于晉煤集團(tuán)的坪上煤礦。該區(qū)塊鉆探的77%的煤層氣井的礦權(quán)與三個(gè)煤礦重疊。目前受煤礦掘進(jìn)影響的井主要有鉆探井未投產(chǎn)、低產(chǎn)報(bào)廢、高產(chǎn)氣井產(chǎn)量大幅下降等。

2 與煤礦采掘相關(guān)的煤層氣井開發(fā)情況

2.1 一般煤層氣井開發(fā)特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)總結(jié)的高階無煙煤的煤層氣井開發(fā)特點(diǎn)，一般有如下五個(gè)方面:一是儲(chǔ)層壓力總體上與埋深呈線性正相關(guān)。二是煤層吸附/解吸含氣量，遵循Langmuir等溫方程式。三是各類煤層氣藏，基本見不到明顯游離氣。四是煤層氣井產(chǎn)出水，主要有層內(nèi)、層間、外源水三種類型，解吸前一般產(chǎn)水3～5m3，純排水時(shí)間100天左右。五是直井日產(chǎn)氣差異大，但總體遵循日產(chǎn)500～3000m3井為主的正態(tài)分布。

2.2 受煤礦采掘影響的煤層氣井開發(fā)特點(diǎn)

樊莊南部井區(qū)煤層氣井開發(fā)特點(diǎn)有別于一般的高階無煙煤層氣井，滲透率與一般的煤層氣直井排采情況不一致，不同與沁南高煤階煤層氣富集高產(chǎn)原因。

(1)儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)發(fā)生了較大變化，與煤層埋深的正相關(guān)性較差。鄰近煤礦井的儲(chǔ)層壓力系數(shù)在0.04～0.83之間，平均為0.41。壓力與埋深的線性關(guān)系差，數(shù)據(jù)離散性較大，線性擬合的相關(guān)系數(shù)不到20%(圖1)。

(2)解吸狀況與一般煤層氣井不同，存在游離氣。受煤礦采掘影響井中，29.6%的井儲(chǔ)層壓力低于1.0MPa，投產(chǎn)即解吸產(chǎn)氣，表明投入開發(fā)前解吸產(chǎn)生了游離氣。

圖1 臨近煤礦井儲(chǔ)層壓力與埋深關(guān)系

(3)解吸時(shí)間短，解吸前日產(chǎn)水量小、累產(chǎn)水量低。平均解吸時(shí)間24.4天，解吸前平均日產(chǎn)水 1.7m3/天、平均累產(chǎn)水 60.4m3。

(4)受煤礦采掘影響井，總體上以日產(chǎn)氣量較高井為主，日產(chǎn)氣5000～10000m3的井?dāng)?shù)，占同類井的77.8%。

2.3 主要形成原因

煤礦采掘區(qū)影響范圍內(nèi)的儲(chǔ)層壓力、滲透率發(fā)生了改變。樊莊南部井區(qū)注入壓降測(cè)試的原始滲透率平均1.3mD，相對(duì)較低，后期滲透率明顯較高，與采掘的應(yīng)力變化有關(guān)。據(jù)煤礦研究資料，儲(chǔ)層壓力越鄰近于煤礦巷道及回采區(qū)前方，隨著開采時(shí)間(開采時(shí)間的長(zhǎng)短，用t1、t2、t3表示)增加、開采范圍 (與采出邊界的距離，用L1、L2和L3表示)擴(kuò)大，儲(chǔ)層壓力下降的越低 (圖2)。儲(chǔ)層滲透率的變化與儲(chǔ)層壓力相反，隨著采掘時(shí)間增加、煤層采出范圍擴(kuò)大，造成水平方向應(yīng)力增加，引起煤層基質(zhì)沿裂隙的強(qiáng)烈收縮，增加了裂隙寬度，滲透率明顯增高 (圖3)。壓力的變化沒有滲透率的變化劇烈。

圖2 巷道及回采區(qū)前方儲(chǔ)層壓力隨時(shí)間變化圖

再者，由于煤礦開采時(shí)對(duì)煤層水的強(qiáng)烈抽排作用，明顯減少了裂隙內(nèi)含水情況。

2.4 利用不同生產(chǎn)特點(diǎn)判定受采掘影響距離

(1)儲(chǔ)層壓力低于0.8MPa，具有投產(chǎn)即解

1—煤層或煤礦采空區(qū)邊界;λ1—原始滲透率;λ2—開采后影響滲透率吸、低套壓、低氣量、低水量、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短等特點(diǎn)井，與巷道或采空區(qū)距離一般小于500m，開發(fā)效果差。

(2)處在煤礦瓦斯預(yù)抽放范圍內(nèi)，儲(chǔ)層壓力下降到2.0MPa左右，儲(chǔ)解壓差接近于0，具有投產(chǎn)很快解吸、產(chǎn)氣量高、水量少、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期短等特點(diǎn)井，與巷道或采空區(qū)距離500～1000m范圍。

(3)由于增加了水平應(yīng)力，由廣義虎克定律可知，將引起煤基質(zhì)收縮，增加裂隙寬度，滲透性得到有效改善，整體滲透率較高，不同與其他區(qū)塊煤層滲透率在水平空間展布明顯異性。具有正常的儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)，正常的解吸壓力，投產(chǎn)后單井產(chǎn)氣量上升快，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效果較好。該類井與巷道或采空區(qū)距離一般在1000m以上。個(gè)別井距離巷道或采空區(qū)超過2000m，仍有上述開發(fā)特點(diǎn)。

3 煤礦掘進(jìn)與煤層氣開發(fā)的新模式探討

3.1 基于煤礦安全的煤層氣開發(fā)模式

雷毅等通過總結(jié)晉城地區(qū)煤礦區(qū)內(nèi)煤炭開采情況，建立了煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式 (圖4)，該模式服務(wù)于煤炭安全生產(chǎn)，對(duì)于完全未開發(fā)的煤礦，具有較好指導(dǎo)作用。但對(duì)于煤層氣開發(fā)與煤炭礦區(qū)重疊區(qū)塊，會(huì)造成資源與資金浪費(fèi)。典型如樊莊南部井區(qū)。

圖4 煤層群條件下煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的布局模式

3.2 基于資源、資金高效利用的新模式探討

為了避免類似樊莊南部井區(qū)無效鉆探煤層氣井較多情況，依據(jù)煤層氣井開發(fā)規(guī)律，按照空間角度探討了新的煤層氣開發(fā)模式 (表1)。

按照這種開發(fā)模式，鉆探煤層氣井進(jìn)行地面開發(fā):一是距離巷道或采空區(qū)500m以內(nèi)時(shí)，不考慮地面鉆井。二是距離巷道或采空區(qū)500～1000m時(shí)，煤層氣井開發(fā)要緊密結(jié)合煤礦掘進(jìn)程度，與煤礦簽訂合作計(jì)劃，可以有效減少資金風(fēng)險(xiǎn)，煤層氣井投產(chǎn)后要加快排采進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)共贏;三是加大距離巷道或采空區(qū)1000m以外煤層氣井的產(chǎn)能建設(shè)工作，可有效提高單井產(chǎn)氣量。

3.3 新模式下現(xiàn)場(chǎng)已開展工作及成效

針對(duì)樊莊南部井區(qū)與煤礦的礦權(quán)重疊情況，開展了兩個(gè)方面工作，均取得了較好成效。一是距離巷道或采空區(qū)500～1000m內(nèi)井，通過負(fù)壓抽排工具，提高日產(chǎn)氣。二是距離巷道或采空區(qū)1000m以外，利用煤層滲透率變好條件，開展產(chǎn)建工作，從實(shí)際鉆探情況來看，直井日產(chǎn)氣超過5000m3/d，水平井日產(chǎn)氣超過50000m3/d。

4 結(jié)論與建議

(1)煤層氣地面開發(fā)受到地下煤炭開采的影響，不考慮煤礦掘進(jìn)對(duì)其影響，不利于降低資金風(fēng)險(xiǎn)及提高煤層氣資源利用水平。

表1 煤礦與煤層氣礦權(quán)重疊下的煤層氣開發(fā)模式表

(2)臨近煤礦采掘區(qū)的煤層氣井，由于受到儲(chǔ)層壓力、應(yīng)力、滲透率、含氣量等變化的影響，表現(xiàn)出了解吸時(shí)間短、產(chǎn)水量小、產(chǎn)氣量差異大、易形成高產(chǎn)井等不同與一般煤層氣井的開發(fā)特點(diǎn)。

(3)該類井的開發(fā)特殊性，決定了其開發(fā)工作不能按照傳統(tǒng)的時(shí)間模式進(jìn)行，而應(yīng)該綜合考慮與煤礦掘進(jìn)的空間距離，根據(jù)不同距離，采取不同的開發(fā)對(duì)策。

(4)掌握煤礦與煤層氣礦權(quán)重疊區(qū)煤層氣井的開發(fā)模式，可以有效降低資金風(fēng)險(xiǎn)，提高煤層氣井的單井產(chǎn)量，并達(dá)到提高資源利用率的最終目的。

［1］雷毅，申寶宏，劉建中.煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)模式初探 ［J］.煤礦開采，2012，17(3):1-4.

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Discussion on Coalbed Methane Development Rules and Modes in Coal Mining Areas

LIU Zhong1，2，ZHANG Zhong1，PENG He1，F(xiàn)ANG Huili1
(1.Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000;2.School of Energy Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083)

The wells of southern Fanzhuang CBM block which are located in the southern Qinshui Basin，have the highest single well average gas production of Huabei Oilfields Company and is the markedly declined area.The study results show the high level gas production and declined phenomenon is caused by coal mining.With the investigate of neighboring coal mines and their mining progress，summarizing the relationship of CBM well production an coal mining，this paper concludes the development characters of CBM wells nearby mining areas and discuss the theory of coal matrix shrinkage and stress variety.In CBM exploitation，the mining of coal bed makes a strong impact on surface wells’production，which could increase and decrease gas production.We should administer the two side dialectic relationship，which helps us improve resource utilization and economic effectiveness.

Coal mining;CBM development;coal matrix shrinkage;stress variety;dialectic relationship

國(guó)家科技重大專項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開發(fā)》——山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程 (二期)(2011ZX05061)和中國(guó)石油股份公司科技重大專項(xiàng)《沁水煤層氣田勘探開發(fā)示范工程》(2010E-2208)

劉忠，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國(guó)石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司地質(zhì)研究所副所長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)研究工作。

(責(zé)任編輯 黃 嵐)