提升晉城煤田采動(dòng)井產(chǎn)氣量關(guān)鍵性地質(zhì)工程因素的初步研究

張文君,王 爭(zhēng),李 超,楊昌永,李 陽(yáng)

(1. 煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048000;2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)

利用采動(dòng)井在采煤工作面進(jìn)行瓦斯快速抽放是近年來(lái)興起的一種新型瓦斯抽采技術(shù),具有很好的應(yīng)用前景。可以有效的解決煤礦區(qū)井下的瓦斯突出、礦井井下瓦斯?jié)舛瘸薜碾y題[1]。

立足于晉煤集團(tuán)煤礦瓦斯治理現(xiàn)狀,面向整個(gè)集團(tuán)公司煤炭和煤層氣勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的雙重需求[2],分析當(dāng)前制約采動(dòng)產(chǎn)氣的關(guān)鍵地質(zhì)工程因素,主要從采動(dòng)井的井身結(jié)構(gòu)、完井層位、固井情況、布井位置、窺視井下套管變形情況等因素,分項(xiàng)研究對(duì)采動(dòng)井產(chǎn)氣量的影響,同時(shí)為煤層氣新能源的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐[3]。

1 地質(zhì)背景

晉城礦區(qū)成莊井田是國(guó)家科技重大專項(xiàng)示范工程的實(shí)施礦井之一。該井田位于沁水盆地東南緣,構(gòu)造上處于太行復(fù)背斜西翼,總體上為一走向NNE-NE向、傾向NW的單斜構(gòu)造。井田內(nèi)地層平緩,傾角3°～15°,一般在10°以內(nèi)。在單斜構(gòu)造背景上,發(fā)育了起伏不大、兩翼平緩的寬闊褶曲[4]。

區(qū)域內(nèi)地層由上到下依次為第四系表土層、新近系、三疊系、二疊系、石炭系和奧陶系,主要含煤地層是下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組。3#煤層是成莊井田開(kāi)采的主要煤層,可采煤平均厚度為6.2 m,煤層含氣量介于4 m3/t～24 m3/t之間,平均為12.4 m3/t。目前的煤炭采區(qū)煤層氣含量高達(dá)12 m3/t～24 m3/t,已經(jīng)進(jìn)入高瓦斯區(qū)域。

2 采動(dòng)井井位布置原則

采動(dòng)區(qū)鉆孔是在地層受到煤礦開(kāi)采影響后,針對(duì)采動(dòng)區(qū)域殘余的煤及其圍巖中儲(chǔ)集的氣體而施工的煤層氣抽采鉆孔,其氣體來(lái)源、地質(zhì)條件和開(kāi)發(fā)工藝與常規(guī)地面煤層氣預(yù)抽井有顯著不同[5],因此在鉆孔布置中重點(diǎn)遵循以下原則。

1)鉆孔易于抽采:在工作面回采中,從開(kāi)切眼開(kāi)始,隨著工作面的推進(jìn),采動(dòng)裂隙不斷發(fā)展,采空區(qū)中部采動(dòng)裂隙最發(fā)育,此為采動(dòng)裂隙發(fā)展的第一階段,當(dāng)采出面積達(dá)到一定值后,進(jìn)入采動(dòng)裂隙發(fā)展的第二階段,此時(shí),位于采空區(qū)中部的采動(dòng)裂隙趨于壓實(shí),而在采空區(qū)四周存在一連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū),稱為采動(dòng)裂隙“O”型圈[6]。

2)鉆孔不易受采動(dòng)破壞:針對(duì)提前施工的采動(dòng)區(qū)鉆孔,即煤層回采前就施工的地面抽采鉆孔應(yīng)布置在受未來(lái)采動(dòng)破壞最小的區(qū)域,參考兩淮、陽(yáng)泉等礦區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),采動(dòng)井布置在距離工作面巷道30 m～70 m的范圍內(nèi)[7]。

3)孔距合理:由于采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤巖層的裂隙發(fā)育,導(dǎo)流能力提高,單孔控制面積較大,盡量布置較少的鉆孔就滿足抽采需要,采煤帶來(lái)的巖層移動(dòng),會(huì)使鉆孔井筒遭受破壞,因此采動(dòng)井應(yīng)布置在巖層移動(dòng)相對(duì)較弱的或者受破壞最小的地段,根據(jù)井下采煤工作面的實(shí)際情況,布置在靠近回風(fēng)巷側(cè)30 m以內(nèi)的采動(dòng)井井筒穩(wěn)定性相對(duì)較好[8]。

4)地面環(huán)境有利:應(yīng)保證地面有足夠的空間實(shí)施地面工程,沒(méi)有地面建筑、水體等;能夠滿足施工需要的道路交通、供電供水條件。

3 采動(dòng)井井身結(jié)構(gòu)的變化研究分析

根據(jù)表1分析可得：十一五重大專項(xiàng)井都是采用三開(kāi)結(jié)構(gòu)完井,CD-01、CD-02一開(kāi)二開(kāi)下套管固井、三開(kāi)不固井下入篩管完井,二開(kāi)低端距離煤層頂板處30 m～50 m,CD-03一開(kāi)下套管固井、二開(kāi)、三開(kāi)不固井裸眼完井，井筒一般布置在開(kāi)切眼工作面的中后段。

表1 “十一五”成莊井田采動(dòng)井設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of drainage well designing in Chengzhuang Mine

根據(jù)“十一五”采動(dòng)井井身結(jié)構(gòu)圖(圖1)分析可得：十一五重大專項(xiàng)井完井層位都穿過(guò)了三號(hào)煤底板以下2 m終孔,這樣的終孔設(shè)計(jì)為采煤是與井筒的順利溝通提供了可靠的保障。

圖1 “十一五”采動(dòng)井井身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Shaft structure of the drainage well of the Eleventh Five-Year Plan

分析該三口井的抽采量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(如表2所示)可知,三口井的抽采混量變化范圍相差不大都在1 m3/min～9 m3/min 的變化區(qū)間,抽采的甲烷濃度相差較大,影響甲烷抽采總量的主要受抽采時(shí)間,相對(duì)CD-02、CD-03的抽采時(shí)間較長(zhǎng),甲烷抽采總量也較大,當(dāng)抽采時(shí)間相差不大時(shí),甲烷的累計(jì)抽采總量與抽采時(shí)甲烷的平均濃度呈現(xiàn)正相關(guān)。

表2 “十一五”成莊井田采動(dòng)井抽采情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Extraction of the drainage well of the Eleventh Five-Year Plan in Chengzhuang Mine

通過(guò)對(duì)“十一五”重大專項(xiàng)井的井身結(jié)構(gòu)和抽采情況的分析和總結(jié)可以得出以下結(jié)論:

1)井身結(jié)構(gòu)相同的情況下,采動(dòng)井二開(kāi)固井比二開(kāi)不固井抽采濃度偏高,約是2～5倍,主要原因是二開(kāi)井段固井防止了該井段裂隙與地面的溝通,因此二開(kāi)固井對(duì)采動(dòng)區(qū)抽采比較有利。

2)采動(dòng)井的抽采混合累計(jì)總量和甲烷累計(jì)總量和抽采天數(shù)成正相關(guān)性,也就是抽采天數(shù)越長(zhǎng)抽采量越高。

3)影響采動(dòng)井抽采抽采運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短的主要地質(zhì)因素主要為井筒的變形,井筒內(nèi)堵塞、抽采負(fù)壓升高、濃度降低,直接導(dǎo)致采動(dòng)井終止服務(wù),因此對(duì)采動(dòng)井井筒穩(wěn)定性的研究和控制是使采動(dòng)井產(chǎn)氣的關(guān)鍵性地質(zhì)工程因素。

4 “十二五”重大專項(xiàng)成莊煤礦5310 、4318工作面采動(dòng)井分析

成莊煤礦5310/4318工作面采動(dòng)井均使用大直徑鉆井工藝,一開(kāi)井徑為480 mm或425 mm,經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn),該型井徑能夠有效防止采動(dòng)擾動(dòng)造成的井壁坍塌,具體井身結(jié)構(gòu)，如表3所示。

根據(jù)圖表分析可得“十二五”重大專項(xiàng)采動(dòng)井都是采用三開(kāi)結(jié)構(gòu)完井,2012ZX-CZCD-01、2012ZX-CZCD-05一開(kāi)二開(kāi)下套管固井、三開(kāi)不固井下入篩管完井,2012ZX-CZCD-04一開(kāi)下套管固井、二開(kāi)、三開(kāi)不固井裸眼完井而。這種情況和“十一五”重大專項(xiàng)采動(dòng)井很相似只是鉆孔直徑增大了很多,三開(kāi)篩管直徑變成了168 mm或215 mm,目的是減少采動(dòng)井井筒的破壞造成鉆孔的阻塞和鉆孔報(bào)廢。

根據(jù)“十二五”成莊井田采動(dòng)井抽采情況統(tǒng)計(jì)表(如表4所示),分析該三口井的抽采量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,三口井的抽采混量變化范圍相差不大都在0～19 m3/min 的變化區(qū)間,抽采的甲烷濃度相差較大,甲烷抽采總量的主要受抽采時(shí)間影響,2012ZX-CZCD-01相對(duì)2012ZX-CZCD-04、2012ZX-CZCD-05的抽采時(shí)間較長(zhǎng),甲烷抽采總量也較大,當(dāng)抽采濃度相差不大時(shí),甲烷的累計(jì)抽采總量與抽采時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān),這與“十一五”采動(dòng)井的分析結(jié)果相吻合。

表3 井身結(jié)構(gòu)情況參數(shù)表Table 3 Parameters of shaft structure

表4 “十二五”成莊井田采動(dòng)井抽采情況統(tǒng)計(jì)表Table 4 Extraction of the drainage well of the Twelfth Five-Year Plan in Chengzhuang Mine

圖2 “十二五”采動(dòng)井井身結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Shaft structure of the drainage well of the Twelfth Five-Year Plan

通過(guò)對(duì)“十二五”重大專項(xiàng)井的井身結(jié)構(gòu)和抽采情況的分析和總結(jié)可以得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)“十二五”采動(dòng)井與“十一五”采動(dòng)井整體對(duì)比分析,可得出前者比后者抽采運(yùn)行時(shí)間偏長(zhǎng)約2.35倍,抽采甲烷濃度偏高約1.94倍,抽采累計(jì)混合總量偏高約9.15倍,抽采甲烷累計(jì)總量偏高約13.24倍。

2)分析“十二五”采動(dòng)井抽采甲烷累計(jì)總量與“十一五”采動(dòng)井偏高約13.24倍的形成因素主要為采動(dòng)井穩(wěn)定運(yùn)行抽采時(shí)間的增加引起的抽采混合累計(jì)總量的增加和甲烷抽采濃度的整體偏高倍數(shù)的疊加效應(yīng)。

3)“十二五”采動(dòng)井的井經(jīng)的增大延長(zhǎng)了采動(dòng)井的抽采運(yùn)行時(shí)間,完井篩管直徑增大1.56倍,提高甲烷累加總量13.24倍,因此采動(dòng)井井徑的增大有利于增加穩(wěn)定抽采時(shí)間和甲烷的抽采量,但不能根本解決采動(dòng)井井身穩(wěn)定性的問(wèn)題。

4)影響采動(dòng)井抽采抽采運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短的主要地質(zhì)因素主要為井筒的變形,井筒內(nèi)堵塞、抽采負(fù)壓升高、濃度降低,直接導(dǎo)致采動(dòng)井終止服務(wù),因此對(duì)采動(dòng)井井筒穩(wěn)定性的研究和控制是使采動(dòng)井產(chǎn)氣的關(guān)鍵性地質(zhì)工程因素。

5 采動(dòng)井井身結(jié)構(gòu)變形情況的分析及處理方案研究

由于井下工作面的不斷開(kāi)采,造成采煤區(qū)域的地層不斷發(fā)生垂直沉降和水平剪切應(yīng)力的變化,在采動(dòng)井的實(shí)際抽采過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)前期抽采量、甲烷濃度較高,后期隨之井筒結(jié)構(gòu)的破壞抽采負(fù)壓不斷升高和抽采量和甲烷弄斷不斷衰減,直接導(dǎo)致采動(dòng)井的報(bào)廢。先結(jié)合已經(jīng)窺視的采動(dòng)井的井筒變形情況對(duì)采動(dòng)井的套管變形進(jìn)行研究分析,并提出相應(yīng)的解決方案,如表5所示。

表5 采動(dòng)井窺視臺(tái)賬Table 5 Records of peering instrument in the drainage well

通過(guò)表5采動(dòng)井窺視臺(tái)賬分析結(jié)論:

1) 采動(dòng)井井身套管從接箍處斷裂的情況占窺視井的4/7之多,建議對(duì)現(xiàn)有接箍強(qiáng)度加大,從而防止采動(dòng)井的套管接箍處斷裂情況的發(fā)生。

2) 可以對(duì)現(xiàn)有套管做抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),研究套管接箍強(qiáng)度是否與套管拉伸強(qiáng)度相匹配,另外在鉆井下套管的過(guò)程中,要給套管施加相匹配的扭矩從而保證連接處的強(qiáng)度或者采用長(zhǎng)絲扣套管,從而加強(qiáng)套管接箍處的強(qiáng)度。

3) 采動(dòng)井3/7的井身結(jié)構(gòu)存在套管變形和拉斷的情況,主要集中在0～100 m的井段,因此應(yīng)注意該井段套管強(qiáng)度的提高和固井水泥標(biāo)號(hào)的提高,從而提升井身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

4) 目前能保持井筒通道正常溝通的只有2014ZX-YCCD-06,SHCD13-02井,占已經(jīng)窺視井的2/7,還能保持正常運(yùn)行,因此對(duì)采動(dòng)井井筒穩(wěn)定性的研究和控制是使采動(dòng)井產(chǎn)氣的關(guān)鍵性地質(zhì)工程因素。

針對(duì)采動(dòng)井的井筒結(jié)構(gòu)變形情況的解決方案：

1) 剛性處理方法:加強(qiáng)0～100 m井段的井身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,在該井段保持雙層套管結(jié)構(gòu),一開(kāi)Φ425 mm,鉆至深度至100 m,下入Φ377 mm套管使用高強(qiáng)度水泥固井,二開(kāi)Φ311 mm鉆至煤層頂板30 m～50 m,下入直Φ244 mm套管使用高強(qiáng)度水泥固井,三開(kāi)Φ215 mm鉆至煤層底板以下2 m終孔,下入Φ168 mm篩管完井,該井型增強(qiáng)了0～100 m井段的抗拉和抗剪強(qiáng)度,對(duì)0～100 m的井筒變形有很好的保護(hù)作用。

2) 柔性處理方法:一開(kāi)Φ425 mm至基巖下10 m,下入Φ377 mm套管固井,二開(kāi)Φ311 mm鉆至煤層頂板30 m～50 m,下入直Φ244 mm套管不固井,在套管和孔壁之間充填入細(xì)砂,三開(kāi)Φ215 mm鉆至煤層底板以下2 m終孔,下入Φ168 mm篩管完井,該井型通過(guò)二開(kāi)段填充細(xì)砂,當(dāng)采煤掘進(jìn)時(shí),地層沉降對(duì)二開(kāi)套管的拉伸力大大減小,降低了套管被拉斷的可能性,有效地保護(hù)了井筒的穩(wěn)定性,從而增加采動(dòng)井的服務(wù)年限,提高抽采量。

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