潘莊井田試驗(yàn)區(qū)采空區(qū)地面井抽采制度及配套工藝研究

王 爭(zhēng)

(1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 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 030000)

沁水盆地是我國(guó)重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地之一，煤層氣資源量約為4×1012m3，2014年煤層氣產(chǎn)量已達(dá)到30×108m3，開發(fā)前景廣闊。潘莊井田作為沁水盆地20余個(gè)井田之一，歷史上存在較多小型礦井，通常采用房/柱式采煤方式，只采煤房不回收煤柱，殘煤率高達(dá)40%～50%。該類小型礦井廢棄后通過(guò)地面垂直鉆井至采空區(qū)垮落帶內(nèi)，使井口與采空區(qū)有效溝通，地面使用小型螺桿/漩渦增壓機(jī)組進(jìn)行抽采。在采空井實(shí)際抽采過(guò)程中存在抽采強(qiáng)度高導(dǎo)致甲烷濃度等抽采參數(shù)波動(dòng)較大、螺桿/漩渦增壓機(jī)組安全監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致設(shè)備頻繁連鎖停機(jī)等問(wèn)題，需要制定合理的抽采工作制度及配套的抽采工藝技術(shù)。

1 影響抽采效果的因素

1.1 抽采強(qiáng)度不合理

采空區(qū)煤層氣抽采實(shí)質(zhì)上是自采空區(qū)上部裂隙帶至煤層底板范圍內(nèi)壓力傳播至地面抽采設(shè)備的過(guò)程。高負(fù)壓、大流量的抽采強(qiáng)度導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)壓力激動(dòng)，導(dǎo)致煤粉容易形成和產(chǎn)出，造成井筒附近煤巖層微裂隙發(fā)生閉合，產(chǎn)生壓敏效應(yīng)；同時(shí)煤層氣解吸速度過(guò)快容易導(dǎo)致殘煤產(chǎn)生極強(qiáng)的速度敏感性，影響產(chǎn)氣量。

1.2 抽采配套設(shè)備不完善

(1)因采空井井下地質(zhì)條件不同于預(yù)抽井，采空井井口套壓較低，一般為0～50KPa，部分井甚至為微負(fù)壓。采空井投運(yùn)初期使用管式泵、水環(huán)泵、螺桿/漩渦增壓機(jī)組進(jìn)行試抽采。使用管式泵抽采的采空井日產(chǎn)水量極低，不產(chǎn)氣；使用水環(huán)泵抽采的采空井抽采負(fù)壓較高，日產(chǎn)氣量衰減嚴(yán)重，抽采周期極短；使用螺桿/漩渦增壓機(jī)組抽采的采空井設(shè)備初期容易故障停機(jī)，影響抽采效果。

(2)在井口為負(fù)壓的情況下，空氣有可能通過(guò)井口進(jìn)入煤礦采空區(qū)內(nèi)，加速采空區(qū)內(nèi)部的殘煤氧化速度，存在殘煤自燃的可能性，且采空區(qū)內(nèi)甲烷在一定濃度條件下具有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。采空區(qū)地面井使用配套設(shè)備抽采時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)，制定相應(yīng)防范措施。

2 合理工作制度的建立

2.1 抽采制度的優(yōu)化

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)常規(guī)煤層氣井對(duì)煤層氣排采階段的劃分進(jìn)行了研究，包括國(guó)外的三段劃分法和國(guó)內(nèi)的四段、八段劃分法。但對(duì)采空井煤層氣抽采制度研究較少。筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)外的資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)排采的經(jīng)驗(yàn)，以現(xiàn)有15口采空井抽采試驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對(duì)性調(diào)整優(yōu)化原有采空井定日產(chǎn)氣量的抽采制度，提出“四段制”的抽采制度，見表1。

表1 “四段制”抽采工作制度

其劃分依據(jù)如下：

Ⅰ自由放噴階段，該階段主要針對(duì)井口壓力為正壓采空井，若井口壓力為負(fù)壓則略過(guò)此階段，該階段一般持續(xù)時(shí)間為3～7d。通過(guò)人為放空初步判斷采空區(qū)殘煤解吸煤層氣產(chǎn)氣量大小，為選擇合適功率螺桿/漩渦增壓機(jī)組提供參考。

Ⅱ穩(wěn)定壓力降階段，通過(guò)調(diào)整抽采設(shè)備運(yùn)行頻率達(dá)到控制采空井井口壓力的目的，一般持續(xù)時(shí)間為20～50d。該階段使用螺桿/漩渦增壓機(jī)組抽采設(shè)備傳播壓力降至采空區(qū)內(nèi)部裂隙空間，游離煤層氣發(fā)生運(yùn)移至抽采設(shè)備內(nèi)，從而進(jìn)一步降低井底流壓，促進(jìn)采空區(qū)殘煤吸附氣的解吸，最終使采空區(qū)殘煤解吸速度與抽采設(shè)備抽采能力平衡。此階段壓力降幅度不能超過(guò)0.1～0.2kPa/d，過(guò)快的壓力降將影響采空區(qū)內(nèi)壓降漏斗的擴(kuò)展，不利于后期采空井抽采。

Ⅲ穩(wěn)壓產(chǎn)氣階段，通過(guò)固定抽采設(shè)備運(yùn)行頻率，保證井口壓力穩(wěn)定，合理控制生產(chǎn)壓差，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)目的。此階段一般持續(xù)時(shí)間400d以上。

Ⅳ定產(chǎn)氣量階段，此階段采空區(qū)殘煤吸附氣解吸量明顯低于抽采設(shè)備抽采量，井口壓力降低明顯時(shí)應(yīng)提高抽采設(shè)備運(yùn)行頻率，保證抽采設(shè)備日均瞬時(shí)流量不低于小于2倍增壓機(jī)組電流值，否則應(yīng)停止抽采或更換更小功率增壓機(jī)組。典型的四段制抽采曲線見圖1。

圖1 JSCK-15井抽采曲線

2.2 井口壓力的控制

井口壓力是體現(xiàn)采空區(qū)殘煤吸附氣解吸能力的重要衡量指標(biāo)，井口壓力過(guò)高，抽采設(shè)備抽放效率降低，不能充分釋放采空井產(chǎn)能；井口壓力過(guò)低，抽采設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)行，不利于采空井長(zhǎng)期抽采。在抽采設(shè)備相同的前提下，對(duì)采空井井口壓力、日產(chǎn)氣量及抽采效果進(jìn)行分析，可以有效指導(dǎo)采空井抽采制度的制定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行的9口采空井抽采數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析了不同抽采設(shè)備井口壓力與日產(chǎn)氣量的相互作用關(guān)系，對(duì)井口壓力區(qū)間求交集可得到抽采設(shè)備規(guī)格為3000m3/d時(shí)，井口壓力保持1.1～1.4kPa時(shí)有利于采空井長(zhǎng)期、穩(wěn)產(chǎn)抽采；抽采設(shè)備規(guī)格為5000m3/d時(shí)，井口壓力保持-8.5～-6.5kPa時(shí)有利于采空井長(zhǎng)期、穩(wěn)定抽采，如下表2所示。

表2 潘莊井田連續(xù)運(yùn)行采空井運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 抽采配套工藝技術(shù)優(yōu)化

3.1 抽采設(shè)備優(yōu)選

目前共有15口采空井投運(yùn)，共有4口采空井使用管式泵抽采，1口采空井使用水環(huán)泵抽采(后改為增壓機(jī)組)、11口采空井使用螺桿/漩渦增壓機(jī)組進(jìn)行試抽采。使用管式泵抽采的采空井日產(chǎn)水量極低，不產(chǎn)氣；使用水環(huán)泵抽采的采空井抽采負(fù)壓較高，日產(chǎn)氣量衰減嚴(yán)重，抽采周期極短；使用螺桿/漩渦增壓機(jī)組抽采的采空井初期因設(shè)備安全監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致頻繁聯(lián)鎖停機(jī)，影響抽采效果。

結(jié)合潘莊井田附近采空井井口壓力不高的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)采空井長(zhǎng)期抽采試驗(yàn)摸索，優(yōu)選螺桿/漩渦增壓機(jī)組作為采空井主要抽采設(shè)備。

3.2 抽采工藝優(yōu)化

以螺桿/漩渦增壓機(jī)組作為采空區(qū)地面井抽采工藝核心組成部分，通過(guò)優(yōu)化整體抽采工藝流程，實(shí)現(xiàn)采空井安全抽采的目的，抽采工藝流程圖圖2。

圖2 自由放噴階段抽采工藝流程圖

圖3 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段抽采工藝流程圖

(1)Ⅰ自由放噴階段，此階段地面工藝流程為井口(壓力表)→閥門→阻火器→流量計(jì)→放空管。

(2)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ抽采階段工藝流程為：井口(壓力表)→閥門→單向閥→阻火器→增壓機(jī)組→流量計(jì)→過(guò)濾器→閥門→管網(wǎng)(見圖3)。

3.3 安全監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖參數(shù)優(yōu)化

對(duì)以螺桿/漩渦增壓機(jī)組作為抽采設(shè)備的潘莊井田試驗(yàn)區(qū)11口采空井歷史運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)情況進(jìn)行總結(jié)分析，在保障設(shè)備安全運(yùn)行的前提下對(duì)增壓機(jī)組原聯(lián)鎖參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，有效避免了采空井運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)所觸發(fā)的抽采設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)，達(dá)到了抽采設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

根據(jù)重慶煤科院2013年12月出具的《特殊環(huán)境條件下甲烷爆炸極限測(cè)定》報(bào)告，甲烷-空氣混合氣體在環(huán)境壓力0.4MPa、環(huán)境溫度100℃、10J點(diǎn)火能量條件下，甲烷的爆炸上限為21%。據(jù)中國(guó)煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)氧氣濃度低于12%時(shí)，甲烷氧氣混合氣體不會(huì)爆炸。采空井增壓機(jī)組的安全抽采聯(lián)鎖停機(jī)參數(shù)修改對(duì)照可見表3。

表3 螺桿/漩渦增壓機(jī)組安全抽采聯(lián)鎖停機(jī)參數(shù)

4 應(yīng)用效果

自2013年以來(lái)已經(jīng)累計(jì)投運(yùn)15口采空井，其中5口初期采空井因進(jìn)行抽采試驗(yàn)已廢棄，1口采空井因產(chǎn)能不佳進(jìn)行間斷性抽采，另外9口采空井按照“四段制”抽采工作制度，仍處于穩(wěn)壓產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣量穩(wěn)定3000m3/d以上達(dá)3口采空井，產(chǎn)氣量穩(wěn)定2000～3000m3/d達(dá)3口采空井，產(chǎn)氣量穩(wěn)定1000～2000m3/d達(dá)3口，平均日產(chǎn)氣量2.5×104m3/d，累計(jì)日產(chǎn)氣量2313.1×104m3/d。

5 結(jié)論

(1)潘莊井田試驗(yàn)區(qū)采空井具有井下殘煤率高，采空區(qū)煤層氣資源量豐富的特點(diǎn)，合適的抽采制度及安全工藝流程是穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵，Ⅱ抽采階段切忌大幅度壓力降，保證采空區(qū)內(nèi)壓降漏斗大范圍擴(kuò)散；

(2)針對(duì)采空區(qū)自燃、低濃度煤層氣容易發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)優(yōu)化潘莊井田試驗(yàn)區(qū)采空井配套安全抽采工藝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)安全抽采目的。

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