我國煤礦區(qū)煤層氣井上下聯(lián)合抽采研究進展

張福濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤層氣資源十分豐富，埋深2000m以淺的煤層氣地質資源儲量為36.81×1012m3，與我國陸上天然氣資源量相當，其中可采資源量為10.87×1012m3，是我國重要的非常規(guī)天然氣資源[1]。我國自20世紀80年代開始引進國外煤層氣勘探與開發(fā)技術，經(jīng)過不斷地消化和改良，支撐了我國煤層氣地面井開發(fā)的發(fā)展。但我國煤層氣賦存地質條件復雜，盆地原型及構造樣式多變，煤層氣成藏地質條件與國外存在很大區(qū)別，具有成煤時間早、演化程度高、構造變動強烈等特點，因此，國外成熟的煤層氣開發(fā)技術不能完全適應于我國煤層氣賦存地質特征，這也決定了我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)技術必須走自主創(chuàng)新的道路[2，3]。

我國煤層滲透性低、煤層氣抽采效果差，傳統(tǒng)的煤層氣(瓦斯)抽采手段難以滿足煤礦區(qū)煤層氣高效抽采和煤礦瓦斯高效治理需要。長期以來，煤炭與煤層氣作為典型的共生礦藏，主要實行“先采氣，后采煤”的開發(fā)模式。隨著對煤炭開采與煤層氣開發(fā)相關關系認識的不斷深入，“十一五”以來，初步形成了“煤層氣與煤炭協(xié)調開發(fā)模式”[3，4]，通過協(xié)調煤層氣抽采和煤炭開采在時間和空間上的關系，并充分利用采動效應對煤層進行卸壓增透，從而達到優(yōu)化煤層氣抽采方案、提高抽采效果的目的，主要形成了“晉城模式”、 “兩淮模式”和“松藻模式”等煤層氣開發(fā)模式[5-8]。我國煤層氣開發(fā)地質條件的特殊性決定了煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必須走煤層氣與煤炭協(xié)調開發(fā)的道路，且應實行煤層氣地面開發(fā)和井下抽采相結合的煤層氣資源開發(fā)利用的方案。“十一五”期間，在晉城礦區(qū)進行了地面和井下聯(lián)合抽采先導性試驗，實現(xiàn)了地面和井下兩種開發(fā)方式的聯(lián)合，在井上下聯(lián)合抽采方面獲得了一定經(jīng)驗，但尚未形成完善的地面和井下聯(lián)合抽采技術體系[9]。

基于煤炭開采時空接替規(guī)律，創(chuàng)新煤層氣抽采工藝及關鍵技術，是實現(xiàn)煤礦區(qū)煤礦安全、能源開發(fā)雙重效益并舉的必由途徑，需進一步開展現(xiàn)場試驗研究工作，探索新的井上下聯(lián)合抽采技術，深化井上下聯(lián)合抽采技術內涵。鑒于此，筆者在總結“十一五”以來我國煤礦區(qū)煤層氣井上下聯(lián)合抽采技術研究現(xiàn)狀的基礎上，分析現(xiàn)階段技術發(fā)展存在的問題，提出了針對我國煤礦區(qū)煤層氣井上下聯(lián)合抽采技術研究方向的建議。

1 井上下煤層氣聯(lián)合抽采技術類型

根據(jù)煤層氣抽采目的、抽采對象、抽采條件和資源條件的不同，形成了不同開發(fā)方式，總體上分為煤礦瓦斯井下抽采和煤層氣地面鉆井開發(fā)兩大類。煤礦瓦斯井下抽采是從煤礦開采安全需要出發(fā)，將煤礦瓦斯抽放逐步發(fā)展成一套完善的煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)方式，借助煤炭開采工作面、巷道，通過采前預抽采、采中采動抽采和采后采空區(qū)抽采等方式開發(fā)煤層氣。煤層氣地面鉆井開發(fā)是借助常規(guī)油氣開采技術，通過施工直井或定向井，經(jīng)儲層改造后實施排水—降壓—采氣來開采煤層氣資源[10]。

在煤礦區(qū)，煤層氣(瓦斯)地面與井下開發(fā)方式并存，突破煤礦瓦斯井下抽采和煤層氣地面開發(fā)兩個獨立產(chǎn)業(yè)模式的局限性，理順煤炭生產(chǎn)與煤層氣開發(fā)之間的協(xié)調關系，通過地面與井下聯(lián)合抽采是實現(xiàn)煤礦區(qū)煤層氣(瓦斯)資源抽采最大化的重要途徑。隨著煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)技術的發(fā)展，地面與井下聯(lián)合抽采煤層氣演化出了多種技術形式，包括開發(fā)方式的聯(lián)合、抽采通道的聯(lián)合、施工技術的聯(lián)合等。

2 開發(fā)方式聯(lián)合

煤層氣開發(fā)方式的聯(lián)合是指煤層氣地面開發(fā)與礦井瓦斯井下抽采在時間順序上進行聯(lián)合，即在井下生產(chǎn)之前，在采煤規(guī)劃區(qū)先通過地面鉆井配合增產(chǎn)等措施預抽原始煤層的煤層氣，隨著井下采掘活動的推進，當規(guī)劃區(qū)變?yōu)樯a(chǎn)區(qū)，再進行煤礦瓦斯井下抽采，最終形成先地面、后井下的煤層氣聯(lián)合開發(fā)模式，如圖1所示。

圖1 煤層氣井上下抽采開發(fā)方式聯(lián)合

在煤礦區(qū)煤層氣實際抽采過程中，地面鉆井和井下鉆孔作為兩個獨立的煤層氣抽采單元，沒有產(chǎn)生煤層氣聯(lián)合協(xié)同開發(fā)效果。此外，地面井煤層氣抽采量低、抽采時間長，井下鉆孔瓦斯抽采效率低、瓦斯治理周期長，這都極大地限制了煤礦區(qū)煤層氣抽采效果。突破煤礦瓦斯井下抽采和煤層氣地面開發(fā)兩個獨立產(chǎn)業(yè)模式的局限性，是實現(xiàn)煤礦區(qū)煤炭與煤層氣資源協(xié)調開發(fā)的重要前提。煤層氣抽采工藝上的井上下聯(lián)合實現(xiàn)的技術瓶頸是：①如何建立井上下聯(lián)合抽采通道；②如何實現(xiàn)地面排水采氣與井下負壓抽采工藝的融合。

3 施工技術聯(lián)合

3.1 條帶式井上下聯(lián)合抽采

條帶式井上下聯(lián)合抽采是指在未進行地面預抽的規(guī)劃區(qū)或準備區(qū)，對擬開設的水平大巷、盤區(qū)(帶區(qū))大巷、工作面巷道，在其兩側施工常規(guī)地面鉆井，完井后進行儲層壓裂改造，然后進行地面煤層氣抽采；當巷道掘進后，施工近水平瓦斯抽采定向鉆孔連通地面井壓裂影響區(qū)，也可根據(jù)需要對井下長鉆孔實施井下壓裂，以便實現(xiàn)井下鉆孔與地面壓裂井裂隙網(wǎng)的高效互連，此時，停止地面煤層氣抽采，改為井下鉆孔負壓抽采[11]，如圖2所示。

圖2 條帶式井上下聯(lián)合抽采

條帶式井上下聯(lián)合抽采具有兩方面的技術優(yōu)勢：一方面通過地面鉆井實施水力壓裂這一有效的儲層改造措施，在影響區(qū)內形成大量的人工裂縫，使抽采通道與煤儲層中的天然裂隙有效連通，可擴大抽采范圍、提高抽采效率[12]；另一方面，在井下施工近水平定向長鉆孔，通過軌跡控制實現(xiàn)多個地面工程井壓裂影響區(qū)的“串聯(lián)”，能夠發(fā)揮井下鉆孔施工成本低、布孔靈活的優(yōu)勢，主要適用于煤層結構完整、力學強度高、構造相對簡單的煤礦區(qū)。

進行條帶式井上下聯(lián)合抽采的突出的難題是井下近水平定向長鉆孔通過壓裂影響區(qū)的鉆進技術：地面工程井壓裂區(qū)內的煤體被改造后，裂隙發(fā)育，且充填有壓裂液、支撐劑，煤體結構破碎，這使得鉆孔進入壓裂區(qū)后極易出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等事故，鉆進成孔難度大。同時，井下水平定向長鉆孔施工完成后，壓裂影響區(qū)內孔段孔壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生孔壁坍塌而堵塞抽采通道，嚴重的甚至將導致井下近水平定向鉆孔大部分抽采孔段失效。

3.2 地面井與井下長鉆孔連通壓裂聯(lián)合抽采

地面井與井下長鉆孔連通壓裂聯(lián)合抽采是通過在地面施工垂直井，在井下沿煤層施工定向長鉆孔，借助定向鉆進技術使地面直井與井下長鉆孔交匯貫通，隨后對井下定向長鉆孔進行有效封孔，利用地面壓裂設備通過地面井對目標抽采區(qū)域及井下鉆孔進行壓裂作業(yè)，實現(xiàn)對抽采區(qū)域的增透改造后進行抽采，其產(chǎn)氣方式主要分為井下采氣和地面采氣兩種，如圖3所示。針對碎軟煤層定向鉆孔成孔困難問題，有學者提出首先施工地面直井進行水力壓裂，對目標煤層進行預抽，然后在目前煤層下底板巖巷施工放射狀穿層鉆孔進行二次瓦斯抽放，對突出煤層卸壓消突。

圖3 地面井與井下長鉆孔連通壓裂聯(lián)合抽采

地面直井與井下長鉆孔連通壓裂后進行采氣，在施工技術層面上實現(xiàn)了井上下聯(lián)合，其潛在技術優(yōu)勢是：一方面可提高煤層氣抽采效率和速度，地面直井與井下長鉆孔連通壓裂后，溝通了更多的煤層裂隙，以較少數(shù)量的井下鉆孔實現(xiàn)煤層氣高效抽采。另一方面，連通壓裂增大了井下長鉆孔的抽采影響范圍，因此在井下區(qū)域抽采時可增大井下長鉆孔的布置間距，減少鉆孔施工作業(yè)量，進而縮短煤層氣抽采工程的建設周期，主要適用于煤層結構較完整、滲透率低的煤礦區(qū)。

地面直井與井下長鉆孔連通壓裂可有效溝通井筒、鉆孔和煤層中裂隙，擴大井/孔的抽采影響范圍，理論上具有一定的先進性。但這種聯(lián)合抽采方式存在一定的局限性，表現(xiàn)為：①井孔聯(lián)合壓裂，效果不可控，裂縫的起裂和延伸隨機性較大，煤層氣抽采效果有待進一步考察；②壓裂前需將井下鉆孔孔口段密封，因地面壓裂裝備供液能力強，壓裂時在井下鉆孔內可形成高的靜壓力，對孔口密封承壓能力要求較高，實施難度較大，因此，技術層面的缺陷限制了這種聯(lián)合抽采方式在實際煤層氣開發(fā)工程中的應用。而地面直井與井下穿層鉆孔聯(lián)合抽采需要施工專門的底板巖層巷道，且放射狀穿層鉆孔施工工程量大、施工周期長，造成工作面采掘銜接緊張。

3.3 立體壓裂聯(lián)合抽采

“立體壓裂”地面與井下聯(lián)合抽采的核心思想是借助井下巷道已揭露的地面煤層氣開發(fā)直井井筒實現(xiàn)地面水力壓裂設備與井下水平定向鉆孔之間的“連通”，進而利用地面壓裂設備對井下水平定向鉆孔實施水力加砂壓裂改造，達到增大孔壁周圍煤巖體的透氣性、提高瓦斯抽采效率，擴展單孔瓦斯有效抽采的范圍、減少鉆孔施工工作量和縮短煤礦瓦斯預抽時間等目的，如圖4所示。

圖4 立體壓裂聯(lián)合抽采

立體壓裂聯(lián)合抽采可以充分利用地面寬敞的場地擺放大型壓裂機械設備，以實現(xiàn)更大規(guī)模的井下近水平鉆孔的壓裂。“立體壓裂”地面與井下聯(lián)合抽采在施工技術層面上具有潛在優(yōu)勢，可大幅提高井下鉆孔的壓裂規(guī)模，理論上可形成更大范圍的壓裂影響區(qū)、增加鉆孔抽采范圍，提高抽采效率，主要適用于地面鉆井條件相對簡單、井下近水平長鉆孔成孔率高的煤礦區(qū)。然而，這種聯(lián)合抽采方式客觀上存在一定的局限性，鉆孔壓裂效果不可控，難以實現(xiàn)全孔段均勻壓裂。

3.4 頂板壓裂聯(lián)合抽采

在地面施工垂直井和水平井，保證水平井層位位于裂隙帶與彎曲下沉帶之間，且靠近待回采煤層回風巷一側，并在垂直井底部擴徑，降低垂直井與水平井的對接難度，完井后在地面對水平井進行壓裂作業(yè)。工作面圈閉時，密閉水平井，通過直井利用壓裂裂縫對煤層及上覆圍巖氣體進行抽采。采煤前，將靠近采煤工作面水平井段密封，從回風巷和進風巷向煤層中施工對穿鉆孔，利用地面直井和井下近水平鉆孔進行負壓抽采，直到煤層瓦斯含量降到標準值，工作面正?；夭?；采煤中及采后，針對本煤層、采空區(qū)及頂板裂隙帶瓦斯，首先將采空區(qū)密閉，將初次來壓后所對應的水平井段用密封裝置密封，利用垂直井、水平井和井下采用梯度負壓模式進行瓦斯抽采；當周期來壓形成后，水平井段被分割，從直井井口和水平井井口分別實現(xiàn)瓦斯抽采，以此循環(huán)直至工作面回采結束[13]，如圖5所示。

圖5 頂板壓裂聯(lián)合抽采

頂板壓裂立體化聯(lián)合抽采形成了采前、采中和采后的三區(qū)抽采模式，從時間和空間上實現(xiàn)了煤層氣井上下聯(lián)合立體化抽采，具有一井多用的優(yōu)點。在煤層頂板實施分段壓裂增產(chǎn)改造，相比于在煤層中實施壓裂優(yōu)勢明顯，頂板水平井分段壓裂技術已在我國淮北礦區(qū)取得了良好的煤層氣抽采效果，連續(xù)3個月日產(chǎn)氣量達10000m3以上[14]。采前，利用井下鉆孔與水平井壓裂縫貫穿，實現(xiàn)井上下立體化聯(lián)合抽采；邊采邊抽階段，煤層得到充分卸壓，利用壓裂裂縫與采動裂隙有效溝通，顯著提高煤層氣抽采效率，主要適應于煤層結構破碎、滲透率低、井下定向長鉆孔鉆進成孔困難的煤礦區(qū)。

但這種聯(lián)合抽采方式也存在著其技術上的弊端，在煤層回采過程中頂板覆巖發(fā)生變形破壞，地面直井及水平井井身結構遭到破壞[15]，影響煤層氣抽采效果。

3.5 井/孔對接聯(lián)合抽采

針對具有突出危險性的煤層，在地面施工多分支水平井，在井下施工近水平鉆孔，并使井下近水平鉆孔與地面多分支水平井部分井眼對接連通，隨后將地面多分支水平井封閉，將井下近水平鉆孔連接到瓦斯抽采系統(tǒng)中進行負壓抽采，抽采通道組成如圖6所示。本質上是地面、井下煤層氣開發(fā)施工技術聯(lián)合，一定程度上發(fā)揮了地面多分支井與井下近水平鉆孔開發(fā)煤層氣技術的各自優(yōu)勢。

圖6 立體壓裂聯(lián)合抽采

首先，地面多分支水平井本身是一項高效煤層氣開發(fā)技術，多分支井眼增加了煤層的裸露面積，擴展了煤層中氣體流動的泄流面積。其次，地面多分支水平井的施工不受井下巷道條件的限制，同時從地面施工多分支井與在井下施工水平定向長鉆孔相比，鉆進成功率更高。最后，地面井下鉆孔/井對接聯(lián)合抽采技術利用井下負壓瓦斯系統(tǒng)進行抽采，擺脫了地面排采系統(tǒng)的限制，地面布井位置更加靈活，可回避安裝、維護地面排采裝備和集輸管匯系統(tǒng)等，輔助工程量小，安全性和技術性更高，主要適應于煤層透氣率低、地面鉆井條件簡單、滿足多分支水平井施工的煤礦區(qū)。

地面多分支水平井與井下近水平鉆孔的精確對接是必須要解決的關鍵技術難題，同時地面多分支水平井在井下煤層氣抽采過程中也存在塌孔堵塞瓦斯運移通道等問題。

4 井上下聯(lián)合抽采研究展望

在我國煤層氣勘探程度和研究程度較高的地區(qū)，特別是煤層氣地面鉆井開發(fā)取得成功的煤礦區(qū)，隨著井下采掘活動的推進，部分地面煤層氣開發(fā)井逐漸進入井下抽采鉆孔影響范圍，如何充分發(fā)揮地面直井與井下水平長鉆孔作為煤層氣開發(fā)通道的技術優(yōu)勢，尋求新的、能夠實現(xiàn)煤層氣高效開發(fā)方式是亟待探索的科學問題，對此，提出研究地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采煤層氣技術，一是實現(xiàn)抽采通道的聯(lián)合，二是實現(xiàn)抽采工藝的聯(lián)合。在開發(fā)方式、施工技術層面實現(xiàn)地面井下聯(lián)合的基礎上，充分利用地面與井下配套設施及各自的技術優(yōu)勢是實現(xiàn)煤礦區(qū)煤層氣高效開發(fā)重要技術途徑，進一步實現(xiàn)了抽采工藝的地面井下聯(lián)合。

地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采技術原理如圖7所示，抽采通道方面：地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采技術實施所依托的抽采通道由“地面抽采直井+煤層壓裂區(qū)+井下近水平長鉆孔”三部分構成，其中，煤層壓裂區(qū)的壓裂裂隙是井下近水平長鉆孔與地面直井井筒相連通的“橋梁”，三者構成立體化的井上下聯(lián)合抽采通道。在抽采工藝方面，利用近水平長鉆孔在井下集中控制放水，通過直井井筒在地面以無動力方式采氣，實現(xiàn)排水采氣分離作業(yè)，二者均以無外加動力的方式進行，并可充分利用地面煤層氣集輸系統(tǒng)收集高濃度煤層氣。抽采通道和抽采工藝兩方面進行井上井下聯(lián)合，實現(xiàn)煤礦區(qū)煤層氣高效開發(fā)。

圖7 地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采

地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采通道的建立方式：根據(jù)井下采掘巷道布置情況，選取適宜范圍內的地面壓裂直井作為目標井，在井下設計施工近水平長鉆孔，控制其軌跡沿目標煤層延伸，并進入地面直井壓裂區(qū)，實現(xiàn)與目標直井井筒的連通，過壓裂區(qū)后繼續(xù)向前鉆進一定深度，增加鉆孔采氣影響范圍，提高抽采效果。

立體化抽采通道是實施地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采技術的基礎，地面直井與井下近水平鉆孔通過煤層壓裂區(qū)內的壓裂裂縫連通，而這種連通是通過精確控制井下近水平鉆孔的軌跡進入目標直井壓裂區(qū)實現(xiàn)的，具備以下技術優(yōu)勢：

1)由“地面直井+煤層壓裂區(qū)+井下近水平鉆孔”構成的立體化聯(lián)合抽采通道在結構形式上具有與地面多分支水平井相似的特點，目標煤層中的近水平鉆孔段增加了煤層氣有效供給范圍、提高了導流能力，利于高效開發(fā)煤層氣。

2)地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采技術采取“井下排水，地面采氣”的方式生產(chǎn)，立體化抽采通道中近水平鉆孔內聚集的瓦斯/煤層氣經(jīng)壓裂裂縫、地面直井井筒采出，與井下近水平鉆孔負壓抽采相比，采出的煤層氣濃度高且穩(wěn)定，可利用性好。

3)地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采技術利用井下近水平鉆孔集中控制排水，不需要配置專門的排水設備；通過地面直井采氣，不需要配置動力設備，這種聯(lián)合抽采工藝采氣過程中維護管理成本低，經(jīng)濟性更好。

4)地面直井與井下近水平鉆孔聯(lián)合抽采可利用低產(chǎn)或停止產(chǎn)氣的地面壓裂直井作為目標井，通過在井下施工相對應的水平定向長鉆孔建立立體化抽采通道、并實施聯(lián)合抽采工藝，可使其增產(chǎn)或“重新”產(chǎn)氣，實現(xiàn)挖潛及進一步延長地面井服務年限，使地面煤層氣開發(fā)井利用程度達到最大化。