采空區(qū)合層抽采工藝研究與應用

郭 浩

(山西西山藍焰煤層氣有限責任公司， 山西 太原 030200)

目前采空區(qū)地面抽采已經(jīng)成為繼地面預抽井、采動區(qū)抽采后又一成熟、穩(wěn)定的瓦斯抽采工藝[1]. 受施工工藝及塌陷區(qū)的影響，該工藝僅局限于對頂部采空區(qū)瓦斯的開發(fā)利用[2-3]. 受煤層儲存特征及煤炭持續(xù)開采的影響，越來越多的采空區(qū)已經(jīng)形成兩層，甚至多層[4]，受限于采空區(qū)的特殊性質(zhì)，對下層采空區(qū)的瓦斯抽采技術一直屬于空白。

結合現(xiàn)有的采空區(qū)瓦斯抽采工藝及技術，引用煤層氣預抽井合層排采的思路，把穿采空區(qū)預抽下組煤層瓦斯鉆井技術與單層采空區(qū)鉆井技術結合改進，形成對雙層采空區(qū)瓦斯合層抽采的新型工藝技術，并在馬蘭礦進行試驗，通過對比雙層采空井與單層采空井的變氣量，驗證該抽采工藝的抽采效果。

1 工程概況

西山古交區(qū)塊馬蘭礦，井田面積為104.4 km2，該區(qū)塊穩(wěn)定可采煤層為2#、8#和9#煤層。其中，2#煤層頂板為一層不穩(wěn)定的具疊錐構造的紋層狀泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，煤層厚度0～5.98 m，平均厚度2.30 m，全礦區(qū)厚度穩(wěn)定，煤層氣地質(zhì)儲量15.75億m3，可采儲量為6.44億m3；8#煤層頂板為廟溝灰?guī)r，從整個礦區(qū)范圍看，屬穩(wěn)定煤層，煤層厚度0.4～8.00 m，平均厚度3.90 m, 煤層氣地質(zhì)儲量23.73億m3，可采儲量為7.95億m3.

目前，馬蘭礦采空區(qū)面積總計為23.2 km2，其中，南一、南三、南四盤區(qū)，2#、8#煤已全部開采完畢，盤區(qū)整體封閉，具備多層采空區(qū)共同抽采的優(yōu)勢。前期南三盤區(qū)3口2#煤單層采空井平均瞬時流量較低，約為30 m3/h.

2 采空區(qū)合層抽采工藝技術

雙層采空區(qū)瓦斯合層抽采工藝包括4部分：采空井井位確定、上覆地層鉆井工藝、過采空區(qū)鉆井工藝、割縫套管完井工藝。

2.1 采空井井位確定

結合西山礦區(qū)地質(zhì)地層因素，馬蘭礦采空井井位的選取遵循以下5個原則：

1) 工作面回采過程中，煤層瓦斯涌出量較高。

2) 蓋山厚度應大于350 m.

3) 在實踐中發(fā)現(xiàn)的構造有利區(qū)、采空井效果較好的相鄰工作面。

4) 根據(jù)“O”形圈理論，結合西山區(qū)塊工作面布置情況，距離回風巷平距應小于40 m，同時應位于目的層位底板抬升處，遠離積水區(qū)域。

5) 若工作面長度超過1 000 m，則可視情況，一個工作面布置兩口井。

江豚每年4—6月為分娩期，交配行為在每年的7-9月份，出生半年以后開始逐漸斷奶[10]。因此，枯水期正是新生江豚發(fā)育關鍵時期，如果江豚食物資源相對匱乏、撫幼的淺水沙洲相對減小，活動空間受限制，或者人類活動強烈干擾，那么母豚撫幼行為(江豚斷奶行為沒有停止)將維持更長時間，因此母豚進入妊娠狀態(tài)機會降低。江豚交配水生態(tài)環(huán)境要求安靜，水速相對靜止或緩慢，因此江豚通常在夏季早晚，洲尾的滯留區(qū)、分離區(qū)或回水區(qū)交配。由于剛出生的幼豚運動能力與聲吶系統(tǒng)發(fā)育不完善，因此江豚通常選擇洲頭的分流區(qū)或邊灘回水區(qū)(上行船有干擾)進行撫幼活動。

2.2 上覆地層鉆井工藝

常規(guī)單層采空井鉆井施工工藝已經(jīng)很成熟，上覆地層鉆井施工過程，部分沿用常規(guī)鉆井工藝。為解決因雙層采空井判斷裂隙帶高度不準導致的固井井漏問題，修改了二開鉆進方案，具體如下：

通過研究西山礦區(qū)地質(zhì)地層因素，根據(jù)該礦沉陷區(qū)理論計算公式，結合以往采空區(qū)鉆遇情況，在二開鉆進接近2#采空區(qū)頂板100 m時，通過井下攝像機窺視判定各漏失層，確定二開完鉆位置提升至2#采空區(qū)頂板60～70 m，優(yōu)化了雙層采空區(qū)二開鉆井判層工藝。考慮后續(xù)施工環(huán)節(jié)，對井眼尺寸進行調(diào)整，調(diào)整后的參數(shù)見表1.

表1 調(diào)整后的鉆井參數(shù)表 mm

2.3 過采空區(qū)鉆井工藝

過采空區(qū)時，由于漏失問題不能使用水鉆。使用空氣鉆時，受煤礦回采的影響，采空區(qū)聚集不同成分、濃度的氣體，極具爆炸、燃燒的危險性，用常規(guī)鉆井技術很難保證安全生產(chǎn)。因此，在揭露及穿過采空區(qū)時，對鉆井循環(huán)介質(zhì)進行更換。

1) 鉆進、揭露。待三開驗收合格后，準備制氮設備，將常規(guī)鉆井循環(huán)介質(zhì)換為氮氣。采用d171.00 mm鉆頭，鉆至下部采空區(qū)底板止鉆，完鉆后提鉆滑眼，至全井無阻礙。在穿過采空區(qū)井段時，為達到防塌的目的，采用小泵量、小鉆壓、低轉速的鉆井方式，確保鉆進的安全性，具體鉆進參數(shù)見表2.

表2 鉆進參數(shù)表

2) 制氮工藝。為避免揭露采空區(qū)時發(fā)生事故，在空壓機為空氣鉆鉆進送風時，先通過膜制氮機進行脫氧，用純度較高的氮氣代替空氣成為鉆井循環(huán)介質(zhì)，以保證鉆進安全。

由于雙層采空區(qū)鉆進，在揭露下層采空區(qū)時漏風情況較為嚴重，于西山區(qū)塊施工時，制氮設備必須保證送風量為40～60 m3/min，以避免發(fā)生井下埋鉆事故。

2.4 割縫套管完井工藝

三開鉆進結束后，再次使用井下攝像機窺視已完鉆井內(nèi)實際情況，如無問題，下入139.7 mm割縫套管。具體方法如下：

割縫套管可以使用舊套管加工，節(jié)約成本。完井后的井身結構見圖1.

圖1 雙層采空區(qū)井身結構示意圖

目前進行的采空區(qū)雙層開采區(qū)域，主采煤層為2#、8#和9#，2#與8#的煤層間距在80 m左右。8#與9#煤間距為20 m左右?？紤]8#與9#煤間距及鉆井施工安全技術措施，只采取揭穿8#采空區(qū)，利用8#與9#間的自然塌陷裂隙帶溝通9#煤層采空區(qū)。

3 試驗分析

完井后根據(jù)采空區(qū)積水情況進行試采，若鉆遇采空區(qū)且產(chǎn)氣良好，則安裝設備進行試抽采；若鉆至積水區(qū)，可視積水量情況安裝抽油機排水并進行試抽采，同時根據(jù)抽采瓦斯參數(shù)做集輸利用計劃。

3.1 抽采系統(tǒng)

抽采系統(tǒng)可分為前端、中端、后端3個部分，現(xiàn)場抽采系統(tǒng)工藝簡圖見圖2.

圖2 現(xiàn)場抽采系統(tǒng)工藝簡圖

前端：井口壓力表→球閥→阻火器→連接軟管→抽采設備。當井口與抽采設備距離>50 m時，需在阻火器與抽采設備之間加裝球閥，以便于操作。

中端：抽采設備及監(jiān)測監(jiān)控設備(甲烷、氧氣、一氧化碳、壓力及溫度傳感器)，對相關運行參數(shù)進行檢測、報警和保護控制。

后端：抽采設備排氣口→連接軟管→放空閥→流量計→球閥→集輸站。

3.2 試抽采實際情況

現(xiàn)場對已經(jīng)完鉆的6口雙層合采采空區(qū)井XSM-CK-03、XSM-CK-07、XSM-CK-21、XSM-CK-22、XSM-CK-23、XSM-CK-39進行了試驗抽采，產(chǎn)氣量較單層采空井有較大的提高(見圖3). XSM-CK-01井與XSM-CK-39井為同一工作面相距5 m位置打的兩口采空井，其中XSM-CK-01井為單層采空井，XSM-CK-39井為雙層采空井，對比兩口井的采氣效果(圖4)發(fā)現(xiàn)，利用合層抽采工藝抽采的XSM-CK-39井其產(chǎn)氣量高于單層抽采井XSM-CK-01，且每天的產(chǎn)氣量都很穩(wěn)定。

圖3 雙層采空區(qū)合層抽采效果圖

圖4 同一工作面單層、雙層采空井抽采效果圖

3.3 試抽效果分析

根據(jù)同一工作面單層、雙層采空區(qū)合層抽采效果對比可知，雙層采空區(qū)井氣源相對較廣，不僅有2#、8#煤層采空區(qū)及附近圍巖的瓦斯氣體，同時在鉆井過程中會揭露4#、6#煤層。由于2#、8#煤層采掘完畢會導致上覆巖層壓力產(chǎn)生變化，4#、6#、9#煤層也可能會逸散出一定的卸壓瓦斯，既豐富了氣體來源，也保證了氣體的濃度。

從幾口井的抽采效果來看，多層采空區(qū)合層抽采氣量相對有一定保證，在抽采條件相同的情況下，氣量遠超過單層采空區(qū)井，有利于采空區(qū)瓦斯治理。

4 結 語

通過改進鉆井工藝形成了一套新型采空區(qū)合層抽采工藝，通過在馬蘭礦試驗抽采，對比雙層采空井和單層采空井的抽采效果，發(fā)現(xiàn)利用合層抽采工藝的雙層采空井其產(chǎn)氣量高于單層采空井，且每天的產(chǎn)氣量都很穩(wěn)定。目前所采用的合層抽采工藝僅進行了雙層采空區(qū)合層抽采，下一步將進行多層采空區(qū)合層抽采，可以預計，多層采空區(qū)合層抽采在未來有較為廣泛的應用前景。