煤礦采空區(qū)煤層氣地面開發(fā)技術(shù)及工程應用?以沁水盆地晉城礦區(qū)為例

周顯俊，李國富，李 超，王 爭，李江彪

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責任公司，山西 太原 030031；3.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048006)

我國煤礦90%以上為地下礦井，其中50%～70%為高瓦斯礦井。伴隨我國長期高強度的煤炭開采形成面積巨大的采空區(qū)，袁亮等[1-2]研究表明，預計到2030 年，我國關(guān)閉礦井數(shù)量將達15 000 處，巨大的煤礦采空區(qū)/關(guān)閉礦井蘊藏著豐富的煤層氣資源。煤礦采空區(qū)煤層氣是一種賦存于煤礦采空區(qū)的非常規(guī)天然氣，隨著煤層氣勘探開發(fā)工作的不斷深入，煤礦采空區(qū)煤層氣已成為地面煤層氣抽采的重要資源之一[3]。

煤礦采空區(qū)空間形態(tài)及煤層氣富集規(guī)律研究是采空區(qū)煤層氣地面抽采的基礎(chǔ)，劉天泉[4]在采動巖體的破壞特征與范圍方面，提出了巖體變形的空間分帶論。錢鳴高[5-6]、許家林[7]等提出關(guān)鍵層理論并在此基礎(chǔ)上揭示了長壁工作面覆巖采動裂隙“O”形圈分布特征。近10 年以來，我國學者主要針對煤礦采空區(qū)的上覆巖層裂隙、地面精準探測采空區(qū)方法和采空區(qū)地面鉆完井技術(shù)進行研究。韓丹丹[8]、屠世浩[9]等研究了采空區(qū)垮落巖體空隙率分布及滲透率演化規(guī)律；郇恒飛[10]、林井祥[11]等研究了煤礦采空區(qū)及其積水區(qū)的探測方法；孟召平等[12]研究建立了廢棄礦井煤層氣資源量評價模型和方法。在采空區(qū)上覆巖層裂隙及裂隙帶巖層滲透率研究的基礎(chǔ)上，進一步開展采空區(qū)鉆井井位層位優(yōu)選、過程控制和負壓抽采研究[13-17]。但采空區(qū)井鉆井過程對采空區(qū)上覆巖層裂隙產(chǎn)生影響，上覆含水層通過裂隙滲入采空區(qū)的積水，導致采空區(qū)井煤層氣抽采量不高、衰減快等問題。針對上述問題，基于不同采煤工藝下不同采空區(qū)形態(tài)分析，結(jié)合采空區(qū)煤層氣滲流特性，研究提出了采空區(qū)井布置原則和抽采技術(shù)，探索水力沖孔在提高采空區(qū)裂隙帶巖層滲透率方面的應用，提出采用泡沫欠平衡鉆井技術(shù)解決鉆井巖粉侵入采空區(qū)裂隙帶的問題，為煤礦采空區(qū)煤層氣井地面開發(fā)提供參考。

1 采空區(qū)煤層氣開發(fā)影響因素

1.1 不同采煤工藝下的采空區(qū)煤層氣賦存特征

晉城礦區(qū)按煤礦井下采煤工藝可分為房柱式采煤和長臂式垮落法采煤，由于采煤工藝的不同，礦區(qū)內(nèi)存在大量形態(tài)不一、尺寸各異的礦井采空區(qū)。不同采煤工藝下采空區(qū)覆巖破壞程度不同，根據(jù)晉城礦區(qū)典型地質(zhì)條件與煤巖力學參數(shù)，研究了不同采煤工藝下采空區(qū)的空間形態(tài)。房柱式采煤(圖1a)，由于預留大量保護煤柱，有效承載了采煤后應力變化，采空區(qū)上覆巖層沒有明顯的彎曲、離層和垮落；長臂式垮落法采煤(圖1b)，采用垮落法管理頂板，采煤后采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)明顯的彎曲、離層和垮落，自上而下形成彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶。

圖1 晉城礦區(qū)不同采煤工藝形成的采空區(qū)裂隙發(fā)育特征Fig.1 Fracture development characteristics of the goaf formed by different mining techniques in Jincheng mining area

孟召平等[12]研究認為煤礦采空區(qū)煤層氣主要以吸附態(tài)賦存在煤柱及殘留煤層、鄰近未采煤層中。房柱式采煤因?qū)︵徑簩訑_動很小，采空區(qū)煤層氣主要以煤柱吸附式存在，且與采空空間內(nèi)游離態(tài)煤層氣形成動態(tài)吸附解吸平衡；長臂式垮落法采煤效率高，本煤層遺留煤炭少，吸附煤層氣少，但采煤對鄰近煤層擾動較大，增加了鄰近煤巖層的透氣性，鄰近煤層的煤層氣通過裂隙運移至采空區(qū)，基于此，長臂式垮落法采煤工藝，其采空區(qū)煤層氣由采空區(qū)遺留煤中煤層氣和鄰近煤層解吸運移至采空區(qū)煤層氣組成。

1.2 采空區(qū)積水

因不同采煤工藝下采空區(qū)裂隙發(fā)育特征的差異，導致采空區(qū)積水特征也不同，房柱式采煤采空區(qū)上覆巖層未受明顯破壞，上覆地層水很難通過致密泥巖層滲流到采空區(qū)，其采空區(qū)原始積水量少，但在進行采空區(qū)煤層氣地面開發(fā)時，地面鉆井連通了上覆含水層和采空區(qū)，上覆含水層內(nèi)承壓水通過井筒流入采空區(qū)，如圖2 所示，現(xiàn)場鉆井過程中承壓水通過井筒涌出。

圖2 采空區(qū)煤層氣井鉆井過程中井筒涌水Fig.2 Wellbore water gushing during CBM well drilling in the goaf

長臂式垮落法采煤上覆巖層受到明顯破壞，上覆地層水通過裂隙帶和垮落帶裂隙流入采空區(qū)，匯聚在采空區(qū)地勢低洼處，且積水補給能力強，此類型采空區(qū)表現(xiàn)出低處積水、高處積氣特點。

1.3 采空區(qū)裂隙帶巖層滲透率

采用長臂式垮落法采煤工藝形成的采空區(qū)空間內(nèi)存在大量裂隙，采空區(qū)空間隨著時間的增長而不斷壓實穩(wěn)定，這些裂隙的尺寸會不斷縮小但不會消失，且各類型裂隙尺寸相對于整個采空區(qū)空間很小，基于此，將有各類采動裂隙的煤礦采空區(qū)視為多孔介質(zhì)。

多孔介質(zhì)的孔隙率和滲透率不是相互獨立的，很多學者建立了基于孔隙率的滲透率計算公式，其中Kozeny-Carman 方程[18-20]表示巖石滲透率與孔隙率、巖石比表面積之間關(guān)系，是多孔介質(zhì)滲流領(lǐng)域最著名的半經(jīng)驗公式，其表達式為：

式中：k為多孔介質(zhì)滲透率，m2；n為多孔介質(zhì)孔隙率，%；c為Kozeny-Carman 常數(shù)；S為固體相比表面積，m2/g。

2 采空區(qū)井位布置及鉆井

2.1 采空區(qū)井位布置

采空區(qū)井一般采用垂直井身結(jié)構(gòu)，基于此類井身結(jié)構(gòu)提出以下井位布置原則：①依據(jù)采空區(qū)積水探測結(jié)果，結(jié)合煤層底板等高線數(shù)據(jù)，將采空區(qū)井布置在采空區(qū)積水區(qū)域之外；② 針對房柱式采煤形成的采空區(qū)空間形態(tài)(圖3a)，采空區(qū)井應避開保護煤柱最終完鉆至采空區(qū)空間內(nèi)；如圖3b 所示，長臂式垮落法采煤后會在終采線設(shè)置密閉墻，用于封閉已完成回采的工作面，由于密閉墻的支撐作用，處于終采線附近的采空區(qū)上覆巖層不易垮塌，同時結(jié)合”O(jiān)”形圈理論[6]，該類工作面布置采空區(qū)井最優(yōu)鉆井區(qū)域為”O(jiān)”形圈邊界連線和采場邊界之間靠近終采線一側(cè)；③采空區(qū)井位布置要考慮地面建筑物及附著物對井場鉆井施工及抽采影響。

圖3 煤礦采空區(qū)井井位布置Fig.3 Well location layout in the coal mine goaf

2.2 采空區(qū)鉆井

采空區(qū)鉆井一般采用三開井身結(jié)構(gòu)，即一開鉆穿表土層至穩(wěn)定基巖層后套管固井，二開鉆進至采空區(qū)上覆裂隙帶頂部后套管固井封閉含水層，三開鉆進至采空區(qū)后割縫套管完井，具體施工參數(shù)見表1。

表1 采空區(qū)煤層氣井鉆井施工參數(shù)Table 1 Drilling construction parameters of CBM well in the goaf

采空區(qū)井一開、二開鉆井與常規(guī)煤層氣井鉆井并無區(qū)別，采用水力鉆井或空氣鉆井均可，針對三開鉆進水力鉆井方式鉆井液漏失嚴重的情況，采用大排量空氣作為循環(huán)介質(zhì)進行鉆井；對于煤礦井下遺留煤炭有自燃傾向的采空區(qū)，為保證鉆進安全，將鉆井循環(huán)介質(zhì)由空氣轉(zhuǎn)換為氮氣，抑制井下遺留煤炭自燃。

3 采空區(qū)井抽采技術(shù)

3.1 負壓抽采

煤礦采空區(qū)的煤層氣來源于煤柱及殘留煤層、鄰近未采煤層和圍巖中的游離氣和吸附氣[3]，采空區(qū)煤層氣抽采首先是采空區(qū)游離氣，游離氣賦存壓力降低后促使吸附氣解吸，實現(xiàn)采空區(qū)煤層氣連續(xù)抽采。采空區(qū)游離氣的賦存壓力遠低于未開采煤儲層壓力(表 2)，游離氣賦存壓力不足以將大量煤層氣通過采空區(qū)井筒輸送至地面，因此，采空區(qū)井地面抽采一般采用負壓抽采。

表2 煤礦采空區(qū)煤層氣賦存壓力Table 2 CBM occurrence pressure in the coal mine goaf

在進行負壓抽采系統(tǒng)設(shè)計時，抽采系統(tǒng)壓損計算公式[21]為：

式中：pf為某段管路的摩擦阻力，Pa；L1為管路長度，m；Δ為混合瓦斯相對空氣的密度；Q為某段管路的混合瓦斯流量，m3/h；K0為系數(shù)，根據(jù)管徑確定；d為管路內(nèi)徑，cm；py為管道系統(tǒng)中設(shè)備固有壓損，Pa。

3.2 排水采氣一體化抽采

在使用負壓抽采設(shè)備進行采空區(qū)煤層氣地面抽采過程中，采空區(qū)上覆巖層承壓涌水積聚在井筒底部，水對煤的甲烷解吸影響試驗中，與干燥煤樣相比，飽和水煤樣的甲烷解吸初速度減小了67.0%～67.5%，甲烷解吸總量減小了89.9%～92.0%[22]，因此，采空區(qū)積水會極大降低遺留煤炭甲烷的解吸量，進而嚴重降低地面采空區(qū)井的煤層氣抽采量。為有效解決采空區(qū)上覆巖層承壓涌水對抽采效果的影響，對采空區(qū)井抽采系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，如圖4 所示，具體方法為：在三開完井后將抽采泵通過直徑73 mm 油管下至采空區(qū)井底部，并在井口安裝油管懸掛及密封裝置，井底積水通過油管抽排至地面；在二開固井套管上連接煤層氣抽采泵，通過油管與二開固井套管之間的環(huán)形空間將煤層氣抽采至地面集輸系統(tǒng)。

圖4 采空區(qū)煤層氣井排水采氣一體化抽采系統(tǒng)Fig.4 Integrated drainage and gas extraction system for CBM wells in the goaf

4 工程應用及試驗

4.1 研究區(qū)概況

岳城礦位于沁水盆地南部，井田分為南北兩區(qū)，南區(qū)為3 個小礦資源整合區(qū)，3 號煤層采用房柱式開采；北區(qū)為主力生產(chǎn)區(qū)，3 號煤層采用走向長臂式垮落法開采。主要可采煤層為3、9、15 號煤層，3 號煤層厚度4.31～6.90 m，平均6.13 m，原始煤層氣含量11.67～18.25 m3/t；9 號煤層厚0.30～1.29 m，平均0.88 m，原始煤層氣含量12.62～18.65 m3/t；15 號煤層厚1.83～3.65 m，平均2.76 m，原始煤層氣含量15.21～24.59 m3/t。岳城礦井田范圍內(nèi)共有采空區(qū)積水17 處，積水總面積318 078 m2，采空區(qū)積水總量385 123 m3；其中，北部井田積水面積223 644 m2，采空區(qū)積水量263 361 m3，南部井田積水面積94 434 m2，采空區(qū)積水量121 762 m3。

4.2 排水采氣一體化抽采工程應用

YCCK-03 井位于岳城礦井田北區(qū)，2008 年該井采煤工作面完成3 號煤開采，形成采空區(qū)。采用三開井身結(jié)構(gòu)進行鉆井，即一開使用?311.15 mm 鉆頭鉆井至29.5 m，下入?273.1 mm 的表層套管完井；二開使用?241.3 mm 鉆頭鉆井至210 m，下入?193.7 mm 技術(shù)套管封固上部含水層；三開鉆井至284 m，在二開套管末端懸掛?139.7 mm 割縫套管完井。

該井于2015 年9 月投運，使用地面采氣設(shè)備連接井筒直接進行負壓抽采，煤層氣平均抽采混量約為3 000 m3/d，甲烷體積分數(shù)85%～95%，運行2 個月后抽采混量降至0，經(jīng)井下視頻確認井筒內(nèi)有積水，積水位置為井口以下122 m，積水深度為162 m。針對這一問題，采用上述排水采氣一體化抽采系統(tǒng)，使用直徑73 mm 油管下入抽采泵組合，并安裝地面抽水和采氣設(shè)備，如圖5 所示，改造后平均抽采混量為4 000 m3/d左右，抽水采氣后煤層氣日均抽采混量提高33.3%，甲烷體積分數(shù)基本維持不變。

圖5 YCCK-03 井抽采系統(tǒng)優(yōu)化前后抽采曲線Fig.5 Drainage curves before and after optimization of YCCK-03 well drainage system

4.3 采空區(qū)井水力沖孔工程試驗

當采空區(qū)地面鉆井施工鉆進至采空區(qū)上部裂隙帶時，空氣攜帶著鉆井巖粉進入裂隙帶，堵塞采空區(qū)煤層氣運移通道，為解決這一問題，探索使用高壓水沖刷采空區(qū)裂隙帶內(nèi)的鉆井巖粉，以YCCK-27 井水力沖孔試驗作為典型井進行分析，該井位于岳城礦井田北區(qū)，于2019 年1 月開始鉆井施工，井身結(jié)構(gòu)采用上述三開結(jié)構(gòu)，在使用空氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進至采空區(qū)上部裂隙帶時，存在明顯的井下漏風和井口不能上返巖屑現(xiàn)象。該井安裝抽采設(shè)備運行后，煤層氣平均抽采混量600 m3/d 左右，低于設(shè)計值，2019 年5 月對該井實施水力沖孔改造，使用清水作為沖孔液，石英砂作為支撐劑，具體施工參數(shù)見表3。

表3 水力沖孔改造施工參數(shù)Table 3 Construction parameters of hydraulic punching reconstruction

如圖6 所示，水力沖孔改造結(jié)束后，對該井進行抽采，平均抽采混量與施工前對比沒有明顯提高。采用同樣的水力沖孔方式對同類型采空區(qū)井進行改造，改造前后采空區(qū)井日均抽采量最高增長率為11.30%(表4)。分析試驗效果不好的原因，認為在水力沖孔工藝設(shè)計上將整個裸眼段作為施工的目的層段，該層段為采空區(qū)上覆裂隙帶和垮落帶，導致高壓水從垮落帶處大量流失后并未有效作用于裂隙帶，建議后續(xù)可考慮井筒內(nèi)下入橋塞封住垮落帶，將水力沖孔層段確定在采空區(qū)上覆裂隙帶。

表4 采空區(qū)井水力沖孔前后抽采效果對比Table 4 Comparison of drainage effect before and after hydraulic punching in goaf wells

圖6 YCCK-27 井水力沖孔改造前后抽采曲線Fig.6 Drainage curves before and after hydraulic punching reformation in YCCK-27 well

依據(jù)上述試驗結(jié)果，建議從采空區(qū)鉆井階段解決鉆井巖粉堵塞采空區(qū)煤層氣運移通道的問題，在采空區(qū)井鉆井施工時使用泡沫欠平衡鉆井技術(shù)[23]，即在鉆井液中加入發(fā)泡劑，使鉆井液泡沫化，增強鉆井液攜帶巖粉的能力，同時鉆井液與地層間的平衡關(guān)系由鉆井液向地層變?yōu)榈貙酉蜚@井液方向，降低巖屑侵入采空區(qū)上覆裂隙帶。

5 結(jié) 論

a.研究提出了煤礦采空區(qū)井布井原則：采空區(qū)井應布置在采空區(qū)積水區(qū)域之外；針對房柱式采煤形成的采空區(qū)空間形態(tài)，采空區(qū)井應避開保護煤柱最終完鉆至采空區(qū)空間內(nèi)；針對長臂式垮落法采煤形成的采空區(qū)空間形態(tài)，采空區(qū)井最優(yōu)鉆井區(qū)域為“O”形圈邊界連線和采場邊界之間靠近終采線一側(cè)。

b.研發(fā)了一種煤礦采空區(qū)井排水采氣一體化抽采系統(tǒng)，該抽采系統(tǒng)實現(xiàn)了采空區(qū)井底積水抽排和煤層氣抽采同步進行，解決了采空區(qū)上覆巖層承壓涌水造成煤層氣產(chǎn)量下降問題，抽采系統(tǒng)優(yōu)化前后采空區(qū)井煤層氣抽采量增加33.3%。

c.探索水力沖孔解決鉆井巖屑造成的采空區(qū)裂隙帶巖層滲透率下降問題，工程試驗結(jié)果表明水力沖孔前后采空區(qū)井日均抽采量最高增長率為11.30%，建議采用泡沫欠平衡鉆井技術(shù)解決鉆井巖粉侵入采空區(qū)裂隙帶的問題。