地面井分區(qū)式瓦斯抽采技術(shù)體系及工程實踐

李 延 河

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司, 河南 平頂山 467000；2.中國平煤神馬控股集團有限公司, 河南 平頂山 467000）

0 引 言

煤層瓦斯（煤層氣）是煤的伴生產(chǎn)物，屬非常規(guī)天然氣，由于其熱值高且燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點，是潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料[1-2]。瓦斯的溫室效應(yīng)是CO2的20 多倍[3-4]，排放至大氣中會加劇全球氣候變暖，在井下煤層中賦存的大量瓦斯容易造成瓦斯突出、瓦斯超限等瓦斯問題[5-6]。在眾多瓦斯抽采方式中，地面井用于瓦斯抽采既可以不影響井下的采掘作業(yè)又可以實現(xiàn)高濃度瓦斯的大量抽采[7]，具有良好的應(yīng)用價值。

地面井瓦斯抽采可分為未采動預(yù)抽和采動卸壓抽采瓦斯技術(shù)2 類，前者主要抽采未采區(qū)煤層瓦斯，后者則是抽采煤層采動卸壓過程中的鄰近層瓦斯、采空區(qū)瓦斯和采動區(qū)瓦斯[8]。地面井瓦斯抽采受時空條件影響小且能夠完全貫穿煤炭開采全過程[9]，近些年來在我國多個礦井中得到應(yīng)用并且效果顯著[10-13]。但我國地面井煤層氣生產(chǎn)量仍面臨巨大挑戰(zhàn)，2020 年我國煤層氣地面產(chǎn)量為57.67 億m3，僅占當年全國天然氣產(chǎn)量的3.07%，與“十三五”目標相差42.33 億m3，煤層氣的生產(chǎn)仍存在“單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟效益差”的問題[14-15]。尋求瓦斯抽采新技術(shù)、探索構(gòu)建瓦斯抽采技術(shù)體系是實現(xiàn)瓦斯高效抽采的必由之路。文獻[9]和[16]分別提出了井上下聯(lián)合抽采的三區(qū)聯(lián)動瓦斯綜合治理模式和“三區(qū)聯(lián)動”的近距離突出煤層群區(qū)域瓦斯治理技術(shù)體系，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，為瓦斯高效抽采提供了思路。

為提高煤炭生產(chǎn)過程安全性和瓦斯資源利用率，在首山一礦未采區(qū)、采動區(qū)和采空區(qū)3 個區(qū)域布置地面直井或L 型井進行分區(qū)式瓦斯抽采，現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示地面井瓦斯穩(wěn)定日產(chǎn)量可超過8 000 m3，瓦斯抽采效果良好。在長期的工程探索和現(xiàn)場測量基礎(chǔ)上形成了地面井分區(qū)式瓦斯抽采技術(shù)體系，以期為體系化瓦斯治理提供借鑒。

1 含氣層資源分布特征及資源量估算

1.1 煤層含氣量分布特征

首山一礦含煤地層有石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，含煤系數(shù)為2.77%。賦存于山西組下部的二1 煤層和下石盒子組的四2（戊9-10）煤層全區(qū)可采，下石盒子組的四3（戊8）和五2（丁5-6）煤層為大部可采煤層，五1（丁7）煤層為局部可采煤層。不同煤層厚度情況見表1。

表1 各煤段主要煤層情況Table 1 Main coal seams of each coal section

在井下取心后，在實驗室進行室內(nèi)解吸并對解吸氣體的組分及其占比進行統(tǒng)計，如圖1 所示。由圖1a 可知，隨著埋深的增大，CH4組分占比呈先增大后減小的趨勢，但從丁5-6 位置至己16-17 位置，CH4組分占比總體呈增大趨勢，由69.41%增大至78.81%。與CH4變化趨勢相同，CO2和乙烷等重烴占比增大，分別由3.48%和2.67%增加至9.40%和7.28%，而N2占比總體呈降低趨勢，這與煤層瓦斯賦存的垂向分帶有關(guān)[17]。隨著埋深的增大，瓦斯含量也整體呈增大趨勢（圖1b），平均瓦斯含量由5.54 mL/g 增大至9.00 mL/g，煤組瓦斯含量最大值由15.80 mL/g 增大至21.18 mL/g，這是由于隨著埋深的增加，煤化過程中產(chǎn)生的瓦斯向上運移困難，大量的瓦斯仍賦存于煤層中。

圖1 各可采煤層瓦斯成分及含量Fig.1 Composition and content of gas in coal seam

1.2 含氣層資源量估算

首山一礦主要含氣層資源量估算是對主要含煤地層、頂?shù)装鍑鷰r及其他含氣層資源量的估算，主要由煤炭開采后井巷內(nèi)殘留的瓦斯、采煤作業(yè)余煤與煤柱瓦斯、尚未采掘區(qū)域瓦斯及頂?shù)装鍑鷰r與其他含氣層瓦斯等組成。計算煤系層包括己組煤、戊組煤、丁組煤，其中采空區(qū)和采動區(qū)資源量主要針對己16-17 煤層進行估算。采用體積法對首山一礦采空區(qū)和未采區(qū)的瓦斯資源進行估算，計算公式為

式中：Qc為瓦斯資源量，108m3；Sc為計算范圍面積，104m2；Hc為平均煤厚，m；Dc為煤層平均密度，t/m3；Cc為煤層瓦斯含量，m3/t；α為煤層傾角，（°）。

煤系氣資源量的計算公式為

式中：Qx為煤系氣資源量，108m3；Sx為煤系氣計算范圍面積，104m2；Hx為含煤巖系平均厚度，m；Dx為含煤巖系平均密度，t/m3；Cx為含煤巖系平均瓦斯含量，m3/t；ρ為含煤巖系傾角，（°）。

采空區(qū)中瓦斯資源量為采空區(qū)空間游離瓦斯、垮落帶中游離瓦斯和裂隙帶中游離瓦斯之和。采空區(qū)空間游離瓦斯由煤炭采出率和采煤過程中釋放的瓦斯組成。首山一礦采區(qū)煤炭采取率為87.5%，但部分地區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響，采出率偏低，最終計算確定煤炭采出率按85%估算，則有：

式中：k=1-η1+η2，其中η1為煤炭采出率，取0.85；η2為采煤過程中遺留在采空區(qū)的瓦斯釋放率，取0.10。

垮落帶和裂隙帶的瓦斯量估算公式為

式中，η3為鄰近層瓦斯排放率，取0.4；Qw為圍巖砂巖氣資源量，108m3。

基于式（1）-式（4），結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘探資料，得到首山一礦瓦斯資源量估算表（表2）。從表中可以看出，首山一礦瓦斯資源估算總量為65.14×108m3，其中己16-17煤層瓦斯資源量最豐富，占總量的59.36%，丁組煤瓦斯資源量最少，占總量的11.39%。與煤層含氣量分布特征相似，隨著埋深的增加，各煤層瓦斯資源量總和整體呈增大趨勢。

表2 瓦斯資源量估算Table 2 Estimation of gas resources

2 分區(qū)式瓦斯抽采工程設(shè)計

2.1 地面井分區(qū)式瓦斯抽采技術(shù)體系

地面井分區(qū)式抽采體系化瓦斯治理是指在瓦斯治理過程中，各項瓦斯治理工程在時間和空間上的系統(tǒng)化和程序化實施[18]。包括地面井井位科學(xué)布置、井身結(jié)構(gòu)及施工設(shè)計、未采區(qū)儲層壓裂增透和排采與集輸工程4 部分（圖2）。分區(qū)式抽采的關(guān)鍵是井田三區(qū)的劃分及地面井的合理布置。三區(qū)包括未采區(qū)、采動區(qū)和采空區(qū)。未采區(qū)是指提前進行瓦斯治理工程規(guī)劃，以實現(xiàn)區(qū)域防突為目標，3 年后開展采礦活動的區(qū)域，該區(qū)域的瓦斯主要是本煤層賦存的瓦斯；采動區(qū)是指本煤層或鄰近層回采后，周圍巖層受擾動形成高透氣性的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的瓦斯抽采量主要源于采掘引起的卸壓瓦斯；采空區(qū)是指煤層回采結(jié)束后，工作面后方經(jīng)過一定時間后能夠形成瓦斯積聚的區(qū)域，該區(qū)域的瓦斯主要源于本煤層遺煤瓦斯解吸和鄰近層瓦斯涌出。三區(qū)在時間和空間上具有明顯的分布特征，巷道開拓和煤層回采形成采動區(qū)，煤層回采后形成采空區(qū)，而未采區(qū)在整個過程中則是逐漸轉(zhuǎn)化為采動區(qū)和采空區(qū)?；谌齾^(qū)的時空分布特征，在未采區(qū)布置L 型井，以大范圍預(yù)抽煤層瓦斯，降低煤層瓦斯涌出量為目的；采動區(qū)中設(shè)計L 型井和直井，確保采動卸壓區(qū)卸壓瓦斯的高效抽采；采空區(qū)范圍布置直井，主要抽采裂隙帶和垮落帶中瓦斯，降低采空區(qū)瓦斯涌出量。地面井的分區(qū)式設(shè)計，可以實現(xiàn)以空間換取時間，優(yōu)化瓦斯抽采的時空協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖2 地面井分區(qū)式瓦斯抽采技術(shù)框架Fig.2 Technical framework of surface well zonal gas extraction

2.2 地面井井位科學(xué)布置

不同分區(qū)內(nèi)地面井的位置需綜合考慮空間層位、煤層特征、地面位置、煤層回采和瓦斯賦存條件并且有利于井地聯(lián)合治理瓦斯（圖3）。地面井位置應(yīng)避開陷落柱、斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶、地面水庫和自然保護區(qū)等特殊地區(qū)。在未采區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇厚度較大、含氣量較高的煤層并避開5 年內(nèi)有采掘規(guī)劃的區(qū)域，同時兼顧最大主應(yīng)力方向，盡可能穿越更多天然裂隙，以實現(xiàn)瓦斯抽采量的最大化。在采動區(qū)，瓦斯由煤壁和散落碎煤中涌出，向采場附近裂隙區(qū)域中匯集，可將抽采層位布置于垮落帶和裂隙帶范圍內(nèi)。煤層上覆巖層屬于中硬巖性，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，煤層回采后垮落帶和裂隙帶計算公式[19]如下：

圖3 地面井井位科學(xué)布置影響因素Fig.3 Influencing factors of scientific layout of surface wells

式中，Hk為垮落帶高度，m；∑M為累積采厚，m；Hli為裂隙帶高度，m。

由表1 可知，己組煤層厚度范圍為[2.76,10.22] m，平均煤厚5.5 m。計算得到己組煤垮落帶高度范圍為6.43～17.45 m，裂隙帶高度范圍為28.83～56.82 m。取平均煤厚5.5 m，對應(yīng)垮落帶高度范圍為10.06～14.46 m，裂隙帶高度范圍為38.75～49.95 m。己組煤及其鄰近煤層的埋深與厚度如圖4 所示，己16-17和戊9-10煤之間存在大量較薄的不可采煤層，己16-17煤層回采后，其卸壓效果會影響上方不可采煤層與戊9-10。為充分借助己16-17 煤層回采后的卸壓效果并實現(xiàn)“采一層治多層”，將采動直井與采動L 型井的井底層位分別布置在己組煤上方60 m 和50 m 處。

圖4 覆巖柱狀圖Fig.4 Overburden histogram

此外，為實現(xiàn)井地聯(lián)合治理瓦斯，可將抽采位置控制在工作面風巷以下20～40 m，以便更好利用卸壓效果提升單井產(chǎn)量。煤層回采后，采空區(qū)上覆巖層垮落、變形，由下而上依次形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[20]，其中垮落帶巖石松散破碎導(dǎo)致鉆井困難，而裂隙帶瓦斯聚集且鉆井相對容易，可選擇將抽采層位布置于采空區(qū)裂隙帶內(nèi)。此外，為保證瓦斯抽采的安全性和高效性，應(yīng)選取遺煤自燃傾向性較小以及抽采風險較小的區(qū)域進行鉆井。

首山一礦礦井面積26.927 9 km2，基于上述位置布置原則并結(jié)合現(xiàn)場勘探資料，規(guī)劃地面抽采井63 口，未采區(qū)預(yù)抽L 型井10 口，采動區(qū)43 口，其中采動直井（定向井）27 口、采動L 型井16 口，在采空區(qū)布置地面直井10 口。

2.3 井身結(jié)構(gòu)及施工設(shè)計

采用井身結(jié)構(gòu)主要有4 種，分別是未采區(qū)L 型井井身、采動區(qū)直井井身、采動區(qū)L 型井井身和采空區(qū)直井井身。不同井身結(jié)構(gòu)如圖5 所示，所有井身均采用三開井身結(jié)構(gòu)。施工過程中，所有井的一開段均鉆進至基巖20 m，然后下入表層套管。除采動L 型井裸眼段、采動區(qū)直井三開和采空區(qū)三開外，其余施工段均需固井，水泥返至地面。施工未采區(qū)L 型井時，二開導(dǎo)眼段定向造斜至井斜60°以上后穩(wěn)斜鉆進探煤，鉆穿煤層15 m 后停鉆；二開主井眼段導(dǎo)眼封固回填后自預(yù)留側(cè)鉆點處重新定向造斜鉆進，進入目的煤層不超過4 m，下入技術(shù)套管和可鉆式浮箍、浮鞋，套管下至目的煤層頂板以上斜深1～3 m；三開水平段鉆頭出技術(shù)套管后，水平段在目標煤層中穩(wěn)斜鉆進，然后下入生產(chǎn)套管。施工采動區(qū)直井時，二開主井眼造斜鉆至裂隙帶上方10～15 m，然后下入技術(shù)套管和可鉆式浮箍、浮鞋；三開直井段鉆頭出套管后，鉆至目的煤層頂板以上40 m 完鉆，下入生產(chǎn)篩管，套管懸掛于二開套管端部。施工采動區(qū)L 型井時，二開鉆頭鉆至目標煤層頂板55～35 m，完鉆后下入套管；三開鉆至目標位置后，下入生產(chǎn)套管。施工采空區(qū)直井時，一開鉆進至地層20 m，下入表層套管；二開鉆進至漏風時止鉆，最深不超過采空區(qū)上方50 m，下入套管；三開鉆進至采空區(qū)，在二開套管底部懸掛打孔篩管完井。

圖5 不同分區(qū)井身結(jié)構(gòu)Fig.5 Well structure of different zone

2.4 未采區(qū)儲層壓裂增透

地面井采前壓裂是通過水力壓裂工藝提升井筒與煤層之間的連通性，利用排水造成井孔周圍壓降，使瓦斯快速解吸，達到有效抽采瓦斯的目的[21-22]?，F(xiàn)場施工過程中，僅對未采區(qū)的煤層進行水力壓裂。選用定向射孔+泵送橋塞式光套管壓裂的復(fù)合壓裂工藝進行煤層壓裂，采用深穿透加強彈進行射孔作業(yè)，支撐劑采用0.841/0.42 mm 石英砂。壓裂位置為煤層兩側(cè)區(qū)域中泥質(zhì)含量較低的區(qū)域，并避開斷層等地進行洗井，直至進出口水性一致。壓裂結(jié)束后進行壓后放噴和補射孔操作，其中壓后放噴是待壓力降至4 MPa 以下用3 mm 油嘴放噴，放至壓力為0，過程中使排液量在1 m3/h 以內(nèi)，以控制支撐劑及煤粉返吐；補射孔是指當放噴至壓力為0 后，對本井沖砂，然后再進行射孔。

2.5 排采與集輸工程

未采區(qū)的煤層氣排采用“排水-憋壓-控壓-穩(wěn)產(chǎn)-衰減”的五段三壓式排采思路（圖6），排采各階段以“緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定”為原則，防止因排采強度過大造成支撐劑與煤粉同出造成的設(shè)備故障等問題。排水段產(chǎn)出液體為殘留壓裂液和壓裂釋放后煤層孔隙水的混合液體，持續(xù)時間為2～4 個月；憋壓段是解吸瓦斯的憋壓排采過程，該階段后期會有大量氣體從出水口逸出，持續(xù)時間為1～2 個月；控壓段將通過油嘴控制一定的套壓進行放氣，該階段持續(xù)1～2 個月；穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)段過程中煤基質(zhì)收縮占據(jù)主導(dǎo)作用，地層供氣能力增強，生產(chǎn)井套壓、氣量上漲；當井控范圍內(nèi)地層壓力降低至廢棄壓力時，進入衰減段，可采用小型增壓機延長井壽命。排采過程中所使用的排采設(shè)備主要有螺桿泵、有桿泵、射流泵及電潛泵及隔膜泵。采空區(qū)和采動區(qū)瓦斯抽采的主要設(shè)備采用水環(huán)真空泵進行抽采，其抽采過程不同于未采區(qū)煤層氣排采。在對應(yīng)位置安裝完成相關(guān)設(shè)備后，進行抽采，當抽采達標后關(guān)停即可。

圖6 五段三壓式排采參數(shù)變化Fig.6 Variation of five-stage three-pressure drainage parameters

集輸工程包括首山一礦63 口井的井場集輸、采氣管線、集氣閥組、集氣支線、增壓站的規(guī)劃。規(guī)劃以采空、采動井為主，預(yù)抽井為輔。采空井采用單井增壓方式，通過采氣管線集輸至集氣閥組；采動井采用水環(huán)真空泵抽采、單井增壓方式，通過采氣管線集輸至集氣閥組；預(yù)抽井瓦斯通過增壓設(shè)備由采氣管線集輸至集氣閥組。集氣閥組的煤層氣經(jīng)過除塵、脫水、計量后、通過集氣支線輸送至增壓站；增壓站的煤層氣經(jīng)過進站除塵、出站高壓脫水后，通過集氣干線輸送至下游管道或用戶。

3 現(xiàn)場效果檢驗

首山一礦目前已完成地面抽采井22 口，其中采動井10 口，采空井3 口，水平對接井1 組兩口，水平井6 口，預(yù)抽井1 口。以首山一礦己16-17-12110 工作面外段魏莊井場為例，該井場共布置地面抽采井5 口，其中采動直井2 口，采動L 型井3 口，主要目的是為試驗煤炭開采形成采動（空）區(qū)后地面抽采井產(chǎn)氣效果，同時考察己組煤開采卸壓后對上部主采煤層戊9-10 的卸壓效果影響。

3.1 試驗地點概況

己16-17-12110 工作面設(shè)計走向長1 536 m，傾斜長255 m，工作面標高為：-728.3～-765.6 m，可采儲量309 萬t。該工作面煤層結(jié)構(gòu)較為單一，平均傾角5°，平均厚度5.3 m，為一次采全高工作面，原始瓦斯壓力最大1.25 MPa，原始瓦斯含量11.2 m3/t，工作面水文地質(zhì)情況較簡單，無大型地質(zhì)構(gòu)造。己組煤層頂板以上170 m 左右為戊9-10煤層，平均厚度2.0 m。

3.2 地面井瓦斯抽采效果

12110 工作面不同類型抽采井在統(tǒng)計抽采時間段內(nèi)瓦斯抽采量如圖7 所示。1 號采動L 型井位于己組煤層頂板附近，受采動影響鉆井日排采量1 萬m3左右，轉(zhuǎn)入采空區(qū)抽采后，日產(chǎn)氣量2 000～5 000 m3之間。抽采180 d 后，由于鄰近層瓦斯涌入造成日抽采量在增大。抽采期間累計排采瓦斯163.8 萬m3（圖7a）。2 號采動L 型井位于戊組煤層中，平均日排采量3 000 m3，累計排采瓦斯137.3 萬m3（圖7b）。2 號采動直井終孔位置距己16-17 煤層頂板45 m，主要抽采工作面采動區(qū)卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯。在抽采初期，平均日產(chǎn)氣量3 萬m3左右，最高日抽采量達到41 100 m3，抽采效果顯著，采面停止回采后，采動區(qū)轉(zhuǎn)為采空區(qū)，日產(chǎn)氣量仍保持在8 000 m3左右，鉆井累計產(chǎn)氣量259.7 萬 m3（圖7c）。3 號采動直井終孔位置距己16-17煤層頂板60 m，單日最高產(chǎn)氣量12 359 m3，日產(chǎn)氣量6 000～10 000 m3，工作面停止回采后，鉆井抽采采空區(qū)瓦斯，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在3 500 m3左右，抽采期間鉆井累計產(chǎn)氣量約72 萬 m3（圖7d）。由圖4 可知，當己16-17 煤層回采后，上方部分不可采煤層位于裂隙帶范圍內(nèi)，戊9-10煤位于彎曲下沉帶內(nèi)，地面井的層位位于裂隙帶中上部，可有效抽采不可采煤層中的煤層氣資源，進而緩解因戊9-10 回采過程中下部不可采煤層中的瓦斯借助底鼓裂隙帶運移至其后方采空區(qū)而造成的瓦斯問題。同時，戊9-10 位于彎曲下沉帶內(nèi)，地層變形對于透氣性有一定改善作用。采后現(xiàn)場勘探表明，采動區(qū)地面井瓦斯抽采的實施，不僅實現(xiàn)了井下瓦斯的高效抽采，也考察了己組煤開采卸壓后對上部戊9-10 煤層的卸壓效果，形成了“采一層治多層”的瓦斯治理模式。

圖7 不同區(qū)域地面井瓦斯抽采量Fig.7 Gas extraction volume of surface wells in different areas

4 結(jié) 論

1）首山一礦各煤層瓦斯占比和瓦斯含量整體隨埋深增大呈增大趨勢，瓦斯占比由69.41%增大至78.81%，平均瓦斯含量由5.54 mL/g 增大至9.00 ml/g；礦井瓦斯資源估算總量為65.14×108m3，其中己16-17煤層瓦斯資源量最豐富，占總量的59.36%，丁組煤瓦斯資源量最少，僅占總量的11.39%。

2）提出了地面井分區(qū)式瓦斯抽采技術(shù)體系，即將礦區(qū)分為未采區(qū)、采動區(qū)和采空區(qū)并在三區(qū)內(nèi)實施體系化瓦斯治理，包括地面井井位科學(xué)布置、井身結(jié)構(gòu)及施工設(shè)計、未采區(qū)儲層壓裂增透和排采與集輸工程四部分。通過地面井的分區(qū)式設(shè)計，實現(xiàn)以空間換取時間，確保瓦斯抽采的時空協(xié)調(diào)。

3）基于三區(qū)特點，進行了地面井分區(qū)式瓦斯抽采工程設(shè)計。規(guī)劃首山一礦地面井63 口，設(shè)計4 種適合不同區(qū)域的地面井井身結(jié)構(gòu)和施工方法；在未采區(qū)采用水力壓裂方式進行儲層增透，選用定向射孔+泵送橋塞光套管壓裂的復(fù)合壓裂工藝進行煤層壓裂；確定了瓦斯排采方法和井場集輸、采氣管線、集氣閥組、集氣支線、增壓站的集輸工程規(guī)劃。

4）在首山一礦進行地面井瓦斯抽采現(xiàn)場試驗，首山一礦井田區(qū)域所有地面井累計瓦斯抽采量為1 425.2 萬m3，不同分區(qū)的地面井瓦斯抽采效果良好，能夠保持長時間的穩(wěn)定瓦斯日產(chǎn)量。地面井瓦斯抽采既實現(xiàn)了井下瓦斯的高效抽采，又能夠?qū)崿F(xiàn)“采一層治多層”，具有一定的推廣應(yīng)用價值。