地面钻井式抽采混合煤层气研究与实践解析

1、地面钻井式抽采混合煤层气研究与实践摘要：为促进煤矿安全、资源利用、环境保护和综合效益的和谐发展，根据混 合煤层气的产出机理及钻井式抽采混合煤层气的原理，对混合煤层气富集的控 制因素和井位设计原则等进行了较深入的研究和探讨。研究与实践表明，采用 地面钻井方式对采动区和采空区混合煤层气进行抽采，单井产量高，见效快， 既可以减轻因煤矿抽放至大气造成大气污染，又可减少CH4向连通的正在开采的工作面运移，减轻其通风压力，大大缓解煤炭开采过程中的安全事故，是 油、煤两大企业合作的基础，对同类煤层气资源的有效开发具有重要的参考价 值与借鉴意义。关键词：地面钻井；抽采；混合煤层气；井位设计中图分类号：TE37

2、文献标识码：A引言混合煤层气是指煤炭采动区或采空区中混有空气处于游离状态的煤层气。中国 作为具有较长开采历史的煤炭大国，该类煤层气分布范围广且资源量充足。混 合煤层气含氧，从安全角度考虑不便于长距离管输，只能作为燃料使用，因此 绝大多数采动区的混合煤层气随着煤炭的开采释放于大气中。采空区中的煤层 气处于封闭状态，只有少数煤矿企业采取采空区埋管，引人地面进行负压抽 采，用于井口发电或当地居民生活燃气。而利用地面钻井方式抽采混合煤层气 的仅有辽宁铁煤集团、安徽淮南矿业集团等少数企业。采动区的混合煤层气释 放于大气中，会造成大气污染，不利于环境保护，同时会造成煤层气这一清洁 能源的严重浪费；采空区中

3、的煤层气会向连通的正在开采的工作面运移，增加 其通风压力，危及煤矿安全，且不利于煤层气资源的充分利用。为此，中国石 油长城钻探工程有限公司煤层气开发公司自 2005 年以来，与阜矿集团合作，在 辽宁阜新高瓦斯矿区利用地面钻井方式开展未采区、采动区和采空区煤层气的 全方位开发，尤其是采取地面钻井方式对采动区和采空区混合煤层气进行抽 采，取得了很好的效果和较为丰富的经验。1 混合煤层气的产出机理及成因1.1 产出机理煤层气原始地层条件下是储集在煤层中的非常规天然气。煤基质中含有大量微 孔隙，比表面积与孔容的比率很大，具有很强的吸附能力，因而煤层气主要以 物理吸附的形式赋存于煤的内表面上，煤对气体的

4、吸附是无选择性的，并且是 可逆的。当地层压力降低至煤层气临界解吸压力之下时，煤层气便会发生解 吸、扩散和渗流。第一级是解吸过程。被吸附在煤基质微孑 L 隙表面的煤层气分子会因压力降低 至临界解吸压力之下时被解吸出来，进入基质的孔隙而成为游离态气体。煤层 气解吸过程由临界解吸压力和原始煤层压力的大小控制，二者越接近，煤层气 从煤基质孔隙表面解吸之前的降压幅度越小。阜新地区含煤地层为中生界白垩 系下统阜新组，煤层埋深为5001000m共有孙家湾、中间和太平 3个主力煤 层，具有高临界解吸压力和高解地比的特点，因此地层压力降压幅度不大时， 煤层气便可从煤基质孔隙表面解吸出来。煤炭采动区煤层气解吸时的

5、煤层压力 释放主要随着煤炭开采的推进突然释放，因此其解吸速率较常规排水降压的解 吸速率要快得多。第二级是扩散过程。从基质微孔隙表面解吸出来的煤层气分子在浓度差的作用 下，在煤的基质微孔隙中由浓度高的基质中部向浓度低的基质外部扩散。该过 程满足一定的气体扩散定律，裂隙越发育，扩散速率越大。随着煤炭开采的推 进，采面上部形成大量新生裂缝，其裂隙相当发育，因此其扩散速率较常规排 水降压的扩散速率也快得多。第三级是渗流过程。扩散到裂隙中的煤层气分子沿煤层裂隙运移至开采井筒而 被采出。这一过程符合 Darcy 定理，气井的产量受泄气半径、渗透率和生产压 差的控制。采面上部煤层开采高度 1 5倍范围内均形

6、成了大量新生裂缝，其孔隙 度和渗透率条件相当好，利用地面水环真空泵形成一定的生产压差，混合煤层 气较易沿裂隙运移至开采井筒而被采出。1.2 成因采动区指正在进行煤炭开采而采用地面钻井方式进行煤层气与煤联动开采的地 区。随着采面煤炭开采的推进，煤层压力突然释放，正在开采的煤炭中和邻近 采面的煤层中煤层气迅速解吸形成游离气，通过扩散及渗流过程弥漫于采面 内，与其中通风的空气混合成混合气。混合气中CH4的浓度与煤层解吸量和通风情况相关，一般为 40 60。采空区指煤炭开采后形成的由残余煤与冒落物支撑和混合气充填的空间。采空 区内的混合煤层气是由煤炭开采后封闭采面前残留的混合气和相邻未被采出的 煤层逐

7、渐解吸、扩散和渗流至采空区的煤层气组成。混合气中CH4的浓度与封闭采面前残留的混合气浓度和相邻未被采出煤层的解吸量相关，一般为5080。2钻井式抽采混合煤层气原理2.1 采面上部有大量新生裂缝根据煤炭开采理论，随着煤炭的开采，采面的上覆岩层自下而上会形成冒落 带、裂隙带和弯曲下沉带，其中冒落带和裂隙带下部的强裂隙区为采煤后亏空 卸压形成的渗透性极强的区带，存在着大量的新生裂缝。这些新生裂缝是混合 气的主要储集空间和抽采的主要运移通道。2.2 甲烷密度比空气小 由于甲烷密度比空气小，甲烷将向冒落带和裂隙带的上部裂缝区运移并聚集， 在采面构造高部位上部裂缝区形成甲烷浓度最高区域，若把地面钻井的筛管

8、下 入该区域进行地面抽采，可获得较高甲烷浓度的混合气。随着不断地抽采，甲 烷将不断地向该处运移。2.3 负压抽采混合煤层气是煤炭开采过程中或开采后新形成的游离气，尚未成藏，为特低压 ( 微正压 ) 气体，因此，对采动区和采空区混合煤层气的开发需要利用水环真空 泵进行负压抽采。3 混合气富集的控制因素3.1 混合气储集和运移平面上受采面控制混合煤层气是在采煤工作面内采煤推进过程中形成的，因此，平面上的储集和 运移范围受采面的控制，主要存在于采煤工作面及其所能影响的范围内。3.2 混合气储集和运移纵向上受冒落带和裂隙带控制根据采空区上覆岩层3带划分标准，冒落带高度一般为煤层开采高度的 35 倍，裂

9、隙带高度一般为煤层开采高度的 515倍，裂隙带内的强裂隙带一般为 煤层开采高度的 58 倍。冒落带和裂隙带内新生裂隙发育，是混合煤层气的储 集空间和运移通道。尤其强裂隙带内新生裂隙极为发育，储气空间大，又由于 甲烷密度比空气小，甲烷向上运移后，将优先占据强裂隙带内的空间，因此强 裂隙带为甲烷富集区和混合气运移的主要通道。3.3 采面间可能相互连通平面上，同一煤层的相邻采面可能由于采煤后压力释放使保留煤柱遭到破坏， 使相邻采面之间相互连通。纵向上，下部煤层的采空区可能通过冒落带和裂隙 带的裂隙与垂向对应的上部煤层采空区相互连通。因此，在进行地面钻井式抽 采某一采空区混合气时，其相连通的采空区混合

10、气也将逐渐运移至井筒附近， 增大供气范围和控制储量。 4 井位设计原则4.1 采动区(1) 平面上井位设计在切眼附近构造高部位的“上三角区”，根据采空区上覆岩 层冒落后在采空区形成的“ 0”型圈理论和上覆岩层卸压特征模拟结果，为避开 采空区中央压实区域，且设计在裂隙发育区，井眼一般距切眼和构造高部位巷 道的投影距离均为2030m这样既有利于较长时间抽到较高 CH4浓度的混合 气，又可以减轻采煤后岩层坍塌对管柱的破坏，保护管柱。(2) 纵向上在强裂隙带内下人筛管，筛管长度一般约为煤层开采高度的 3 倍，以 保证混合气有通畅的运移通道和较高的 CH4浓度。4.2 采空区(1) 平面上井位设计在采面

11、构造高部位的“上三角区”，井眼一般距构造高部位 巷道的距离为2030m以获得较高CH4浓度的混合气。(2) 纵向上设计为井眼穿越采空区，若垂向上对应有多个采空区，则穿越这些采 空区后，在最底层采空区底板完钻，筛管下人每一采空区及冒落带中，筛管长 度一般约为所对应采面煤层开采高度的 3 倍，以保证混合气有通畅的运移通 道。上述两区完井方式均为筛管完井，以割缝筛管为宜，缝宽为2cm以保证最大范围与含气裂缝沟通。5 抽采实例长城钻探工程有限公司煤层气开发公司与阜矿集团紧密配合，围绕煤矿的煤炭 开采规划有针对性地进行开发部署。 2007年以来在阜新五龙矿、王营矿和海州 矿的采动区和采空区共部署并实施 FHI、WL4 W9 H7等9 口井，目前投产WL4 W9等 6 口井，6 口井日产混合气 24.2 X 104m3/d,折纯气 15.0 X 104m?/ d。WL4井是位于五龙矿的1 口采动区定向井，平面位置位于采煤工作面切眼附近 构造高部位的“上三角区”，距切眼及最近巷道均为30m管柱结构为273inln X 127.5m+177.8mnX 956.3m+127.0mrX 1046m 该井于 2008 年 9