地面钻井抽采瓦斯的治理与应用

地面钻井抽采瓦斯的治理与应用

1地面钻井抽采瓦斯的研究现状目前，世界主要工业化国家对煤层甲烷的回收和开发程度较高，主要方法是地上开采。美国自20世纪70年代初首先利用地面钻井的方法开发煤层气资源获得成功;澳大利亚目前广泛应用地面采空区垂直钻孔抽采技术;德国1992年开始应用地面钻井技术开发鲁尔煤田的煤层气;英国煤层渗透率低,目前正在研究低渗透率瓦斯的开发技术。我国地面钻井抽采瓦斯的开发仍处于勘探试验阶段。白沙、抚顺、焦作、阳泉等矿区曾在20世纪70年代打了40多个地面钻孔,并实施钻孔水力压裂等措施抽放瓦斯,但产气效果不理想。晋城矿区煤层裂隙发育、渗透性好、可抽采性好,从1995年开始进行地面煤层气开发,通过地面钻孔抽采地下煤层气,目前已形成规模,并实现了商业化产销用体系。地面钻井抽采瓦斯技术,虽在国内外已作过研究和试验,但主要是针对煤层赋存稳定、渗透性好的煤层,少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等措施进行过地面钻井抽采瓦斯,但产气效果不理想。目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻井抽采瓦斯的实践。淮南矿区在煤层复杂特困条件下对地面钻井抽采瓦斯技术进行了探索与实践,取得了一些成果,为地面钻井抽采瓦斯技术的发展探索出了方向。2地板钻的风险2.1瓦斯治理概述淮南矿区现有9对生产矿井,全为突出矿井,矿区煤层具有地质构造复杂、煤层松软、透气性低、瓦斯含量大、瓦斯压力高、突出危险性大等特点,历史上是全行业瓦斯事故的重灾区。由于瓦斯治理手段落后,1997年以前,矿区瓦斯抽采量一直徘徊在500万m3/a上下。1997年以后,随着瓦斯抽采方法的变革与创新,瓦斯抽采量增幅较大,到2005年为1.5亿m3,矿井瓦斯抽采率达43%,初步实现了煤与瓦斯共采。2.2产气量质控20世纪90年代,两淮矿区在地面勘探和开采煤层气方面做了大量工作,先后共施工了测试井14个,压裂试生产井8个,但产气效果均不理想,日产气量均达不到商业开发标准。2002年以来,淮南矿区不断创新抽采理念,积极试验地面钻井抽采采动区瓦斯技术、地面钻井抽采采空区瓦斯技术、地面钻井一井两用抽采采动区、采空区瓦斯技术,在松软低透煤层群条件下进行了地面钻井瓦斯抽采的探索和实践,到目前为止共施工地面钻井12个,其中7个成功,4个失败,1个在考察中(见表1)。2.3成功做法2.3.1地面钻井预抽采动影响区域煤层瓦斯运移特性淮南矿区13-1主采煤层具有很强的突出危险性,而其透气性系数低,预抽困难,因而在开采前先开采保护层11-2煤层,作为区域性防突措施。回采前预先由地面向上覆各卸压煤层打穿层地面钻井,通过抽采管道对各卸压煤层瓦斯实施全层同时抽采或煤层气开采。谢桥矿在1242(1)下保护层开采期间,在做好井下瓦斯抽采的同时,研究应用了地面钻井预抽采动影响区域煤层瓦斯技术。该面1#地面钻井距切眼50m,倾向上布置在工作面的中部,终孔距11-2煤顶5m(见图1)。通过考察,该孔共抽采瓦斯71万m3,平均日产气1.8万m3,有效抽采范围140m,最大抽采范围180m,抽出的高浓度瓦斯部分用于发电。2.3.2工作面出的瓦斯谢一矿5111C15综采工作面,是突出煤层C13煤的上保护层,回采时绝对瓦斯涌出量近50m3/min。为解决回采时的瓦斯问题,在工作面地面对应位置施工1个钻井抽采采空区瓦斯,钻孔终孔距C15煤顶板6m,平面上在C15工作面的中部(见图2)。工作面在配风量为1210m3/min时,回风瓦斯浓度为0.56%左右。该孔共抽采瓦斯96万m3,平均日产气量6000m3,同时用抽出的瓦斯发电,1台500kW的移动发电机组每天发电9000kW·h,累计发电180万kW·h。2.3.3试验阶段采动性瓦斯抽采潘一矿2352(1)为下保护层面,保护2322(3)工作面。2352(1)面开采期间,在做好井下瓦斯抽放的同时,应用了地面钻井抽采瓦斯技术,钻井布置见图3。根据开采和上覆岩移状态,试验钻井的瓦斯抽采分3个阶段进行了考察。第1阶段:保护层回采期间采动区抽采。该阶段共抽出纯瓦斯97万m3,平均日产气量1.49万m3,抽放流量10.38m3/min,瓦斯浓度85%。第2阶段:保护层停采后采动区抽采。该阶段共抽出纯瓦斯71万m3,平均日产气量5900m3,抽放流量4.1m3/min,瓦斯浓度稳定在95%左右。第3阶段:被保护层工作面采空区抽采。该阶段共抽出纯瓦斯16万m3,平均日产气量5000m3,抽放流量3.5m3/min,瓦斯浓度稳定在50%~80%。2.3.4地面钻井结构淮南潘谢矿区地表第四纪新地层厚度普遍在300~400m,且有流砂层,为提高钻进安全,在基岩面以上新地层下双层石油套管,外层套管进入基岩坚硬岩层不小于40m,套管间隙注满水泥浆,施工时在完成上部套管段固井后再进行下部钻进。在钻井结构上,根据抽采需要采用一钻井一结构。谢一矿5111C15工作面地面钻井主要抽采采空区瓦斯,其工作管由Φ139.7mm增加为Φ177.8mm;谢桥矿1242(1)工作面地面钻井主要抽采采动区瓦斯,东段的4#,5#钻井,由于上部14,16-1,17-1煤层不发育,钻井的工作管设计较短,贯穿11-2煤层上部的13-1煤层即止。3地面采矿和开采技术的主要障碍和解决方法3.1抽采量过大,采动压力加剧地面钻井实施过程中遇到的最大难题是钻井的稳定性难以保证。由于在抽采过程中钻井发生错断,张北矿11418工作面1#,2#井和谢桥矿1242(1)工作面2#,3#井抽采范围最大不到40m,抽采量不足16万m3。分析其破坏原因:①受地质、水文条件影响,钻井发生破坏的矿井第四纪新地层普遍较厚,在400m左右,且含有多层含水流砂层,涌水量大,钻井在基岩面附近发生错断;而地下水随回采不断下泄,使新地层的流砂逐渐堵塞在钻井中,造成钻井不透气。②采高大、回采速度快,上覆岩石移动破坏加剧,工作面周期来压频繁,使钻井遭受巨大的剪切力作用。③产气筛管较长,强度较弱,在一定程度上也影响了钻井的稳定性。3.2钻井安全设计1)在钻井布置方面,根据抽采目的来设计钻井位置:将抽采采动区卸压瓦斯的钻井布置在工作面中部,而抽采采空区瓦斯的钻井则尽量靠近上风巷位置。2)在钻井结构方面,为防止钻井套管在动态下沉过程中破断,导致流砂和水沿钻井涌入井下,基岩面以上新地层下双层石油套管,并进入基岩坚硬岩层一定深度,钻井环状间隙注泥浆或沥青固井;在卸压煤层段下单层筛管,不固井,产气筛管与上部固井套管设计一段重叠段,筛管长度根据煤层条件设计,筛管为圆孔,并增大筛管与井壁的间隙。3)在防堵塞方面,将钻井筛管下口至煤层顶板留有一段岩柱,在岩柱段设计施工几米小直径的裸孔口袋与冒落带采空区直接沟通,以利于管内水和煤泥流入采空区,防止下口堵塞。4)在钻井孔口设计方面,为预防淹井,将钻井口距地表高度预先提高;在抽采瓦斯或煤层气开采过程中,为预防钻井随地层大幅度动态下沉而拉断管道,在钻井口与抽采管道联接处,设计安装无级升降装置,以此弥补动态高度变化,确保正常抽采。3.3地面钻井的抽采安全风险有待提高地面钻井抽采瓦斯是一项实用性强、技术复杂的工程,在我国目前尚处于试验阶段,为使该项技术早日广泛推广应用,必须解决以下几个方面问题。1)在地面钻井抽采理论上需有所突破:研究符合矿井实际地质、开采条件的煤与瓦斯共采理论指导实践。2)地面钻井的抽采半径有待考察:认真考察地面钻井的抽采半径,以便合理确定布孔方案。3)地面钻井的稳定性有待提高:进行采矿覆岩移动规律分析,优化钻井布置,改进钻井结构,以提高钻井的稳定性。4)政府应给予政策支持,积极鼓励矿井实施地面钻井抽采技术并进行综合利用,实现煤与瓦斯的共采。4地面钻井抽采瓦斯技术试验地面钻井抽采瓦斯是一项煤与瓦斯共采的绿色开采技术,发