基于煤礦“先抽后建”及資源開(kāi)發(fā)的煤層氣地面井位抽采部署及應(yīng)用

王 晶，姚團(tuán)琪，程 斌

基于煤礦“先抽后建”及資源開(kāi)發(fā)的煤層氣地面井位抽采部署及應(yīng)用

王 晶，姚團(tuán)琪，程 斌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對(duì)目前煤礦“先抽后建”提出的安全指標(biāo)及貴州黔北礦區(qū)多煤層的資源特征，同時(shí)彌補(bǔ)目前地面抽采部署缺乏系統(tǒng)性、盲區(qū)大的問(wèn)題，以貴州對(duì)江南煤礦為例，進(jìn)行了煤層氣地面抽采井位部署研究。綜合該區(qū)復(fù)雜的地形條件、煤層發(fā)育特征(層數(shù)多、厚度薄、成群分布)、煤體結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)部署要求，優(yōu)選出分段壓裂水平井為主、叢式井為輔的開(kāi)發(fā)方式。沿著1、2號(hào)采掘工作面分別部署了4個(gè)水平井組和16個(gè)垂直井(叢式井)，占地7個(gè)井場(chǎng)。通過(guò)精細(xì)化地質(zhì)模型建立、網(wǎng)格劃分，利用CBM-SIM數(shù)值模擬軟件模擬了20口井(井組)5 a地面抽采效果平均日氣量可達(dá)26 036.54 m3，地面抽采5 a后1、2號(hào)工作面內(nèi)M78煤層氣含量降幅超過(guò)30%。模擬結(jié)果顯示，對(duì)江南煤礦的精細(xì)化井位抽采部署，有效降低了采掘工作面瓦斯含量，兼顧煤礦安全生產(chǎn)和煤層氣資源利用的雙重目的。該方法可為煤層氣地面抽采及煤礦井下采掘安全協(xié)同發(fā)展，提供新思路、新方法。

先抽后建；資源開(kāi)發(fā)；井位部署；產(chǎn)能預(yù)測(cè)

隨著我國(guó)煤礦安全和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，煤層氣開(kāi)發(fā)利用前景日趨廣闊。目前國(guó)家能源和安全監(jiān)管部門(mén)提出了加快煤層氣地面開(kāi)發(fā)和推廣煤礦“先抽后建”的理念，這使得瓦斯預(yù)抽成為煤礦開(kāi)采的第一門(mén)檻。同時(shí)煤層氣作為寶貴的綠色清潔能源，在我國(guó)能源極度緊張的形勢(shì)下，其開(kāi)發(fā)利用備受?chē)?guó)家及行業(yè)的關(guān)注。煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶來(lái)了煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的日趨成熟，煤層氣地面直井(含叢式井)[1]、水平對(duì)接井、多分支水平井[2]、分段壓裂水平井[3]等井型在市場(chǎng)上不斷推廣試驗(yàn)，且取得了很好的效果[4]，煤層氣地面預(yù)抽已成為解決煤礦安全的重要手段之一[5-6]。然而目前煤層氣開(kāi)發(fā)部署主要包括單井生產(chǎn)、井網(wǎng)抽采[7-8]、示范工程[9]等類(lèi)型，這些方式受開(kāi)發(fā)目的、地形特征、井型缺陷的限制，并未做到依靠地面抽采達(dá)到解決煤礦安全和資源利用的雙重目的。

貴州省對(duì)江南煤礦所在的黔北礦區(qū)屬突出危險(xiǎn)礦區(qū)[10]，煤層發(fā)育具有“層數(shù)多、厚度薄、成群分布”的特點(diǎn)，主要煤層瓦斯含量大、煤層氣資源豐富[11]，該煤礦地處云貴高原西北部，溝谷縱橫、地貌比較復(fù)雜，井位部署存在困難，解決瓦斯突出成為難題，這也是“十三五”規(guī)劃的重要研究方向。依照煤礦建設(shè)之前必須進(jìn)行“先抽后建”的要求，即通過(guò)地面鉆井預(yù)抽瓦斯且抽采率超過(guò)30%，這使得該區(qū)的井位部署尤為重要。為了兼顧“先抽后建”的安全指標(biāo)和煤層氣資源有效利用的能源需求，筆者結(jié)合對(duì)江南煤礦的地質(zhì)、地貌特征，開(kāi)展對(duì)江南煤礦首采區(qū)煤層氣地面井位部署工作，并借助CBM-SIM數(shù)值模擬軟件對(duì)抽采效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 煤層氣地質(zhì)概況

對(duì)江南煤礦地處貴州省大方縣南西方位，織納煤田北部，面積26.86 km2。該煤礦在構(gòu)造上位于大方背斜傾伏端的NW翼、落腳河向斜SE翼，總體為單斜構(gòu)造產(chǎn)出。構(gòu)造復(fù)雜程度中等，以平行于煤層走向的斷層為主，以近垂直、斜交走向的斷層為輔。地層傾角4°~15°，較為平緩。

對(duì)江南煤礦含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3)，含煤16~36層，其中M18、M78煤層為全區(qū)可采煤層，M29、M51為大部可采煤層，含煤總厚9.98~26.38 m，平均19.01 m，含煤系數(shù)8.8%。煤體結(jié)構(gòu)主要為碎裂–碎粒結(jié)構(gòu)煤。根據(jù)貴州省大方縣對(duì)江南煤礦首采區(qū)補(bǔ)充勘探報(bào)告，首采礦區(qū)內(nèi)各煤層含氣量為15.94~18.32 m3/t，氣含量較高。

目前該區(qū)共實(shí)施5口參數(shù)井，根據(jù)該區(qū)參數(shù)井的注入/壓降試井測(cè)試數(shù)據(jù)，4個(gè)可采煤層滲透率為(0.06~0.13)×10-3μm2。另外，根據(jù)DJN-01井的宏觀煤巖描述報(bào)告，各煤層煤樣裂隙發(fā)育，一般呈網(wǎng)狀分布，裂隙密度為10~40條/5 cm，連通性中等，有利于煤層氣的擴(kuò)散及運(yùn)移。該區(qū)儲(chǔ)層壓力差異較大，壓力梯度0.77~1.71 MPa/hm，平均為0.95 MPa/hm。

2 地面抽采部署

貴州對(duì)江南煤礦目前首采1、2號(hào)工作面，位于井田中部，工作面長(zhǎng)度為1 150~1 200 m，寬220 m。M78煤為主采煤層，煤厚0.98~2.55 m，埋深在500~ 685 m，煤層氣含量為10.50~20.20 m，M78煤層氣含量如圖1所示。根據(jù)該區(qū)開(kāi)采規(guī)劃，要求礦井建設(shè)5 a后對(duì)首采1號(hào)工作面進(jìn)行開(kāi)采，建設(shè)6 a后開(kāi)采2號(hào)工作面。為了貫徹和落實(shí)“先抽后建”政策，消除煤與瓦斯突出等威脅，同時(shí)考慮該區(qū)多煤層的特征，確定了該區(qū)的地面抽采部署原則：①根據(jù)工作面巷道的布置規(guī)劃及“先抽后建”要求，地面開(kāi)發(fā)井盡量布置在巷道附近，使得5 a后巷道區(qū)瓦斯含量大幅降低，煤炭掘進(jìn)巷道及工作面M78煤層瓦斯量降低程度均超過(guò)30%以上，抽采均勻，無(wú)盲點(diǎn)；②該區(qū)地形復(fù)雜，多數(shù)地區(qū)交通不便，井場(chǎng)數(shù)量安排盡量減少；③考慮多煤層資源綜合利用，在開(kāi)發(fā)M78煤層同時(shí)，盡量兼顧?quán)徑簩?，一方面提高單井產(chǎn)量，資源更易于利用，同時(shí)可緩解其他煤層的煤礦安全問(wèn)題。

圖1 M78煤層氣含量分布圖

研究區(qū)地形條件較差，除普通垂直井井場(chǎng)要求較多以外，水平井、叢式井開(kāi)發(fā)方式占地面積都較小[12]。然而普通水平井，如不采取壓裂增產(chǎn)措施，井筒垂直方位降低瓦斯的范圍有限，需要布置大量的井組，成本相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)可行性較差。同時(shí)考慮5 a首采工作面整體降低30%的要求，在開(kāi)采時(shí)間較為緊迫的區(qū)域，分段壓裂水平井以其高效的抽采效率、較低的施工風(fēng)險(xiǎn)[13-15]的特點(diǎn)列為本次布井的首選開(kāi)發(fā)方式。其次可以選擇叢式井，由于水平井造斜段一般在200~300 m左右，該段無(wú)法起到抽采效果，出現(xiàn)開(kāi)采盲區(qū)，應(yīng)適當(dāng)配合叢式井或定向井。叢式井可同時(shí)開(kāi)采多煤層也能彌補(bǔ)水平井的開(kāi)采盲區(qū)。

具體布井方案如圖2所示。第1工作面以分段壓裂水平井為主，考慮施工風(fēng)險(xiǎn)和地形現(xiàn)狀，水平井水平段最長(zhǎng)控制在800 m左右。共布置4組水平井，4組分段壓裂水平井抽采單元沿兩條掘進(jìn)巷道附近布置在M78煤層或者該層頂板。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及M78煤層底板等高線(xiàn)，將H1-V1、H2-V2井設(shè)計(jì)為水平對(duì)接井(H為水平井，V為對(duì)接直井)，H3、H4為L(zhǎng)型水平井，井場(chǎng)位置及井眼軌跡如圖2—圖3所示。依據(jù)工作面巷道長(zhǎng)度，對(duì)水平井抽采單元的水平段長(zhǎng)度及壓裂段數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，H1-V1井組水平段長(zhǎng)度810 m，壓裂10段；H2-V2井組水平段長(zhǎng)度820 m，壓裂10段；H3井水平段長(zhǎng)度590 m，壓裂7段；H4井水平段長(zhǎng)度360 m，壓裂4段。

圖2 地面抽采井位部署圖

由于水平井抽采單元鉆井造斜，導(dǎo)致造斜段處于地面抽采空白范圍，為此在4組水平井造斜部分各設(shè)計(jì)補(bǔ)增1口斜井，分別為Z10、Z11、Z12、Z13井，空間位置如圖2—圖4所示。

2號(hào)工作面北側(cè)回風(fēng)巷道西側(cè)距離V1井尚有340 m間距為抽采空白帶，設(shè)計(jì)增加2口斜井Z14、Z15井(圖4)，1號(hào)工作面西側(cè)的空白帶增設(shè)1口斜井Z16(圖3)，根據(jù)各煤層厚度及氣含量，設(shè)計(jì)這3口井主要抽采M18、M51、M78煤層。由圖3、圖4可看到1號(hào)工作面回風(fēng)巷附近只需2個(gè)井場(chǎng)，2號(hào)工作面北側(cè)僅需2個(gè)井場(chǎng)，大大減少了煤層氣地面開(kāi)采用地。

圖3 1號(hào)工作面回風(fēng)巷地面抽采井布置示意圖

圖4 2號(hào)工作面運(yùn)輸巷地面抽采井布置示意圖

2號(hào)工作面南側(cè)巷道地面抽采時(shí)間相對(duì)充足，考慮到多煤層資源有效利用，所以將抽采單元方式優(yōu)選為9口垂直井，采用叢式井方式，共3個(gè)井場(chǎng)，如圖5所示。各井在M78煤層見(jiàn)煤點(diǎn)間距220 m左右，抽采范圍基本覆蓋了整個(gè)巷道。各井分別為Z01、Z02、Z03、Z04、Z05、Z06、Z07、Z08、Z09井，根據(jù)煤厚及氣含量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)Z01、Z02井抽采M18、M51、M78煤層，其他井抽采M18、M29、M51、M78煤層，在抽采主采M78煤層的同時(shí)，兼顧了其他可采煤層。

圖5 2號(hào)工作面回風(fēng)巷地面抽采井布置示意圖

3 產(chǎn)能預(yù)測(cè)及效果評(píng)價(jià)

為了分析對(duì)江南首采工作面煤層氣地面抽采部署效果，本文采用CBM-SIM煤層氣藏?cái)?shù)值模擬軟件進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

CBM-SIM軟件是用于模擬非常規(guī)油氣藏的三維、兩相，單、雙、三孔隙模擬軟件。本次建立模型為雙孔隙/單滲透率模型，模擬尺寸為2 700 m× 1 100 m，模擬邊界條件為定壓，各井均為定井底壓力生產(chǎn)。煤厚、氣含量根據(jù)編繪該區(qū)的等值線(xiàn)圖網(wǎng)格化精確讀取，等溫吸附參數(shù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，裂縫含水飽和度為100%，儲(chǔ)層壓力梯度選用該區(qū)的平均壓力梯度0.95 MPa/hm，煤層滲透率結(jié)合該區(qū)注入/壓降測(cè)試數(shù)據(jù)范圍，同時(shí)考慮到該區(qū)測(cè)點(diǎn)較少，因此統(tǒng)一采用了0.11×10-3μm2。模擬參數(shù)如表1所示。分段壓裂水平井單獨(dú)抽采M78煤層，其他叢式井兼顧抽采M18、M29、M51、M78煤層。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

3.1 煤層氣產(chǎn)量

根據(jù)模擬結(jié)果(圖6)，4組水平井開(kāi)采M78煤層，地面抽采5 a后，H1–V1井組最高日產(chǎn)量為7 138.45 m3/d，H2–V2井組最高日產(chǎn)氣量為7 661.71 m3/d，H3–V3井組最高日產(chǎn)氣量為5 302.31 m3/d，H4–V4井組最高日產(chǎn)氣量為2 833.59 m3/d。直井(叢式井)開(kāi)采3~4層煤，平均日產(chǎn)氣量最高達(dá)2 829.79 m3/d?？傮w來(lái)看，該區(qū)4組水平井和16口直井(叢式井)5 a日產(chǎn)氣量平均26 036.54 m3/d，5 a日產(chǎn)氣量都在14 000 m3/d以上、累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)4 686.577萬(wàn)m3。該地區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)可帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 2個(gè)工作面地面抽采產(chǎn)氣量模擬結(jié)果

3.2 煤層氣含量變化特征

由首采區(qū)M78煤層氣含量等值線(xiàn)(圖1)可以看出，抽采前，M78煤層氣含量基本都在12 m3/t以上，由東向西逐漸增大，西部增加到19 m3/t左右。

經(jīng)過(guò)5 a的地面抽采后，M78煤層氣含量有了大幅度的降低(圖7)，水平井眼附近最高降低幅度超過(guò)60%。其中，1號(hào)工作面氣含量降低程度顯著，西部氣含量降低到7.23~13.80 m3/t，東部氣含量降低到5.15~9.20 m3/t；2號(hào)工作面西部地區(qū)氣含量降低到9.20~13.50 m3/t，東側(cè)氣含量降低到4.51~8.00 m3/t。抽采5 a首采2個(gè)工作面綜合抽采率都超過(guò)30%，已滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)安全要求。

圖7 抽采5 a后工作面M78煤層氣含量分布圖

模擬結(jié)果表明，2個(gè)工作面所屬區(qū)域及巷道附近氣含量均降低超過(guò)30%，不但滿(mǎn)足了巷道附近的抽采要求，合理而精細(xì)的部署方案也使2個(gè)工作面大部分地區(qū)達(dá)到煤礦建設(shè)要求。

4 結(jié)論

a. 與普通井網(wǎng)部署方式相比，貴州對(duì)江南首采工作面的地面煤層氣部署方式做到了整體規(guī)劃，覆蓋面大，盲區(qū)小，兼顧煤礦安全和資源利用的雙重效益。

b. 對(duì)江南煤礦首采工作面共布置4組水平分段壓裂井和16口直井(叢式井)，共7個(gè)井場(chǎng)，有效減少井場(chǎng)占地，同時(shí)也達(dá)到了區(qū)域全覆蓋。

c. 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，對(duì)江南煤礦設(shè)計(jì)的4組水平分段壓裂井+16口直井(叢式井)的部署方案，排采5 a可將兩個(gè)工作面范圍內(nèi)M78煤層氣含量降低超過(guò)30%，最高降低幅度超過(guò)60%。

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Research and application of CBM surface extraction based on coal mine with “gas drainage first, construction later” and resource development

WANG Jing, YAO Tuanqi, CHENG Bin

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the safety index put forward by “gas drainage first, construction later” of coal mine at present and the resource characteristics of many coal seams in northern Guizhou Province, and at the same time making up for the lack of systematization and large blind area of surface gas drainage deployment at present, this paper took Duijiangnan coal mine as an example to carry out the research of coal bed methane surface drainage deployment. Based on the complex topographic conditions, coal seam development characteristic(multiple layers, thin thickness, group distribution), coal body structure, development and deployment requirements in this area, the development mode of horizontal wells with segmented fracturing and cluster wells was optimized. Four horizontal well groups and 16 vertical wells(cluster wells) were deployed along No. 1 and No. 2 working faces, occupying 7 well sites. Through the establishment of fine geological model and grid division, CBM-SIM numerical simulation software was used to simulate the average daily gas volume of surface drainage in 20 wells(well groups) during 5 a, which can reach 26 036.54 m3, and the CBM content of seam M78 in No.1 and 2 working faces decreased by more than 30% after 5 a gas drainage.The simulation results show that the fine deployment of well location in Duijiangnan coal mine can effectively reduce the gas content in the working faces and give consideration to the dual purposes of coal mine safety production and utilization of CBM resources. This method can provide a new idea and method for the coordinated development of coalbed methane through surface extraction and underground mining safety.

gas drainagefirst, construction later; resource development; well placement; production forecasting

P618

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.005

1001-1986(2019)04-0028-05

2019-05-08

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-002-004)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目(2018MS008)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-004)；China Coal Technology&Engineering Group Corp Science and Technology Innovation Poject

王晶，1986年生，女，河北保定人，碩士，助理研究員，從事煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程方向研究工作. E-mail：393741007@163.com

王晶，姚團(tuán)琪，程斌. 基于煤礦“先抽后建”及資源開(kāi)發(fā)的煤層氣地面井位抽采部署及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：28–32.

WANG Jing，YAO Tuanqi，CHENG Bin. Research and application of CBM surface extraction based on coal mine with “gas drainage first, construction later” and resource development[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：28–32.

(責(zé)任編輯 范章群)