煤層氣井在與煤礦重疊區(qū)高效開發(fā)模式的建立
——以鄭村井區(qū)為例

朱 敏 吳定泉 李 俊 彭 鶴 張金笑 趙家攀

(華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

1 鄭村井區(qū)地質開發(fā)情況

鄭村井區(qū)位于沁水盆地馬蹄形斜坡帶東南緣，隸屬山西省晉城市沁水縣，主體為丘陵山地，地面海拔600～1000m。區(qū)內為一近東西向單斜構造，構造平緩，斷層不發(fā)育，開發(fā)主力層系為山西組3號煤層、太原組9號、15號煤層。3號煤埋深300～800m，平均厚度5.9 m；9號煤埋深360～880m，平均厚度1.4 m；15號煤埋深400～900m，平均厚度3.7m。井區(qū)內總體含氣量較高，3號煤含氣量10～24m3/t，9號煤含氣量11～24m3/t，15號煤含氣量 12～26m3/t，含氣量呈南部高、北部低的特點。3號煤平均孔隙度6.1%，平均滲透率0.44mD；9號煤平均孔隙度5.4%，平均滲透率0.41mD；15號煤平均孔隙度4.9%，平均滲透率0.35mD。

該區(qū)內三套開發(fā)層系均有良好的供氣表現(xiàn)，3號煤層氣井平均單井日產氣量達2000m3，穩(wěn)產期可達2～2.5a，9號、15號煤平均單井日產氣量分別為900m3、1600m3，兩者穩(wěn)產期較3號煤略短，經歷煤礦采掘影響以來，部分井產量呈斷崖式下降，難以穩(wěn)產，氣量損失十分嚴重。

2 煤礦采掘對煤層氣井開發(fā)的影響

根據煤礦采前規(guī)劃、巷道抽采、工作面回采的一般步驟，可將礦權重疊區(qū)域區(qū)劃分為規(guī)劃區(qū)、抽采區(qū)及采空區(qū)三個區(qū)域。以鄭村井區(qū)為例，鄭村西南部為寺河煤礦未來五年規(guī)劃區(qū)，沿巷、煤巷于2015年自南向北推移，目前已至鄭村中部，并繼續(xù)以80～100m的月掘進速度繼續(xù)向北部延伸，因而在巷道兩側一定范圍內形成抽采區(qū)，受采掘影響該井區(qū)分別于2018年、2019年形成兩處采空區(qū)(圖1)。各區(qū)域內煤層氣井開發(fā)所受影響規(guī)律不同，本文根據煤礦采掘步驟及不同階段對氣井的影響特征，針對規(guī)劃區(qū)、抽采區(qū)及采空區(qū)內煤層氣開發(fā)建立不同開發(fā)模式。

圖1 重疊區(qū)內煤層氣井區(qū)域劃分

2.1 規(guī)劃區(qū)內開發(fā)模式

規(guī)劃區(qū)是指煤礦企業(yè)僅計算采掘速度、部署施工范圍等工作，目前未進行實際采掘作業(yè)，通常 3～5年后對其實施抽采，該區(qū)域內煤層氣井產量在此期間不會受到影響。

由于規(guī)劃區(qū)內煤層氣井具有生命周期縮短、采出程度低的特點，區(qū)內單井應改變以往“穩(wěn)步提產，長期穩(wěn)產”的排采思路，實施“快速提產，降壓增氣”模式(圖2)，在受到煤礦采掘影響前實現(xiàn)采出氣量最大化。通過數值模擬計算，新井縮短10%～15%的穩(wěn)產年限，同時提升20%～30%的采氣速度，可實現(xiàn)最大產氣增量(表1)。針對老井可增設負壓設備降低管壓，通過壓力傳導增大儲層與井筒的生產壓差，降低廢棄壓力，達到提高采收率的目的。

圖2 規(guī)劃區(qū)排采模式

表1 單井產氣增量模擬計算

2.2 抽采區(qū)內開發(fā)模式

抽采區(qū)是指由于煤礦沿巷鉆孔及煤巷鉆孔進行瓦斯預抽形成的分布于巷道兩側300～1000m范圍內的區(qū)域，受鉆孔影響范圍及抽吸強度差異，抽采區(qū)內煤層氣井通常1～4個月內會衰減無氣(圖3)，造成單井采出程度降低，資源嚴重損失。

圖3 抽采區(qū)煤層氣井生產曲線

抽采區(qū)內煤層氣開發(fā)與煤礦開采矛盾突出，煤礦抽吸力度遠高于煤層氣排采強度。對于合采井，煤礦抽采形成負壓環(huán)境，9號、15號煤氣體也會隨3號煤氣體逸散，造成下部資源浪費，針對合采井(圖4(a))應建立“封堵抽采煤層”的開發(fā)模式，迫使下部煤層氣量沿井筒進入地面管線形成商品氣量，保護氣體資源。針對3號煤單采井可封堵抽采層后動用下部煤層，提升資源利用率。目前已在鄭村井區(qū)實施水泥封堵3號煤層(圖4(b))，但因該層壓力較低，煤礦采掘產生的應變易使水泥產生裂縫，封堵效果受到一定影響，目前正在試驗金屬套管補貼方式封堵3號煤層(圖4(c))，以期提升補貼區(qū)穩(wěn)定性，延長穩(wěn)產時間，保障措施效果。

圖4 封堵煤層及套管補貼示意圖

2.3 采空區(qū)內開發(fā)模式

采空區(qū)內3號煤層受到采掘破壞，單采3號煤井迅速衰減無氣，如圖5，合采井在進行切割套管處理后也無法供氣，該區(qū)域內單井一般在2～7d內迅速無氣。

圖5 采空區(qū)煤層氣井生產曲線

3號煤層采空后原有儲層壓力系統(tǒng)被打破，起到應力釋放作用，下部煤層裂縫擴張，改善了導流能力，提升原始滲透率，有效解決了煤層壓力傳導困難、改造效果差等問題，一定程度上為下部煤層的開發(fā)帶來正效應，易出現(xiàn)高產井。但在回采過程中回采面內巖柱存在大幅度垂向位移，易使井筒產生縱向拉伸應變，因而采空區(qū)內煤層氣井難以保證開發(fā)效果。經分析優(yōu)選采空區(qū)以外區(qū)域部署井位既可達到高效利用采空區(qū)卸壓作用，又可盡量減小井筒形變，通過在回采邊界煤柱區(qū)鉆井的開發(fā)策略，可高效動用9號、15號煤資源，目前該技術已基本成熟，未來將在鄭村采空區(qū)域邊界優(yōu)選井位實施應用(表2)。

表2 重疊區(qū)內煤層氣井開發(fā)模式劃分表

3 開發(fā)效果評價

2020年至今在鄭村井區(qū)通過開展地面、地下兩方面工作降低煤礦造成的氣量影響：一是在規(guī)劃區(qū)增設負壓設備5臺，強化排采力度，單井平均日增氣量達2200m3；二是在抽采區(qū)優(yōu)選合采井實施封堵3號煤新開下部煤層措施井21口，單井平均日增氣量3100m3；兩者均取得顯著增產效果。