煤礦采掘區煤層氣開發規律及模式探討

劉 忠 張 聰 彭 鶴 方慧麗

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000;2.中國地質大學 (北京)能源學院，北京 100083)

煤礦采掘區煤層氣開發規律及模式探討

劉 忠1，2張 聰1彭 鶴1方慧麗1

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000;2.中國地質大學 (北京)能源學院，北京 100083)

位于山西沁水盆地南部的樊莊南部煤層氣井區，既是華北油田煤層氣井平均單井產量最高、也是產量出現明顯遞減的區塊。研究這種開發情況后，認為與煤礦采掘有密切相關性。通過調查區塊相鄰煤礦的采掘情況，總結與煤礦采掘相關的煤層氣井排采，獲得了該類煤層氣井的開采特征;同時進行了相關的煤基質收縮、應力變化等理論性探討。受煤礦掘進影響的煤層氣井有正反兩方面表現，在實際開發中，掌握兩者間的辯證關系，有利于提高資源利用率，提高經濟效益。

煤礦采掘 煤層氣開發 煤基質收縮 應力變化 辯證關系

華北油田山西煤層氣勘探開發分公司開發區塊涉及到多個煤礦，今后與煤礦礦權重疊區的開發工作，需要建立一種新模式。本文以開發規律受煤礦采掘影響的樊莊南部井區為例進行了探討。在調查、掌握煤礦的巷道建設、開采面掘進及采空區范圍等基礎上，通過研究生產井的排采動態、地下應力變化，同時結合中國煤炭科工集團雷毅等對煤礦與煤層氣協調開發模式研究。認為煤礦掘進對煤層氣地面抽采有正反兩個方面的作用，提出用辯證的方法去看待、新的模式協調處理兩者關系，既有利于資源的高效、合理利用，又可以避免資金的無效投入。

1 相鄰煤礦及掘進影響情況

樊莊南部井區范圍內有3個正在開采的煤礦，分別是隸屬于沁河能源的端氏煤礦、曲堤煤礦和隸屬于晉煤集團的坪上煤礦。該區塊鉆探的77%的煤層氣井的礦權與三個煤礦重疊。目前受煤礦掘進影響的井主要有鉆探井未投產、低產報廢、高產氣井產量大幅下降等。

2 與煤礦采掘相關的煤層氣井開發情況

2.1 一般煤層氣井開發特點

國內總結的高階無煙煤的煤層氣井開發特點，一般有如下五個方面:一是儲層壓力總體上與埋深呈線性正相關。二是煤層吸附/解吸含氣量，遵循Langmuir等溫方程式。三是各類煤層氣藏，基本見不到明顯游離氣。四是煤層氣井產出水，主要有層內、層間、外源水三種類型，解吸前一般產水3～5m3，純排水時間100天左右。五是直井日產氣差異大，但總體遵循日產500～3000m3井為主的正態分布。

2.2 受煤礦采掘影響的煤層氣井開發特點

樊莊南部井區煤層氣井開發特點有別于一般的高階無煙煤層氣井，滲透率與一般的煤層氣直井排采情況不一致，不同與沁南高煤階煤層氣富集高產原因。

(1)儲層壓力系統發生了較大變化，與煤層埋深的正相關性較差。鄰近煤礦井的儲層壓力系數在0.04～0.83之間，平均為0.41。壓力與埋深的線性關系差，數據離散性較大，線性擬合的相關系數不到20%(圖1)。

(2)解吸狀況與一般煤層氣井不同，存在游離氣。受煤礦采掘影響井中，29.6%的井儲層壓力低于1.0MPa，投產即解吸產氣，表明投入開發前解吸產生了游離氣。

圖1 臨近煤礦井儲層壓力與埋深關系

(3)解吸時間短，解吸前日產水量小、累產水量低。平均解吸時間24.4天，解吸前平均日產水 1.7m3/天、平均累產水 60.4m3。

(4)受煤礦采掘影響井，總體上以日產氣量較高井為主，日產氣5000～10000m3的井數，占同類井的77.8%。

2.3 主要形成原因

煤礦采掘區影響范圍內的儲層壓力、滲透率發生了改變。樊莊南部井區注入壓降測試的原始滲透率平均1.3mD，相對較低，后期滲透率明顯較高，與采掘的應力變化有關。據煤礦研究資料，儲層壓力越鄰近于煤礦巷道及回采區前方，隨著開采時間(開采時間的長短，用t1、t2、t3表示)增加、開采范圍 (與采出邊界的距離，用L1、L2和L3表示)擴大，儲層壓力下降的越低 (圖2)。儲層滲透率的變化與儲層壓力相反，隨著采掘時間增加、煤層采出范圍擴大，造成水平方向應力增加，引起煤層基質沿裂隙的強烈收縮，增加了裂隙寬度，滲透率明顯增高 (圖3)。壓力的變化沒有滲透率的變化劇烈。

圖2 巷道及回采區前方儲層壓力隨時間變化圖

再者，由于煤礦開采時對煤層水的強烈抽排作用，明顯減少了裂隙內含水情況。

2.4 利用不同生產特點判定受采掘影響距離

(1)儲層壓力低于0.8MPa，具有投產即解

1—煤層或煤礦采空區邊界;λ1—原始滲透率;λ2—開采后影響滲透率吸、低套壓、低氣量、低水量、穩產時間短等特點井，與巷道或采空區距離一般小于500m，開發效果差。

(2)處在煤礦瓦斯預抽放范圍內，儲層壓力下降到2.0MPa左右，儲解壓差接近于0，具有投產很快解吸、產氣量高、水量少、高產穩產期短等特點井，與巷道或采空區距離500～1000m范圍。

(3)由于增加了水平應力，由廣義虎克定律可知，將引起煤基質收縮，增加裂隙寬度，滲透性得到有效改善，整體滲透率較高，不同與其他區塊煤層滲透率在水平空間展布明顯異性。具有正常的儲層壓力系統，正常的解吸壓力，投產后單井產氣量上升快，高產穩產時間長，生產效果較好。該類井與巷道或采空區距離一般在1000m以上。個別井距離巷道或采空區超過2000m，仍有上述開發特點。

3 煤礦掘進與煤層氣開發的新模式探討

3.1 基于煤礦安全的煤層氣開發模式

雷毅等通過總結晉城地區煤礦區內煤炭開采情況，建立了煤層氣與煤炭協調開發模式 (圖4)，該模式服務于煤炭安全生產，對于完全未開發的煤礦，具有較好指導作用。但對于煤層氣開發與煤炭礦區重疊區塊，會造成資源與資金浪費。典型如樊莊南部井區。

圖4 煤層群條件下煤層氣與煤炭協調開發的布局模式

3.2 基于資源、資金高效利用的新模式探討

為了避免類似樊莊南部井區無效鉆探煤層氣井較多情況，依據煤層氣井開發規律，按照空間角度探討了新的煤層氣開發模式 (表1)。

按照這種開發模式，鉆探煤層氣井進行地面開發:一是距離巷道或采空區500m以內時，不考慮地面鉆井。二是距離巷道或采空區500～1000m時，煤層氣井開發要緊密結合煤礦掘進程度，與煤礦簽訂合作計劃，可以有效減少資金風險，煤層氣井投產后要加快排采進度，實現共贏;三是加大距離巷道或采空區1000m以外煤層氣井的產能建設工作，可有效提高單井產氣量。

3.3 新模式下現場已開展工作及成效

針對樊莊南部井區與煤礦的礦權重疊情況，開展了兩個方面工作，均取得了較好成效。一是距離巷道或采空區500～1000m內井，通過負壓抽排工具，提高日產氣。二是距離巷道或采空區1000m以外，利用煤層滲透率變好條件，開展產建工作，從實際鉆探情況來看，直井日產氣超過5000m3/d，水平井日產氣超過50000m3/d。

4 結論與建議

(1)煤層氣地面開發受到地下煤炭開采的影響，不考慮煤礦掘進對其影響，不利于降低資金風險及提高煤層氣資源利用水平。

表1 煤礦與煤層氣礦權重疊下的煤層氣開發模式表

(2)臨近煤礦采掘區的煤層氣井，由于受到儲層壓力、應力、滲透率、含氣量等變化的影響，表現出了解吸時間短、產水量小、產氣量差異大、易形成高產井等不同與一般煤層氣井的開發特點。

(3)該類井的開發特殊性，決定了其開發工作不能按照傳統的時間模式進行，而應該綜合考慮與煤礦掘進的空間距離，根據不同距離，采取不同的開發對策。

(4)掌握煤礦與煤層氣礦權重疊區煤層氣井的開發模式，可以有效降低資金風險，提高煤層氣井的單井產量，并達到提高資源利用率的最終目的。

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Discussion on Coalbed Methane Development Rules and Modes in Coal Mining Areas

LIU Zhong1，2，ZHANG Zhong1，PENG He1，FANG Huili1
(1.Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000;2.School of Energy Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083)

The wells of southern Fanzhuang CBM block which are located in the southern Qinshui Basin，have the highest single well average gas production of Huabei Oilfields Company and is the markedly declined area.The study results show the high level gas production and declined phenomenon is caused by coal mining.With the investigate of neighboring coal mines and their mining progress，summarizing the relationship of CBM well production an coal mining，this paper concludes the development characters of CBM wells nearby mining areas and discuss the theory of coal matrix shrinkage and stress variety.In CBM exploitation，the mining of coal bed makes a strong impact on surface wells’production，which could increase and decrease gas production.We should administer the two side dialectic relationship，which helps us improve resource utilization and economic effectiveness.

Coal mining;CBM development;coal matrix shrinkage;stress variety;dialectic relationship

國家科技重大專項《大型油氣田及煤層氣開發》——山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程 (二期)(2011ZX05061)和中國石油股份公司科技重大專項《沁水煤層氣田勘探開發示范工程》(2010E-2208)

劉忠，高級工程師，現任中國石油山西煤層氣勘探開發分公司地質研究所副所長，長期從事煤層氣勘探開發技術研究工作。

(責任編輯 黃 嵐)