提升晉城煤田采動井產氣量關鍵性地質工程因素的初步研究

張文君,王 爭,李 超,楊昌永,李 陽

(1. 煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048000;2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司,山西 晉城 048000)

利用采動井在采煤工作面進行瓦斯快速抽放是近年來興起的一種新型瓦斯抽采技術,具有很好的應用前景?？梢杂行У慕鉀Q煤礦區井下的瓦斯突出、礦井井下瓦斯濃度超限的難題[1]。

立足于晉煤集團煤礦瓦斯治理現狀,面向整個集團公司煤炭和煤層氣勘探開發生產的雙重需求[2],分析當前制約采動產氣的關鍵地質工程因素,主要從采動井的井身結構、完井層位、固井情況、布井位置、窺視井下套管變形情況等因素,分項研究對采動井產氣量的影響,同時為煤層氣新能源的開發提供了技術支撐[3]。

1 地質背景

晉城礦區成莊井田是國家科技重大專項示范工程的實施礦井之一。該井田位于沁水盆地東南緣,構造上處于太行復背斜西翼,總體上為一走向NNE-NE向、傾向NW的單斜構造。井田內地層平緩,傾角3°～15°,一般在10°以內。在單斜構造背景上,發育了起伏不大、兩翼平緩的寬闊褶曲[4]。

區域內地層由上到下依次為第四系表土層、新近系、三疊系、二疊系、石炭系和奧陶系,主要含煤地層是下二疊統山西組和上石炭統太原組。3#煤層是成莊井田開采的主要煤層,可采煤平均厚度為6.2 m,煤層含氣量介于4 m3/t～24 m3/t之間,平均為12.4 m3/t。目前的煤炭采區煤層氣含量高達12 m3/t～24 m3/t,已經進入高瓦斯區域。

2 采動井井位布置原則

采動區鉆孔是在地層受到煤礦開采影響后,針對采動區域殘余的煤及其圍巖中儲集的氣體而施工的煤層氣抽采鉆孔,其氣體來源、地質條件和開發工藝與常規地面煤層氣預抽井有顯著不同[5],因此在鉆孔布置中重點遵循以下原則。

1)鉆孔易于抽采:在工作面回采中,從開切眼開始,隨著工作面的推進,采動裂隙不斷發展,采空區中部采動裂隙最發育,此為采動裂隙發展的第一階段,當采出面積達到一定值后,進入采動裂隙發展的第二階段,此時,位于采空區中部的采動裂隙趨于壓實,而在采空區四周存在一連通的采動裂隙發育區,稱為采動裂隙“O”型圈[6]。

2)鉆孔不易受采動破壞:針對提前施工的采動區鉆孔,即煤層回采前就施工的地面抽采鉆孔應布置在受未來采動破壞最小的區域,參考兩淮、陽泉等礦區實踐經驗,采動井布置在距離工作面巷道30 m～70 m的范圍內[7]。

3)孔距合理:由于采動影響范圍內煤巖層的裂隙發育,導流能力提高,單孔控制面積較大,盡量布置較少的鉆孔就滿足抽采需要,采煤帶來的巖層移動,會使鉆孔井筒遭受破壞,因此采動井應布置在巖層移動相對較弱的或者受破壞最小的地段,根據井下采煤工作面的實際情況,布置在靠近回風巷側30 m以內的采動井井筒穩定性相對較好[8]。

4)地面環境有利:應保證地面有足夠的空間實施地面工程,沒有地面建筑、水體等;能夠滿足施工需要的道路交通、供電供水條件。

3 采動井井身結構的變化研究分析

根據表1分析可得：十一五重大專項井都是采用三開結構完井,CD-01、CD-02一開二開下套管固井、三開不固井下入篩管完井,二開低端距離煤層頂板處30 m～50 m,CD-03一開下套管固井、二開、三開不固井裸眼完井，井筒一般布置在開切眼工作面的中后段。

表1 “十一五”成莊井田采動井設計參數Table 1 Parameters of drainage well designing in Chengzhuang Mine

根據“十一五”采動井井身結構圖(圖1)分析可得：十一五重大專項井完井層位都穿過了三號煤底板以下2 m終孔,這樣的終孔設計為采煤是與井筒的順利溝通提供了可靠的保障。

圖1 “十一五”采動井井身結構圖Fig.1 Shaft structure of the drainage well of the Eleventh Five-Year Plan

分析該三口井的抽采量的統計結果(如表2所示)可知,三口井的抽采混量變化范圍相差不大都在1 m3/min～9 m3/min 的變化區間,抽采的甲烷濃度相差較大,影響甲烷抽采總量的主要受抽采時間,相對CD-02、CD-03的抽采時間較長,甲烷抽采總量也較大,當抽采時間相差不大時,甲烷的累計抽采總量與抽采時甲烷的平均濃度呈現正相關。

表2 “十一五”成莊井田采動井抽采情況統計表Table 2 Extraction of the drainage well of the Eleventh Five-Year Plan in Chengzhuang Mine

通過對“十一五”重大專項井的井身結構和抽采情況的分析和總結可以得出以下結論:

1)井身結構相同的情況下,采動井二開固井比二開不固井抽采濃度偏高,約是2～5倍,主要原因是二開井段固井防止了該井段裂隙與地面的溝通,因此二開固井對采動區抽采比較有利。

2)采動井的抽采混合累計總量和甲烷累計總量和抽采天數成正相關性,也就是抽采天數越長抽采量越高。

3)影響采動井抽采抽采運行時間長短的主要地質因素主要為井筒的變形,井筒內堵塞、抽采負壓升高、濃度降低,直接導致采動井終止服務,因此對采動井井筒穩定性的研究和控制是使采動井產氣的關鍵性地質工程因素。

4 “十二五”重大專項成莊煤礦5310 、4318工作面采動井分析

成莊煤礦5310/4318工作面采動井均使用大直徑鉆井工藝,一開井徑為480 mm或425 mm,經實際生產檢驗,該型井徑能夠有效防止采動擾動造成的井壁坍塌,具體井身結構，如表3所示。

根據圖表分析可得“十二五”重大專項采動井都是采用三開結構完井,2012ZX-CZCD-01、2012ZX-CZCD-05一開二開下套管固井、三開不固井下入篩管完井,2012ZX-CZCD-04一開下套管固井、二開、三開不固井裸眼完井而。這種情況和“十一五”重大專項采動井很相似只是鉆孔直徑增大了很多,三開篩管直徑變成了168 mm或215 mm,目的是減少采動井井筒的破壞造成鉆孔的阻塞和鉆孔報廢。

根據“十二五”成莊井田采動井抽采情況統計表(如表4所示),分析該三口井的抽采量的統計結果可知,三口井的抽采混量變化范圍相差不大都在0～19 m3/min 的變化區間,抽采的甲烷濃度相差較大,甲烷抽采總量的主要受抽采時間影響,2012ZX-CZCD-01相對2012ZX-CZCD-04、2012ZX-CZCD-05的抽采時間較長,甲烷抽采總量也較大,當抽采濃度相差不大時,甲烷的累計抽采總量與抽采時間呈現正相關,這與“十一五”采動井的分析結果相吻合。

表3 井身結構情況參數表Table 3 Parameters of shaft structure

表4 “十二五”成莊井田采動井抽采情況統計表Table 4 Extraction of the drainage well of the Twelfth Five-Year Plan in Chengzhuang Mine

圖2 “十二五”采動井井身結構圖Fig.2 Shaft structure of the drainage well of the Twelfth Five-Year Plan

通過對“十二五”重大專項井的井身結構和抽采情況的分析和總結可以得出以下結論:

1)通過對“十二五”采動井與“十一五”采動井整體對比分析,可得出前者比后者抽采運行時間偏長約2.35倍,抽采甲烷濃度偏高約1.94倍,抽采累計混合總量偏高約9.15倍,抽采甲烷累計總量偏高約13.24倍。

2)分析“十二五”采動井抽采甲烷累計總量與“十一五”采動井偏高約13.24倍的形成因素主要為采動井穩定運行抽采時間的增加引起的抽采混合累計總量的增加和甲烷抽采濃度的整體偏高倍數的疊加效應。

3)“十二五”采動井的井經的增大延長了采動井的抽采運行時間,完井篩管直徑增大1.56倍,提高甲烷累加總量13.24倍,因此采動井井徑的增大有利于增加穩定抽采時間和甲烷的抽采量,但不能根本解決采動井井身穩定性的問題。

4)影響采動井抽采抽采運行時間長短的主要地質因素主要為井筒的變形,井筒內堵塞、抽采負壓升高、濃度降低,直接導致采動井終止服務,因此對采動井井筒穩定性的研究和控制是使采動井產氣的關鍵性地質工程因素。

5 采動井井身結構變形情況的分析及處理方案研究

由于井下工作面的不斷開采,造成采煤區域的地層不斷發生垂直沉降和水平剪切應力的變化,在采動井的實際抽采過程中常會出現前期抽采量、甲烷濃度較高,后期隨之井筒結構的破壞抽采負壓不斷升高和抽采量和甲烷弄斷不斷衰減,直接導致采動井的報廢。先結合已經窺視的采動井的井筒變形情況對采動井的套管變形進行研究分析,并提出相應的解決方案,如表5所示。

表5 采動井窺視臺賬Table 5 Records of peering instrument in the drainage well

通過表5采動井窺視臺賬分析結論:

1) 采動井井身套管從接箍處斷裂的情況占窺視井的4/7之多,建議對現有接箍強度加大,從而防止采動井的套管接箍處斷裂情況的發生。

2) 可以對現有套管做抗拉強度實驗,研究套管接箍強度是否與套管拉伸強度相匹配,另外在鉆井下套管的過程中,要給套管施加相匹配的扭矩從而保證連接處的強度或者采用長絲扣套管,從而加強套管接箍處的強度。

3) 采動井3/7的井身結構存在套管變形和拉斷的情況,主要集中在0～100 m的井段,因此應注意該井段套管強度的提高和固井水泥標號的提高,從而提升井身結構的強度。

4) 目前能保持井筒通道正常溝通的只有2014ZX-YCCD-06,SHCD13-02井,占已經窺視井的2/7,還能保持正常運行,因此對采動井井筒穩定性的研究和控制是使采動井產氣的關鍵性地質工程因素。

針對采動井的井筒結構變形情況的解決方案：

1) 剛性處理方法:加強0～100 m井段的井身結構的強度,在該井段保持雙層套管結構,一開Φ425 mm,鉆至深度至100 m,下入Φ377 mm套管使用高強度水泥固井,二開Φ311 mm鉆至煤層頂板30 m～50 m,下入直Φ244 mm套管使用高強度水泥固井,三開Φ215 mm鉆至煤層底板以下2 m終孔,下入Φ168 mm篩管完井,該井型增強了0～100 m井段的抗拉和抗剪強度,對0～100 m的井筒變形有很好的保護作用。

2) 柔性處理方法:一開Φ425 mm至基巖下10 m,下入Φ377 mm套管固井,二開Φ311 mm鉆至煤層頂板30 m～50 m,下入直Φ244 mm套管不固井,在套管和孔壁之間充填入細砂,三開Φ215 mm鉆至煤層底板以下2 m終孔,下入Φ168 mm篩管完井,該井型通過二開段填充細砂,當采煤掘進時,地層沉降對二開套管的拉伸力大大減小,降低了套管被拉斷的可能性,有效地保護了井筒的穩定性,從而增加采動井的服務年限,提高抽采量。

[1] 賀天才,王保玉,田永東.晉城礦區煤與煤層氣共采研究進展及急需研究的基本問題[J].煤炭學報,2014,39(9):1779-1785.

HE Tiancai,WANG Baoyu,TIAN Yongdong.Development and Issues with Coal and Coal-bed Methane Simultaneous Exploitation in Jincheng Mining Area[J].Journal of China Coal Soiety,2014,39(9):1779-1785.

[2] 李國富,李波,焦海濱,等.晉城礦區煤層氣三區聯動立體抽采模式[J].中國煤層氣,2014,11(1):3-7.

LI Guofu,LI Bo,JIAO Haibin,etal.Three-region Integrated CBM Stereo-extraction in Jincheng Mining Area[J]. China Coalbed Methane,2014,11(1):3-7.

[3] 李國富.煤層氣井排水采氣機理淺探[J].中國煤炭,2002,28(7):33-35.

[4] 都新建,田永東,趙小山,等.晉城礦區采動影響區地面抽采技術[C]//煤層氣學術研討會,2011.

[5] 田永東,張遂安,張典坤,等.山西晉城采煤擾動區地面煤層氣井抽采效果地質分析[J].高校地質學報,2012,18(3):563-567.

TIAN Yongdong,ZHANG Suian,ZHANG Diankun,etal.Geological Analysis of Drainage Effects on CBM Wells in the Coal-mining-disturbed Area of Jincheng, Shanxi Province [J].Geological Journal of China Universities,2012,18(3):563-567.

[6] 孟召平,郝海金,張典坤,等.晉城成莊井田煤層氣直井開發后煤層底板突水危險性評價[J].煤炭學報,2014,39(9):1899-1906.

MENG Zhaoping,HAO Haijin,ZHANG Diankun,etal.Assessment of Water Inrush Risk of Coal Floor after CBM Development Using Vertical Wells at Chengzhuang Mine Field in Jincheng[J].Journal of China Coal Soiety,2014,39(9):1899-1906.

[7] 張培河,白建平.煤礦區煤層氣開發部署方法[J].煤田地質與勘探,2010,38(6):33-36.

ZHANG Peihe,BAI Jianping.Method on Well Pattern Arrangement of Coalbed Methane(CBM) Development in Coalmine Area[J].Coal Geology & Exploration,2010,38(6):33-36.

[8] 王洋,白建平,趙小山.晉城礦區單一厚煤層開采條件下地面采動井抽采工藝及效果分析[J].中國煤層氣,2015,12(4):23-27.

[9] 孫海濤.成莊煤礦采空區煤層氣地面井抽采試驗[J].礦業安全與環保,2014(1):1-3.

SUN Haitao.Test of Gas Drainage from Gob Area by Surface Wells in Chengzhuang Coal Mine[J].China Coalbed Methane,2015,12(4):23-27.