煤炭規(guī)劃區(qū)地面煤層氣井預(yù)抽技術(shù)體系

周雷雷

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

基于煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空接替規(guī)律，可將煤礦區(qū)域劃分為煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)劃區(qū)”)、煤炭開(kāi)拓準(zhǔn)備區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“準(zhǔn)備區(qū)”)及煤炭生產(chǎn)區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“生產(chǎn)區(qū)”)，規(guī)劃區(qū)的煤炭資源一般在5～10 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間以后才開(kāi)始采煤作業(yè)[1]。我國(guó)煤礦大多是高瓦斯礦井，使得礦井煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中瓦斯事故頻發(fā)且瓦斯事故所占比例較大，瓦斯已極大制約著礦井的安全高效生產(chǎn)[2-4]。《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ/T1026-2006)明確規(guī)定：凡通風(fēng)方式無(wú)法解決瓦斯問(wèn)題的高瓦斯礦井，必須建立永久抽采瓦斯系統(tǒng)或井下臨時(shí)抽采瓦斯系統(tǒng)。通過(guò)預(yù)抽進(jìn)而降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，保障后期煤炭的安全高效生產(chǎn)。從治理瓦斯的角度，晉煤集團(tuán)于20世紀(jì)90年代初期在寺河礦首次開(kāi)展了地面煤層氣垂直井預(yù)抽工程，單井最高產(chǎn)氣量達(dá)10 000 m3/d，煤層氣預(yù)抽效果極為理想[5]，為采煤采氣一體化綠色生產(chǎn)邁出了堅(jiān)實(shí)一步。我國(guó)經(jīng)過(guò)近三十年的技術(shù)研究和工程實(shí)踐，迄今已形成了比較完善的地面煤層氣井采前抽(預(yù)抽)、采動(dòng)抽和采后抽的三區(qū)(規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)及生產(chǎn)區(qū))聯(lián)動(dòng)的“采煤采氣一體化”技術(shù)體系[5-7]。

1 地面垂直井預(yù)抽技術(shù)

地面垂直井在煤層氣開(kāi)發(fā)中扮演著重要的“角色”，是最常見(jiàn)、普通的井型之一，具有井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工技術(shù)難度小、適應(yīng)多煤階煤層氣預(yù)抽等優(yōu)點(diǎn)，但亦有井控范圍小、抽采效率低、井場(chǎng)多、占地面積廣及井場(chǎng)基建工程量大等劣勢(shì)。地面垂直井常采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，基于煤儲(chǔ)層物性特點(diǎn)，主要形成了裸眼洞穴完井(見(jiàn)圖1(a))、篩管裸眼洞穴完井(見(jiàn)圖1(b))和套管射孔壓裂完井(見(jiàn)圖1(c))等三種類(lèi)型[8-9]。

洞穴完井系指在煤層段裸露，通過(guò)在煤層段人工造穴形成“大肚子”。根據(jù)煤層段裸露和下篩管情況，可分為裸眼洞穴完井(圖1(a))和篩管裸眼洞穴完井(圖1(b))兩種類(lèi)型，二者在美國(guó)科羅拉多和圣胡安盆地等中低煤階高滲煤層中應(yīng)用尤為廣泛，一些地區(qū)單井平均產(chǎn)氣量超過(guò)14 300 m3/d，預(yù)抽煤層氣效果極為理想[10]。裸眼洞穴完井和篩管裸眼洞穴完井技術(shù)在我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中已有應(yīng)用，但總體效果極不理想，絕大部分氣井未形成工業(yè)性氣流，顯示了該技術(shù)的適應(yīng)范圍和局限性。而地面垂直井套管射孔壓裂完井技術(shù)則在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，特別是在沁水盆地南部高煤階煤層氣預(yù)抽中獲得了巨大經(jīng)濟(jì)效益[11]。

2 地面定向井預(yù)抽技術(shù)

地面定向井是油氣勘探領(lǐng)域較為復(fù)雜和先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一，它是由測(cè)斜、導(dǎo)向工具及特殊井下工具等對(duì)鉆井軌跡或井眼軌跡進(jìn)行有效、精準(zhǔn)控制，使鉆具沿著特定方向鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)層位的鉆井工藝技術(shù)[12]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，定向井技術(shù)日臻成熟且形成了多種定向井井型，主要有U型井、V型井、L型井、羽狀水平井等四種。

圖1 煤層氣地面垂直井井身結(jié)構(gòu)及完井方式示意

2.1 地面煤層氣U型井預(yù)抽技術(shù)

U型井是定向井的特殊井型之一，因其井控面積大、抽采效率高、適合多種煤類(lèi)等特點(diǎn)，因而在煤層氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越多[13]。但U型井在構(gòu)造復(fù)雜、煤體結(jié)構(gòu)破碎嚴(yán)重及復(fù)雜地貌礦區(qū)適應(yīng)性極差，投資風(fēng)險(xiǎn)極高。U型井一般由一口定向水平井(又稱(chēng)“工程井”)和一口洞穴直井(又稱(chēng)“排采井”)組成，水平井的水平段靶點(diǎn)末端與洞穴直井相連通，兩口井形成一個(gè)“U”字形的井筒結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)[14]。煤層氣U型井水平段采用沿煤層傾向從高端向低端鉆進(jìn)，洞穴直井位于低端且與水平井水平段靶點(diǎn)末端連接，可有效利用地下水重力效應(yīng)，有利于排水和排出煤粉，實(shí)現(xiàn)煤層氣井的高效抽采。根據(jù)開(kāi)發(fā)煤層的煤體結(jié)構(gòu)及滲透性情況，U型井水平段有裸眼完井(見(jiàn)圖2(a))、篩管裸眼完井(見(jiàn)圖2(b))和套管固井射孔壓裂完井(見(jiàn)圖2(c))三種類(lèi)型。

圖2 地面煤層氣U型井完井方式示意

地面煤層氣U型井技術(shù)在山西保德、沁水柿莊、霍林河盆地、鄂爾多斯盆地均已成功實(shí)施應(yīng)用，氣井產(chǎn)氣效果理想，特別是在沁水盆地南部高煤階無(wú)煙煤區(qū)，效果尤為顯著，平均單井日產(chǎn)氣量高達(dá)1萬(wàn)m3[13]。該技術(shù)在松軟低滲煤層中亦具有較好的適應(yīng)性，2015年晉煤集團(tuán)在趙莊礦3號(hào)松軟煤層中施工了一口U型井，平均產(chǎn)氣量維持在5 000 m3/d以上[15]。

2.2 地面煤層氣V型井預(yù)抽技術(shù)

V型井是基于U型井演化而來(lái)的一種特殊定向井，系指由兩組呈一定夾角的水平井共用一口洞穴直井組成，形成“V”字形的井筒結(jié)構(gòu)[16](見(jiàn)圖3)。與U型井相比，其具有更大的井控面積、更廣的抽采范圍、更高的抽采效率、適應(yīng)煤階范圍廣、井場(chǎng)占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。但其在構(gòu)造復(fù)雜、煤體結(jié)構(gòu)破碎嚴(yán)重及復(fù)雜地貌礦區(qū)適應(yīng)性極差，抽采成效保障極低。V型井技術(shù)集成了隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、煤層造穴、三井對(duì)接、多井眼完井等多項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)[16]。V型井技術(shù)特點(diǎn)是利用兩組U型井水平段由沿煤層傾向從高端向低端鉆進(jìn)，洞穴直井位于低端且與水平井水平段靶點(diǎn)末端連接，這樣地下水通過(guò)兩個(gè)水平井眼分排流向洞穴直井，進(jìn)而增加了排水、排煤粉能力和提高采氣效率。

圖3 V型井井身結(jié)構(gòu)示意(mm)

根據(jù)開(kāi)發(fā)煤層的煤體結(jié)構(gòu)及滲透性情況，V型井水平段可采用裸眼完井、篩管裸眼完井和套管固井射孔壓裂完井三種類(lèi)型。目前， V型井技術(shù)在延川南、沁水盆地南部晉城礦區(qū)等高煤階礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)中已實(shí)施應(yīng)用，煤層氣預(yù)抽效果良好[16-17]。

2.3 地面煤層氣L型井預(yù)抽技術(shù)

L型井又稱(chēng)單分支水平井，系指最大井斜角保持在90°左右，并在目的層中鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度的水平段的特殊定向井，其井身結(jié)構(gòu)呈“L”字型[18]，采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4),該井型與地面煤層氣垂直井相比，具有井控范圍大、抽采動(dòng)用煤層氣資源廣、抽采效率高、適用性強(qiáng)、占地少等特點(diǎn)，與U型井具有異曲同工之處[19]。但L型井對(duì)排水采氣設(shè)備要求高，在構(gòu)造復(fù)雜、煤體破壞嚴(yán)重及地貌復(fù)雜礦區(qū)適應(yīng)性同樣極差，投資風(fēng)險(xiǎn)亦極高，抽采成效得不到保障。根據(jù)開(kāi)發(fā)煤層的煤體破壞情況和煤層滲透性情況，L型井水平段可選用裸眼完井(圖4(a))、篩管裸眼完井(圖4(b))和套管固井射孔壓裂完井(圖4(c))三種類(lèi)型。

圖4 L型井井身結(jié)構(gòu)示意

L型井排水、采氣均為同一井筒，因此，對(duì)排采設(shè)備較為苛刻，常采用射流泵、電潛螺桿泵等排水大、排粉能力強(qiáng)的舉升系統(tǒng)完成排水降壓、采氣過(guò)程[20]。目前，這種井型已規(guī)模化的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了資源集約化開(kāi)發(fā)、集中化管理，運(yùn)行低成本、排采高效率[21]。

2.4 地面煤層氣羽狀水平井預(yù)抽技術(shù)

羽狀水平井又稱(chēng)多分支水平井，系指在一個(gè)主水平井眼的兩側(cè)再鉆出多個(gè)分支井眼的氣井，呈“羽毛狀”[22](圖5)。它是常規(guī)水平井和分支井的結(jié)合體[23]，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興的煤層氣開(kāi)采技術(shù)。與U型井、V型井和L型井相比，水平羽狀分支井具有井控面積更大、導(dǎo)流能力強(qiáng)、儲(chǔ)層污染小、井場(chǎng)占地面積小、抽采效率和煤層氣采出程度更高等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)地質(zhì)條件、煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度及其穩(wěn)定性要求高，單井投資費(fèi)用大，工藝技術(shù)復(fù)雜[24-25]。

圖5 羽狀分支水平井結(jié)構(gòu)示意

近年來(lái)，美國(guó)CDX國(guó)際公司率先把羽狀水平井應(yīng)用于西弗吉尼亞州煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，取得了低滲、中低階煤層高效抽采煤層氣的成功。我國(guó)在煤層氣開(kāi)發(fā)中引進(jìn)了羽狀水平井技術(shù)，先后在晉城、寧武、保德、韓城等地煤層氣區(qū)塊成功實(shí)施，煤層氣預(yù)抽效果良好[26-27]，特別是晉城煤層氣區(qū)塊內(nèi)的寺河煤礦SP-01羽狀水平井，單井產(chǎn)氣量基本穩(wěn)產(chǎn)在20 000 m3/d以上。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 煤炭規(guī)劃區(qū)地面煤層氣井預(yù)抽是高瓦斯礦井治理瓦斯的一條有效途徑，是實(shí)現(xiàn)采煤采氣統(tǒng)籌安排、協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)的一種綠色生產(chǎn)技術(shù)模式。

2) 地面煤層氣垂直井預(yù)抽技術(shù)和地面煤層氣U型井、V型井、L型井及羽狀水平井定向預(yù)抽技術(shù)是高瓦斯礦井煤炭規(guī)劃區(qū)治理瓦斯的兩大技術(shù)體系，選用適應(yīng)的地面煤層氣預(yù)抽技術(shù)是提高礦井瓦斯防治水平的關(guān)鍵。