寺河井田下組煤煤層氣開發有利區優選及穿煤柱水平井井位部署

蘇善博, 張培河*, 李林, 周加佳, 王正喜, 李勇

(1.煤炭科學研究總院, 北京 100013; 2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司, 西安 710077)

煤礦區地面煤層氣開發工程受限于煤礦采掘規劃,保證其合理性和經濟性需要通過有利區優選、井位部署方法研究和工程地質條件分析等。針對寺河井田多煤層,高瓦斯等地質特點,從整體到局部層層遞進,環環相扣[1]。有利區優選是煤層氣開發的先決條件。首先采取地面與井下條件統籌分析的工作方法,優選出煤層氣開發的有利區塊,確定穿煤柱水平井煤層氣開發井位部署原則后對優選區塊進行穿煤柱水平井井位部署,并規避地質構造和地形交通等影響對部分井位微調,直至形成滿足全區要求的地面煤層氣開發工程部署方案[2]。科學、合理的井位部署方法,不僅要對單一影響因素進行分析,還應考慮多因素的綜合影響結果[3]。

目前針對煤層氣開發有利區優選經歷了從定性化到半定量化再到定量化的發展階段[4-5]。多層次模糊數學法是為各評價指標賦予權重,計算得分作為選區評價的定量依據,能夠很好地把定量分析與定性分析相結合,含有評價者的主觀判斷、經驗,通過一致性檢驗,有效的分析目標準則體系層次間的非序列關系[6-7]。多層次模糊數學評價模型的選區方法已被廣泛使用,其在鄂爾多斯盆地富黃地區延長組長9油層儲層評價[8]、沖擊地壓綜合評價[9]、準東地區煤炭氣化有利區預測[10]、盾構掘進適應性評價[11]、煤礦廢棄油井風險等級分類[12]、澳大利亞東部地區低煤階煤層氣有利區[13]、沁水盆地武鄉南區塊煤層氣有利區[14]、滇黔北探區煤層氣多層合采有利區[15]等多方面應用得到了較好的效果。但前人在煤層氣有利區優選應用中評價指標多集中在煤厚、煤層氣含量、滲透率、構造發育情況等資源條件和儲層條件兩方面,對地面煤層氣開發工程施工影響很大的工程地質條件并未包含在內。

在寺河井田多煤層發育區進行下組煤煤層氣開發有利區優選時,不僅要進行平面有利區優選,而且要考慮煤層底板采動效應。因此,現利用FLAC3D軟件模擬研究上組煤采動后下伏巖層應力變化;結合煤礦采掘部署,選取影響下組煤煤層氣開發不同選區評價指標,采用“層次分析法+模糊綜合評價法”的選區評價思路,構建適合于寺河井田下組煤煤層氣開發潛力評價指標體系,建立包含資源條件、儲層條件和工程地質條件在內的三級評價模型,為該區下組煤地面煤層氣開發工程提供一些借鑒。

1 研究區概況

寺河井田位于沁水盆地南部,北部和西部鄰近鄭莊煤礦,東北部臨近樊莊煤礦,南部鄰近晉圣和岳城煤礦,是目前中國煤層氣開發的重點區域。井田主要含煤地層是石炭-二疊系太原組和山西組,共含煤15層,其中3、15號為主要可采煤層,9號除西區局部可采,其余為不可采煤層。15號煤層位于太原組下部,厚度為1.80～5.45 m,多在2.5～3 m。現分為東西兩個獨立盤區(獨立生產系統),煤層硬度高,煤體結構簡單,總體上屬于地質構造簡單類,研究區構造如圖1所示。

圖1 區域構造圖Fig.1 Regional tectonic map

采用斜井盤區式開拓方法,走向長壁綜合機械化采煤開采3號煤層,部分3號煤區域已經成為采空區,3號煤采空區范圍如圖2所示,未來規劃開采下組煤15號煤層。

圖2 寺河井田3號煤采空區范圍Fig.2 Range of No. 3 coal mining area in the Sihe Mine

根據已有的煤層氣含量測試結果:3 、9 、15 號煤瓦斯含量多在20 m3/t以上,且9、15號煤平均瓦斯含量均高于3號煤層。寺河井田15號煤層氣含量圖如圖3所示。

圖3 寺河井田15號煤層氣含量圖Fig.3 Map of the No. 15 gas content of Sihe Mine

2 數值模擬分析

根據寺河井田3、9、15號煤層工程地質條件,利用數值模擬軟件,建立模型模擬上組煤開采,在推進不同位置時下組煤的應力分布及位移變化情況。

2.1 建立地質模型

基于工作面實測鉆孔柱狀圖,采用FLAC3D軟件進行模擬,建立幾何力學模型,模型長、寬、高尺寸為500 m×500 m×200 m,地質模型如圖4所示。高度設置為200 m,從地面到模型的底部設定為500 m,即模型建立在地下300 m處。

圖4 地質模型Fig.4 Geological model

在進行地質采礦模擬之前,為保證該模型能實現其自身的重力平衡,必須對該模型進行初始地應力處理,垂直應力計算公式為

Q=rΔH

(1)

式(1)中:Q為上覆巖層載荷,N/m2;r覆巖平均容重N/m3;ΔH為模型頂板距地面距離,m。

上覆巖石平均容重取25 000 N/m3,因此對頂部表面施加的壓力是25 000×300=7.5 MPa。表1列出各巖層物理性質參數。

表1 煤巖儲層物理性質參數

將模型的第5層規定為15號煤層、第13層規定為9號煤層、第24層規定為3號煤層模型。本次數值模擬選用Mohr-Coulomb模型。

2.2 模擬結果分析

3號煤工作面推至不同位置時下伏巖層垂直應力變化云圖如圖5所示。可以看出在上覆煤層開采后,煤層底板會向采空區方向發生移動和變形,地應力重新分布,同時卸壓使得附近圍巖的透氣性增大,在垂直方向上底板卸壓存在一定的范圍。在寺河煤礦3號煤層開采高度6 m條件下,不同推進長度導致下伏巖層垂直應力分布變化不同。

圖5 3號煤層開采應力云圖Fig.5 No.3 coal seam mining stress contour

上組煤回采后,底板巖體經歷了壓縮-卸壓膨脹-重新壓實3個階段。隨著3號煤層工作面自開切眼不斷推進,下伏圍巖卸壓范圍伴隨上組煤開采面積的增加而增大。根據模擬結果,下伏圍巖卸壓最大深度可達158 m,3號煤層距離9號煤層約48 m,距15號煤層約84 m。3號煤層回采使得下伏巖層出現了明顯的卸壓情況,9號煤層和15號煤層在3號煤層開采的卸壓范圍以內。

3 綜合評價模型

煤層氣有利區綜合評價根據相應的評價目標要求以及評價因素的相互關系建立具有不同層次的評價指標體系[16]。下組煤煤層氣開發是一項系統工程,其開發過程與諸多因素有關,應重點關注以下兩個方面。

(1)資源潛力可行性。資源是地面開發的先決條件,地面煤層氣開發需要一定規模的資源做支撐,如果資源量規模過小,地面煤層氣開發可能不具備可行性。

(2)開發工程可行性。煤層氣開發要求所在地區的地質、儲層等條件必須要滿足目前煤層氣開發工藝技術的要求。對煤礦區下組煤煤層氣開發而言,煤礦采掘部署以及由此引起地質、儲層條件的變化對煤層氣開發工程的影響等。

根據寺河煤礦煤炭采掘現狀,結合穿煤柱煤層氣開發工程相關要求,按照資源潛力可行性、開發工程可行性的目標層評價,采用層次分析法,建立采動區下組煤煤層氣開發潛力評價指標體系AA包含資源條件B1、儲層條件B2及工程地質條件B3在內的采動區下組煤煤層氣資源三級評價模型;基于對寺河井田煤田地質、煤層氣地質資料及開發數據的分析,對東五、六盤區及西一、二、三盤區等五個盤區做出評價。其中資源條件B1包括氣含量C1、埋藏深度C2、煤層厚度C3;儲層條件B2包括頂底板巖性C4、構造復雜程度C5、水文地質條件C6;工程地質條件B3包括煤炭采掘規劃C7、上組煤采空比C8(上組煤采空區面積與區塊面積的比值)、地表施工條件C9。

研究區在資源條件和儲層條件上具有相似性,但也存在一定的差異。在遵循客觀性和評價主體的特殊性兩大原則的基礎上,邀請有關專家對指標進行兩兩打分,建立同指標參數間的判斷矩陣。利用MATLAB軟件計算判斷矩陣的最大特征值λmax及其對應的特征向量,各指標的權重如表2所示。

表2 下組煤煤層氣資源評價各指標權重

表3 各層次系數總排序

應用模糊矩陣的復合計算,得到有利區的模糊綜合評判矩陣,采用十分制進行量化處理,將每個盤區的評價指標的量化值與采動區下組煤煤層氣開發潛力評價指標體系中三級指標構成的權重系數乘積相加得到賦值加權求和值,從而得到最終的評價結果,下組煤煤層氣有利區優選結果如表4所示。

表4 下組煤煤層氣有利區優選結果

從表4看出:按照煤層氣開發的有利程度,寺河井田5個盤區的順序為:東五盤區、西二盤區、西一盤區、西三盤區、東六盤區。即:東五盤區的綜合排序系數最大,煤層氣開發潛力大,是寺河煤礦部署下組煤地面煤層氣開發的優選區。因此,設計下組煤煤層氣抽采首先在東五盤區進行。

4 下組煤煤層氣開發井位部署方法

目前地面煤層氣開發主要有直井、定向井、水平井等開發方式,每種方式對地質、儲層和地形等條件的適應性不同。寺河井田地質構造簡單、煤層厚度穩定、埋藏深度適中,水平井煤層氣開發條件有利。另外,近年來,水平井以地形適應性好、產量高、后期管理方便、綜合成本低等優勢,為業界廣泛應用。因此,本次寺河井田的下組煤煤層氣開發首先考慮采用水平井方式。

4.1 部署原則

考慮寺河井田煤炭采掘規劃、目前區內煤層氣開發現狀、礦區煤層氣地質條件等,合理地優化設計試驗井位置,采取“整體規劃、分步實施、過程調整、動態評價”的策略進行煤層氣開發部署[17],試驗井井位部署原則如下。

(1)立足本礦區煤層氣資源,服務煤礦安全生產、降低瓦斯含量。

(2)與煤礦生產采掘規劃部署緊密結合,且與煤礦生產緊密銜接。

(3)選擇下組煤煤層氣資源富集區,將水平井段布置在有利區內。

(4)優先考慮深度適宜、煤層厚、分布穩定且發育穩定區域布井。

(5)煤儲層條件滿足煤層氣水平井開發工程施工要求。

(6)直井段避開3號煤采空區及開采大巷,減少鉆井工程施工難度。

(7)地形條件適宜,供水、供電等條件方便;有利于礦區持續發展,充分考慮煤炭及煤層氣資源的合理有效利用。

4.2 優化設計

礦井采用斜井盤區式開拓方法,走向長壁綜合機械化采煤法,頂板管理為自然垮落法,采煤后采空區上覆巖層出現明顯的彎曲、離層和垮落,自上而下形成彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶;下伏巖層形成底鼓裂隙帶、底鼓變形帶。采煤后會在終采線設置密閉墻,用于封閉已完成回采的工作面,由于密閉墻的支撐作用,處于終采線附近的采空區上覆巖層不易垮塌。同時結合“O”形圈理論,認為回采邊界處的煤柱是比較理想的下組煤地面煤層氣布井位置,不僅能避免煤層氣井影響煤炭回采的問題,而且可使煤炭回采對鉆孔井筒的影響程度最小。同時水平井對于薄煤層開發效果好,薄煤層使用直井開采接觸面積小,產量較低,經濟效益差,水平井能夠顯著提升開發效益。在考慮煤層氣開發目的和地質條件的基礎上,結合煤炭采掘部署,合理進行井位設計。

煤層氣井位部署及設計需要降低對煤炭生產的影響、最大限度地提高氣井服務年限和提高采收率。水平井設計考慮的關鍵要素及內容如下。

(1)水平井方向。水平井方向主要考慮兩個因素,一是有利儲層展布特征,盡量沿有利儲層展布方向部署水平井。二是考慮最大水平主應力分布情況,通常垂直最大水平主應力方向布井,因為垂直于最大主應力方向,壓裂時裂縫延伸最遠,儲層改造效果最好,增加地層流體向井筒的滲流能力。

(2)水平段長度。水平段長度決定了單井井控儲量范圍,水平段長度與產量成正比。水平段長度設計首先要考慮的就是地質條件,有利儲層分布范圍是否滿足水平段實施要求,在地質條件允許情況下,選擇合適的水平段長度。

(3)水平井間距。由于工作面寬度的限制,在垂直于工作面走向上,布井間距應與工作面和巷道寬度一致,同時為避免縫間干擾,使煤層氣開發井網覆蓋區域最大化,水平井段間距應在250 m左右。

(4)水平井軌跡。根據目前鉆井技術,以鉆中短半徑水平井為目標,設計靶前距在210～260 m之間。由于3號層煤和15號煤層間距范圍是確定的,穿煤柱下組煤煤層氣抽采的鉆井設計不僅需要考慮水平井的靶點位置,而且要充分考慮3號煤層和15號煤層間距引起的鉆井軌跡設計難度。由于煤柱的位置是確定的,而且煤礦上組煤開采對周圍巖體造成巖層移動、裂隙發育等情況,使得井眼軌跡的優化設計至關重要。設計的水平井軌跡應盡可能避開斷層帶,同時要滿足鉆井施工等要求。

根據上述確定的穿煤柱水平井開發部署原則,水平井設計考慮的關鍵要素及內容等,設計寺河井田東五盤區穿煤柱抽采下組煤煤層氣水平井,共設計水平井15口,井位設計圖如圖6所示。

圖6 井位設計圖Fig.6 Well design drawing

5 工程試驗及效果分析

在東五盤區設計的煤層氣井中選取一口水平井開展了下組煤煤層氣的抽采試驗。設計下組煤穿煤柱煤層氣水平井,鉆井采用三開結構,三開下入生產套管不固井,壓裂開發油管拖動大排量水力噴射壓裂一體化設備,排采設備選用螺桿泵,通過采用“大井斜扶正+雙保接箍降偏磨+導向器降扭矩損耗”工藝[18]。至2021年6月,最高日產氣量9 522 m3,14個月內累計產氣量220×104m3,產氣效果理想。

6 結論

(1)通過對寺河井田的系統評價研究,利用FLAC3D軟件模擬,建立煤層底板采動效應地質模型,開展針對性的研究上組煤采動后下伏巖層應力變化,數值模擬結果表示,下伏巖層最大破壞深度可達底板以下158 m,太原組9號煤層和15號煤層都處在卸壓范圍內。

(2)根據下組煤煤層氣開發的相關影響因素,分級構建下組煤煤層氣開發潛力評價指標體系;結合層次分析法確定不同指標的權重,利用模糊數學的方法建立評價矩陣,從而確定其相應的加權求和值,預測評價下組煤煤層氣水平井開發的有利區為東五盤區。

(3)結合寺河井田實際條件,確定本區煤層氣水平井井位部署原則,分析下組煤煤層氣井位優化的關鍵要素和內容,優化部署15口穿煤柱抽采下組煤煤層氣水平井,選取一口水平井開展了下組煤煤層氣的抽采試驗,工程試驗效果良好。