井下煤層氣抽采工藝的優(yōu)化研究

甄少杰

（中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤層氣是影響煤礦井下綜采作業(yè)安全的關(guān)鍵因素，目前對(duì)井下煤層氣的抽采主要采用了鄰近層抽采、頂板鉆孔抽采、上隅角埋管抽采等方案[1]，但受到井下空間和地質(zhì)條件的限制較大，難以完全解決井下上隅角煤層氣突出的問題，給井下作業(yè)安全帶來了嚴(yán)重的影響。采動(dòng)區(qū)煤層氣地面井抽采技術(shù)是近年來新出現(xiàn)的一種煤層氣抽取技術(shù)，其能夠明顯的提升井下煤層氣的抽采效率，但目前缺少對(duì)地面井所涉及的采動(dòng)卸壓瓦斯移運(yùn)及抽采井結(jié)構(gòu)研究，而且應(yīng)用范圍較小。

以某礦為研究對(duì)象，對(duì)地面井煤層氣抽采機(jī)理、直井井筒布置方案、井身結(jié)構(gòu)方案等進(jìn)行了研究，形成了系統(tǒng)性的井下直井抽采工藝技術(shù)體系，不僅解決了覆巖裂隙帶瓦斯集聚難抽采的問題，而且解決了井下上隅角處瓦斯超限的問題，極大的提升了井下作業(yè)的安全性。

1 采動(dòng)區(qū)卸壓瓦斯移運(yùn)規(guī)律及負(fù)壓抽采要求

1.1 井下采動(dòng)區(qū)瓦斯移運(yùn)規(guī)律

某礦為單一煤層開采，其受采動(dòng)區(qū)域主要是指受開采煤層作業(yè)影響的區(qū)域，根據(jù)井下煤層回采階段及采動(dòng)裂隙的形成機(jī)制，井下采動(dòng)區(qū)的瓦斯移運(yùn)及富集區(qū)域可以分為5 個(gè)階段，每個(gè)階段狀態(tài)如圖1 所示[2]。

圖1 井下瓦斯移運(yùn)及富集狀態(tài)示意圖

階段Ⅰ。此階段內(nèi)瓦斯主要是以受采動(dòng)影響煤層內(nèi)的瓦斯吸附狀態(tài)為主，在煤層綜采擾動(dòng)的作用下逐步解吸并慢慢的向著游離態(tài)轉(zhuǎn)變。

階段Ⅱ。涌出的瓦斯主要是從被破壞的煤層處釋放出來的游離態(tài)的瓦斯為主，游離出來的瓦斯集聚在作業(yè)面狹窄的空間內(nèi)，然后會(huì)隨巷道內(nèi)的風(fēng)流進(jìn)入到回風(fēng)巷及井下巷道裂隙空間中。

階段Ⅲ和階段Ⅳ。這兩個(gè)階段內(nèi)的瓦斯主要是來源于采空區(qū)落煤裂解出來的瓦斯、煤壁及臨近作業(yè)面解吸的瓦斯，所形成的瓦斯主要以游離態(tài)存在并不斷的向作業(yè)面上側(cè)的空間處匯集、移運(yùn)。

階段Ⅴ。此時(shí)采空區(qū)大的垮落帶已處于壓實(shí)狀態(tài)，煤柱及臨近煤層表面的瓦斯已經(jīng)處于解吸平衡的狀態(tài)，在垮落帶內(nèi)的瓦斯基本上都會(huì)移運(yùn)到裂隙帶內(nèi)的“O”型圈空間進(jìn)行集聚。

1.2 地面井負(fù)壓抽采要求

地面井抽采瓦斯，主要是通過水環(huán)真空泵形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，在外界大氣壓的作用下裂隙帶內(nèi)集聚的煤層氣往負(fù)壓區(qū)移運(yùn)，然后通過地面井轉(zhuǎn)移到地面。在工作過程中抽采系統(tǒng)的壓損如式（1）所示[3]：

式中：h1為抽采管路內(nèi)的煤層氣移運(yùn)阻力，Pa；L 為抽采管路長度，m；Δ 為井下煤層氣對(duì)空氣的相對(duì)密度；K 為抽采阻力系數(shù)；d 為抽采管路的內(nèi)徑，m；Q 為抽采管路內(nèi)的混合流量，m3/h；P 為抽采管路內(nèi)的固有壓損，Pa。

由于在不同綜采階段，對(duì)井下煤層的綜采擾動(dòng)不一樣，因此在井下負(fù)壓抽采時(shí)，需要根據(jù)井下的采動(dòng)卸壓條件進(jìn)行調(diào)控。結(jié)合實(shí)際分析和驗(yàn)證，確定了直井抽采時(shí)的工藝流程為：在綜采位置和抽采直井的距離為50 m 時(shí)進(jìn)行負(fù)壓泵啟動(dòng)試抽，如果此時(shí)沒有出現(xiàn)煤層氣急劇上升的情況，則先停泵，然后每前進(jìn)一個(gè)循環(huán)（約6 m）便進(jìn)行一次試抽，直到抽采負(fù)壓、抽采量和煤層氣的濃度相對(duì)穩(wěn)定后可轉(zhuǎn)入正常的抽采。

2 采動(dòng)區(qū)直井布置及井身結(jié)構(gòu)方案

2.1 直井井身布置方案

采動(dòng)區(qū)地面直井應(yīng)該優(yōu)先布置在回采作業(yè)面回風(fēng)巷一側(cè)地面的沉降點(diǎn)與作業(yè)面中線之間的區(qū)域。在采動(dòng)區(qū)進(jìn)行抽采直井布置的要求如下[4]：

井筒布置位置應(yīng)該選擇在地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且有利于煤層氣抽采的區(qū)域；因?yàn)榫C采面上方覆巖深度不同，其剪切位移的最大位置也不相同。根據(jù)探測(cè)巖層的最大離層位移主要發(fā)生在離層的中間位置，因此為了保證直井井身的穩(wěn)定性，在進(jìn)行布置位置選擇時(shí)，需要將井筒布置在地面的沉降點(diǎn)與作業(yè)面中線之間的區(qū)域，提高穩(wěn)定性。采動(dòng)區(qū)直徑布置位置結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 采動(dòng)區(qū)直井布置位置示意圖

2.2 直井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于在采動(dòng)區(qū)的巖層會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致井身受力發(fā)生切斷、塌方等，因此為了提高井身的穩(wěn)定性，需要對(duì)直井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化，提高抗應(yīng)力變形能力。通過井筒的模擬破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)井身附近的巖層的剪切滑移位移量、離層拉伸位移量是導(dǎo)致井身發(fā)生破壞的核心因素。因此可以通過增加采動(dòng)區(qū)井身直徑，保證巖層發(fā)生位移后井身任然具有足夠的空間進(jìn)行瓦斯抽采。

同時(shí)，由于煤層氣的密度較小，因此在綜采作業(yè)的過程中煤層氣會(huì)逐步向著采場(chǎng)上方移動(dòng)。地面井抽采時(shí)主要是利用了采動(dòng)裂隙場(chǎng)的導(dǎo)通作用進(jìn)行抽采的，因此需要把采動(dòng)區(qū)地面井的生產(chǎn)套管設(shè)置在采動(dòng)裂隙場(chǎng)的上側(cè)。根據(jù)采場(chǎng)“豎三帶”分布范圍計(jì)算模型[5]，能夠較為精確的計(jì)算出不同礦區(qū)內(nèi)的采動(dòng)裂隙場(chǎng)高度，因此在進(jìn)行井筒設(shè)置時(shí)井筒的長度要能夠確保生產(chǎn)套管能夠穿過整個(gè)裂隙場(chǎng)的發(fā)育區(qū)域。地面井直井井身結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 煤層氣抽采工程應(yīng)用

某礦YCCD-02 煤層氣抽采井，設(shè)置在井下1201作業(yè)面，該作業(yè)面采用了分層開采的模式，作業(yè)面的長度為159.2 m，抽采井和開切眼的距離為600 m，和回風(fēng)巷的距離為40 m。根據(jù)對(duì)鉆井破壞規(guī)律研究，再結(jié)合井下瓦斯移運(yùn)及綜采擾動(dòng)范圍的分析，設(shè)置直井的一開處于井下基巖以下約30 m 的位置，套管則利用了J55 型API 套管[6]。二開設(shè)置在地表到裂隙帶上方的位置，為了增加抗變形能力，采用了抗剪切性極好的N80 套管[7]，同時(shí)在二開段采用了井筒加強(qiáng)技術(shù)，進(jìn)一步提升井筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。三開段的套管的透氣孔則處于煤層上方約6 m 的位置，三開段井身穿過煤層。

目前該煤層氣抽采井已經(jīng)在2018 年4 月26 日開始進(jìn)行煤層氣抽采，抽采純量最大為3.82 萬m3/d，運(yùn)行到2023 年1 月份后其平均抽采純量約為1.47 萬m3/d，平均抽采體積分?jǐn)?shù)為38.5%，井下煤層氣抽采數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

圖4 豎井瓦斯抽采數(shù)據(jù)匯總表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在采用新的直井井筒抽采技術(shù)后，井下煤層作業(yè)面回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降了57.7%，井下上隅角位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降了57.1%。在上隅角位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)僅有0.24%，比優(yōu)化前降低了77.5%，顯著的降低了井下作業(yè)面上的煤層氣濃度，極大的提升了井下綜采作業(yè)的安全性。

4 結(jié)論

井下采動(dòng)區(qū)瓦斯移運(yùn)可分為3 個(gè)過程。在未采動(dòng)時(shí)，瓦斯主要處于吸附狀態(tài)，在采動(dòng)卸壓作用下逐步轉(zhuǎn)向游離狀態(tài)；在采動(dòng)活躍大的區(qū)域，落煤后集聚在煤層中的瓦斯被釋放，并隨著風(fēng)流進(jìn)入到采場(chǎng)上方的裂縫空間；在采動(dòng)穩(wěn)定的區(qū)域，從臨近煤層所吸附的瓦斯通過豎向裂縫逐步集聚到“O”型圈裂隙內(nèi)。

采動(dòng)區(qū)地面直井應(yīng)該優(yōu)先布置在回采作業(yè)面回風(fēng)巷一側(cè)地面的沉降點(diǎn)與作業(yè)面中線之間的區(qū)域，同時(shí)需要對(duì)直井井身進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，提高抵抗應(yīng)力變形的能力。

新的抽采工藝能夠?qū)尉漠a(chǎn)氣量提升到1.47 萬m3/d 以上，將井下上隅角煤層氣的體積分?jǐn)?shù)降低77.5%，有效解決了煤層氣集聚對(duì)井下綜采安全的影響。