基于煤层气与煤炭协调开采的地面煤层气布井理论探讨_韩保山.pdf

第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY coalbed methaneCBM; development; layout 我国煤层气资源丰富， 高瓦斯、 瓦斯突出矿井多， 煤层气抽采一直是煤矿区工作的重心所在。众所周 知，煤矿区煤层气抽采兼有资源、安全、环保等综合 效益。 长久以来， 煤矿区煤层气抽采主要通过井下抽 采和地面开发两种方式， 一种为主或两种兼存。 由于 井下瓦斯抽采存在许多不利因素和安全隐患， 地面开 发被认为是煤层气开发和煤矿瓦斯事故治理的最佳 途径[1-2]。煤层气地面开发经过几十年的探索与实践 活动， 其开发活动已基本遍布全国， 并初步形成了几 个成功的煤层气商业化开发示范区[3]。 不同于美国、加拿大等国家，我国煤矿区地面煤 层气开发在全国煤层气开发数量中占据比较大的比 例，在某种程度上煤层气开发与煤炭开采达到了协调 化[4-7]。然而，随着近年来煤层气地面勘探开发活动逐 渐由煤矿远景规划区转入近期开采区，以及煤炭井下 开采活动进入之前煤层气地面开发区域，煤层气开发 ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 46 卷 与煤炭开采相互影响的不利因素日益彰显突出，例如 井下采煤遇到煤层气井时的安全开采问题、煤层气井 的稳定性问题等。可以看出，煤层气地面开发与井下 煤炭开采在保持一定距离之前，能实现互相促进、协 调开采的效果，在近距离接触时则存在互相影响、互 相破坏的问题。笔者在分析二者相互负面影响的基础 上，提出相应的解决办法和对策，为我国煤矿区煤层 气开发、煤炭安全开采提供技术支持。 1 地面煤层气开发对煤炭安全开采的影响 煤层气地面开发井多数采用套管射孔、水力压 裂方式，完钻位置一般位于煤层之下至少 50 m，煤 层中存有套管、水泥环和大量的支撑剂支撑剂常见 为石英砂。此外，水力压裂改造煤层时，压裂裂缝 很可能会穿过煤层的顶板和底板，导致顶板和底板 破裂。总结认为，地面煤层气井对煤炭回采的影响 主要包括 4 个方面a. 煤层中套管和水泥环、支撑 剂对采煤机械的损害；b. 金属碰撞产生的火花引发 火灾等灾害；c. 石英砂支撑剂对煤质的影响；d. 压 裂对煤层顶板和底板破裂增加的矿井管理风险。 1.1 套管和水泥环、支撑剂对采煤机械的损害 水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主 要手段。在我国煤层气勘探开发实践中，几乎所有 产气量 1 000 m3/d 以上的煤层气井都采用了水力压 裂改造方式，这样势必在煤层中留存了套管和水泥 环等外来物质。 目前煤层气井使用的套管主要是 N80 或 J55 无 缝钢管，其机械强度和韧性远高于煤炭表 1。然而 目前国内采煤机械选材和性能参数设计一般按照煤 炭的强度，对钢质套管的切削能力相对较弱。当采 煤机械遇到煤层气井套管时，会导致扭矩增大，影 响采煤工作效率，严重时可能损坏采煤机械。 表 1 煤层气井常用套管、水泥环和煤炭强度对比 Table 1 Comparison of commonly used casing, cement sheath and coal strength of CBM well 材料 规格 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa N80套管外径壁厚[8] Ф139.7 mm7.72 mm 53.37 15.48 J55套管外径壁厚 [8] Ф139.7 mm7.72 mm 36.68 10.18 凝结水泥环[9-10] G 级 17.3 1.44* 煤[11] 11.45 0.35 注*水泥抗拉强度等于其抗压强度的 1/12[8]。 煤层气固井一般选择 G 级水泥并添加一定比例 添加剂，水泥环的强度虽然比钢套管小，但相对煤 层来说也难以切割表 1， 因此也存在采煤机械快速 磨损、甚至损坏的问题。此外，水泥环被破坏时， 可能会引发地层间水体沟通，对煤炭开采也存在一 定安全影响。 1.2 金属碰撞问题 随着煤炭开采的机械化程度越来越高，采煤过 程中石块与金属、煤与金属、金属与金属间摩擦、 碰撞所产生的火花也越来越多，引燃瓦斯爆炸的事 故时有发生。有效控制采煤作业中火花的产生，始 终是煤矿安全生产中必须解决的重大问题。地面煤 层气井留存在煤层中的金属套管，无疑增加了金属 碰撞的几率和产生火花的可能，为煤矿生产增添了 不安全因素。 1.3 压裂砂对煤质的影响 压裂过程中，通常情况下每米煤层加石英砂的 量高于 5 m3，包括粗砂、中砂、细砂或粉砂。煤层 压裂后，通常会在煤层内产生复杂的裂缝包括多条 分支裂缝和水平缝，极容易在井筒附近形成大量的 砂子堆积[12]。 当含大量石英砂的煤炭进入洗煤场时， 不仅会影响煤炭洗选的效率，造成洗选困难，一定 程度上也降低了煤炭质量。 1.4 压裂对煤层顶板和底板的破坏 煤层气地面开发井压裂施工后通常生成垂直 缝，裂缝不仅仅局限于在煤层中延伸，多数情况下 会将煤层的顶板和底板岩层压开[13-14]。目前，中国 的采煤方法大部分为综采放顶技术，开采煤炭时顶 底板按一定的规律破断、垮落；当煤层气井压裂造 成煤层顶底板破裂后，这种周期性的、有规律的岩 层破断、垮落被打乱，造成岩石无规律垮落，增加 了煤炭开采的顶板维护管理难度。 2 煤炭开采对煤层气井的影响 煤炭开采过程中利用地面煤层气井作为抽采通 道， 则必须考虑煤炭回采对井筒完整性和可靠性的破 坏。 煤炭采出导致上覆岩层失去支撑， 放顶后开始垮 落。岩层破断理论研究表明，岩层强度不同，其破断 时间也不同， 致使不同层位岩石破断、 垮落或下沉的 不同步，并在很多位置形成离层现象[12]图 1。 ChaoXing 第 3 期 韩保山 基于煤层气与煤炭协调开采的地面煤层气布井理论探讨 61 图 1 煤炭开采过程中岩层破断前离层现象示意图[12] Fig.1 Schematic separated layer before ation fracture during coal mining 地面煤层气井筒采用固井等手段固定在各层岩 石上，当岩层不同步下沉时，套管不同部位受到不同 大小的垂直拉应力；当拉应力大于套管的强度及套管 与地层的固结强度时，就会发生套管拉断现象，严重 时导致全部固井段水泥环与套管或水泥环与岩层发生 串动现象，致使整个井筒固井全部失效图 2。 图 2 岩层不同步破断对煤层气井筒破坏示意图 Fig.2 Schematic destruction of CBM wellbore by out-sync fracture of ation 当岩层发生垂向移动时，岩石的弹性和延展性 使得岩石在下沉时拉伸或延长变形。由于各层岩石 力学性质存在差异，岩层发生水平位移或旋转；并 且由于各岩层间黏结强度较弱，导致不同岩层间产 生错动。最终对煤层气井筒产生挤压和剪切应力， 套管被挤毁，内部通道封闭，流体通过受阻；严重 时直接造成套管错断，套管被彻底破坏图 3。 图 3 岩层错位破断对井筒破坏示意图 Fig.3 Schematic destruction of wellbore by dislocation fracture of ation 3 煤矿区煤层气开发布井方法 针对煤矿区煤层气地面开发与煤炭开采存在相 互不利影响的问题，煤层气开发工作者提出了很多 比较有针对性的解决措施，例如为解决金属套管对 采煤机械的破坏以及可能产生火花引发灾害等问 题， 煤层气井筒采用了玻璃钢套管或裸眼完井方式， 有的则在作业后期取出回收套管；为解决压裂工艺 和支撑剂石英砂对采煤的影响，采用多分支水平井 方式进行储层改造；为避免采煤过程中对煤层气井 套管的拉断等破坏问题，在井筒某一层段采用无固 井筛管完井等方式。但客观分析，这些措施仅能解 决某一环节或某一过程的问题，不仅不能从根本上 消除煤层气开发与煤炭开采相互影响中的负效应问 题，而且由于煤层气开发工程是一个前后衔接性比 较强的系统工程，这些方法从一定程度上降低了煤 层气的整体开发效果。 可以看出，煤矿区煤层气地面开发“羁绊”太 多，严重影响了煤层气开发进程和强度，也使得煤 层气开发服务于煤矿安全开采的价值大打折扣。分 析认为，为从根本上解决煤矿区煤层气地面开发与 煤炭开采负效应影响问题，煤层气开发应在掌握煤 炭开采活动规律的基础上，从井位部署阶段即采取 针对性的措施，以最大程度的降低二者之间的不利 影响。 3.1 煤层气井布置原则 结合煤层气地面井位部署的其他影响因素，本 次提出了煤矿区煤层气地面开发井位布置的优先考 虑原则 ① 煤层气井位部署应密切结合煤矿采掘及生 产计划及后期煤矿安全高效生产。 ② 煤层气井需满足长期有效抽采煤矿煤层气 瓦斯的目的。 ③ 煤层气开发方式与工艺的选择应综合考虑 地质构造与水文地质条件。 ④ 煤层气井位部署应保证有一定的施工地形 与交通条件。 3.2 布井位置选择 从理论上讲，为了避免煤层气井对煤炭回采的 影响，应将钻孔布置到采煤活动范围之外，例如煤 矿的煤柱或停采线和开切眼之外等位置。而为了尽 量避免煤炭回采产生的岩石移动对煤层气井筒破 坏，需将钻孔布置到岩石移动量最小的位置，即采 动影响边界之外。此外，考虑到采动区卸压瓦斯抽 采的实际需要，应将地面抽采钻孔布置到采动裂缝 最发育的地方，即“O”型圈内。 根据“O”型圈理论图 4，采空区中部位置的 覆岩主要发生垂向位移，而且位移量和变化最大， 对位于其中的地面井井筒的拉伸破坏最严重； 同时， 由于煤炭开采必然揭露位于此位置的地面钻孔，对 煤炭回采的影响也不可避免；另外，由于重新压实 的现象，采空区中部位置的覆岩中裂缝很快会被重 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 46 卷 新压实，而且以水平离层裂缝为主，不利于进行采 动区卸压抽采。因此，采空区中部位置不适合于布 置地面钻孔。 “O”型圈内，覆岩发生了比较复杂的 移动，包括下沉、断裂、扭转、错位移动等，在其 布置地面钻孔进行卸压抽采，由于与产气层的沟通 最好，抽采效果较好[15-18]；然而，此位置的覆岩移 动非常剧烈且相当复杂，对地面钻孔的破坏也最为 严重，导致钻孔寿命很短；并且也存在对煤炭回采 的影响问题。对于采动边界以内、 “O”型圈以外区 域， 覆岩虽也有比较复杂的移动， 在强度上虽较 “O” 型圈内弱，但也存在对地面钻孔的严重破坏和钻孔 对煤炭回采的影响问题， 且采动区抽采效果并不理 想。 采动边界以外区域， 岩层变形和移动程度最小， 产生的裂缝系统以垂直裂缝为主， 未发生大的垂向 位移；地面钻孔布置其中不会影响煤炭回采，且采 煤活动对钻孔破坏也最小；但由于采动影响不充 分，采动区卸压抽采效果差，需采用水力压裂或水 平分支钻孔等方式预先将抽采目标位置与钻孔井 筒沟通。 图 4 “O”型圈内离层率等值线图[15] Fig.4 Contours of separated layer rate in “O”- shaped ring 煤矿回采过程中，为了满足矿井安全生产，在 回采边界处留存了煤柱。综上分析，认为回采边界 处的煤柱是比较理想的地面煤层气井布置位置，不 仅能避免煤层气井影响煤炭回采的问题，而且可使 煤炭回采对钻孔井筒的影响程度最小。 由前面分析可知，水力压裂完井方式会对煤层 的顶底板和煤质产生不利影响，因此在条件允许的 情况下尽量采用水平井方式。而对于临近不可采煤 层或可采煤层，可在完井时将这些煤层打开，并首 选水平钻孔方式抽采。但据晋煤集团某矿揭露的地 面煤层气井压裂实际情况， 发现在距离钻孔 10 m 半 径范围内，煤岩层只产生了两条压裂裂缝，煤体 并没有破碎； 而距钻孔 10 m 半径以外处煤层破坏严 重，煤体完全破碎，且丧失了支撑能力。因此，在 煤柱条件允许的情况下也可使用水力压裂强化增产 措施。 4 结 论 本文分析了煤层气地面开发对煤炭开采、煤炭 开采对煤层气抽采的不利影响和控制机制，结合煤 炭开采“O”型圈理论，提出了煤矿区煤层气井部 署考虑的优先原则，并在研究煤炭开采不同区域煤 层气布井可能性的基础上，提出了煤矿最理想的煤 层气布井位置。 a. 煤层气地面开发对煤炭开采主要不利影响 体现在煤层中套管和水泥环、支撑剂对采煤机械 的损害，金属碰撞产生的火花可能引起井下着火， 石英砂支撑剂对煤质的影响，压裂对煤层顶板和底 板的破坏；煤炭开采对煤层气的不利影响主要为煤 炭回采对井筒完整性和可靠性的破坏。 b. 煤矿区煤层气井位部署应首先结合煤矿采 掘与生产规划进行设计，并以实现长期高效抽采、 “一井多用”为目的。 c. 煤矿回采边界的煤柱是地面煤层气钻孔比 较理想的布置位置，在条件允许情况下，应首选水 平井抽采方式。 参考文献 [1] 贺天才. 晋城寺河矿井煤层气抽采实践与展望[J]. 中国煤层 气，2005，2316–18. 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