贵州省煤层气(瓦斯)开发适用性技术分析_徐晓乾.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Mine Safety Science Research Institute of Guizhou Province, Guiyang 550025, China; 3. Guizhou Province Engineering Technology Research Center for Coal Gas Prevention First mining seam should be optimized for soft and low permeability coal seam group, CBM drainage effect is better after mining pressure relief. At the same time, the integral application of the techniques such as directional long borehole, “replacing roadway with hole“, casing in whole soft coal seams, fracturing of low permeability coal seams by CO2 phase transition and hydraulic cutting should be enhanced. It is proved that the effect of gas extraction can be effectively enhanced. Keywords CBM; coal seam gas; gas drainage; loose and low permeability; thin coal seam group ChaoXing 第 6 期 徐晓乾等 贵州省煤层气瓦斯开发适用性技术分析 9 贵州省享有“江南煤海”之誉，煤层气资源亦十 分丰富，资源量达 3.15 万亿 m3[1]。贵州省编制了煤 层气煤矿瓦斯开发利用“十三五”规划， 出台了黔府 发〔2017〕9 号文件以指导贵州地区煤层气产业的 发展。贵州地区煤层瓦斯具有低渗、高吸附性的特 征[2]。为探索煤矿区井下煤层瓦斯开发利用方法[3-4]， 提高煤层瓦斯抽采率[5-7]，诸多学者对煤层瓦斯开采 过程中遇到的问题进行研究[2, 8-11]。但是，贵州地区 煤层气开采条件复杂且区域差别大，不同区域及条 件下适用性技术要求不同。本文面向这一问题，结 合生产实际，针对不同地区及生产条件提出相适用 技术，以期为贵州地区煤层气开发提供参考。 1 贵州省煤层气发展现状 1.1 资源赋存情况 贵州省煤层气资源主要分布在西部六盘水市、 毕节市、 遵义市和黔西南州， 整体上具有“西部富集、 东部、北部和南部相对较少”的分布特征。根据贵 州省煤层气资源潜力预测与评价2012 年，贵州 省煤层气资源量汇总见表 1[12]。 表 1 贵州省煤层气资源量汇总[12] Table 1 The summary of CBM resources in Guizhou 煤层气资源量 资源丰度/亿 m3km–2 煤田 地质资源量/亿 m3 全省占比/ 可采资源量/亿 m3 全省占比/ 地质资源丰度 可采资源丰度 六盘水 13 895.26 45.47 6 560.79 47.57 2.26 1.07 织纳 7 002.80 22.91 4 415.43 32.02 1.41 0.89 贵阳 1 231.77 4.03 202.01 1.46 0.41 0.07 黔北 7 392.15 24.19 2 075.72 15.05 0.66 0.19 黔西北 121.79 0.40 62.93 0.50 0.23 0.12 兴义 918.09 3.00 474.38 3.40 0.65 0.34 合计 30 561.86 100.00 13 791.26 100.00 1.12 0.51 1.2 开发利用现状 贵州省已建设的地面瓦斯抽采站有 1 200多座。 根据贵州省能源局数据，20142016 年，贵州省煤 矿瓦斯抽采量依次为23.53 亿 m3、24.53 亿 m3和 23.13 亿 m3。 截至 2016 年底，贵州省瓦斯发电装机规模 34.37 万 kW，民用 1.52 万户，瓦斯发电用量占总利 用量的 97。为了进一步延长煤矿瓦斯产业链，提 高瓦斯利用率，在贵州金佳煤矿建设 1 座压缩天然 气CNG提纯厂，设计规模为 28 万 m3/d，在山脚树 煤矿建设 1 座液化天然气LNG液化厂。 根据贵州省煤层气煤矿瓦斯开发利用“十三 五”规划及黔府发〔2017〕9 号文件，“十三五”期 间，将重点建设六盘水、毕节和遵义三大煤层气产 业基地， 已开展地面勘探工作的 10 个主要煤层气区块 估算煤层气资源量 2 340 亿 m3，具备建设 10 亿 m3/a 产能的条件，开发潜力大。 1.3 资源开发难点 贵州省煤层气赋存地质条件具有富水性弱，构 造类型与煤层层数多[13]，瓦斯含量、资源丰度、瓦 斯压力与地应力高，瓦斯资源量、煤阶、煤层渗透 性变化大及地质条件垂向变化大的特点。开发难点 主要有① 煤层弱含水，常规煤层气排采技术效果 较差；② 煤层层数多且薄，煤层气开采目标层选择 难；③ 地质构造复杂，煤层产状变化大，煤体结构 类型复杂，钻井施工难度大；④ 煤层透气性差，煤 层气井排采效果差；⑤ 煤矿区地形相对复杂、起伏 变化较大，地面钻井施工选址难。 总体来说，贵州煤层气赋存有其自身的特点， 简单采用国内常用方法将很难达到预期目标。 因此， 需要结合贵州煤矿区及煤层气赋存特点研究与之相 匹配的开发方式及开采工艺。 2 煤层气瓦斯开发技术分析 2.1 煤层气地面开发技术 结合贵州省上二叠统煤层赋存特征，已初步形 成了一套适用于贵州地质条件的煤层气开发技术体 系，以下技术值得推广和借鉴。 2.1.1 钻完井工艺技术 ① 一开快速钻井技术 贵州地区一开钻遇地 层主要为永宁镇组、飞仙关组的灰岩地层，岩溶、 裂隙发育，地层复杂[14]，使用水力钻进易出现压裂 液漏入岩溶裂隙中，造成漏失影响施工，因此推荐 使用空气钻钻进，在避免漏失问题的同时又可防止 伤害储层，起到保护储层的作用，缩短钻井周期， 工艺流程见图 1。 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 1 一开快速钻井工艺流程示意图 Fig.1 Schematic diagram of rapid drilling process of the first interval ② 煤储层保护钻井技术 贵州煤储层多具有 机械强度低、应力敏感性强、微裂缝分布广等特殊 性，钻井过程中易受到钻井液及钻井压力的损害， 影响煤层气开发效果， 应采取煤储层保护钻井技术， 以提高钻井效率[15]。 ③ 复合导向钻井技术 贵州地区地层倾角变 化大，倾角普遍为 1060，区块之间差异性大，此 外受层状结构、地层不均质性、岩层的软硬交错以 及断层的影响，煤层气井身质量控制困难。 因此，贵州地区推荐采用 MWD螺杆复合导向 钻井技术主动控制井斜，及时跟踪测量井斜方位。 毕节地区 201-2-X2 井采用该钻井技术及工艺， 在钻井 指标符合设计要求的前提下，完井周期仅为 6.25 d， 刷新了贵州煤层气井完井周期最快纪录。 ④ 水平井钻井技术 煤层气水平井是一种 成本不高但增产效果好的技术，可增加煤层有效 供给范围，提高地层导流能力，且受地表条件限 制较小；单井产量高，便于管理。织金县珠藏向 斜实施水平井织金 2U1P，试采日产量达 5 000 m3 以上。通过在珠藏向斜区域的宏发煤矿及金龙川 煤矿现场考察，发现该区域 M21、M23 煤层多以 钙质细砂岩为顶板，局部为泥岩或粉砂质泥岩作 为伪顶，顶板赋存条件好，地层倾角为 6，区域 地层未受大的构造破坏；整体封盖效果较好， M21、M23 煤层属无烟煤二号，坚固性系数多大 于 0.82，煤层较硬，瓦斯含量高且透气性较好， 一旦打开卸压通道，易实现高产效果。因此，通 过分析开采地区地质地层情况，在类似地质区域 推荐采用水平钻井技术。 2.1.2 多薄煤层分层压裂改造技术 贵州地区多为煤层群赋存，但煤层厚度普遍不 高，大多数煤层厚度小于 2 m，为了提高储层资源 的开采率，在毕节地区及六盘水地区推荐采用直井 多薄煤层分层压裂改造技术。 ① 光套管合层压裂技术 对于多个临近薄煤层但累计厚度又比较厚的煤 层段，可以采用合层压裂，实现节本增效。合层压 裂要求各改造层物性特征和应力特征相似，或者通 过限流技术改造储层特征[16]。 ② 可捞式桥塞分段压裂技术 采用可捞式桥塞分段压裂技术，即每压裂完一 段进行下段压裂时下入桥塞，整口井各层段全部改 造完成后，统一打捞取出桥塞，示意图见图 2a。 图 2 分段压裂示意图 Fig.2 Schematic diagram of segmental fracturing ③ 连续油管水力喷射分段压裂技术 利用连续油管带底封输送射孔器到达指定位 置，实现自动坐封，进行水力喷砂射孔，并通过环 空注液进行水力压裂，示意图见图 2b。 贵州天然气能源投资股份有限公司在 “十二五” 期间施工应用的井有预探井大 2 井、枫 2 井。大 2 井通过连续油管分层压裂共 5 段，施工周期短，排 采效果好，压裂液累计返排率 39.3，最高产气量 达 1 600 m3/d。枫 2 井共压裂 3 段，压裂液累计返 排率 26，最高产气量达 1 000 m3/d。 织纳矿区龙潭组为区内含煤地层，属海陆交替 相沉积，含煤层 3040 层，一般为 35 层，总厚度 1728 m，含煤系数为 7.5，区域煤层赋存稳定且 瓦斯含量高，透气性好，多数煤层坚固性系数整体 较高，通过水力喷射射孔进行水力压裂，裂隙改造 效果较好。对于其他矿区类似储层条件下，避开构 造影响，可采用该技术。 2.1.3 防煤粉压裂技术 贵州地区断层、褶皱等构造普遍发育，多数煤 层受构造运动影响煤的坚固性系数较低，易出现粉 煤堵塞缝隙影响采气效果。可通过在煤层和顶板同 时射孔压裂，使裂缝在顶板和煤层中同时延伸，减 少煤粉产出，提高裂缝长度和延伸范围；通过水力 压裂在煤层顶板中形成“高速通道”，使煤层水渗流 进入顶板裂缝，再经裂缝流入井筒，增大降压面积， ChaoXing 第 6 期 徐晓乾等 贵州省煤层气瓦斯开发适用性技术分析 11 提高排采效率。该技术适用于煤层松软、瓦斯含量 较大，但顶板赋存较好的储层，而在三软煤层因裂 隙在顶板延伸难以有效掌控，其应用效果较差。 2.1.4 缝内转向压裂技术 贵州地区煤层多有软分层发育，压裂过程中缝 隙易沿软分层单向发育，缝隙无法扩展至硬分层以 有效覆盖整个储层。因此，在压裂施工过程中，人 工压裂裂缝延伸一定长度后，可降低施工排量，向 压裂液中加入可溶性暂堵剂，利用暂堵剂的封堵作 用，提高裂缝内净压力，迫使裂缝转向硬分层，有 效扩大煤层改造面积[17]，见图 3。 图 3 缝内转向压裂示意图 Fig.3 Schematic diagram of steering fracturing in fractures 2.2 煤矿瓦斯高效抽采技术 贵州省 90以上煤矿瓦斯抽采体积分数小于 30，大部分煤矿抽采瓦斯体积分数在 15左右， 体积分数大于 30的煤矿均为抽采卸压瓦斯或使用 全程下套管及“两堵一注”带压封孔技术等。因此， 根据贵州实际抽采情况，推荐使用下列几种高效瓦 斯抽采技术 ① 区域卸压增透技术 开采松软低透气性煤的坚固性系数小于 0.3， 煤层透气性系数小于 0.1 m2/MPa2d煤层群的矿 井，关键是选择首采层，首采层开采后，受采动影 响，在采空区上方形成自然冒落拱，岩层和煤层产 生膨胀变形，原有天然裂隙和大孔隙张开，并形成 新裂隙，增加岩层和煤层透气性。 金佳煤矿首采层开采后，高抽钻孔瓦斯抽采体 积分数平均值达 54.7，最高值达 68.0，高抽巷 瓦斯抽采体积分数平均值达 51.4，最高达到了 69.0，抽采效果理想。 ② 定向长钻孔煤层瓦斯抽采技术 高位定向钻孔可用于替代高抽巷，以解决治理 煤层采动卸压瓦斯抽采与上隅角瓦斯超限难题，在 降低瓦斯治理成本的同时实现煤与煤层气共采。对 于煤层透气性较差，穿层钻孔预抽瓦斯效果较差的 煤层，定向长钻孔在经济性、可靠性、可行性等方 面具有显著优势。 毕节市黔西县青龙煤矿针对 21602 工作面存在 常规钻孔工作量大、单孔深度不足、瓦斯抽采体积 分数低等问题，运用 ZDY6000LDF定向钻机施工 长距离高位定向孔，最长施工长度达 0.6 km。钻孔 瓦斯抽采纯量 1420 m3/min，留管抽采瓦斯纯量 3.26.5 m3/min。单孔瓦斯抽采量大，有效降低瓦斯 治理投入。 ③ 液态 CO2相变致裂增透技术 液态 CO2常温条件下相变气化产生高压波致裂 煤层产生增透效果，且 CO2具有亲煤特性，膨胀过 程中可置换煤层中吸附态瓦斯，使煤层透气性和游 离态瓦斯含量双重提高。 轿子山矿在 9807 进风巷进行了 CO2致裂试验， 致裂增透后单孔抽采瓦斯纯流量平均为 0.042 0.094 m3/min， 未采取增透措施的普通抽采孔抽采瓦 斯纯流量平均为 0.0190.021 m3/min。 采取增透措施 的抽采孔抽采流量是普通抽采孔流量的 2.24.9 倍， 1 号孔及 2 号孔致裂前后瓦斯抽采流量变化曲线见 图 4。 图 4 贵州轿子山矿致裂后瓦斯抽采流量变化曲线 Fig.4 Curves of gas drainage flow before and after fracturing 液态 CO2相变致裂增透技术在区域验证取得良 好抽采效果，但目前尚存在成本高、技术较复杂等 不足，未进行大规模应用，且其对煤层赋存条件有 一定要求，在煤质松软煤层中要加强爆破器底部封 孔器的密封效果，否则爆破致裂效果可能无法达到 预期。 ④ 低透煤层水力割缝瓦斯抽采技术 水力割缝卸压增透技术是通过高压水射流切割 扰动煤体，破除钻孔周围的应力集中，在地应力和 瓦斯梯度力的作用下，使煤体内部产生大量的拉伸 裂隙和剪切裂隙，增大煤层的透气性。 林华矿采用该技术后，割缝孔瓦斯抽采体积分 数比普通孔提高了 0.621.09 倍， 抽采纯流量提高了 1.932.27 倍。同时，割缝可激活周围的普通孔，普 通孔瓦斯抽采体积分数提高了 37.350.3，瓦斯 抽采纯流量提高了 0.771.36 倍。 普通孔与割缝孔瓦 斯抽采体积分数对比见图 5。 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 5 贵州林华矿普通孔与割缝孔瓦斯抽采效果对比 Fig.5 Comparison of gas drainage effect of ordinary and slotted holes ⑤ 松软煤层全程下套管注浆封孔瓦斯抽采技术 利用全液压坑道钻机，配套大通孔宽翼片螺旋 钻杆和内芯可开闭型 PDC 钻头， 钻杆内下入带有筛 眼的 PVC 抽采管，形成永久瓦斯抽采通道，再辅以 “两堵一注”注浆封孔技术，瓦斯抽采效果较好。土 城矿使用该技术后，单孔瓦斯体积分数保持在 60 左右，主管抽采体积分数保持在 50左右，持续时 间较长。该技术与采用马丽散封孔的普通单孔及主 管抽采体积分数对比情况见图 6 所示。 图 6 全程下套管注浆封孔瓦斯抽采效果 Fig.6 Effect of hole sealing with grouting and casing in whole hole 从图 6 可知，抽采初期，差异不大，孔口瓦斯 体积分数 6085，主管抽采瓦斯体积分数 65。 抽采一段时间后，全程下套管“两堵一注”封孔钻孔 瓦斯体积分数保持在 50左右，主管抽采体积分数 保持在 60左右，持续时间较长；而马丽散封孔钻 孔，瓦斯体积分数降至 30左右，主管抽采瓦斯体 积分数降至 20左右，且衰减较快。 综上论述，开采煤层群的矿井，应优选首采煤 层，合理布置专用瓦斯抽采巷层位，以便充分抽采 卸压瓦斯；开采单一煤层的矿井，采用定向长钻孔 取代巷道进行瓦斯抽采，可节省瓦斯治理成本，实 现煤与瓦斯共采；开采松软煤层的矿井，可采用全 程下套管技术；开采低透气性煤层的矿井，应积极 探索采用 CO2相变致裂或水力割缝技术。 3 结 论 a. 贵州地区煤层气储层条件复杂，在六盘水– 牛场向斜、格目底向斜、织金珠藏向斜等薄煤层间 距在 20 m 左右的区域，推荐采用光套管合层压裂； 在大方县维新背斜、落脚河向斜、遵义长岗向斜等 薄煤层间距在 20 m 以上的区域， 推荐采用可捞式桥 塞分段压裂等技术；在煤层松软地区要加强防煤粉 压裂技术及缝内转向技术的综合利用，以提高煤层 气采收率。 b. 针对煤层群的矿井，应优选首采层，以充分 抽采卸压瓦斯；单一煤层开采的矿井，可采用定向 长钻孔取代巷道进行瓦斯抽采，可降低瓦斯治理成 本，实现煤与瓦斯共采。 c. 针对松软煤层的矿井，可采用全程下套管技 术，以增强煤层瓦斯抽采效果；低透气性煤层气开 采的矿井，可采用 CO2相变致裂或水力割缝提高煤 层透气性。 d. 在目前开采技术条件下， 推荐采用本文提出 的相关煤层气开采技术，随着煤层气瓦斯开发程 度的提高，其技术适应性也需要进一步分析。 参考文献 [1] 刘贻军，曾祥洲，胡刚，等. 贵州煤层气储层特征及勘探开发 技术对策以比德三塘盆地为例[J]. 煤田地质与勘探， 2017，45171–74. LIU Yijun，CENG Xiangzhou，HU Gang，et al. Characteristics and technical measures of exploration and development of coal- bed methane reservoir in Guizhou Province A case of Bide-Santang area[J]. Coal Geology Exploration， 2017， 451 71–74. [2] 彭兴平，谢先平，刘晓，等. 贵州织金区块多煤层合采煤层气 排采制度研究[J]. 煤炭科学技术，2016，44239–44. PENG Xingping，XIE Xianping，LIU Xiao，et al. Study on combined coalbed methane drainage system of multi seams in ChaoXing 第 6 期 徐晓乾等 贵州省煤层气瓦斯开发适用性技术分析 13 Zhijin block，Guizhou[J]. Coal Science and Technology，2016， 44239–44. [3] 卢平，袁亮，程桦，等. 低透气性煤层群高瓦斯采煤工作面强 化抽采卸压瓦斯机理及试验[J]. 煤炭学报，2010，354 580–585. LU Ping，YUAN Liang，CHENG Hua，et al. Theory and ex- perimental studies of enhanced gas drainage in the high-gas face of low permeability coal multi-seams[J]. Journal of China Coal Society，2010，354580–585. [4] 袁亮. 卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J]. 煤炭学报，2009，3411–8. YUAN Liang. Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extrac- tion[J]. Journal of China Coal Society，2009，3411–8. [5] 李志强， 王兆丰. 井下注气强化煤层气抽采效果的工程试验与 数值模拟[J]. 重庆大学学报，2011，34472–77. LI Zhiqiang， WANG Zhaofeng. Test and numerical simulation on effect of enhanced coalbed methane drawing by injecting gas under coal mine[J]. Journal of Chongqing University，2011， 34472–77. [6] 袁亮，薛俊华，张农，等. 煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技 术现状与展望[J]. 煤炭科学技术，2013，4196–11. YUAN Liang， XUE Junhua， ZHANG Nong， et al. Development orientation and status of key technology for mine underground coal bed methane drainage as well as coal and gas simultaneous mining[J]. Coal Science and Technology，2013，4196–11. [7] 程远平，付建华，俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J]. 采矿与安全工程学报，2009，262127–139. CHENG Yuanping，FU Jianhua，YU Qixiang. Development of gas extraction technology in coal mines of China[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2009，262127–139. [8] 杨晓盈，李永臣，朱文涛，等. 贵州煤层气高产主控因素及甜 点区综合评价模型[J]. 天然气地球科学，2018，2911 1664–1671. YANG Xiaoying，LI Yongchen，ZHU Wentao，et al. The main controlling factors for production and the comprehensive ua- tion model of dessert area of coalbed methane in Guizhou Prov- ince[J]. Natural Gas Geoscience，2018，29111664–1671. [9] 葛燕燕，傅雪海，李鑫，等. 贵州珠藏向斜煤系含水系统对煤 层气赋存的影响[J]. 煤炭学报，2015，402403–411. GE Yanyan，FU Xuehai，LI Xin，et al. Influences of coal measures water-bearing system of on the coalbed methane oc- currence and development in Zhucang syncline，Guizhou Prov- ince[J]. Journal of China Coal Society，2015，402403–411. [10] 周效志，桑树勋，易同生，等. 煤层气合层开发上部产层暴露 的伤害机理[J]. 天然气工业，2016，36652–59. ZHOU Xiaozhi，SANG Shuxun，YI Tongsheng，et al. Damage mechanism of upper exposed producing layers during CBM multi-coal[J]. Natural Gas Industry，2016，36652–59. [11] 孙斌， 邵龙义， 卢霞， 等. 盘关向斜煤层气成藏条件评价[J]. 天 然气地球科学，2008，193427–432. SUN Bin，SHAO Longyi，LU Xia，et al. uation of CBM pool-ing conditions， Panguan area， Guizhou[J]. Natural Gas Geoscience，2008，193427–432. [12] 秦勇，高弟. 贵州省煤层气资源潜力预测与评价[M]. 徐州 中国矿业大学出版社，2012. [13] 吴圣，徐韵，沈家宁，等. 黔北煤田长岗向斜煤层气富集的构 造控制作用[J]. 煤田地质与勘探，2018，46222–27. WU Sheng，XU Yun，SHEN Jianing，et al. Structural control on the enrichment of CBM in Changgang syncline， northern Guizhou coalfield[J]. Coal Geology Exploration， 2018， 462 22–27. [14] 徐堪社，赵永哲，杨哲，等. 六盘水煤层气井牛场区块恶性漏 失地层堵漏方法研究[J]. 煤田地质与勘探， 2018， 462 35–39. XU Kanshe，ZHAO Yongzhe，YANG Zhe，et al. Leaking stoppage for ation with serious circulation loss of CBM wells in Niuchang block in Liupanshui[J]. Coal Geology Exploration，2018，46235–39. [15] 庄登登，王延斌，陶传奇，等. 煤层气井压裂曲线和储层 污染程度的响应关系[J]. 煤田地质与勘探，2019，471 96–100. ZHUANG Dengdeng，WANG Yanbin，TAO Chuanqi，et al. Response relation between fracturing curve and reservoir pollu- tion degree of coalbed methane wells[J]. Coal Geology Ex- ploration，2019，47196–100. [16] 陈捷，易同生，金军. 黔西松河井田煤层群合层分段压裂影 响因素及参数优化[J]. 煤田地质与勘探，2018，465 153–158. CHEN Jie，YI Tongsheng，JIN Jun. Influencing factors and parameter optimization of staged fracturing in thin and medium coal seam group in Songhe mine in western Guizhou[J]. Coal Geology Exploration，2018，465153–158. [17] 李特社，胡刚，王少雷，等. 黔西北多层薄煤储层暂堵转向压 裂技术应用[J]. 煤田地质与勘探，2018，46215–21. LI Teshe，HU Gang，WANG Shaolei，et al. Application of temporary plugging and diverting fracturing technology for mul- tiple and thin coal reservoir in northwestern Guizhou[J]. Coal Geology Exploration，2018，46215–21. 责任编辑 范章群 ChaoXing