河南复杂煤矿区瓦斯地面抽采技术研究.pdf

研究与开发化 工 设 计 通 讯 Research and DevelopmentChemical Engineering Design Communications 95 第46卷第9期 2020年9月 煤炭是河南省的主要能源，在经济和社会发展中占有重 要地位。但是河南省煤层地质条件复杂，瓦斯灾害严重，严 重制约着煤矿的安全、高效生产。通过地面成功抽采煤层气， 可以有效减少煤层瓦斯含量，降低瓦斯压力和煤与瓦斯突出 危险性，同时还可以作为清洁能源进行利用。如何实现采煤 之前瓦斯的预抽，达到资源开发利用和煤矿减灾的双重目的， 一直是人们关注的焦点。 1 河南复杂煤矿区储层与瓦斯分布赋存特征 1.1 主要煤层特征 二1煤层为全省最主要的可采煤层，层位稳定，厚度 033.20m，平均为5.35m ； 煤层结构一般属简单类型，但不同 煤田夹矸发育情况不同，局部地区存在煤层分叉现象。其顶 底板多为泥岩、砂质泥岩、中细粒砂岩等致密性岩石。各煤 田主要可采煤层煤的变质主要受深层变质作用的影响。 1.2 河南省瓦斯分布特征 河南绝大部分矿区全部开采的是石炭二叠系煤层，主 要为中高变质烟煤和无烟煤， 煤化程度较高。由于形成时代早， 经历过印支运动以来的多次构造运动作用，因此地质构造复 杂，构造煤发育，瓦斯地质条件复杂。全省7大矿区中，有6 个矿区为高瓦斯煤与瓦斯突出矿区。截至2008年底，全省144 对国有重点煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井66对，占矿 井总数的46，其中煤与瓦斯突出矿井50对，占35。 1.3 试验矿区瓦斯赋存构造控制特征 根据河南省区域构造、瓦斯分布特征和瓦斯赋存构造控 制特征，全省划分为三个高突瓦斯带和一个低瓦斯带，分别 是秦岭造山带北缘逆冲推覆构造系高突瓦斯带，豫西强变形 “三软”煤层高突瓦斯带，太行山造山带东缘高突瓦斯带和鲁 西南豫东断隆低瓦斯带。 平顶山矿区位于秦岭造山带后陆逆冲断裂褶皱带，受秦 岭造山带的控制。煤的镜质组反射率介于0.851.64，煤种 主要为气煤、肥煤、焦煤、瘦煤。由于受秦岭造山带北缘逆 冲推覆构造系的控制， 瓦斯地质条件复杂， 在目前开采深度内， 测定的煤层瓦斯含量多在10m3/t 以上，为严重的煤与瓦斯突 出矿区，但具备保护层区域性防治煤与瓦斯突出条件。 鹤壁矿区位于太行山隆起南段东侧，新生代以来主要受 太行山东缘断裂带控制。区二1煤层总体瓦斯生成、保存条件 较好。鹤壁矿区主体构造为一系列北北东、北东和近南北方 向展布的褶皱和断裂构造，主要受北北东向构造控制，以断 裂为主，伴有发育程度不同的褶皱。青羊口断层为矿区控制 性地质构造，断层走向长约100km，最大落差达到1 000m 以 上，北北东向延伸。北北东构造现今构造应力场为压扭作用， 使得该矿区为高瓦斯突出矿区。 2 平顶山矿区松软低渗欠压中煤级煤储层垂直井地面抽采瓦 斯 2.1 地质特征 受前期多重构造运动影响，平顶山矿区大部分煤层破坏 强烈，软煤（碎粒煤和糜棱煤）较发育，为松软煤储层。平 顶山十三矿构造煤发育，煤质较软，属于碎粒煤 糜棱煤， 平均瓦斯含量为10m3/t，最大含量为16.98m3/t，通过井下钻孔 抽采瓦斯已经难以达到降低煤层瓦斯含量的目的。地面煤层 气垂直井通过排水降压的方式，增大储层卸压半径，增加瓦 斯抽采范围，瓦斯抽采强度大，抽采瓦斯浓度高，能够达到 降低煤层瓦斯含量的目的。因此，基于储层特征和瓦斯抽采 的目的， 需要在该区域布置地面煤层气垂直井， 抽采煤层瓦斯。 2.2 井型确定 平顶山十三矿主裂缝以 NNE 向为主，结合其断层分布， 该矿煤层气地面预抽项目井网采用菱形网格状布井。在主裂 缝方向按照200250m 井间距、其垂直方向按150200m 井间 距部署。根据煤层底板等高线预测图，对平顶山十三矿预抽 井进行设计，设计及实际钻井情况如表1所示。 表1 平顶山十三矿预抽井设计及实际钻井情况 井名设计井深（m）实际井深（m）完井方式备注 SS 参 -001 井766775套管参数井 SS 参 -002 井834836套管参数井 SS 参 -003 井871877套管参数井 SS 穴 -001 井745746.85裸眼洞穴井 SS 穴 -002 井779777.08裸眼洞穴井 SS 穴 -003 井822822.35裸眼洞穴井 SS-001 井798794套管生产井 摘 要 河南煤层具有低压、低渗、低饱和、高破坏的特性，通过在地面针对不同的煤层赋存条件采取有针对性的储层改 造手段，形成一定的规模产气量，可以有效降低煤层瓦斯含量，改变应力分布，提高煤层的渗透率，降低瓦斯压力和瓦斯突出 危险性。在河南省煤矿煤储层类型划分基础上，通过选择不同井型进行地面煤层气开发的先导性试验，为井下瓦斯治理提供一 条新的技术途径，保障煤矿安全、高效的生产。 关键词 复杂煤矿区 ； 高瓦斯 ； 增透 ； 地面抽采 中图分类号 TD712.6 文献标志码 A 文章编号 1003–6490（2020）09–0095–03 Research on Gas Surface Extraction Technology in Henan Complex Coal Mining Area Zhang Ya-li，Cheng Yang-bo Abstract Henan coal seams have the characteristics of low pressure，low permeability，low saturation，and high destruction.By adopting targeted reservoir transation measures for diff erent coal seam conditions on the ground，a certain scale of gas production can be ed to eff ectively reduce coal bed gas.Content，change the stress distribution，increase the permeability of the coal seam， reduce the gas pressure and the risk of gas outburst.Based on the coal mine type division of coal mines in Henan Province，through the selection of diff erent well types for the pilot test of surface coalbed methane development，it provides a new technical approach for underground gas control to ensure the safety and effi cient production of coal mines. Key words complex coal mine area ； high gas ； permeability enhancement ； surface drainage 河南复杂煤矿区瓦斯地面抽采技术研究 张亚莉1，成阳波2 （1.河南省煤层气开发利用有限公司，河南郑州 450016； 2.中海油田服务股份有限公司，天津 300450） 收稿日期 2020-06-06 作者简介 张亚莉（1986-） ，女 ，河南郑州人，工程师，主要从事煤 田地质相关工作。 研究与开发化 工 设 计 通 讯 Research and DevelopmentChemical Engineering Design Communications 96 第46卷第9期 2020年9月 井名设计井深（m）实际井深（m）完井方式备注 SS-002 井803834套管生产井 SS-003 井846813套管生产井 SS-004 井832825套管生产井 SS-005 井821841套管生产井 SS-006 井839831套管生产井 SS-007 井842836套管生产井 SS-008 井855857套管生产井 SS-009 井873890套管生产井 2.3 储层改造 通过对地质及井位分析，结合前期钻井工程情况优选部 分井进行活性水氮气辅助压裂增产技术。储层改造方案如表2 所示。 表2 十三矿煤层气井压裂施工方案 序号井号十三矿煤层气井储层改造施工方案 1SS 参 -002 正常施工 射孔，活性水加砂压裂，微地震裂缝监测 井温 测试 2SS-006 小排量造缝施工 射孔，活性水加砂压裂，控制施工规模小 排量造缝施工 3SS-007 小排量造缝施工 二1煤高压水力喷射定向侧钻 射孔，活性 水加砂压裂，微地震裂缝监测 井温测试 4SS-008正常施工 射孔活性水加砂压裂 5SS-009 正常施工 射孔，活性水加砂 氮气泡沫压裂，微地震裂缝 监测 井温测试 6SS-005小排量造缝施工 射孔，活性水加砂压裂，小排量造缝施工 7SS-004 正常施工 二1煤高压水力喷射定向侧钻 射孔，活性水加砂 氮气泡沫压裂，微地震裂缝监测 井温测试 8SS-002待前面井施工指导本井控制施工规模施工 2.4 瓦斯抽采情况 区块内压裂改造后的8口井自2013年2月底开始排采至 2016年初关井期间瓦斯抽采情况，如表3所示。 表3 十三矿8口井瓦斯抽采情况表 统计单位 平顶山工区 区块井号 产水量 m3产气量 m3 总累计总累计 十三矿SS-00298.256 14 903.801 十三矿SS-00313.757 7 十三矿SS-004243.061 7163 770.200 十三矿SS-0051 290.899 547 358.031 十三矿SS-00614.521 2 十三矿SS-00765.487 161 921.514 十三矿SS-008671.088 0196 137.639 十三矿SS-009564.537 3618 711.466 合计2 967.954 21 092 802.651 平顶山中煤级松软低渗欠压煤储层的活性水氮气辅助压 裂增产技术试验获得了成功，试验井 SS-009井获得了单井日 产1 708m3的高产，刷新了河南煤层气开发历史高产纪录，打 破了传统上松软低渗储层无法实现煤层气高产的认识禁区。 3 鹤壁矿区松软低渗低压高煤级煤储层U型井组分段压裂地 面抽采技术 3.1 地质特征 矿区南部井田内较多断层相互切割穿插、产状变化大、倾 角变大，南部矿井较中、北部矿井受层滑构造作用显著，在 煤层底部构造煤普遍发育。从整体上看，鹤壁矿区煤体结构 为块煤（原生结构煤、碎裂煤）- 软煤（碎粒煤、糜棱煤）复 合结构煤储层。区域煤层埋深介于300900m，埋深整体分布 呈现出由西向东逐渐增加的趋势，矿区煤储层平均压汞孔隙 度为8.38％，瓦斯甲烷含量10.6427.66mL/g。 3.2 井型选择 针对鹤壁六矿，煤层厚度大，构造相对简单，埋深600- 800m 的特点，为了加快井下瓦斯抽采量，缓解采掘衔接紧张、 井下瓦斯治理工程量大等问题，在该地区尝试采用水平井钻 井，且使用多段水力喷射压裂工艺技术。综合考虑经济成本、 地质条件、开采衔接、钻井目的以及布井原则等，沿着矿井 规划设计的采煤工作面进风巷、回风巷的位置布置地面水平 井，水平井与采煤工作面尽量平行设计，每个工作面布置两 组 U 型水平井。如图1所示。 图1 鹤壁六矿HB01-H1井组井身结构 3.3 储层改造 根据水平井钻探的地质数据以及井身结构，设计喷射压 裂改造的位置和喷射压裂的密度，尤其对断层构造等易突出 的附近，加大改造密度和改造规模，以充分平衡应力集中区， 和增加煤层与井筒的接触面积，从而达到区域条带消突的效 果。对煤层井段实施分段压裂改造，增大煤层接触面积，提高 裂缝导流能力，解除近井地带污染，最大限量提高单井产量。 HB01-HI 井压裂选点时，在有效压裂段中，考虑压裂的波及范 围，平均分布5个压裂点，依次为 1233m1228.48，1239.81、 1065m1059.0，1070.48、952m946.89，958.16、852m846.77， 859.90、753m747.29，758.18。分段压裂施工参数见表4。 表4 分段压裂施工参数表 阶段 喷砂射孔压裂施工 石英砂 清水 KCl 溶液 添加剂 除 垢 剂 石英砂 液氮 KCl 溶液 添加剂 20/ 40 目 降阻剂 40/ 70 目 20/ 40 目 16/ 30 目 起泡剂 m3m3m3kgkgm3m3m3m3m3L 11.5333065400436527.9140600 21.537221253804422.327.6110550 3245.5221004004383.131100650 42.337.321100400437526.9110700 52.229.517125400429523120650 3.4 瓦斯抽采情况 鹤壁六矿 HB01水平井实现软煤煤层段水平钻进817m， 钻遇率超过 90。水平井五段水力喷射压裂技术获得了成 功，完成了 HB01井施工和长期排采生产。最高日产量达到 1 341m3，连续产气超过24个月，累计产气超过60万 m3。地 面煤层气开发不仅可以弥补能源不足，通过天然气销售获得 收益，而且地面煤层气开发，大大降低了井下瓦斯治理费用 及治理难度。 4 结论及认识 4.1 主要结论 河南煤层具有低压、低渗、低饱和、高破坏的特性，通 过在地面针对不同的煤层赋存条件采取有针对性的储层改造 手段，形成一定的规模产气量，可以有效降低煤层瓦斯含量， 改变应力分布，提高煤层的渗透率，降低瓦斯压力和瓦斯突 出危险性。针对平顶山十三矿的储层特征和压裂技术与工艺， 研发了单向递减控压排采技术，实现了该类储层的阶段性高 产，是松软低渗欠压煤储层煤层气井排采技术的重大创新。 鹤壁六矿低渗低压复合煤储层水平井钻井 - 多段喷射压裂 - 排 （下转第110页） 续表 化工教学化 工 设 计 通 讯 Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications 110 第46卷第9期 2020年9月 平台。 3 成绩考核 为保证学生学习效果、提高学生学习主动性，公平合理 的评价学习过程也是一个十分重要的环节。传统实验教学中， 原占有分数比重较大的实际操作部分在线上教学过程中，无 法评价，但通过虚拟实验记录数据并分析结果的环节仍然存 在。因此，除实际动手能力的培养以外，将成绩的考核分为 预习视频学习10、课堂出勤10、在线测试20、课堂互动 10、虚拟实验考核20、实验报告30。 4 教学体会 由于基础分析化学实验是面对全校理工科多专业设置的 课程，学生的自主学习性、领悟能力存在一定的差异，如果 单是把学习内容发给学生自学，学习效果难以保证。因此教 学直播环节不可缺少。然而对于分析化学实验完全线上教学 仍不可避免会出现网络拥堵、直播翻车的情况，所以只选用 直播课作为教学内容的补充，不占主导地位，由此减轻师生 参与直播课程的压力。同时，师生实施的一切教学活动都会 留有记录，方便学生复习。各平台教学效果比较见表2。 表2 各平台教学效果比较 上课平台特点缺点 腾讯课堂 可以在课程结束看到学生进入课 堂时间、在线学习时长，并可以 根据学习情况，回看复习 在课程过程中，学生只能通 过发言区打字来回答老师问 题 腾讯会议 可以通过视频看到同学们是否坐 在电脑前认真学习，也可以随时 切换讲话人员进行交流互动 会议退出后无法回放，学生 对于没有理解的知识点不能 反复学习 雨课堂 可以随时测验学生对知识的理解 情况，并通过后台分析，及时给 出学生的答案分布 但雨课堂在上课时经常发生 卡顿，并有无法进入的情况 MOOLSNET 虚拟实验模拟实验过程类似于闯关游戏，只 有做完第一步才能进行第二步，而不能跳跃式操作，并具有 可以反复操作的特点。在特殊时期，用虚拟实验来替代实际 操作， 不仅可以提高对实验步骤的认识， 减少实际操作的失误， 亦给只能在家上网课的学生带来一些学习的乐趣。但是，作 为基础实验学科，学生的动手能力、思考和解决问题的能力 并不能通过虚拟实验得以提高 [5]，因此待学生返校后，仍要开 设部分实际操作的练习。 利用 MOOLSNET 平台对学生的学习过程进行考核。将各 环节权重输入平台成绩定量，很容易汇总总成绩，不需要教 师做额外的汇总统计工作。而且，在线答题测试，虚拟实验， 学生在操作完成后，会由平台直接给出评分。 除了采用不同的平台进行授课，把课堂的氛围找回来、 学习的难点补回来以外，还需要建立多模态的师生互动方式。 例如，通过微信群通知群公告、分享教学资料、督促学生高 质量地完成报告、推送拓展学习资料，尤其是对于一些在课 堂上没能理解的知识，可以及时有效地进行“一对一”的辅 导，鼓励学生有所想有所问。微信群的建立亦可对学生的报告 及时地进行点评，解决了以往每周一次实验课时反馈滞后的 问题。 5 结语 通过这种完全线上的混合式教学模式，已经和学生一起 完成了实验室安全教育、碱石灰中总碱度的测定、水硬度的 测定、粗酚中酚含量的测定四个实验题目，内容包含四大滴 定中的酸碱滴定、络合滴定、氧化还原滴定三大内容，取得 了较好的实验教学效果。 参考文献 [1] 鹿现永， 刘大鹏 . 延期开学背景下 “基础化学 2” 的线上开课方案 [J]. 大学化学，2020（35）. [2] 李春梅 . 提升基于 MOOC 的混合式教学实效的困境与对策 [J]. 教 学研究，2020（12） 22-23. [3] 黎晨晨， 刘宁 . 虚拟仿真技术在仪器分析实验教学中的应用研究 [J]. 实验室科学，2019（5） 235-237. [4] 盛骞莹，张文清 . 以学生为主体的混合式个性化教学模式在分析化 学课程中的探索与思考 [J]. 大学化学，2020（35）. [5] 张雄， 王莉 . 浅谈虚拟仿真实验在基础化学实验教学中的利与弊 [J]. 山东化工，2020（49） 170-172. （上接第96页） 采技术取得重大突破，为该类型突出矿井瓦斯治理提供了技 术支撑。 4.2 认识 复杂煤矿区地面抽采治理瓦斯技术上可行，通过不断优 化地面钻井、压裂、抽采技术工艺，降低开发成本，有望实 现复杂煤矿区煤与煤层气产业协同发展。 参考文献 [1] GAYER，R.， HARRIS，I.（eds）1996.Coalbed Methane and Coal Geology[M].London，Bath Geological Society of London. [2] 秦勇 . 中国煤层气地质研究进展与述评 [J]. 高校地质学报， 2003 （3） 37-56. [3] 刘洪林，张建博，王红岩 . 中国煤层气形成的地质条件 [J] 天然气 工业， 2004，24（2） 5-7. [4] 王凤国，李兰杰，徐德红 . 华北地区煤层含气性影响因素探讨 [N]. 焦作工学院学报，2003（2） 12-14. [5] 叶建平 . 中国煤层气勘探开发进展综述 [J]. 地质通报，2006（9） 1074-1078.