周加佳

（中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710054）

我國是煤炭資源大國，煤層氣資源豐富，由于煤層氣既是一種潔凈能源，同時又是威脅煤礦安全生產(chǎn)的爆炸性氣體。因此，進行煤層氣的地面開發(fā)具有三重重要意義：（1）可作為一種新型潔凈能源，彌補常規(guī)能源的不足；（2）降低礦井瓦斯災害；（3）減少礦井瓦斯排空，降低溫室效應，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。具有十分重要的社會及經(jīng)濟意義。

在高瓦斯礦井采煤過程中，采前預抽瓦斯（煤層氣）是防治瓦斯的根本措施。煤礦井下抽采煤層瓦斯由于受到煤礦開采進度、巷道工程部署等因素的限制，在時間和空間上很難實現(xiàn)采煤與采氣的協(xié)調(diào)開發(fā)。從地面開發(fā)煤層氣具有超前距離大、抽采時間長，采收率高的特點，近年來被認為是治理礦井瓦斯災害新的有效途徑，已經(jīng)受到業(yè)界的高度重視。

雞西井田隸屬于黑龍江省雞西市，是深部、薄煤層、煤層群開采的典型井田，煤層氣資源豐富，是東北部地區(qū)的代表井田。同時雞西井田又屬于高瓦斯礦井，隨著生產(chǎn)規(guī)模、開采深度和開采范圍的不斷增大，瓦斯災害問題已經(jīng)成為制約雞西井田煤礦安全生產(chǎn)的絆腳石。因此2012年，結(jié)合“十二五”國家重大油氣專項《煤礦區(qū)煤層氣抽采產(chǎn)能預測技術》，在黑龍江省雞西井田實施1口煤層氣地面垂直井開發(fā)試驗項目，通過項目的實施獲取井田儲層參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，評估雞西井田地面煤層氣開發(fā)的可行性，優(yōu)化適合雞西井田的地面煤層氣開發(fā)工藝技術。

1 雞西井田煤層氣地質(zhì)及儲層特征

1.1 地層及構造特征

井田內(nèi)含煤地層主要為穆棱組和城子河組。兩組地層含煤層數(shù)較多，但僅3煤層、14煤層基本全區(qū)可采。目標煤層14煤層厚度為0.16～2.34 m，平均1.24 m，兩者在井田范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出由西向東呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，尤以井田東南部厚度最大。

受雞西煤田的構造控制，梨樹井田以東西向的背、向斜褶曲為主，南北向或北西向高角度斷層（規(guī)模較大）橫切褶曲軸，此外，還發(fā)育近東西、北東、北西向規(guī)模較小的斷層，構造復雜程度屬中等。受構造運動影響，各煤層塊狀、粉狀均見。

1.2 儲層特征

14煤層的儲層壓力為7.30 MPa，儲層壓力梯度為8.93×10-3MPa/m，其稍低于靜水壓力梯度，故該區(qū)地層為正常壓力儲層，有利于煤層氣排采。14煤層的臨界解吸壓力為7.06 MPa，相應地，臨儲比較高為0.967。同時采用蘭氏方程結(jié)合儲層壓力及臨界解吸壓力數(shù)據(jù)，獲取14煤層氣含量為11.49 m3/t，相應地，含氣飽和度為99.35%，飽和度較高，有利于煤層氣解吸。

14煤層的滲透率為0.67 mD，與國內(nèi)同煤級的其它地區(qū)比較，該區(qū)14煤層滲透性相對較好。分析其原因，一方面，其煤體結(jié)構中塊狀、碎粒狀及粉狀均見，主要為碎裂結(jié)構煤，且內(nèi)生裂隙發(fā)育裂隙密度>40條/5 cm，未見充填；另一方面，地應力測試顯示，14煤層閉合壓力為16.45 MPa，應力梯度為2.01×10-2MPa/m，該區(qū)14煤層地應力場正常。

該區(qū)煤層屬于深部、薄煤層、煤層群開采的典型區(qū)域。但煤層氣含量大，含氣飽和度高，煤層發(fā)育條件好，具有較好的煤層氣生氣、儲氣以及運移條件，為煤層氣開發(fā)提供了物質(zhì)基礎。同時由于該區(qū)煤體結(jié)構相對較好，滲透性能好，為煤層氣增產(chǎn)提供了有利條件，因此該區(qū)煤層氣資源具有很大的開發(fā)潛力。

2 鉆完井工藝技術

試驗井部署原則主要考慮選擇構造簡單、煤層厚度大、結(jié)構簡單，煤層含氣量高的區(qū)域，選擇該區(qū)14煤層作為試驗開發(fā)的目標煤層，采用垂直井開發(fā)方式。

井田內(nèi)主要鉆遇的地層以碎屑巖為主，故井身結(jié)構采用常規(guī)二開結(jié)構及套管程序，即一開采用Φ346.1 mm牙輪鉆頭，鉆至基巖面下20 m后，下入J55Φ273.1 mm表層套管，封固地表疏松層，建立井口，固井水泥漿返至地面；二開采用Φ215.9 mm鉆頭，鉆至14煤層底板以下60 m完鉆，下入J55Φ139.7 mm生產(chǎn)套管，人工井底883.55 m。二開為了減小鉆井液對煤層的傷害，采用低固相低密度鉆井液進行快速鉆進。

在固井工程中二開采用變密度水泥漿固井工藝技術，水泥漿密度先小后大，以減小固井水泥漿對煤儲層的傷害，固井質(zhì)量優(yōu)異。試驗井采用了套管射孔完井方法對目標煤層段進行射孔，共射開3.62 m，射開煤厚3.13 m，目標層段射孔發(fā)射率高達100%。

3 壓裂工藝技術

3.1 壓裂工藝

針對雞西井田煤層薄、煤體結(jié)構相對較好的儲層特點，同時因為該煤層裂隙系統(tǒng)保存完整，主要為碎裂結(jié)構煤，滲透率高，在前期試壓過程中煤層有兩次明顯破裂現(xiàn)象，破裂壓力21.7 MPa。因此在壓裂過程中加大了壓裂加砂規(guī)模和施工排量，采用大排量，大砂量，中砂比的活性水壓裂工藝技術。通過對14煤的加砂情況進行分析，加砂相對比較順利，施工排量7.7～8.1 m3/min，平均砂比13.86%。實際壓裂過程中由于供水原因，進行了二次加砂壓裂，共加砂54.2 m3，累計用液量662.5 m3，壓裂施工曲線（見圖1）。

3.2 壓裂分析

結(jié)合壓裂施工曲線和壓后分析可以看出，針對煤體結(jié)構相對較好，滲透率高的煤儲層，采用大排量、大砂量、中砂比的壓裂工藝技術能夠大大提高壓裂液的攜砂能力，更好的形成寬而長的、具有一定導流能力的支撐裂縫，有效提高儲層泄流面積，提高產(chǎn)能。

壓后采用微地震裂縫監(jiān)測手段對14煤的壓裂效果進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示830.30～836.22 m層段壓裂時產(chǎn)生的壓裂裂縫為垂直縫，同時有T型裂縫，方位為43.3°，總縫長259.7 m，影響裂縫高度7.9 m。同時通過井溫測裂縫高度結(jié)果表明14煤層全部壓開，并且形成了具有一定縫長和導流能力的壓裂裂縫。

4 排采工藝技術

4.1 排采設備

（1）依據(jù)該區(qū)的水文地質(zhì)資料、煤儲層特征和地層供液能力，采用抽油機+管式泵的排采方式。

（2）采用井下永置式電子壓力計，同時安裝地面無線傳輸系統(tǒng)，實施井底流壓、溫度等數(shù)據(jù)無線傳輸，實現(xiàn)遠端實時監(jiān)測精細化管理。

（3）采用智能旋進漩渦氣體流量計，能夠有效抵抗氣體中夾雜的水分和雜質(zhì)對設備的影響，耐腐蝕，穩(wěn)定可靠，大大提高了設備計量的準確性。

4.2 排采工作制度

（1）泵掛位置的確定主要取決于區(qū)塊煤體結(jié)構和已有排采井生產(chǎn)狀況，由于雞西井田煤體結(jié)構相對較好，且在壓裂放噴過程中吐煤吐砂現(xiàn)象較少。因此根據(jù)泵掛原則，排采過程中將泵直接下至14煤層下方以有效提高泵效。該井在排采過程中泵效一直保持在90%以上，動液面穩(wěn)定下降，排采效果顯著。

（2）煤層氣井排采主要有兩種工作制度，一種是定壓排采，另一種是定產(chǎn)排采。為防止激動儲層顆粒，避免吐砂吐煤粉，該井采用定壓排采方式。井底流壓的控制以少吐砂、少吐粉為判別原則。

（3）根據(jù)氣井產(chǎn)水、產(chǎn)氣的情況，氣井的產(chǎn)氣狀態(tài)可以劃分為穩(wěn)定降壓、臨界產(chǎn)氣、氣量快速增加、穩(wěn)定產(chǎn)氣和氣量衰五個階段（見表1）。在排水降壓過程中為了最大限度的讓壓降漏斗擴散完全，使煤層充分解吸，排采中嚴格把握“平穩(wěn)、安全、階段性調(diào)整”的原則，分階段制定排采工作制度，實時調(diào)整排水強度，實行精細化管理，達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

表1 排采各階段特點和控制措施

4.3 排采試驗效果

由于雞西井田具有良好的煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件，并且初步形成了一套適合雞西井田深部薄煤層煤層氣地面開發(fā)的鉆完井、壓裂和排采工藝技術體系。通過煤層氣試驗井半年多的排采研究，現(xiàn)場排采施工連續(xù)，排采制度合理，降壓速度平穩(wěn)，較好地保護了煤層，取全取準了各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)，截止到2013年6月11日，動液面610.05m，井底流壓 2.309 MPa（見圖2）。日產(chǎn)氣1977m3，日產(chǎn)水0.5 m3，最高產(chǎn)氣量達到2 023.2 m3/d。累計產(chǎn)氣量26萬m3，累計產(chǎn)水231 m3（見圖3），具有上產(chǎn)快，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時間長的優(yōu)異效果。

5 結(jié)論

（1）雞西井田屬于深部薄煤層開發(fā)，但該區(qū)煤層具有煤體結(jié)構、滲透性以及含氣性相對較好的煤層氣開發(fā)地質(zhì)特征，有利于煤層氣地面開發(fā)。

（2）鉆完井過程中采用低固相低密度鉆井液和變密度水泥漿固井工藝技術，很好的減小了對煤儲層的傷害，有利于煤層氣的產(chǎn)出。

（3）采用大排量、大砂量、中砂比的壓裂工藝技術能夠很好的形成具有一定導流能力的支撐裂縫，有效提高儲層泄流面積，提高產(chǎn)能。

（4）煤層氣排采是煤層氣開發(fā)工藝過程中至關重要的一個環(huán)節(jié)，通過排采設備和排采工作制度的優(yōu)化，采用定壓排采方式，嚴格把握“平穩(wěn)、安全、階段性調(diào)整”的原則，分階段制定排采工作制度，實行精細化管理，最大限度的讓壓降漏斗擴散完全，使煤層充分解吸，達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果。

（5）在雞西井田進行地面煤層氣開發(fā)試驗，初步形成了一套適合雞西井田深部薄煤層煤層氣地面開發(fā)工藝技術體系。不但取得了優(yōu)異的產(chǎn)氣效果，而且可以通過地面抽采治理井下礦井瓦斯災害，減少大氣污染保護環(huán)境，說明地面煤層氣開發(fā)在雞西井田是切實可行的，具有很大的開發(fā)潛力。不但為礦井瓦斯治理提出新的解決途徑，同時也為加快雞西以及類似地區(qū)煤層氣開發(fā)利用的步伐奠定了理論和實踐基礎。

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