李國富,李貴紅,劉 剛

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西晉城 048006;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710054)

晉城礦區(qū)典型區(qū)煤層氣地面抽采效果分析

李國富1,李貴紅2,劉 剛1

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西晉城 048006;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710054)

地面抽采煤層氣被認(rèn)為是降低煤層瓦斯含量、解決煤礦安全問題的有效途徑,地面抽采效果得到煤礦企業(yè)的普遍關(guān)注,但一直缺乏工程驗證。以晉城寺河礦東五盤區(qū)為研究區(qū),其煤層氣地面抽采效果評價主要基于兩個方面,首先將區(qū)塊內(nèi)14口參數(shù)檢驗井的現(xiàn)今含氣量數(shù)據(jù)與原位含氣量進(jìn)行了對比,評價了含氣量實際降低情況;其次運用煤儲層數(shù)值模擬軟件(CBM-SIM),通過對141口氣井近7 a生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史擬合、參數(shù)修正,開展產(chǎn)能預(yù)測,預(yù)測了含氣量隨抽采時間變化規(guī)律和未來10 a、15 a的抽采效果。研究結(jié)果表明煤礦區(qū)地面煤層氣抽采可以有效降低煤層瓦斯含量,通過近7 a的地面抽采,寺河礦東五盤區(qū)煤層含氣量由23 m3/t降至10.51 m3/t,下降幅度平均為55%;通過儲層數(shù)值模擬得出,抽采7 a、10 a和15 a后3號煤層剩余含氣量分別為10.07,7.31, 4.35 m3/t,降低幅度分別達(dá)57%,69%和82%。

煤層氣;抽采效果;原位含氣量;現(xiàn)今剩余含氣量

在煤礦區(qū)地面抽采煤層氣后對降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的實際效果究竟如何?這是煤礦企業(yè)普遍關(guān)注的問題[1],需要從不同方面進(jìn)行確認(rèn),以便為礦井瓦斯治理工作和采煤采氣一體化提供科學(xué)的決策依據(jù)。

早在1976年,為解決煤礦瓦斯安全問題,美國礦業(yè)局曾聯(lián)合美國鋼鐵公司在Alabama州Oak Grove煤礦開展采前預(yù)抽煤層氣的項目,共施工23口井,抽采14 a后,截至1990年,煤芯含氣量測試數(shù)據(jù)顯示,原位含氣量下降了73%[2],這是有記載的第1個地面煤層氣抽采效果檢驗項目。

晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)寺河礦為高瓦斯礦井,瓦斯災(zāi)害一直困擾煤礦的安全高效生產(chǎn),含氣量大于16 m3/t的區(qū)域采煤前必須進(jìn)行煤層氣地面預(yù)抽[3-6],實現(xiàn)采煤采氣一體化[7-9]。武華太認(rèn)為在晉城礦區(qū)實行的三區(qū)聯(lián)動立體抽采可顯著提高煤礦瓦斯抽采水平;張遂安認(rèn)為在煤礦區(qū)全面推行采煤采氣一體化勢在必行;何輝等認(rèn)為在瓦斯含量大于16 m3/t的煤礦區(qū)應(yīng)該在礦井建設(shè)前5～8 a進(jìn)行地面抽采。根據(jù)晉煤集團(tuán)2009年施工的1口抽采效果檢驗井的數(shù)據(jù)粗略估計,在晉城寺河礦通過地面預(yù)抽煤層氣可以使含氣量平均每年降低1.36～2.40 m3/t[10]。

筆者認(rèn)為,準(zhǔn)確測定或預(yù)測地面抽采煤層氣后的剩余煤層瓦斯含量和瓦斯壓力,能夠為煤炭采掘和井下抽放設(shè)計提供依據(jù),對采煤采氣一體化意義重大。結(jié)合排采數(shù)據(jù)歷史分析,準(zhǔn)確運用數(shù)值模擬軟件預(yù)測地面抽采煤層氣后的剩余煤層瓦斯含量和瓦斯壓力隨抽采時間的變化規(guī)律,還可以確定合理的地面井間距,提高地面抽采經(jīng)濟(jì)效益。為了評價煤層氣地面抽采效果,2012年初至4月份,晉煤集團(tuán)結(jié)合“十二五”國家科技重大專項在寺河礦區(qū)施工了22口煤層氣抽采效果檢驗井,其中東五盤區(qū)14口,西二盤區(qū)8口。

評價地面抽采效果的指標(biāo)主要包括氣含量、儲層壓力、累計產(chǎn)氣量、采收率、日最高產(chǎn)氣量、穩(wěn)產(chǎn)期日均產(chǎn)氣量等[11-12]。筆者以東五盤區(qū)為例,以14口工程驗證井的數(shù)據(jù)和141口生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過對原位含氣量和現(xiàn)今含氣量實測數(shù)據(jù)對比直接驗證和儲層數(shù)值模擬預(yù)測,評價和預(yù)測了寺河?xùn)|五盤區(qū)煤層氣地面抽采效果。

1 典型區(qū)優(yōu)選及地質(zhì)概況

1.1 典型區(qū)優(yōu)選原則及結(jié)果

寺河礦具有較長的煤層氣地面開采歷史,自1994年P(guān)Z-002井開始排采以來,目前全礦區(qū)共有煤層氣地面開發(fā)井近千口,已進(jìn)入規(guī)?；_發(fā),煤層氣地面井布局基本均衡,且3號煤層參數(shù)變化不大,故選擇了寺河礦東五盤作為煤層氣地面抽采效果評價區(qū),首先通過原位含氣量和現(xiàn)今剩余含氣量對比,然后結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史擬合分析、檢驗區(qū)煤儲層再描述、剩余氣預(yù)測,進(jìn)一步驗證和預(yù)測含氣量隨抽采時間變化規(guī)律。

1.2 寺河礦東五盤區(qū)地質(zhì)概況

寺河礦區(qū)位于沁水盆地東南緣的單斜構(gòu)造,構(gòu)造形跡以寬緩褶皺為主,主要有山西組3號煤層和太原組15號煤層。3號煤厚6.02～6.73 m,平均6.18 m,整體上具有從北到南逐漸變厚的趨勢;埋深327.42～429.42 m,平均347.23 m;含氣量4.34～25.88 m3/t,平均12.01 m3/t;煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主。15號煤厚0.30～6.17 m,平均3.21 m;埋深350～700 m,總體變化趨勢是沿中部沁河一帶,煤層埋深最淺,向北東方向和西南方向埋深加大;含氣量7.73～38.70 m3/t,平均19.98 m3/t。

東五盤區(qū)位于寺河礦區(qū)北部,研究區(qū)內(nèi)無大、中型斷層發(fā)育,隱伏陷落柱較發(fā)育?；緲?gòu)造形態(tài)為一向斜構(gòu)造,并伴有次一級褶曲發(fā)育,向斜軸位于東五盤區(qū)中部,近SN向延伸,兩翼寬緩,傾角一般小于10°。3號煤厚為4.96～6.73 m,平均為6.01 m,一般埋深200～440 m;15號煤厚為0.80～5.45 m,平均為3.10 m,區(qū)內(nèi)埋深為300～540 m。東五盤區(qū)整體上為高含氣量區(qū)域,實測含氣量為18.98～29.02 m3/ t,平均為23.68 m3/t。

該區(qū)域儲層穩(wěn)定、煤體結(jié)構(gòu)完整、高含氣量、高滲透率,具有非常好的煤層氣地質(zhì)條件,是氣井獲得高產(chǎn)的先決條件[13-15]。

2 典型區(qū)煤層氣抽采特征

2.1 煤層氣勘探開發(fā)概況

晉煤集團(tuán)早在20世紀(jì)90年代開始在原潘莊礦區(qū)(現(xiàn)寺河擴(kuò)區(qū))進(jìn)行煤層氣地面抽采,2004年后本著地面煤層氣抽采降低煤層含氣量、提高煤礦安全生產(chǎn)程度的目標(biāo),進(jìn)行了大規(guī)模地面煤層氣抽采,煤層氣地面抽采工作一直堅持至今。

目前,寺河煤礦東五盤區(qū)有地面煤層氣抽采井141口,均為垂直井,開采目標(biāo)層為3號煤層,施工主要分兩批。1992—1997年中美合資晉丹能源研究開發(fā)公司在東五盤區(qū)進(jìn)行煤層氣勘探試驗,施工了編號為PZ01～PZ07的潘莊7口井試驗井組,對其中兩口井測試了含氣量,該井組中PZ02井自1994年開始排采至今,其余6口井受20世紀(jì)末煤炭低谷影響排采間斷,但自 2005年 12月份一直持續(xù)排采至今。2004—2005年,東五盤區(qū)又陸續(xù)施工了134口煤層氣井,對其中26井測試了含氣量,自2006年2月起排采至今。

2.2 產(chǎn)氣特征

(1)套壓。與國內(nèi)其他區(qū)域相比,東五盤區(qū)煤層氣井的套壓較高,在 0.19～1.45 MPa,平均值0.47 MPa。大部分氣井近7 a的排采期間,基本上套壓都能維持在0.4～0.5 MPa,非常穩(wěn)定,有力地保證了氣井的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

(2)產(chǎn)氣量。東五盤區(qū)累計煤層氣產(chǎn)量達(dá)10.68×108m3,整體產(chǎn)量較高,141口氣井中,單井平均日產(chǎn)氣量在449～10 285 m3,平均值4 450 m3,最高單井產(chǎn)量為27 884 m3/d。

(3)產(chǎn)水量。東五盤區(qū)累計產(chǎn)水達(dá)33×104m3,整體上單井產(chǎn)水量較低,單井日產(chǎn)水量0～79.5 m3,一般5 m3,個別氣井不產(chǎn)水。

3 抽采效果評價

3.1 煤層原位含氣量分析

在本次施工抽采效果檢驗井之前,東五盤區(qū)共有28口井的原始含氣量測試數(shù)據(jù),測試方法為自然解吸法。本項目利用28口井的含氣量測試數(shù)據(jù)繪制了東五盤區(qū)原始含氣量圖(圖1),數(shù)據(jù)基準(zhǔn)全部采用空氣干燥基。

圖1 東五盤區(qū)3號煤層原始瓦斯含量等值線Fig.1 In-situ gas content contour of coal seam No.3 in the 5theast panel

東五盤區(qū)整體上為高含氣量區(qū)域,實測含氣量為18.98～29.02 m3/t,平均為23.68 m3/t?？傮w上含氣量由東向西、由南向北呈增大趨勢(圖 1),呈現(xiàn)以SH093(28.21 m3/t)和PZ-1(29.02 m3/t)為中心及SH060(28.12 m3/t)為中心的高值區(qū),中間夾以SH055(18.98 m3/t)為中心的局部含氣量稍低區(qū)域,SH013—SH031—SH002井一線以東為接近和低于20 m3/t的區(qū)域,該區(qū)域是依據(jù)鄰區(qū)鉆孔確定的。

3.2 地面井抽采效果驗證分析

為驗證煤層氣地面抽采效果,2012年,晉煤集團(tuán)結(jié)合“十二五”國家科技重大專項“山西晉城礦區(qū)采氣采煤一體化煤層氣開發(fā)示范工程(2011ZX05063)”在寺河?xùn)|五盤區(qū)專門施工了14口抽采效果檢驗井(圖2)。

圖2 東五盤區(qū)剩余含氣量測定點位置Fig.2 The gas content measurement location in the 5theast panel

3.2.1 測試點分布

測試參數(shù)井分布于A,B,C,D四個區(qū)域,設(shè)計原則主要考慮就近有測過原位含氣量的生產(chǎn)井,含氣量測試方法為快速加溫解吸法,使用數(shù)據(jù)基準(zhǔn)同樣為空氣干燥基。本次14口抽采效果檢驗井的測試結(jié)果被認(rèn)為代表著目前煤層的剩余含氣量,通過現(xiàn)今剩余與原位含氣量對比得到含氣量降低情況,據(jù)此對東五盤區(qū)煤層氣地面抽采效果進(jìn)行了評價。

3.2.2 剩余煤層含氣量評價

14口抽采效果檢驗井的測試成果表明,東五盤區(qū)剩余煤層含氣量為8.47～13.76 m3/t,平均為10.51 m3/t,總體上3號煤層含氣量降幅達(dá)55%,煤層氣地面抽采效果非常明顯。為了便于更客觀地刻畫和說明抽采效果,以下分4個區(qū)域論述煤層氣的地面抽采效果,含氣量降低情況見表1,東五盤區(qū)剩余瓦斯含量如圖3所示。

區(qū)域A位于老七口井附近,是抽采時間最長的一個區(qū)域。目前,7口單井產(chǎn)氣量在4 000 m3/d左右,累計產(chǎn)氣量達(dá)到0.33億m3。在該區(qū)域布置了3個參數(shù)檢驗井,評價鄰近井的抽采效果。區(qū)域A的原位平均含氣量24.94 m3/t,剩余含氣量11.36 m3/ t,地面抽采后含氣量平均下降了54%。

表1 東五盤區(qū)目前剩余含氣量與原位含氣量對比Table 1 The contrast of residual and in-situ gas content in the 5theast panel

根據(jù)前期資料,區(qū)域B為高瓦斯區(qū)域,原位含氣量在25 m3/t以上,區(qū)域B內(nèi)布置2011ZX-CC-02, 2011ZX-CC-03,2011ZX-CC-04,2011ZX-CC-05煤層氣參數(shù)檢驗井。區(qū)域 B的原位平均含氣量為20.84 m3/t,剩余含氣量為9.56 m3/t,地面抽采后該區(qū)域含氣量平均下降了55%。

據(jù)資料顯示,區(qū)域C煤層含氣量較高,原位含氣量在24 m3/t左右。根據(jù)不同方向和距離,該區(qū)域布置SHZK-05,SHZK-06,SHZK-07,SHZK-04,SHZK-03煤層氣參數(shù)檢驗井。與地面抽采前相比,區(qū)域C含氣量整體下降了60%,原位含氣量為25.0 m3/t,剩余含氣量為10.11 m3/t。

圖3 東五盤區(qū)剩余瓦斯含量等值線Fig.3 The residual gas content contour in the 5theast panel

D區(qū)域煤層原位含氣量相比B,C區(qū)域略低,在 22 m3/t左右。該區(qū)域根據(jù)不同方向和距離,布置SHZK-01,SHZK-02,SHSF-01煤層氣抽采效果測試井。區(qū)域D原位含氣量為21.5 m3/t,剩余含氣量為11.15 m3/t,整體下降了51%。

根據(jù)以上實測剩余含氣量數(shù)據(jù)與原位含氣量數(shù)據(jù)對比可知,東五盤區(qū)3號煤層剩余含氣量有明顯降低,含氣量下降幅度為45%～69%,平均為55%。說明地面煤層氣預(yù)抽能有效降低抽采范圍的煤層含氣量。

值得注意的是,東五盤區(qū)的煤層原位含氣量是基于自然解吸法測的,而2012年施工的抽采效果檢驗井所測現(xiàn)今含氣量全部運用了快速加溫解吸法。這兩種測試結(jié)果的差別,會影響到抽采效果對比。快速測定法的準(zhǔn)確率一般＞90%(誤差±10%)[16-19]。東五盤區(qū)真實的地面煤層氣抽采效果取決于自然解吸法和快速加溫解吸法之間的方法誤差。這有待于進(jìn)一步的研究。

3.2.3 抽采效果的綜合運用

(1)降低了煤礦投入,增加了作業(yè)空間?！端潞拥V東井區(qū)接替盤區(qū)瓦斯抽采設(shè)計》初始設(shè)計抽采工程投入52 334萬元,根據(jù)抽采效果評價成果,調(diào)減后抽采工程投入為44 858萬元,共計降低工程投入達(dá)7 476萬元。同時井下瓦斯抽采管直徑由650 mm減小至500 mm,節(jié)省了大量的煤礦井下巷道占用空間。

(2)提高了掘進(jìn)速度:由于在東五盤區(qū)布置了141口井進(jìn)行了連續(xù)8 a的抽采,寺河礦2012年井下巷道掘進(jìn)速度大幅度提高,比預(yù)計工期提前4個月,縮短工期35%,且未發(fā)生1次瓦斯超限事故。

(3)為寺河礦地面井井網(wǎng)設(shè)計、抽采工藝控制等提供了定量依據(jù)。

4 煤層氣井抽采效果數(shù)值模擬分析

為了能夠更客觀地評價寺河礦東五盤區(qū)地面煤層氣抽采效果,運用煤層氣儲層模擬軟件(CBM-SIM)來擬合煤層氣井的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù),修正參數(shù)。通過參數(shù)井歷史擬合修正后,東五盤區(qū)滲透率調(diào)整為0.7×10-3～25.8×10-3μm2,平均6.93× 10-3μm2。滲透率值的分布范圍廣,說明儲層具有強(qiáng)的非均質(zhì)性。

在開展氣井生產(chǎn)歷史擬合、修正儲層參數(shù)的基礎(chǔ)上,對東五盤區(qū)內(nèi)141口井15 a內(nèi)的煤層氣總產(chǎn)能作了預(yù)測(表2)。最高日產(chǎn)氣量為77.34×104m3,平均日產(chǎn)氣量 27.69×104m3。模擬 7 a累計產(chǎn)氣11.31×108m3,實際7 a累計產(chǎn)氣10.68×108m3;模擬10 a累計產(chǎn)氣13.61×108m3,15 a累計產(chǎn)氣16.07× 108m3。

表2 東五盤區(qū)141口井產(chǎn)能整體模擬結(jié)果及抽采效果Table 2 141 wells production simulation and extraction effect in the 5theast panel

剩余含氣量隨抽采時間變化曲線如圖4所示, 7 a剩余含氣量 10.07 m3/t,10 a剩余含氣量7.31 m3/t,15 a剩余含氣量4.35 m3/t。

圖4 東五盤區(qū)煤層現(xiàn)今剩余含氣量變化曲線Fig.4 The residual gas content variation in the 5theast panel

含氣量降低值隨時間變化規(guī)律如圖5所示,7 a含氣量降低幅度達(dá)57%;10 a含氣量降低幅度達(dá)69%;15 a含氣量降低幅度達(dá)82%。這一數(shù)據(jù)與美國Alabama州Oak Grove煤礦14 a的地面抽采效果比較接近。

東五盤區(qū)施工的抽采效果檢驗參數(shù)井測得近7 a 3號煤層含氣量下降了11.84 m3/t,平均降低幅度達(dá)55%,儲層數(shù)值模擬的結(jié)果降低幅度為57%,比實測結(jié)果略高。

綜上所述,儲層模擬的結(jié)果顯示,煤層氣排采使煤層含氣量大幅度降低,東五盤區(qū)排采7 a后含氣量均可下降50%多,排采10 a后可下降70%左右,排采15 a后可下降80%多。

圖5 東五盤區(qū)含氣量逐年降低規(guī)律曲線Fig.5 The annually descending trend of gas content in the 5theast panel

將煤儲層模擬預(yù)測的結(jié)果與原始/剩余瓦斯含量對比結(jié)果進(jìn)行分析,東五盤區(qū)地面抽采7 a,平均降幅55%,儲層數(shù)值模擬降幅57%,兩者基本接近。

5 結(jié) 論

(1)寺河礦東五盤區(qū)經(jīng)過長期的地面抽采,有效降低了煤層含氣量。經(jīng)過近7 a的地面抽采,東五盤區(qū)3號煤層含氣量下降幅度平均為55%,剩余含氣量為10.51 m3/t。

(2)通過儲層數(shù)值模擬(CBM-SIM)得出,抽采7 a后3號煤層剩余含氣量為10.07 m3/t,降低幅度達(dá)57%,10 a降低幅度達(dá)69%,15 a剩余含氣量為4.35 m3/t,含氣量降低幅度達(dá)82%。

(3)這一成果為寺河礦地面井井網(wǎng)設(shè)計、抽采工藝控制等提供了定量依據(jù),幫助寺河礦實現(xiàn)了降低煤礦投入,增加了作業(yè)空間,提高掘進(jìn)速度的目的,實現(xiàn)了采煤采氣一體化。

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Analysis on the ground extraction effect of coal-bed methane at typical area in Jincheng,China

LI Guo-fu1,LI Gui-hong2,LIU Gang1

(1.Jincheng Anthracite Mining Group,Jincheng 048006,China;2.Xi’an Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group,Xi’an 710054, China)

Ground extraction of coal-bed methane(CBM)is considered as an effective way to reduce coal seam gas content and warrant coal mine safety.Taking the 5thEast Panel at Sihe coal mine in Jincheng as an example,based on the reservoir simulation data in 14 inspection wells and 141 production wells,the ground CBM extraction effect has been assessed.Firstly,by comparing the in-situ gas content and present gas content from 14 inspection wells,the degassing effect was evaluated.Secondly,by conducting the reservoir history matching and the simulation of 141 production wells,the future degassing effect was predicted.The results show that the degassing effect of the ground gas drainage is obvious at the 5thEast Panel in Sihe Coal Mine after the 7-year ground gas extraction.The present gas content drops to 10.51 m3/t from the in-situ gas content of 23 m3/t and the descending range averages 55%;Using reservoir simulation,the residual gas contents are 10.07,7.31 and 4.35 m3/t after 7-year,10-year and 15-year drainage respectively,and the descending range are 57%,69%and 82%respectively.

coal-bed methane;extraction effect;in-situ gas content;present residual gas content

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1932-06

2013-07-25 責(zé)任編輯:韓晉平

“十二五”國家科技重大專項資助項目(2011ZX05063,2011ZX05040-003);山西省科技重大專項資助項目(20111101001)

李國富(1965—),男,山西晉城人,教授級高級工程師,博士后。Tel:0356-3669879,E-mail:13834068216@163.com

李國富,李貴紅,劉 剛.晉城礦區(qū)典型區(qū)煤層氣地面抽采效果分析[J].煤炭學(xué)報,2014,39(9):1932-1937.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8026

Li Guofu,Li Guihong,Liu Gang.Analysis on the ground extraction effect of coal-bed methane at typical area in Jincheng,China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1932-1937.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8026