王 晶，姚團琪，程 斌

基于煤礦“先抽后建”及資源開發(fā)的煤層氣地面井位抽采部署及應用

王 晶，姚團琪，程 斌

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對目前煤礦“先抽后建”提出的安全指標及貴州黔北礦區(qū)多煤層的資源特征，同時彌補目前地面抽采部署缺乏系統(tǒng)性、盲區(qū)大的問題，以貴州對江南煤礦為例，進行了煤層氣地面抽采井位部署研究。綜合該區(qū)復雜的地形條件、煤層發(fā)育特征(層數(shù)多、厚度薄、成群分布)、煤體結(jié)構(gòu)及開發(fā)部署要求，優(yōu)選出分段壓裂水平井為主、叢式井為輔的開發(fā)方式。沿著1、2號采掘工作面分別部署了4個水平井組和16個垂直井(叢式井)，占地7個井場。通過精細化地質(zhì)模型建立、網(wǎng)格劃分，利用CBM-SIM數(shù)值模擬軟件模擬了20口井(井組)5 a地面抽采效果平均日氣量可達26 036.54 m3，地面抽采5 a后1、2號工作面內(nèi)M78煤層氣含量降幅超過30%。模擬結(jié)果顯示，對江南煤礦的精細化井位抽采部署，有效降低了采掘工作面瓦斯含量，兼顧煤礦安全生產(chǎn)和煤層氣資源利用的雙重目的。該方法可為煤層氣地面抽采及煤礦井下采掘安全協(xié)同發(fā)展，提供新思路、新方法。

先抽后建；資源開發(fā)；井位部署；產(chǎn)能預測

隨著我國煤礦安全和環(huán)保標準不斷提高，煤層氣開發(fā)利用前景日趨廣闊。目前國家能源和安全監(jiān)管部門提出了加快煤層氣地面開發(fā)和推廣煤礦“先抽后建”的理念，這使得瓦斯預抽成為煤礦開采的第一門檻。同時煤層氣作為寶貴的綠色清潔能源，在我國能源極度緊張的形勢下，其開發(fā)利用備受國家及行業(yè)的關(guān)注。煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶來了煤層氣開發(fā)技術(shù)的日趨成熟，煤層氣地面直井(含叢式井)[1]、水平對接井、多分支水平井[2]、分段壓裂水平井[3]等井型在市場上不斷推廣試驗，且取得了很好的效果[4]，煤層氣地面預抽已成為解決煤礦安全的重要手段之一[5-6]。然而目前煤層氣開發(fā)部署主要包括單井生產(chǎn)、井網(wǎng)抽采[7-8]、示范工程[9]等類型，這些方式受開發(fā)目的、地形特征、井型缺陷的限制，并未做到依靠地面抽采達到解決煤礦安全和資源利用的雙重目的。

貴州省對江南煤礦所在的黔北礦區(qū)屬突出危險礦區(qū)[10]，煤層發(fā)育具有“層數(shù)多、厚度薄、成群分布”的特點，主要煤層瓦斯含量大、煤層氣資源豐富[11]，該煤礦地處云貴高原西北部，溝谷縱橫、地貌比較復雜，井位部署存在困難，解決瓦斯突出成為難題，這也是“十三五”規(guī)劃的重要研究方向。依照煤礦建設之前必須進行“先抽后建”的要求，即通過地面鉆井預抽瓦斯且抽采率超過30%，這使得該區(qū)的井位部署尤為重要。為了兼顧“先抽后建”的安全指標和煤層氣資源有效利用的能源需求，筆者結(jié)合對江南煤礦的地質(zhì)、地貌特征，開展對江南煤礦首采區(qū)煤層氣地面井位部署工作，并借助CBM-SIM數(shù)值模擬軟件對抽采效果進行了預測。

1 煤層氣地質(zhì)概況

對江南煤礦地處貴州省大方縣南西方位，織納煤田北部，面積26.86 km2。該煤礦在構(gòu)造上位于大方背斜傾伏端的NW翼、落腳河向斜SE翼，總體為單斜構(gòu)造產(chǎn)出。構(gòu)造復雜程度中等，以平行于煤層走向的斷層為主，以近垂直、斜交走向的斷層為輔。地層傾角4°~15°，較為平緩。

對江南煤礦含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3)，含煤16~36層，其中M18、M78煤層為全區(qū)可采煤層，M29、M51為大部可采煤層，含煤總厚9.98~26.38 m，平均19.01 m，含煤系數(shù)8.8%。煤體結(jié)構(gòu)主要為碎裂–碎粒結(jié)構(gòu)煤。根據(jù)貴州省大方縣對江南煤礦首采區(qū)補充勘探報告，首采礦區(qū)內(nèi)各煤層含氣量為15.94~18.32 m3/t，氣含量較高。

目前該區(qū)共實施5口參數(shù)井，根據(jù)該區(qū)參數(shù)井的注入/壓降試井測試數(shù)據(jù)，4個可采煤層滲透率為(0.06~0.13)×10-3μm2。另外，根據(jù)DJN-01井的宏觀煤巖描述報告，各煤層煤樣裂隙發(fā)育，一般呈網(wǎng)狀分布，裂隙密度為10~40條/5 cm，連通性中等，有利于煤層氣的擴散及運移。該區(qū)儲層壓力差異較大，壓力梯度0.77~1.71 MPa/hm，平均為0.95 MPa/hm。

2 地面抽采部署

貴州對江南煤礦目前首采1、2號工作面，位于井田中部，工作面長度為1 150~1 200 m，寬220 m。M78煤為主采煤層，煤厚0.98~2.55 m，埋深在500~ 685 m，煤層氣含量為10.50~20.20 m，M78煤層氣含量如圖1所示。根據(jù)該區(qū)開采規(guī)劃，要求礦井建設5 a后對首采1號工作面進行開采，建設6 a后開采2號工作面。為了貫徹和落實“先抽后建”政策，消除煤與瓦斯突出等威脅，同時考慮該區(qū)多煤層的特征，確定了該區(qū)的地面抽采部署原則：①根據(jù)工作面巷道的布置規(guī)劃及“先抽后建”要求，地面開發(fā)井盡量布置在巷道附近，使得5 a后巷道區(qū)瓦斯含量大幅降低，煤炭掘進巷道及工作面M78煤層瓦斯量降低程度均超過30%以上，抽采均勻，無盲點；②該區(qū)地形復雜，多數(shù)地區(qū)交通不便，井場數(shù)量安排盡量減少；③考慮多煤層資源綜合利用，在開發(fā)M78煤層同時，盡量兼顧?quán)徑簩?，一方面提高單井產(chǎn)量，資源更易于利用，同時可緩解其他煤層的煤礦安全問題。

圖1 M78煤層氣含量分布圖

研究區(qū)地形條件較差，除普通垂直井井場要求較多以外，水平井、叢式井開發(fā)方式占地面積都較小[12]。然而普通水平井，如不采取壓裂增產(chǎn)措施，井筒垂直方位降低瓦斯的范圍有限，需要布置大量的井組，成本相對較高，經(jīng)濟可行性較差。同時考慮5 a首采工作面整體降低30%的要求，在開采時間較為緊迫的區(qū)域，分段壓裂水平井以其高效的抽采效率、較低的施工風險[13-15]的特點列為本次布井的首選開發(fā)方式。其次可以選擇叢式井，由于水平井造斜段一般在200~300 m左右，該段無法起到抽采效果，出現(xiàn)開采盲區(qū)，應適當配合叢式井或定向井。叢式井可同時開采多煤層也能彌補水平井的開采盲區(qū)。

具體布井方案如圖2所示。第1工作面以分段壓裂水平井為主，考慮施工風險和地形現(xiàn)狀，水平井水平段最長控制在800 m左右。共布置4組水平井，4組分段壓裂水平井抽采單元沿兩條掘進巷道附近布置在M78煤層或者該層頂板。根據(jù)現(xiàn)場地形及M78煤層底板等高線，將H1-V1、H2-V2井設計為水平對接井(H為水平井，V為對接直井)，H3、H4為L型水平井，井場位置及井眼軌跡如圖2—圖3所示。依據(jù)工作面巷道長度，對水平井抽采單元的水平段長度及壓裂段數(shù)進行了優(yōu)化設計。其中，H1-V1井組水平段長度810 m，壓裂10段；H2-V2井組水平段長度820 m，壓裂10段；H3井水平段長度590 m，壓裂7段；H4井水平段長度360 m，壓裂4段。

圖2 地面抽采井位部署圖

由于水平井抽采單元鉆井造斜，導致造斜段處于地面抽采空白范圍，為此在4組水平井造斜部分各設計補增1口斜井，分別為Z10、Z11、Z12、Z13井，空間位置如圖2—圖4所示。

2號工作面北側(cè)回風巷道西側(cè)距離V1井尚有340 m間距為抽采空白帶，設計增加2口斜井Z14、Z15井(圖4)，1號工作面西側(cè)的空白帶增設1口斜井Z16(圖3)，根據(jù)各煤層厚度及氣含量，設計這3口井主要抽采M18、M51、M78煤層。由圖3、圖4可看到1號工作面回風巷附近只需2個井場，2號工作面北側(cè)僅需2個井場，大大減少了煤層氣地面開采用地。

圖3 1號工作面回風巷地面抽采井布置示意圖

圖4 2號工作面運輸巷地面抽采井布置示意圖

2號工作面南側(cè)巷道地面抽采時間相對充足，考慮到多煤層資源有效利用，所以將抽采單元方式優(yōu)選為9口垂直井，采用叢式井方式，共3個井場，如圖5所示。各井在M78煤層見煤點間距220 m左右，抽采范圍基本覆蓋了整個巷道。各井分別為Z01、Z02、Z03、Z04、Z05、Z06、Z07、Z08、Z09井，根據(jù)煤厚及氣含量數(shù)據(jù)，設計Z01、Z02井抽采M18、M51、M78煤層，其他井抽采M18、M29、M51、M78煤層，在抽采主采M78煤層的同時，兼顧了其他可采煤層。

圖5 2號工作面回風巷地面抽采井布置示意圖

3 產(chǎn)能預測及效果評價

為了分析對江南首采工作面煤層氣地面抽采部署效果，本文采用CBM-SIM煤層氣藏數(shù)值模擬軟件進行產(chǎn)能預測。

CBM-SIM軟件是用于模擬非常規(guī)油氣藏的三維、兩相，單、雙、三孔隙模擬軟件。本次建立模型為雙孔隙/單滲透率模型，模擬尺寸為2 700 m× 1 100 m，模擬邊界條件為定壓，各井均為定井底壓力生產(chǎn)。煤厚、氣含量根據(jù)編繪該區(qū)的等值線圖網(wǎng)格化精確讀取，等溫吸附參數(shù)為實測數(shù)據(jù)，裂縫含水飽和度為100%，儲層壓力梯度選用該區(qū)的平均壓力梯度0.95 MPa/hm，煤層滲透率結(jié)合該區(qū)注入/壓降測試數(shù)據(jù)范圍，同時考慮到該區(qū)測點較少，因此統(tǒng)一采用了0.11×10-3μm2。模擬參數(shù)如表1所示。分段壓裂水平井單獨抽采M78煤層，其他叢式井兼顧抽采M18、M29、M51、M78煤層。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

3.1 煤層氣產(chǎn)量

根據(jù)模擬結(jié)果(圖6)，4組水平井開采M78煤層，地面抽采5 a后，H1–V1井組最高日產(chǎn)量為7 138.45 m3/d，H2–V2井組最高日產(chǎn)氣量為7 661.71 m3/d，H3–V3井組最高日產(chǎn)氣量為5 302.31 m3/d，H4–V4井組最高日產(chǎn)氣量為2 833.59 m3/d。直井(叢式井)開采3~4層煤，平均日產(chǎn)氣量最高達2 829.79 m3/d?？傮w來看，該區(qū)4組水平井和16口直井(叢式井)5 a日產(chǎn)氣量平均26 036.54 m3/d，5 a日產(chǎn)氣量都在14 000 m3/d以上、累計產(chǎn)氣量達4 686.577萬m3。該地區(qū)的煤層氣開發(fā)可帶來可觀的經(jīng)濟效益。

圖6 2個工作面地面抽采產(chǎn)氣量模擬結(jié)果

3.2 煤層氣含量變化特征

由首采區(qū)M78煤層氣含量等值線(圖1)可以看出，抽采前，M78煤層氣含量基本都在12 m3/t以上，由東向西逐漸增大，西部增加到19 m3/t左右。

經(jīng)過5 a的地面抽采后，M78煤層氣含量有了大幅度的降低(圖7)，水平井眼附近最高降低幅度超過60%。其中，1號工作面氣含量降低程度顯著，西部氣含量降低到7.23~13.80 m3/t，東部氣含量降低到5.15~9.20 m3/t；2號工作面西部地區(qū)氣含量降低到9.20~13.50 m3/t，東側(cè)氣含量降低到4.51~8.00 m3/t。抽采5 a首采2個工作面綜合抽采率都超過30%，已滿足煤礦生產(chǎn)安全要求。

圖7 抽采5 a后工作面M78煤層氣含量分布圖

模擬結(jié)果表明，2個工作面所屬區(qū)域及巷道附近氣含量均降低超過30%，不但滿足了巷道附近的抽采要求，合理而精細的部署方案也使2個工作面大部分地區(qū)達到煤礦建設要求。

4 結(jié)論

a. 與普通井網(wǎng)部署方式相比，貴州對江南首采工作面的地面煤層氣部署方式做到了整體規(guī)劃，覆蓋面大，盲區(qū)小，兼顧煤礦安全和資源利用的雙重效益。

b. 對江南煤礦首采工作面共布置4組水平分段壓裂井和16口直井(叢式井)，共7個井場，有效減少井場占地，同時也達到了區(qū)域全覆蓋。

c. 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，對江南煤礦設計的4組水平分段壓裂井+16口直井(叢式井)的部署方案，排采5 a可將兩個工作面范圍內(nèi)M78煤層氣含量降低超過30%，最高降低幅度超過60%。

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Research and application of CBM surface extraction based on coal mine with “gas drainage first, construction later” and resource development

WANG Jing, YAO Tuanqi, CHENG Bin

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the safety index put forward by “gas drainage first, construction later” of coal mine at present and the resource characteristics of many coal seams in northern Guizhou Province, and at the same time making up for the lack of systematization and large blind area of surface gas drainage deployment at present, this paper took Duijiangnan coal mine as an example to carry out the research of coal bed methane surface drainage deployment. Based on the complex topographic conditions, coal seam development characteristic(multiple layers, thin thickness, group distribution), coal body structure, development and deployment requirements in this area, the development mode of horizontal wells with segmented fracturing and cluster wells was optimized. Four horizontal well groups and 16 vertical wells(cluster wells) were deployed along No. 1 and No. 2 working faces, occupying 7 well sites. Through the establishment of fine geological model and grid division, CBM-SIM numerical simulation software was used to simulate the average daily gas volume of surface drainage in 20 wells(well groups) during 5 a, which can reach 26 036.54 m3, and the CBM content of seam M78 in No.1 and 2 working faces decreased by more than 30% after 5 a gas drainage.The simulation results show that the fine deployment of well location in Duijiangnan coal mine can effectively reduce the gas content in the working faces and give consideration to the dual purposes of coal mine safety production and utilization of CBM resources. This method can provide a new idea and method for the coordinated development of coalbed methane through surface extraction and underground mining safety.

gas drainagefirst, construction later; resource development; well placement; production forecasting

P618

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.005

1001-1986(2019)04-0028-05

2019-05-08

國家科技重大專項任務(2016ZX05045-002-004)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新資金資助項目(2018MS008)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-004)；China Coal Technology&Engineering Group Corp Science and Technology Innovation Poject

王晶，1986年生，女，河北保定人，碩士，助理研究員，從事煤層氣開發(fā)地質(zhì)與開發(fā)工程方向研究工作. E-mail：393741007@163.com

王晶，姚團琪，程斌. 基于煤礦“先抽后建”及資源開發(fā)的煤層氣地面井位抽采部署及應用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：28–32.

WANG Jing，YAO Tuanqi，CHENG Bin. Research and application of CBM surface extraction based on coal mine with “gas drainage first, construction later” and resource development[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：28–32.

(責任編輯 范章群)