郭 浩

(山西西山藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司， 山西 太原 030200)

目前采空區(qū)地面抽采已經(jīng)成為繼地面預(yù)抽井、采動(dòng)區(qū)抽采后又一成熟、穩(wěn)定的瓦斯抽采工藝[1]. 受施工工藝及塌陷區(qū)的影響，該工藝僅局限于對(duì)頂部采空區(qū)瓦斯的開(kāi)發(fā)利用[2-3]. 受煤層儲(chǔ)存特征及煤炭持續(xù)開(kāi)采的影響，越來(lái)越多的采空區(qū)已經(jīng)形成兩層，甚至多層[4]，受限于采空區(qū)的特殊性質(zhì)，對(duì)下層采空區(qū)的瓦斯抽采技術(shù)一直屬于空白。

結(jié)合現(xiàn)有的采空區(qū)瓦斯抽采工藝及技術(shù)，引用煤層氣預(yù)抽井合層排采的思路，把穿采空區(qū)預(yù)抽下組煤層瓦斯鉆井技術(shù)與單層采空區(qū)鉆井技術(shù)結(jié)合改進(jìn)，形成對(duì)雙層采空區(qū)瓦斯合層抽采的新型工藝技術(shù)，并在馬蘭礦進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比雙層采空井與單層采空井的變氣量，驗(yàn)證該抽采工藝的抽采效果。

1 工程概況

西山古交區(qū)塊馬蘭礦，井田面積為104.4 km2，該區(qū)塊穩(wěn)定可采煤層為2#、8#和9#煤層。其中，2#煤層頂板為一層不穩(wěn)定的具疊錐構(gòu)造的紋層狀泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，煤層厚度0～5.98 m，平均厚度2.30 m，全礦區(qū)厚度穩(wěn)定，煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量15.75億m3，可采儲(chǔ)量為6.44億m3；8#煤層頂板為廟溝灰?guī)r，從整個(gè)礦區(qū)范圍看，屬穩(wěn)定煤層，煤層厚度0.4～8.00 m，平均厚度3.90 m, 煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量23.73億m3，可采儲(chǔ)量為7.95億m3.

目前，馬蘭礦采空區(qū)面積總計(jì)為23.2 km2，其中，南一、南三、南四盤(pán)區(qū)，2#、8#煤已全部開(kāi)采完畢，盤(pán)區(qū)整體封閉，具備多層采空區(qū)共同抽采的優(yōu)勢(shì)。前期南三盤(pán)區(qū)3口2#煤?jiǎn)螌硬煽站骄矔r(shí)流量較低，約為30 m3/h.

2 采空區(qū)合層抽采工藝技術(shù)

雙層采空區(qū)瓦斯合層抽采工藝包括4部分：采空井井位確定、上覆地層鉆井工藝、過(guò)采空區(qū)鉆井工藝、割縫套管完井工藝。

2.1 采空井井位確定

結(jié)合西山礦區(qū)地質(zhì)地層因素，馬蘭礦采空井井位的選取遵循以下5個(gè)原則：

1) 工作面回采過(guò)程中，煤層瓦斯涌出量較高。

2) 蓋山厚度應(yīng)大于350 m.

3) 在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造有利區(qū)、采空井效果較好的相鄰工作面。

4) 根據(jù)“O”形圈理論，結(jié)合西山區(qū)塊工作面布置情況，距離回風(fēng)巷平距應(yīng)小于40 m，同時(shí)應(yīng)位于目的層位底板抬升處，遠(yuǎn)離積水區(qū)域。

5) 若工作面長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m，則可視情況，一個(gè)工作面布置兩口井。

江豚每年4—6月為分娩期，交配行為在每年的7-9月份，出生半年以后開(kāi)始逐漸斷奶[10]。因此，枯水期正是新生江豚發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期，如果江豚食物資源相對(duì)匱乏、撫幼的淺水沙洲相對(duì)減小，活動(dòng)空間受限制，或者人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾，那么母豚撫幼行為(江豚斷奶行為沒(méi)有停止)將維持更長(zhǎng)時(shí)間，因此母豚進(jìn)入妊娠狀態(tài)機(jī)會(huì)降低。江豚交配水生態(tài)環(huán)境要求安靜，水速相對(duì)靜止或緩慢，因此江豚通常在夏季早晚，洲尾的滯留區(qū)、分離區(qū)或回水區(qū)交配。由于剛出生的幼豚運(yùn)動(dòng)能力與聲吶系統(tǒng)發(fā)育不完善，因此江豚通常選擇洲頭的分流區(qū)或邊灘回水區(qū)(上行船有干擾)進(jìn)行撫幼活動(dòng)。

2.2 上覆地層鉆井工藝

常規(guī)單層采空井鉆井施工工藝已經(jīng)很成熟，上覆地層鉆井施工過(guò)程，部分沿用常規(guī)鉆井工藝。為解決因雙層采空井判斷裂隙帶高度不準(zhǔn)導(dǎo)致的固井井漏問(wèn)題，修改了二開(kāi)鉆進(jìn)方案，具體如下：

通過(guò)研究西山礦區(qū)地質(zhì)地層因素，根據(jù)該礦沉陷區(qū)理論計(jì)算公式，結(jié)合以往采空區(qū)鉆遇情況，在二開(kāi)鉆進(jìn)接近2#采空區(qū)頂板100 m時(shí)，通過(guò)井下攝像機(jī)窺視判定各漏失層，確定二開(kāi)完鉆位置提升至2#采空區(qū)頂板60～70 m，優(yōu)化了雙層采空區(qū)二開(kāi)鉆井判層工藝?？紤]后續(xù)施工環(huán)節(jié)，對(duì)井眼尺寸進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 調(diào)整后的鉆井參數(shù)表 mm

2.3 過(guò)采空區(qū)鉆井工藝

過(guò)采空區(qū)時(shí)，由于漏失問(wèn)題不能使用水鉆。使用空氣鉆時(shí)，受煤礦回采的影響，采空區(qū)聚集不同成分、濃度的氣體，極具爆炸、燃燒的危險(xiǎn)性，用常規(guī)鉆井技術(shù)很難保證安全生產(chǎn)。因此，在揭露及穿過(guò)采空區(qū)時(shí)，對(duì)鉆井循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行更換。

1) 鉆進(jìn)、揭露。待三開(kāi)驗(yàn)收合格后，準(zhǔn)備制氮設(shè)備，將常規(guī)鉆井循環(huán)介質(zhì)換為氮?dú)?。采用d171.00 mm鉆頭，鉆至下部采空區(qū)底板止鉆，完鉆后提鉆滑眼，至全井無(wú)阻礙。在穿過(guò)采空區(qū)井段時(shí)，為達(dá)到防塌的目的，采用小泵量、小鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆井方式，確保鉆進(jìn)的安全性，具體鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 鉆進(jìn)參數(shù)表

2) 制氮工藝。為避免揭露采空區(qū)時(shí)發(fā)生事故，在空壓機(jī)為空氣鉆鉆進(jìn)送風(fēng)時(shí)，先通過(guò)膜制氮機(jī)進(jìn)行脫氧，用純度較高的氮?dú)獯婵諝獬蔀殂@井循環(huán)介質(zhì)，以保證鉆進(jìn)安全。

由于雙層采空區(qū)鉆進(jìn)，在揭露下層采空區(qū)時(shí)漏風(fēng)情況較為嚴(yán)重，于西山區(qū)塊施工時(shí)，制氮設(shè)備必須保證送風(fēng)量為40～60 m3/min，以避免發(fā)生井下埋鉆事故。

2.4 割縫套管完井工藝

三開(kāi)鉆進(jìn)結(jié)束后，再次使用井下攝像機(jī)窺視已完鉆井內(nèi)實(shí)際情況，如無(wú)問(wèn)題，下入139.7 mm割縫套管。具體方法如下：

割縫套管可以使用舊套管加工，節(jié)約成本。完井后的井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 雙層采空區(qū)井身結(jié)構(gòu)示意圖

目前進(jìn)行的采空區(qū)雙層開(kāi)采區(qū)域，主采煤層為2#、8#和9#，2#與8#的煤層間距在80 m左右。8#與9#煤間距為20 m左右?？紤]8#與9#煤間距及鉆井施工安全技術(shù)措施，只采取揭穿8#采空區(qū)，利用8#與9#間的自然塌陷裂隙帶溝通9#煤層采空區(qū)。

3 試驗(yàn)分析

完井后根據(jù)采空區(qū)積水情況進(jìn)行試采，若鉆遇采空區(qū)且產(chǎn)氣良好，則安裝設(shè)備進(jìn)行試抽采；若鉆至積水區(qū)，可視積水量情況安裝抽油機(jī)排水并進(jìn)行試抽采，同時(shí)根據(jù)抽采瓦斯參數(shù)做集輸利用計(jì)劃。

3.1 抽采系統(tǒng)

抽采系統(tǒng)可分為前端、中端、后端3個(gè)部分，現(xiàn)場(chǎng)抽采系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2.

圖2 現(xiàn)場(chǎng)抽采系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖

前端：井口壓力表→球閥→阻火器→連接軟管→抽采設(shè)備。當(dāng)井口與抽采設(shè)備距離>50 m時(shí)，需在阻火器與抽采設(shè)備之間加裝球閥，以便于操作。

中端：抽采設(shè)備及監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備(甲烷、氧氣、一氧化碳、壓力及溫度傳感器)，對(duì)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警和保護(hù)控制。

后端：抽采設(shè)備排氣口→連接軟管→放空閥→流量計(jì)→球閥→集輸站。

3.2 試抽采實(shí)際情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已經(jīng)完鉆的6口雙層合采采空區(qū)井XSM-CK-03、XSM-CK-07、XSM-CK-21、XSM-CK-22、XSM-CK-23、XSM-CK-39進(jìn)行了試驗(yàn)抽采，產(chǎn)氣量較單層采空井有較大的提高(見(jiàn)圖3). XSM-CK-01井與XSM-CK-39井為同一工作面相距5 m位置打的兩口采空井，其中XSM-CK-01井為單層采空井，XSM-CK-39井為雙層采空井，對(duì)比兩口井的采氣效果(圖4)發(fā)現(xiàn)，利用合層抽采工藝抽采的XSM-CK-39井其產(chǎn)氣量高于單層抽采井XSM-CK-01，且每天的產(chǎn)氣量都很穩(wěn)定。

圖3 雙層采空區(qū)合層抽采效果圖

圖4 同一工作面單層、雙層采空井抽采效果圖

3.3 試抽效果分析

根據(jù)同一工作面單層、雙層采空區(qū)合層抽采效果對(duì)比可知，雙層采空區(qū)井氣源相對(duì)較廣，不僅有2#、8#煤層采空區(qū)及附近圍巖的瓦斯氣體，同時(shí)在鉆井過(guò)程中會(huì)揭露4#、6#煤層。由于2#、8#煤層采掘完畢會(huì)導(dǎo)致上覆巖層壓力產(chǎn)生變化，4#、6#、9#煤層也可能會(huì)逸散出一定的卸壓瓦斯，既豐富了氣體來(lái)源，也保證了氣體的濃度。

從幾口井的抽采效果來(lái)看，多層采空區(qū)合層抽采氣量相對(duì)有一定保證，在抽采條件相同的情況下，氣量遠(yuǎn)超過(guò)單層采空區(qū)井，有利于采空區(qū)瓦斯治理。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)鉆井工藝形成了一套新型采空區(qū)合層抽采工藝，通過(guò)在馬蘭礦試驗(yàn)抽采，對(duì)比雙層采空井和單層采空井的抽采效果，發(fā)現(xiàn)利用合層抽采工藝的雙層采空井其產(chǎn)氣量高于單層采空井，且每天的產(chǎn)氣量都很穩(wěn)定。目前所采用的合層抽采工藝僅進(jìn)行了雙層采空區(qū)合層抽采，下一步將進(jìn)行多層采空區(qū)合層抽采，可以預(yù)計(jì)，多層采空區(qū)合層抽采在未來(lái)有較為廣泛的應(yīng)用前景。