趙向東

(山西燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，山西 030032)

近年來實(shí)施的煤炭去產(chǎn)能政策，促使一批資源枯竭及落后產(chǎn)能礦井加快關(guān)閉，形成大量的關(guān)閉/廢棄礦井。國能煤炭(2016)334號《國家能源局關(guān)于印發(fā)煤層氣(煤礦煤層氣)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃的通知》明確指出：關(guān)閉礦井殘存煤層氣抽采利用或?qū)⒊蔀槊簩託猱a(chǎn)業(yè)新的增長點(diǎn)，應(yīng)建設(shè)一批示范工程，并研發(fā)推廣關(guān)閉礦井殘存煤層氣抽采利用技術(shù)。而我國礦井煤層氣抽采現(xiàn)階段仍主要集中在開采前預(yù)抽采和開采中卸壓抽采，真正意義上的關(guān)閉礦井煤層氣抽采尚處于探索階段，真正利用關(guān)閉礦井進(jìn)行煤層氣抽采的實(shí)例較少。

圖1 三開氮?dú)忏@井工藝流程圖

據(jù)測算，目前我國煤礦采空區(qū)(廢棄礦井)中殘留煤層氣資源量近5000億m3，僅山西省就達(dá)726億m3，采空區(qū)煤層氣具有十分可觀的開發(fā)利用潛力。近年來，山西晉城煤業(yè)集團(tuán)先后在省內(nèi)晉城、西山、陽泉、左權(quán)等礦區(qū)施工了采空區(qū)、廢棄礦井煤層氣抽采井135口，目前運(yùn)行55口，日抽采利用氣量達(dá)9.4萬m3，累計(jì)利用氣量約1.3億m3。經(jīng)過多年摸索實(shí)踐，初步在煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣資源評價(jià)、地面鉆井技術(shù)、抽采工藝、裝備研發(fā)、技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)制定等方面建立了成套技術(shù)體系，使采空區(qū)地面抽采利用實(shí)現(xiàn)了過程可控、利益可期，為有效消除采空區(qū)瓦斯逸出災(zāi)害、高效利用采空區(qū)煤層氣(瓦斯)資源、促進(jìn)礦區(qū)綠色發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 鉆進(jìn)工藝

對比水力鉆井和壓縮氣體鉆井技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，水力鉆井技術(shù)的鉆井液在采空區(qū)裂隙發(fā)育區(qū)漏失嚴(yán)重，且泥漿極容易堵塞產(chǎn)氣裂隙，因此選擇壓縮氣體鉆井技術(shù)?；诖?，開發(fā)了適合煤礦采空區(qū)鉆井的新型鉆井工藝，該工藝采用兩段式鉆井，即在鉆井的一開和二開選擇壓縮空氣作為井內(nèi)循環(huán)介質(zhì)。

當(dāng)三開鉆進(jìn)至采空區(qū)上部裂隙發(fā)育區(qū)，采空區(qū)內(nèi)煤層氣通過裂隙運(yùn)移至井筒內(nèi)。若此時仍使用壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)，運(yùn)移至井筒內(nèi)的采空區(qū)瓦斯與壓縮空氣混合后，必然使甲烷體積分?jǐn)?shù)處于爆炸極限范圍內(nèi)，鉆井存在極大的安全隱患，因此選擇壓縮氮?dú)庾鳛榫畠?nèi)循環(huán)介質(zhì)，氮?dú)饨橘|(zhì)相比空氣介質(zhì)可抑制甲烷爆炸，極大地提高了鉆井安全性。三開氮?dú)忏@井工藝流程如圖1，使用膜制氮設(shè)備制備工業(yè)氮?dú)?，并通過壓縮機(jī)將氮?dú)鈮喝脬@桿中。分段式的工藝設(shè)計(jì)，在大規(guī)模鉆井時，可合理安排每口鉆井的鉆進(jìn)時段，此種模式下不需要每臺鉆機(jī)配備膜制氮設(shè)備，提高膜制氮設(shè)備使用效率。

選用壓縮空氣(氮?dú)?作為循環(huán)介質(zhì)，在采空井鉆井時對鉆井工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括循環(huán)介質(zhì)、鉆壓、鉆速、排量等，開展了采空區(qū)井過裂隙帶鉆井技術(shù)試驗(yàn)，既降低了采空井鉆井成本，又可有效鉆至采空區(qū)3號煤層底板10m位置處，滿足生產(chǎn)要求，取得了較好的效果。

在一開段為防斜，采用了小鉆壓吊打的方法，同時為達(dá)到防塌的目的，采用小泵量、小鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)方式，確保了穩(wěn)定性；在二開、三開段穿越采空區(qū)時，循環(huán)介質(zhì)存在漏失嚴(yán)重，返漿(氣)困難甚至不返漿(氣)，容易造成坍塌、掉鉆、埋鉆事故，根據(jù)實(shí)際情況采用大風(fēng)量沖孔、憋壓沖孔、空氣泡沫循環(huán)等方法，切實(shí)有效的解決了鉆孔施工中的掉塊、卡鉆等復(fù)雜情況，達(dá)到最大限度的節(jié)約成本，提高鉆效，縮短周期的目的。表1為空氣鉆井在不同井段時鉆進(jìn)參數(shù)變化表。

表1 空氣鉆井在不同井段時鉆進(jìn)參數(shù)變化表

地面采空井完井采用連續(xù)固井技術(shù)，一開典型套管串結(jié)構(gòu)為引鞋+套管鞋+表層套管，二開典型套管串結(jié)構(gòu)為：引鞋+套管鞋+旋流短節(jié)+套管+回壓凡爾+一根套管+承托環(huán)+套管串+聯(lián)頂節(jié)+水泥頭，主要固井設(shè)備有水泥車、水泥儲灰罐、混合漏斗、混合罐、壓風(fēng)機(jī)車、流量計(jì)車及相關(guān)附屬設(shè)備等。

2 地面分級抽采工藝

針對廢棄礦井采空區(qū)煤層氣抽采濃度差異大的特點(diǎn)，考慮到煤層氣抽采安全性和高效性，將廢棄礦井采空區(qū)煤層氣抽采利用分為高濃度(CH4>30%)和低濃度(CH4≤30%)煤層氣抽采利用技術(shù)體系。圖2為廢棄礦井采空區(qū)分級抽采利用技術(shù)體系示意圖，根據(jù)煤層氣濃度差異，采用不同抽采設(shè)備，并匹配不同抽采工藝進(jìn)行開發(fā)。此外，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣可就地用作分布式發(fā)電機(jī)燃料，為抽采設(shè)備提供穩(wěn)定動力。

圖2 廢棄礦井采空區(qū)分級抽采利用技術(shù)體系示意圖

2.1 高濃度煤層氣抽采利用技術(shù)

采空井是一種煤層氣抽采新井型，不同于常規(guī)預(yù)抽井“排水降壓”的產(chǎn)氣機(jī)理，其實(shí)質(zhì)上是使用螺桿/漩渦增壓機(jī)組抽采設(shè)備人為制造并傳播壓力降至采空區(qū)內(nèi)部裂隙空間，使游離煤層氣在壓降作用下運(yùn)移至抽采設(shè)備內(nèi)，從而進(jìn)一步降低井底流壓，促進(jìn)采空區(qū)殘煤吸附氣的解吸，最終使采空區(qū)殘煤解吸速度與抽采設(shè)備抽采能力平衡，達(dá)到穩(wěn)定抽采煤層氣的目的。主要抽采工藝流程為：井口(壓力表)→閥門→阻火器→單向閥→閥門→增壓機(jī)組→緩沖罐→閥門→流量計(jì)→閥門→集輸管網(wǎng)。

2.2 低濃度煤層氣抽采利用技術(shù)

我國絕大多數(shù)煤礦采取直接排空方式處理低濃度煤層氣，低濃度煤層氣(CH4≤30%)不能直接通過增壓機(jī)集輸利用，但目前尚無專門針對野外地面抽采條件的低濃度煤層氣提純利用系統(tǒng)。為充分利用低濃度煤層氣資源(CH4≤30%)，通過針對性地開展集成創(chuàng)新，研究了一套具有安全抽采、甲烷提純以及增壓集輸?shù)裙δ艿姆植际教峒兿到y(tǒng)。

基于分布式提純系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了如圖3的低濃度煤層氣安全提純系統(tǒng)，主要包括安全抽采子系統(tǒng)和變壓吸附子系統(tǒng)。安全抽采子系統(tǒng)由閘閥、單向閥、放水器、防爆阻火器、電動閥、水環(huán)真空泵、壓縮機(jī)、冷干機(jī)和氣體緩沖罐組成。安全抽采子系統(tǒng)運(yùn)行流程為：在負(fù)壓抽采下，抽采至地面的低濃度煤層氣依次經(jīng)單向閥、閘閥、放水器、阻火器的安全保障后進(jìn)入煤層氣真空壓縮機(jī)，從負(fù)壓開始壓縮，將壓力升高到0.2MPa左右。冷干機(jī)可進(jìn)一步將煤層氣中大部分水分冷凍分離。

圖3 低濃度煤層氣安全提純和增壓輸送系統(tǒng)工藝流程

3 應(yīng)用效果

(1)晉城礦區(qū)

晉城礦區(qū)采空井共施工54口，運(yùn)行25口，日產(chǎn)量約4.5萬m3。鉆井主要分布在晉圣永安宏泰、岳城、侯村、棗坡溝、潤宏、慶城、古書院等礦區(qū)；如2013年在晉圣永安宏泰煤礦施工了一口廢棄礦井煤層氣抽采井JSCK-02井，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣，初始產(chǎn)能達(dá)6000m3/d,經(jīng)過6年的抽采，目前該井仍保持日產(chǎn)量約3000m3。

(2)西山礦區(qū)

西山礦區(qū)采空井共施工56口，運(yùn)行20口，日產(chǎn)量約3.5萬m3，主要分布在屯蘭、馬蘭、東曲等礦區(qū)。抽采的高濃度煤層氣直接并網(wǎng)管輸利用，部分低濃度煤層氣資源就地提純利用。

(3)陽泉、晉中礦區(qū)

陽泉礦區(qū)采空井共施工18口，運(yùn)行8口，日產(chǎn)量約0.8萬m3，主要分布在樂平、石崗、黃巖匯等礦區(qū)，抽采的高濃度煤層氣直接并網(wǎng)管輸利用，部分低濃度煤層氣資源提純到安全濃度再進(jìn)行利用。晉中左權(quán)礦區(qū)采空井共施工9口，運(yùn)行2口，日產(chǎn)量約0.6萬m3，主要分布在坪上礦區(qū)。

4 存在主要問題

(1)通過地面煤層氣抽采井解決煤礦井下瓦斯超限問題，各礦井條件不同，治理手段方法不盡相同；采空區(qū)煤層氣抽采有可能造成采空區(qū)漏風(fēng)，誘發(fā)采空區(qū)煤層自燃，存在安全隱患。

(2)由于目前廢棄礦井(采空區(qū))煤層氣地面抽采缺少法律依據(jù)，項(xiàng)目實(shí)施困難。

(3)由于種種原因，煤層氣開發(fā)企業(yè)通常很難獲取作業(yè)范圍內(nèi)真實(shí)準(zhǔn)確的煤礦采掘平面圖和井上下對照圖等關(guān)鍵基礎(chǔ)資料，地面鉆井極易鉆遇煤柱和積水區(qū)導(dǎo)致報(bào)廢，企業(yè)投入風(fēng)險(xiǎn)較高。

(4)目前采空區(qū)煤層氣抽采規(guī)模不大，主要效益體現(xiàn)在安全和環(huán)保方面，經(jīng)濟(jì)效益整體較差，應(yīng)加大扶持。

5 結(jié)語

應(yīng)用實(shí)踐表明，采空區(qū)地面井平均產(chǎn)能達(dá)2000m3/d，部分高產(chǎn)井產(chǎn)能甚至達(dá)到6000m3/d，抽采年限達(dá)6年以上，廢棄礦井采空區(qū)煤層氣地面抽采效果顯著，初步實(shí)現(xiàn)了廢棄礦井采空區(qū)煤層氣規(guī)?；_發(fā)和工程示范效果，對山西省乃至全國廢棄礦井煤層氣資源開發(fā)利用有一定的引導(dǎo)和推廣作用。