李軍軍，李國(guó)富，郝海金，郝春生，王 爭(zhēng)

過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)及工程應(yīng)用初探——以晉城寺河井田為例

李軍軍1,2，李國(guó)富1,2，郝海金1,2，郝春生1,3，王 爭(zhēng)1,2

(1. 煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；2. 易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030031；3. 山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

晉城礦區(qū)寺河井田3號(hào)煤層經(jīng)多年的煤礦開(kāi)采，形成了大面積的采空區(qū)，大面積的卸壓提高了下組煤(9號(hào)、15號(hào))的滲透率，但由于采空區(qū)阻隔和煤層氣地面預(yù)抽技術(shù)的局限，致使下組煤煤層氣尚未得到有效抽采。為保證煤礦的安全生產(chǎn)和產(chǎn)能的釋放，結(jié)合采空區(qū)特征，采用過(guò)采空區(qū)鉆完井及壓裂工藝新技術(shù)，分析施工參數(shù)及后期產(chǎn)能情況，評(píng)價(jià)過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：地面鉆井開(kāi)發(fā)過(guò)采空區(qū)下組煤煤層氣資源時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行井位優(yōu)選及井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以保證鉆井的成功率；采用氮?dú)庵脫Q套管鉆井工藝及低壓易漏注漿加固等穿采空區(qū)鉆完井技術(shù)，不僅可以有效降低采空區(qū)煤層氣自燃甚至爆炸風(fēng)險(xiǎn)，而且保證了穿采空區(qū)段固井質(zhì)量；優(yōu)化采空區(qū)下組煤層壓裂施工參數(shù)并設(shè)計(jì)不同井位的煤層氣井壓裂工藝，有效擴(kuò)展裂縫長(zhǎng)度，同時(shí)也避免了“壓穿”等壓裂事故發(fā)生；精細(xì)化排采管控措施可以有效擴(kuò)大泄流半徑，提高單井產(chǎn)能?，F(xiàn)場(chǎng)一百余口過(guò)采空區(qū)煤層氣井排采實(shí)踐表明，單井最高產(chǎn)氣量達(dá)到8 832 m3/d，日均產(chǎn)氣量達(dá)到2 694 m3，驗(yàn)證了過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)可行，可推廣應(yīng)用。

過(guò)采空區(qū)；煤層氣抽采；氮?dú)庵脫Q套管鉆井；下組煤；分層壓裂；精細(xì)化排采

煤層氣開(kāi)發(fā)具有潔凈能源利用、防治煤礦瓦斯災(zāi)害、減少溫室氣體排放等重要意義[1]。自晉城礦區(qū)作為我國(guó)重要的無(wú)煙煤生產(chǎn)示范基地，多年來(lái)堅(jiān)持“井上下煤層氣聯(lián)合抽采、抽采和利用相結(jié)合”，地面鉆井在煤層開(kāi)采前預(yù)抽，提前5 a及更長(zhǎng)時(shí)間在地面大規(guī)模布置井群，實(shí)現(xiàn)采前抽、采動(dòng)抽和采后抽的長(zhǎng)期穩(wěn)定抽采[2-5]。區(qū)內(nèi)的寺河井田、成莊礦及周邊礦井3號(hào)煤層經(jīng)多年的煤礦開(kāi)采，已形成了大面積的采空區(qū)，3號(hào)煤采空區(qū)對(duì)下組煤(9號(hào)、15號(hào))造成阻隔，受采掘銜接和煤層氣地面預(yù)抽技術(shù)的限制，采空區(qū)下9號(hào)和15號(hào)煤層的煤層氣尚未得到有效抽采。根據(jù)研究區(qū)已有煤層氣井含氣量測(cè)試結(jié)果顯示：3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層噸煤瓦斯含量多在20 m3以上，且下組煤瓦斯含量均高于3號(hào)煤層，從而嚴(yán)重影響礦井下伏煤層的安全生產(chǎn)和產(chǎn)能的釋放。綜上，研究一種穿越3號(hào)煤層采空區(qū)抽采下組煤煤層氣的技術(shù)工藝成為解決下組煤煤層氣提前預(yù)抽的關(guān)鍵，將對(duì)礦井下伏煤層的安全開(kāi)采提供保障。

近年來(lái)，煤層采動(dòng)變形破壞、采空區(qū)分布特征、煤炭開(kāi)采圍巖變形–破壞規(guī)律及滲透性分布特征[6-10]等受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究，發(fā)現(xiàn)上覆煤層采空后會(huì)對(duì)下組煤儲(chǔ)層起到卸壓作用，從而使得下組煤煤儲(chǔ)層滲透率大幅增加，進(jìn)而為下組煤煤層氣的開(kāi)發(fā)提供有利條件。劉見(jiàn)中等[11]提出了一種利用國(guó)產(chǎn)100 t全液壓車載鉆機(jī)地面鉆井穿越采空區(qū)的鉆進(jìn)裝備，主要采用強(qiáng)力穿越垮落帶空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝方法；石智軍等[12]提出了集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的解決方案，即利用空氣潛孔錘高頻沖擊、體積碎巖的特性提高孔底碎巖效率，利用雙壁鉆桿空氣反循環(huán)工藝解決排渣難題；方俊等[13]針對(duì)碎軟煤層提出采用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備進(jìn)行碎軟煤層鉆孔施工的技術(shù)方案。鑒于寺河井田下組煤原煤瓦斯含量較高，實(shí)施煤層氣提前預(yù)抽勢(shì)在必行，然而鉆進(jìn)3號(hào)煤層采空區(qū)時(shí)面臨循環(huán)介質(zhì)漏失、井壁易坍塌及固井困難等技術(shù)難題，并且容易引發(fā)采空區(qū)自燃甚至爆炸等安全問(wèn)題，另外9號(hào)和15號(hào)等下伏煤層受卸壓擾動(dòng)如何確定壓裂改造參數(shù)等問(wèn)題依然存在，嚴(yán)重制約了下伏9號(hào)和15號(hào)等煤層的煤層氣資源開(kāi)發(fā)。筆者以寺河井田井為例，對(duì)3號(hào)煤層采空區(qū)地質(zhì)特征及采空區(qū)下組煤地應(yīng)力特征展開(kāi)研究，提出井位優(yōu)選及井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等井型設(shè)計(jì)方案，研發(fā)氮?dú)庵脫Q及低壓易漏注漿加固等穿采空區(qū)鉆完井技術(shù)，并進(jìn)行采空區(qū)下組煤層壓裂施工參數(shù)優(yōu)化及不同井位的煤層氣井壓裂工藝設(shè)計(jì)。旨在形成一種過(guò)采空區(qū)抽采下組煤的煤層氣技術(shù)工藝體系，實(shí)現(xiàn)下組煤煤層氣的有效抽采，并在類似區(qū)塊進(jìn)行推廣示范。

1 研究區(qū)概況

寺河井田位于沁水復(fù)式向斜盆地的南端東翼，隸屬于沁水煤層氣田，總體構(gòu)造形態(tài)是一傾向NW–NWW的單斜構(gòu)造。含煤地層為石炭–二疊系太原組和二疊系山西組，平均厚度136.02 m，共含煤15層。其中，山西組厚30.7～59.1 m，平均45.2 m，含煤4層，煤層總厚6.89 m，含煤系數(shù)15.2%，可采煤層為3號(hào)煤層；太原組厚90.82 m，含煤11～ 13層，煤層平均厚7.78 m，含煤系數(shù)8.6%，可采煤層為15號(hào)煤層，9號(hào)煤層局部可采。從取心測(cè)試結(jié)果可知，3號(hào)煤層含氣量為4.24～28.96 m3/t，平均20.51 m3/t；9號(hào)煤層含氣量為2.87～31.94 m3/t，平均22.84 m3/t；15號(hào)煤層含氣量為15.12～31.46 m3/t，平均為24.10 m3/t。由此可知9號(hào)和15號(hào)煤的平均含氣量均高于3號(hào)煤層，下組煤煤層氣開(kāi)發(fā)潛力巨大。

寺河井田北部與成莊礦及潘莊一號(hào)礦相鄰，東、南、西與晉圣、岳城等小煤礦相連，井田現(xiàn)分為東西2個(gè)獨(dú)立井區(qū)(獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng))。其中：東井區(qū)于2002年投產(chǎn)后，開(kāi)采3號(hào)煤層，已采完?yáng)|一、東二、東三、東四盤區(qū)，現(xiàn)主采東五盤區(qū)，接替盤區(qū)為東六盤區(qū)，生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a，為高瓦斯礦井；西井區(qū)于2013年初投產(chǎn)，開(kāi)采3號(hào)煤層，西一盤區(qū)已基本回采結(jié)束，現(xiàn)開(kāi)采西二盤區(qū)，接替盤區(qū)為西三盤區(qū)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井。由此可知寺河井田東一至東五、西一盤區(qū)的3號(hào)煤大部分已經(jīng)回采完畢，存在大面積的采空區(qū)，如圖1所示，區(qū)塊面積約195.31 km2，采空區(qū)面積約為60.49 km2，約占整個(gè)區(qū)塊面積的1/3。

圖1 3號(hào)煤采空區(qū)范圍

2 過(guò)采空區(qū)井井型設(shè)計(jì)

2.1 采空區(qū)特征

當(dāng)上覆3號(hào)煤層被采出后，煤層頂板巖體發(fā)生了較為復(fù)雜的移動(dòng)變形，煤層頂板巖層在自重及上覆巖層的作用下，彎曲并向下移動(dòng)。當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過(guò)巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板首先斷裂、破碎、相繼垮落，基本頂巖層則以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理的法線方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生離層和斷裂，在地面產(chǎn)生開(kāi)采沉陷，具有“連續(xù)+緩波”型沉陷特征并形成高位環(huán)形裂隙體[14-16]。根據(jù)巖層的斷裂、開(kāi)裂及離層的發(fā)育程度和導(dǎo)水能力，裂隙帶在垂直剖面上可以分為嚴(yán)重?cái)嗔?、一般開(kāi)裂和微小開(kāi)裂3種類型(圖2)。應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，假設(shè)3號(hào)煤層厚度6.3 m，對(duì)埋深432 m及全部垮落法采煤進(jìn)行了煤炭開(kāi)采數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明：隨著工作面推進(jìn)，在工作面前方90～100 m煤層頂?shù)装鍘r體應(yīng)力開(kāi)始緩慢升高，在工作面前方40～50 m應(yīng)力明顯增加，在工作面后方的采空區(qū)應(yīng)力急劇降低，超前支承壓力峰值一般為原始應(yīng)力的2～3倍，且距離工作面煤壁距離為5～10 m。

原巖應(yīng)力區(qū)、支承壓力區(qū)和卸壓區(qū)3個(gè)區(qū)的應(yīng)力在縱向上變化規(guī)律如圖3所示[17]。原巖應(yīng)力區(qū)垂直應(yīng)力隨著深度的增加而增高；而在卸壓區(qū)(采空區(qū))，在開(kāi)采煤層100 m以上(埋深330 m以淺)巖體應(yīng)力與原巖應(yīng)力基本相同，埋深330 m向下采空區(qū)覆巖體開(kāi)始卸壓，在開(kāi)采煤層內(nèi)應(yīng)力減至最小；而位于工作面前方煤層支承應(yīng)力區(qū)巖體開(kāi)始增壓，并且在開(kāi)采煤層深度位置達(dá)到最大值。由于在采空區(qū)之上巖層壓力達(dá)到最小值，采空區(qū)底板巖體自下而上產(chǎn)生的卸載和煤層底板巖體自下而上產(chǎn)生的加載，均隨著埋深增加卸載壓力和加載壓力逐漸接近原始覆巖壓力。

圖2 采空區(qū)覆巖變形特征

綜上所述，當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊?，煤層上覆巖層產(chǎn)生較復(fù)雜的移動(dòng)變形。在采動(dòng)過(guò)程中從切眼到工作面基本頂初次來(lái)壓，以及正常回采時(shí)基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓，工作面的壓力顯現(xiàn)以及頂?shù)装宓幕顒?dòng)規(guī)律大體相同，基本頂周期來(lái)壓期間，巖層始終經(jīng)歷“穩(wěn)定–失穩(wěn)–再穩(wěn)定”的變化，內(nèi)部能量則發(fā)生“聚集–釋放–聚集”的變化過(guò)程。

2.2 井型設(shè)計(jì)

2.2.1 井位優(yōu)選

過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)，其井位優(yōu)選的工藝難點(diǎn)主要是上覆煤開(kāi)采后下組煤煤巖應(yīng)力、滲透率的變化特征不明確。通過(guò)分析采空區(qū)特征，過(guò)采空區(qū)煤層氣井宜布置在煤柱邊部破壞區(qū)，即圖4中塑性區(qū)位置。

2.2.2 井身結(jié)構(gòu)

原有的煤層氣井二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)在鉆遇采空區(qū)時(shí)鉆井液漏失嚴(yán)重，不能建立正常循環(huán)，因此，過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中二開(kāi)套管主要作用是封固3號(hào)煤采空區(qū)，如圖5所示。

3 過(guò)采空區(qū)井鉆完井及抽采技術(shù)

3.1 氮?dú)庵脫Q鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

基于采空區(qū)地層的松散特性，傳統(tǒng)的鉆完井工藝易出現(xiàn)埋鉆和塌孔事故，致使后續(xù)下套管作業(yè)和固井作業(yè)無(wú)法完成，最終導(dǎo)致無(wú)法完井。過(guò)采空區(qū)鉆完井關(guān)鍵技術(shù)是在“安全敏感層段”利用氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)，套管鉆進(jìn)過(guò)采空區(qū)及特殊的堵漏固井工藝技術(shù)，形成了氮?dú)獍踩Ｗo(hù)措施，節(jié)省施工時(shí)間，減少泥漿漏失，保障井口的穩(wěn)定性。其方法是在二開(kāi)鉆進(jìn)至3號(hào)煤層采空區(qū)頂板以上50 m，確定無(wú)瓦斯含量超標(biāo)的情況下，換用氮?dú)忏@進(jìn)采空區(qū)，按照循序漸進(jìn)的原則，即每鉆進(jìn)0.5 m就上提至采空區(qū)頂板，待破碎物回落埋孔，然后再鉆，如此循環(huán)往復(fù)，直至3號(hào)煤層采空區(qū)底板以下22 m二開(kāi)鉆進(jìn)完成。

圖3 采空區(qū)及圍巖垂直應(yīng)力分布曲線[17]

圖4 煤巖應(yīng)力分區(qū)

圖5 井身結(jié)構(gòu)

氮?dú)忏@井設(shè)備技術(shù)參數(shù)主要包括注氮量、供氮壓力，注氮量主要考慮工作面采空區(qū)漏風(fēng)量和制氮機(jī)供氮能力，供氮壓力主要考慮最大輸?shù)俊⒐軓郊肮苈分睆?。此外鉆桿的直徑應(yīng)滿足最大輸?shù)亢蛪毫σ螅鶕?jù)供氮能力及鉆壓來(lái)確定空壓機(jī)及增壓機(jī)的使用數(shù)量，注氮泵(或制氮機(jī))還應(yīng)滿足一定的技術(shù)要求：增壓機(jī)與鉆井設(shè)備之間高壓軟管耐壓能力不得低于12 MPa，氮?dú)馀帕坎坏陀?00 m3/min，且需保證17 h正常注氮的供應(yīng)量，注入壓力不低于3.0 MPa，在此壓力下能實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定工作，如圖6所示。

3.2 低壓易漏注漿加固技術(shù)

過(guò)采空區(qū)井固井施工中遇到的問(wèn)題主要是在二開(kāi)完鉆階段，在鉆穿采空區(qū)使水泥漿靠自身重力尋找平衡過(guò)程中，頂替量一般在0.5～1.0 m3，對(duì)于水泥漿基本沒(méi)有頂替效率，到達(dá)采空區(qū)時(shí)，水泥漿基本上全部進(jìn)入采空區(qū)巷道，很難封固到采空區(qū)以上。低壓易漏注漿加固技術(shù)相比傳統(tǒng)的連續(xù)固井技術(shù)[18-20]，采用套管內(nèi)注漿環(huán)空返排的方式，控制上返至設(shè)計(jì)井深的水泥漿動(dòng)液柱壓力小于漏失層的漏失壓力進(jìn)行固井。工程實(shí)踐表明選擇1.6～1.8 g/cm3密度水泥漿及在3號(hào)煤層底板以下20 m位置進(jìn)行固井可大大增強(qiáng)采空井壁圍巖與井身結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有效封堵采空區(qū)上部含水層，顯著提高了注漿質(zhì)量及其可控性，能滿足易漏長(zhǎng)裸眼段過(guò)采空區(qū)井固井要求，如圖7所示。

3.3 下組煤壓裂改造技術(shù)

3號(hào)煤回采完成后地應(yīng)力和滲透率的分布呈漸變式條帶狀分布，導(dǎo)致采空區(qū)下組煤在一定范圍內(nèi)的地應(yīng)力呈現(xiàn)卸壓釋放，如圖8所示。

3.3.1 施工參數(shù)優(yōu)化

鑒于采動(dòng)影響下地應(yīng)力及滲透率變化特征，有別于常規(guī)井9號(hào)+15號(hào)煤層合壓壓裂方式，過(guò)采空區(qū)井采取對(duì)9號(hào)與15號(hào)煤層自下而上分壓方式進(jìn)行壓裂改造：9號(hào)煤層射孔位置為9號(hào)煤層距底板1 m位置，射孔后填砂封隔，砂面位于15號(hào)煤頂板以上20 m，由于9號(hào)煤層距3號(hào)煤層平均47.57 m，受3號(hào)煤層采掘后影響較大，要求壓裂時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制壓裂規(guī)模，避免壓穿而影響煤層氣產(chǎn)量，與常規(guī)井相比9號(hào)煤壓裂液量、加砂量及平均砂比等均應(yīng)減小；15號(hào)煤層距3號(hào)煤層平均83.95 m，受3號(hào)煤層采掘后影響較小，其壓裂規(guī)模與常規(guī)井相當(dāng)。過(guò)采空區(qū)井與常規(guī)井壓裂參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖6 氮?dú)忏@井工藝流程

圖7 低壓易漏注漿加固位置

3.3.2 不同井位的煤層氣井壓裂工藝

根據(jù)煤層氣井與巷道、工作面和采空區(qū)的空間關(guān)系，實(shí)施不同的壓裂工藝技術(shù)。

(1) 位于回采工作面中部井位，地應(yīng)力較低、周邊裂隙發(fā)育、滲透率較大，減小施工排量，縮小壓裂規(guī)模以防止壓竄，提高砂比，擴(kuò)展有效裂縫長(zhǎng)度。

(2) 位于3號(hào)煤巷道與工作面中軸線之間的井，一側(cè)裂隙比較發(fā)育，另一側(cè)裂隙發(fā)育較差。實(shí)施轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)。在滲透率較好的一側(cè)減小前置液量，在泵注開(kāi)始時(shí)采用小排量、低壓力施工，累計(jì)注入一定的砂量后，不加砂子、加大排量、提高泵注壓力；轉(zhuǎn)向到滲透率較差的一側(cè)繼續(xù)提高排量和泵注壓力，注入一定量的前置液，按照正常加砂模式完成壓裂作業(yè)，形成延伸更長(zhǎng)的裂縫。

(3) 位于巷道附近的煤層氣井，地應(yīng)力較高，裂隙不發(fā)育、滲透率較差。壓裂工藝：提高泵注壓力，增加壓裂規(guī)模，提高排量和砂比，實(shí)施轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)，使裂縫方向與巷道方向平行，擴(kuò)大煤層氣解吸面積。

表1 過(guò)采空區(qū)井與常規(guī)井壓裂參數(shù)比較

3.3.3 壓裂層位優(yōu)選

采礦引起的底板巖層水平方向應(yīng)力分布一般分為原始應(yīng)力區(qū)、集中應(yīng)力壓縮區(qū)、應(yīng)力降低卸壓膨脹區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)重新壓實(shí)區(qū)。根據(jù)O形圈理論，位于卸壓區(qū)(終采線30～70 m，圖9中B井)的9號(hào)煤層可不進(jìn)行壓裂，15號(hào)煤層壓裂后，直接對(duì)9號(hào)煤層射孔合層排采；位于應(yīng)力恢復(fù)重新壓實(shí)區(qū)(距終采線大于70 m，圖9中C井)和應(yīng)力集中壓實(shí)區(qū)(距終采線±30 m，圖9中A井)的9號(hào)煤層，采取對(duì)煤層和底板進(jìn)行小規(guī)模射孔壓裂并提高砂比，避免施工結(jié)束后因應(yīng)力作用導(dǎo)致裂縫過(guò)早失效。

圖9 壓裂層位優(yōu)選

3.4 下組煤煤層氣井排采關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 分階段排采

受3號(hào)煤層采空卸壓的影響，過(guò)采空區(qū)井的排采間斷、生產(chǎn)制度頻繁變化等因素更易對(duì)煤巖滲透率造成明顯損傷，動(dòng)液面接近臨界解吸壓力時(shí)，需降低排采速度，有效擴(kuò)大泄流半徑[21-25]，制定如下分階段排采制度。

1) 單相流階段

在解吸壓力對(duì)應(yīng)的液柱高度以上，根據(jù)地層供液能力，選擇合適的排采強(qiáng)度，保證每天液面的降深不超過(guò)2 m，單向流后期階段，保證每天液面的降深不超過(guò)1 m。

2) 氣水兩相流初始階段

在解吸壓力對(duì)應(yīng)的液面高度上10 m至其高度下20 m的范圍內(nèi)，要穩(wěn)定液面較長(zhǎng)時(shí)間，緩采慢采，該階段每天液面降深不超過(guò)1 m，且每降低1 m應(yīng)穩(wěn)定液面10 d左右。

3) 氣水兩相流階段

該階段主要參考井底流壓，穩(wěn)定液面，當(dāng)產(chǎn)氣量出現(xiàn)下降時(shí)，降低液面2～5 m，產(chǎn)氣量上升，穩(wěn)定液面繼續(xù)排采，如此循環(huán)控制排采強(qiáng)度。該階段會(huì)提前出現(xiàn)井間干擾，產(chǎn)氣高峰來(lái)臨較快。

4) 產(chǎn)氣量枯竭階段

當(dāng)液面對(duì)應(yīng)的高度接近枯竭壓力對(duì)應(yīng)的液柱高度時(shí)，產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量均進(jìn)入枯竭階段，根據(jù)地層供液能力，需進(jìn)行間歇式排采。

3.4.2 精細(xì)化排采管控技術(shù)

選取2019年新投運(yùn)井17口，實(shí)測(cè)其動(dòng)液面位置，分析套壓、產(chǎn)能等生產(chǎn)數(shù)據(jù)(圖10)，產(chǎn)能高的井初期套壓基本維持在0.8～1.0 MPa，液面位置在9號(hào)煤層頂板0～10 m，說(shuō)明過(guò)采空區(qū)井在排采管理時(shí)套壓不宜下降過(guò)快，應(yīng)保持高套壓排采，9號(hào)煤層不宜過(guò)早暴露，應(yīng)維持液面在9號(hào)煤層頂板上部10 m處穩(wěn)定連續(xù)排采，隨后緩慢降低液面至9號(hào)和15號(hào)煤層之間，保持液面穩(wěn)定。

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 采空區(qū)下組煤壓裂效果評(píng)價(jià)

根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)處理高精度地反演微震位置，從而預(yù)測(cè)壓裂裂縫的發(fā)展趨勢(shì)及延展區(qū)域，對(duì)壓裂施工效果進(jìn)行跟蹤及評(píng)判。應(yīng)用破裂能量向量相疊加掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)過(guò)采空區(qū)井9號(hào)和15號(hào)煤層的微破裂，以評(píng)估壓裂效果。在整個(gè)壓裂期間破裂活動(dòng)隨壓裂的繼續(xù)而不斷發(fā)生，在壓裂進(jìn)行到第十幾分鐘時(shí)破裂縫網(wǎng)的基本形狀已經(jīng)形成，之后的壓裂只是加密縫網(wǎng)，停泵后破裂活動(dòng)停止并形成最終縫網(wǎng)。從裂縫監(jiān)測(cè)效果上看：這兩層壓裂裂縫的總走向不一致，最大裂縫長(zhǎng)度均在400 m左右，裂縫面積平均達(dá)到了1.3×105m2，最終形成了兩翼為主裂縫及多條子縫構(gòu)成的縫網(wǎng)，壓裂效果較好(表2)。

圖10 套壓和液面位置與產(chǎn)氣量關(guān)系

表2 過(guò)采空區(qū)井裂縫監(jiān)測(cè)分析結(jié)果

4.2 采空區(qū)下組煤滲透率

煤層氣試井測(cè)試技術(shù)是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估完井效果的重要手段。對(duì)寺河井田過(guò)采空區(qū)井太原組9號(hào)和15號(hào)煤層試井測(cè)試，獲取卸壓條件下下組煤層滲透率等參數(shù)，為煤層氣生產(chǎn)潛能評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)試驗(yàn)提供可靠的參數(shù)依據(jù)，同時(shí)對(duì)比3號(hào)煤層采空前試井?dāng)?shù)據(jù)，得到上覆煤層采空后對(duì)下組煤層原始滲透率的影響。

根據(jù)試驗(yàn)井煤層試井測(cè)試數(shù)據(jù)(表3)可知，3號(hào)煤采動(dòng)后，太原組9號(hào)、15號(hào)煤滲透率分別為10.81、1.22×10–3μm2，相較于3號(hào)煤層采空前9號(hào)煤層原始滲透率1×10–3μm2和15號(hào)煤原始滲透率0.1×10–3μm2，增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明上覆煤層采空后對(duì)下組煤層起到卸壓和增大滲透率的作用。

表3 過(guò)采空區(qū)井煤層注入/壓降試井分析結(jié)果

4.3 采空區(qū)下組煤煤層氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)

為探究過(guò)采空區(qū)井開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)及生產(chǎn)特征，評(píng)價(jià)過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)，分析寺河井田102口過(guò)采空區(qū)煤層氣井的實(shí)際生產(chǎn)資料。從2016年開(kāi)始，該批井陸續(xù)投運(yùn)，從產(chǎn)氣初期就顯現(xiàn)出巨大的產(chǎn)能潛力，煤層氣產(chǎn)量小于1 000 m3/d的井共計(jì)15口，1 000～2 000 m3/d的井共計(jì)25口，大于2 000 m3/d井共計(jì)62口，其中，產(chǎn)氣量5 000 m3/d以上的井有11口。單井最高日產(chǎn)氣量為8 832 m3，日平均產(chǎn)氣量為2 694 m3，產(chǎn)能效果較好，如圖11所示。常規(guī)煤層氣井通常要排采8個(gè)月或者更長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定產(chǎn)氣。而9號(hào)煤層卸壓效果較好，滲透率大幅提高，大量吸附態(tài)的煤層氣解吸出來(lái)。跟蹤研究的45口過(guò)采空區(qū)井中：27口井投運(yùn)一個(gè)月內(nèi)產(chǎn)氣(其中20口井投運(yùn)前有套壓顯示，投運(yùn)立即產(chǎn)氣；7口井排采一個(gè)月后產(chǎn)氣)，且產(chǎn)氣較穩(wěn)定，占比60%；13口井排采2～5個(gè)月后開(kāi)始產(chǎn)氣，占比29%；5口井排采7個(gè)月以上開(kāi)始產(chǎn)氣，占比11%，見(jiàn)氣周期快于常規(guī)煤層氣井，典型井排采曲線如圖12所示。

圖11 過(guò)采空區(qū)煤層氣井產(chǎn)能

圖12 典型煤層氣井排采曲線

5 結(jié)論

a. 過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣鉆井過(guò)程中，針對(duì)采空區(qū)地層松散的特性，在“安全敏感層段”利用氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)，建立了氮?dú)庵脫Q鉆完井關(guān)鍵技術(shù)及低壓易漏注漿加固技術(shù)，制定了氮?dú)獍踩Ｗo(hù)措施，節(jié)省了施工時(shí)間，減少了泥漿漏失，保障了井口的穩(wěn)定性，成井率100%。

b. 形成了適用于不同井位的煤層氣采空區(qū)下伏煤層壓裂改造技術(shù)，晉城寺河井田位于卸壓區(qū)(終采線30～70 m)的9號(hào)煤層可不進(jìn)行壓裂，15號(hào)煤層壓裂后直接對(duì)9號(hào)煤層射孔后合層排采；位于應(yīng)力恢復(fù)重新壓實(shí)區(qū)(距終采線大于70 m)和集中應(yīng)力壓縮區(qū)(距終采線±30 m)的9號(hào)煤層采取對(duì)煤層和底板小規(guī)模射孔壓裂并提高砂比，避免施工結(jié)束后應(yīng)力作用使得裂縫過(guò)早失效。

c. 采空區(qū)下組煤原始滲透率、裂縫監(jiān)測(cè)及產(chǎn)能效果評(píng)價(jià)顯示，過(guò)采空區(qū)井下組煤層原始滲透率增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，102口投運(yùn)井的日平均產(chǎn)氣量為2 694 m3，產(chǎn)氣效果好，跟蹤的45口投運(yùn)井見(jiàn)氣周期快于常規(guī)煤層氣井，驗(yàn)證了過(guò)采空區(qū)下組煤煤層氣抽采技術(shù)的可行性。

d.煤炭回采造成的地層破壞對(duì)地面鉆井開(kāi)發(fā)下伏煤儲(chǔ)層煤層氣造成不利影響，然而由于卸壓影響，下伏煤儲(chǔ)層滲透率得到極大提高，反而促進(jìn)其煤層氣資源開(kāi)發(fā)。氮?dú)庵脫Q套管鉆井工藝及低壓易漏注漿加固等穿采空區(qū)鉆完井工藝相比常規(guī)鉆井工藝，施工成本大大增加，一定程度上制約了采空區(qū)下組煤煤層氣資源開(kāi)發(fā)。采空區(qū)下組煤煤層氣資源開(kāi)發(fā)技術(shù)適用于多煤層地質(zhì)條件下，而且采空區(qū)下組煤煤層氣資源量可觀，有一定的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

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Technology of across-goaf drainage of coalbed methane from a lower coal seam group and its primary application: Taking Sihe mine field as an example

LI Junjun1,2, LI Guofu1,2, HAO Haijin1,2, HAO Chunsheng1,3, WANG Zheng1,2

(1. State Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Co-Mining, Jincheng 048012, China; 2. Yi’an Lanyan Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology Co. Ltd., Taiyuan 030031, China; 3. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group Co. Ltd., Jincheng 048204, China)

After many years of coal mining, a large area of goaf had been formed in the No.3 coal seam of Sihe mine field in Jincheng mining area, the pressure relief in a large area increased the permeability of the lower coal seams(seams No.9 and No.15), however, due to the limitation of goaf barrier and surface pre-extraction technology of coalbed methane, the coalbed methane of the lower coal seam group had not been effectively extracted, in order to ensure the safe production of the coal mine and the release of production capacity, based on the characteristics of goaf, a new technology of drilling, completion and fracturing in goaf was developed, focusing on the analysis of construction parameters and production capacity in the later stage, and the application effect of coalbed methane extraction technology cross the goaf in the lower coal seam group was evaluated. The results show that when the surface drilling is used to develop coalbed methane resources in the goaf, well location optimization and wellbore structure optimization should be carried out first, which can effectively ensure the success rate of drilling. The nitrogen replacement casing drilling technology and low pressure leakage grouting reinforcement technology can not only effectively reduce the risk of spontaneous combustion and even explosion of coalbed methane in the goaf, but also ensure the cementing quality of goaf section. The fracturing parameters of coal seam under goaf were optimized and the fracturing technology of coalbed methane wells with different well locations was designed to effectively extend the fracture length and avoid fracturing accidents such as fracturing through. Fine drainage control measures can effectively expand the drainage radius and improve the single well productivity. The drainage practices of more than 100 CBM wells across goaf show that the maximum gas production of a single well reached 8 832 m3/d, and the daily average gas production was up to 2 694 m3, which verifies the feasibility of the across-goal CBM extraction technology of the lower coal seam group and can be popularized and applied.

across goaf; coalbed methane extraction; nitrogen replacement casing drilling; lower coal seam group; layered fracturing; refined drainage

P618. 11

A

1001-1986(2021)04-0096-09

2020-11-26；

2020-06-11

國(guó)家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05067-001-008)；山西省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(20181101013)

李軍軍，1984年生，男，河北唐山人，碩士，高級(jí)工程師，從事煤與煤層氣共采理論與方法方面的研究工作. E-mail：qaljj@163.com

李軍軍，李國(guó)富，郝海金，等. 過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)及工程應(yīng)用初探——以晉城寺河井田為例[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：96–104. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.012

LI Junjun，LI Guofu，HAO Haijin，et al.Technology of across-goaf drainage of coalbed methane from a lower coal seam group and its primary application：Taking Sihe mine field as an example[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：96–104.doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.012

(責(zé)任編輯 范章群)