地面鉆井抽采瓦斯的治理與應用

地面鉆井抽采瓦斯的治理與應用

1地面鉆井抽采瓦斯的研究現(xiàn)狀目前，世界主要工業(yè)化國家對煤層甲烷的回收和開發(fā)程度較高，主要方法是地上開采。美國自20世紀70年代初首先利用地面鉆井的方法開發(fā)煤層氣資源獲得成功;澳大利亞目前廣泛應用地面采空區(qū)垂直鉆孔抽采技術;德國1992年開始應用地面鉆井技術開發(fā)魯爾煤田的煤層氣;英國煤層滲透率低,目前正在研究低滲透率瓦斯的開發(fā)技術。我國地面鉆井抽采瓦斯的開發(fā)仍處于勘探試驗階段。白沙、撫順、焦作、陽泉等礦區(qū)曾在20世紀70年代打了40多個地面鉆孔,并實施鉆孔水力壓裂等措施抽放瓦斯,但產(chǎn)氣效果不理想。晉城礦區(qū)煤層裂隙發(fā)育、滲透性好、可抽采性好,從1995年開始進行地面煤層氣開發(fā),通過地面鉆孔抽采地下煤層氣,目前已形成規(guī)模,并實現(xiàn)了商業(yè)化產(chǎn)銷用體系。地面鉆井抽采瓦斯技術,雖在國內外已作過研究和試驗,但主要是針對煤層賦存穩(wěn)定、滲透性好的煤層,少數(shù)低透氣性煤層礦區(qū)也曾配合水力壓裂等措施進行過地面鉆井抽采瓦斯,但產(chǎn)氣效果不理想。目前國內外還沒有在松軟低透煤層成功進行地面鉆井抽采瓦斯的實踐?；茨系V區(qū)在煤層復雜特困條件下對地面鉆井抽采瓦斯技術進行了探索與實踐,取得了一些成果,為地面鉆井抽采瓦斯技術的發(fā)展探索出了方向。2地板鉆的風險2.1瓦斯治理概述淮南礦區(qū)現(xiàn)有9對生產(chǎn)礦井,全為突出礦井,礦區(qū)煤層具有地質構造復雜、煤層松軟、透氣性低、瓦斯含量大、瓦斯壓力高、突出危險性大等特點,歷史上是全行業(yè)瓦斯事故的重災區(qū)。由于瓦斯治理手段落后,1997年以前,礦區(qū)瓦斯抽采量一直徘徊在500萬m3/a上下。1997年以后,隨著瓦斯抽采方法的變革與創(chuàng)新,瓦斯抽采量增幅較大,到2005年為1.5億m3,礦井瓦斯抽采率達43%,初步實現(xiàn)了煤與瓦斯共采。2.2產(chǎn)氣量質控20世紀90年代,兩淮礦區(qū)在地面勘探和開采煤層氣方面做了大量工作,先后共施工了測試井14個,壓裂試生產(chǎn)井8個,但產(chǎn)氣效果均不理想,日產(chǎn)氣量均達不到商業(yè)開發(fā)標準。2002年以來,淮南礦區(qū)不斷創(chuàng)新抽采理念,積極試驗地面鉆井抽采采動區(qū)瓦斯技術、地面鉆井抽采采空區(qū)瓦斯技術、地面鉆井一井兩用抽采采動區(qū)、采空區(qū)瓦斯技術,在松軟低透煤層群條件下進行了地面鉆井瓦斯抽采的探索和實踐,到目前為止共施工地面鉆井12個,其中7個成功,4個失敗,1個在考察中(見表1)。2.3成功做法2.3.1地面鉆井預抽采動影響區(qū)域煤層瓦斯運移特性淮南礦區(qū)13-1主采煤層具有很強的突出危險性,而其透氣性系數(shù)低,預抽困難,因而在開采前先開采保護層11-2煤層,作為區(qū)域性防突措施?；夭汕邦A先由地面向上覆各卸壓煤層打穿層地面鉆井,通過抽采管道對各卸壓煤層瓦斯實施全層同時抽采或煤層氣開采。謝橋礦在1242(1)下保護層開采期間,在做好井下瓦斯抽采的同時,研究應用了地面鉆井預抽采動影響區(qū)域煤層瓦斯技術。該面1#地面鉆井距切眼50m,傾向上布置在工作面的中部,終孔距11-2煤頂5m(見圖1)。通過考察,該孔共抽采瓦斯71萬m3,平均日產(chǎn)氣1.8萬m3,有效抽采范圍140m,最大抽采范圍180m,抽出的高濃度瓦斯部分用于發(fā)電。2.3.2工作面出的瓦斯謝一礦5111C15綜采工作面,是突出煤層C13煤的上保護層,回采時絕對瓦斯涌出量近50m3/min。為解決回采時的瓦斯問題,在工作面地面對應位置施工1個鉆井抽采采空區(qū)瓦斯,鉆孔終孔距C15煤頂板6m,平面上在C15工作面的中部(見圖2)。工作面在配風量為1210m3/min時,回風瓦斯?jié)舛葹?.56%左右。該孔共抽采瓦斯96萬m3,平均日產(chǎn)氣量6000m3,同時用抽出的瓦斯發(fā)電,1臺500kW的移動發(fā)電機組每天發(fā)電9000kW·h,累計發(fā)電180萬kW·h。2.3.3試驗階段采動性瓦斯抽采潘一礦2352(1)為下保護層面,保護2322(3)工作面。2352(1)面開采期間,在做好井下瓦斯抽放的同時,應用了地面鉆井抽采瓦斯技術,鉆井布置見圖3。根據(jù)開采和上覆巖移狀態(tài),試驗鉆井的瓦斯抽采分3個階段進行了考察。第1階段:保護層回采期間采動區(qū)抽采。該階段共抽出純瓦斯97萬m3,平均日產(chǎn)氣量1.49萬m3,抽放流量10.38m3/min,瓦斯?jié)舛?5%。第2階段:保護層停采后采動區(qū)抽采。該階段共抽出純瓦斯71萬m3,平均日產(chǎn)氣量5900m3,抽放流量4.1m3/min,瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在95%左右。第3階段:被保護層工作面采空區(qū)抽采。該階段共抽出純瓦斯16萬m3,平均日產(chǎn)氣量5000m3,抽放流量3.5m3/min,瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在50%~80%。2.3.4地面鉆井結構淮南潘謝礦區(qū)地表第四紀新地層厚度普遍在300~400m,且有流砂層,為提高鉆進安全,在基巖面以上新地層下雙層石油套管,外層套管進入基巖堅硬巖層不小于40m,套管間隙注滿水泥漿,施工時在完成上部套管段固井后再進行下部鉆進。在鉆井結構上,根據(jù)抽采需要采用一鉆井一結構。謝一礦5111C15工作面地面鉆井主要抽采采空區(qū)瓦斯,其工作管由Φ139.7mm增加為Φ177.8mm;謝橋礦1242(1)工作面地面鉆井主要抽采采動區(qū)瓦斯,東段的4#,5#鉆井,由于上部14,16-1,17-1煤層不發(fā)育,鉆井的工作管設計較短,貫穿11-2煤層上部的13-1煤層即止。3地面采礦和開采技術的主要障礙和解決方法3.1抽采量過大,采動壓力加劇地面鉆井實施過程中遇到的最大難題是鉆井的穩(wěn)定性難以保證。由于在抽采過程中鉆井發(fā)生錯斷,張北礦11418工作面1#,2#井和謝橋礦1242(1)工作面2#,3#井抽采范圍最大不到40m,抽采量不足16萬m3。分析其破壞原因:①受地質、水文條件影響,鉆井發(fā)生破壞的礦井第四紀新地層普遍較厚,在400m左右,且含有多層含水流砂層,涌水量大,鉆井在基巖面附近發(fā)生錯斷;而地下水隨回采不斷下泄,使新地層的流砂逐漸堵塞在鉆井中,造成鉆井不透氣。②采高大、回采速度快,上覆巖石移動破壞加劇,工作面周期來壓頻繁,使鉆井遭受巨大的剪切力作用。③產(chǎn)氣篩管較長,強度較弱,在一定程度上也影響了鉆井的穩(wěn)定性。3.2鉆井安全設計1)在鉆井布置方面,根據(jù)抽采目的來設計鉆井位置:將抽采采動區(qū)卸壓瓦斯的鉆井布置在工作面中部,而抽采采空區(qū)瓦斯的鉆井則盡量靠近上風巷位置。2)在鉆井結構方面,為防止鉆井套管在動態(tài)下沉過程中破斷,導致流砂和水沿鉆井涌入井下,基巖面以上新地層下雙層石油套管,并進入基巖堅硬巖層一定深度,鉆井環(huán)狀間隙注泥漿或瀝青固井;在卸壓煤層段下單層篩管,不固井,產(chǎn)氣篩管與上部固井套管設計一段重疊段,篩管長度根據(jù)煤層條件設計,篩管為圓孔,并增大篩管與井壁的間隙。3)在防堵塞方面,將鉆井篩管下口至煤層頂板留有一段巖柱,在巖柱段設計施工幾米小直徑的裸孔口袋與冒落帶采空區(qū)直接溝通,以利于管內水和煤泥流入采空區(qū),防止下口堵塞。4)在鉆井孔口設計方面,為預防淹井,將鉆井口距地表高度預先提高;在抽采瓦斯或煤層氣開采過程中,為預防鉆井隨地層大幅度動態(tài)下沉而拉斷管道,在鉆井口與抽采管道聯(lián)接處,設計安裝無級升降裝置,以此彌補動態(tài)高度變化,確保正常抽采。3.3地面鉆井的抽采安全風險有待提高地面鉆井抽采瓦斯是一項實用性強、技術復雜的工程,在我國目前尚處于試驗階段,為使該項技術早日廣泛推廣應用,必須解決以下幾個方面問題。1)在地面鉆井抽采理論上需有所突破:研究符合礦井實際地質、開采條件的煤與瓦斯共采理論指導實踐。2)地面鉆井的抽采半徑有待考察:認真考察地面鉆井的抽采半徑,以便合理確定布孔方案。3)地面鉆井的穩(wěn)定性有待提高:進行采礦覆巖移動規(guī)律分析,優(yōu)化鉆井布置,改進鉆井結構,以提高鉆井的穩(wěn)定性。4)政府應給予政策支持,積極鼓勵礦井實施地面鉆井抽采技術并進行綜合利用,實現(xiàn)煤與瓦斯的共采。4地面鉆井抽采瓦斯技術試驗地面鉆井抽采瓦斯是一項煤與瓦斯共采的綠色開采技術,發(fā)