鸡西井田地面煤层气开发工艺技术研究与应用

周加佳

（中煤科工集团西安研究院，陕西西安 710054）

我国是煤炭资源大国，煤层气资源丰富，由于煤层气既是一种洁净能源，同时又是威胁煤矿安全生产的爆炸性气体。因此，进行煤层气的地面开发具有三重重要意义：（1）可作为一种新型洁净能源，弥补常规能源的不足；（2）降低矿井瓦斯灾害；（3）减少矿井瓦斯排空，降低温室效应，改善大气环境质量。具有十分重要的社会及经济意义。

在高瓦斯矿井采煤过程中，采前预抽瓦斯（煤层气）是防治瓦斯的根本措施。煤矿井下抽采煤层瓦斯由于受到煤矿开采进度、巷道工程部署等因素的限制，在时间和空间上很难实现采煤与采气的协调开发。从地面开发煤层气具有超前距离大、抽采时间长，采收率高的特点，近年来被认为是治理矿井瓦斯灾害新的有效途径，已经受到业界的高度重视。

鸡西井田隶属于黑龙江省鸡西市，是深部、薄煤层、煤层群开采的典型井田，煤层气资源丰富，是东北部地区的代表井田。同时鸡西井田又属于高瓦斯矿井，随着生产规模、开采深度和开采范围的不断增大，瓦斯灾害问题已经成为制约鸡西井田煤矿安全生产的绊脚石。因此2012年，结合“十二五”国家重大油气专项《煤矿区煤层气抽采产能预测技术》，在黑龙江省鸡西井田实施1口煤层气地面垂直井开发试验项目，通过项目的实施获取井田储层参数和生产数据，评估鸡西井田地面煤层气开发的可行性，优化适合鸡西井田的地面煤层气开发工艺技术。

1 鸡西井田煤层气地质及储层特征

1.1 地层及构造特征

井田内含煤地层主要为穆棱组和城子河组。两组地层含煤层数较多，但仅3煤层、14煤层基本全区可采。目标煤层14煤层厚度为0.16～2.34 m，平均1.24 m，两者在井田范围内均呈现出由西向东呈现出逐渐增大的趋势，尤以井田东南部厚度最大。

受鸡西煤田的构造控制，梨树井田以东西向的背、向斜褶曲为主，南北向或北西向高角度断层（规模较大）横切褶曲轴，此外，还发育近东西、北东、北西向规模较小的断层，构造复杂程度属中等。受构造运动影响，各煤层块状、粉状均见。

1.2 储层特征

14煤层的储层压力为7.30 MPa，储层压力梯度为8.93×10-3MPa/m，其稍低于静水压力梯度，故该区地层为正常压力储层，有利于煤层气排采。14煤层的临界解吸压力为7.06 MPa，相应地，临储比较高为0.967。同时采用兰氏方程结合储层压力及临界解吸压力数据，获取14煤层气含量为11.49 m3/t，相应地，含气饱和度为99.35%，饱和度较高，有利于煤层气解吸。

14煤层的渗透率为0.67 mD，与国内同煤级的其它地区比较，该区14煤层渗透性相对较好。分析其原因，一方面，其煤体结构中块状、碎粒状及粉状均见，主要为碎裂结构煤，且内生裂隙发育裂隙密度>40条/5 cm，未见充填；另一方面，地应力测试显示，14煤层闭合压力为16.45 MPa，应力梯度为2.01×10-2MPa/m，该区14煤层地应力场正常。

该区煤层属于深部、薄煤层、煤层群开采的典型区域。但煤层气含量大，含气饱和度高，煤层发育条件好，具有较好的煤层气生气、储气以及运移条件，为煤层气开发提供了物质基础。同时由于该区煤体结构相对较好，渗透性能好，为煤层气增产提供了有利条件，因此该区煤层气资源具有很大的开发潜力。

2 钻完井工艺技术

试验井部署原则主要考虑选择构造简单、煤层厚度大、结构简单，煤层含气量高的区域，选择该区14煤层作为试验开发的目标煤层，采用垂直井开发方式。

井田内主要钻遇的地层以碎屑岩为主，故井身结构采用常规二开结构及套管程序，即一开采用Φ346.1 mm牙轮钻头，钻至基岩面下20 m后，下入J55Φ273.1 mm表层套管，封固地表疏松层，建立井口，固井水泥浆返至地面；二开采用Φ215.9 mm钻头，钻至14煤层底板以下60 m完钻，下入J55Φ139.7 mm生产套管，人工井底883.55 m。二开为了减小钻井液对煤层的伤害，采用低固相低密度钻井液进行快速钻进。

在固井工程中二开采用变密度水泥浆固井工艺技术，水泥浆密度先小后大，以减小固井水泥浆对煤储层的伤害，固井质量优异。试验井采用了套管射孔完井方法对目标煤层段进行射孔，共射开3.62 m，射开煤厚3.13 m，目标层段射孔发射率高达100%。

3 压裂工艺技术

3.1 压裂工艺

针对鸡西井田煤层薄、煤体结构相对较好的储层特点，同时因为该煤层裂隙系统保存完整，主要为碎裂结构煤，渗透率高，在前期试压过程中煤层有两次明显破裂现象，破裂压力21.7 MPa。因此在压裂过程中加大了压裂加砂规模和施工排量，采用大排量，大砂量，中砂比的活性水压裂工艺技术。通过对14煤的加砂情况进行分析，加砂相对比较顺利，施工排量7.7～8.1 m3/min，平均砂比13.86%。实际压裂过程中由于供水原因，进行了二次加砂压裂，共加砂54.2 m3，累计用液量662.5 m3，压裂施工曲线（见图1）。

3.2 压裂分析

结合压裂施工曲线和压后分析可以看出，针对煤体结构相对较好，渗透率高的煤储层，采用大排量、大砂量、中砂比的压裂工艺技术能够大大提高压裂液的携砂能力，更好的形成宽而长的、具有一定导流能力的支撑裂缝，有效提高储层泄流面积，提高产能。

压后采用微地震裂缝监测手段对14煤的压裂效果进行了监测，监测结果显示830.30～836.22 m层段压裂时产生的压裂裂缝为垂直缝，同时有T型裂缝，方位为43.3°，总缝长259.7 m，影响裂缝高度7.9 m。同时通过井温测裂缝高度结果表明14煤层全部压开，并且形成了具有一定缝长和导流能力的压裂裂缝。

4 排采工艺技术

4.1 排采设备

（1）依据该区的水文地质资料、煤储层特征和地层供液能力，采用抽油机+管式泵的排采方式。

（2）采用井下永置式电子压力计，同时安装地面无线传输系统，实施井底流压、温度等数据无线传输，实现远端实时监测精细化管理。

（3）采用智能旋进漩涡气体流量计，能够有效抵抗气体中夹杂的水分和杂质对设备的影响，耐腐蚀，稳定可靠，大大提高了设备计量的准确性。

4.2 排采工作制度

（1）泵挂位置的确定主要取决于区块煤体结构和已有排采井生产状况，由于鸡西井田煤体结构相对较好，且在压裂放喷过程中吐煤吐砂现象较少。因此根据泵挂原则，排采过程中将泵直接下至14煤层下方以有效提高泵效。该井在排采过程中泵效一直保持在90%以上，动液面稳定下降，排采效果显著。

（2）煤层气井排采主要有两种工作制度，一种是定压排采，另一种是定产排采。为防止激动储层颗粒，避免吐砂吐煤粉，该井采用定压排采方式。井底流压的控制以少吐砂、少吐粉为判别原则。

（3）根据气井产水、产气的情况，气井的产气状态可以划分为稳定降压、临界产气、气量快速增加、稳定产气和气量衰五个阶段（见表1）。在排水降压过程中为了最大限度的让压降漏斗扩散完全，使煤层充分解吸，排采中严格把握“平稳、安全、阶段性调整”的原则，分阶段制定排采工作制度，实时调整排水强度，实行精细化管理，达到高产稳产的效果。

表1 排采各阶段特点和控制措施

4.3 排采试验效果

由于鸡西井田具有良好的煤层气开发地质条件，并且初步形成了一套适合鸡西井田深部薄煤层煤层气地面开发的钻完井、压裂和排采工艺技术体系。通过煤层气试验井半年多的排采研究，现场排采施工连续，排采制度合理，降压速度平稳，较好地保护了煤层，取全取准了各项生产数据，截止到2013年6月11日，动液面610.05m，井底流压 2.309 MPa（见图2）。日产气1977m3，日产水0.5 m3，最高产气量达到2 023.2 m3/d。累计产气量26万m3，累计产水231 m3（见图3），具有上产快，高产稳产时间长的优异效果。

5 结论

（1）鸡西井田属于深部薄煤层开发，但该区煤层具有煤体结构、渗透性以及含气性相对较好的煤层气开发地质特征，有利于煤层气地面开发。

（2）钻完井过程中采用低固相低密度钻井液和变密度水泥浆固井工艺技术，很好的减小了对煤储层的伤害，有利于煤层气的产出。

（3）采用大排量、大砂量、中砂比的压裂工艺技术能够很好的形成具有一定导流能力的支撑裂缝，有效提高储层泄流面积，提高产能。

（4）煤层气排采是煤层气开发工艺过程中至关重要的一个环节，通过排采设备和排采工作制度的优化，采用定压排采方式，严格把握“平稳、安全、阶段性调整”的原则，分阶段制定排采工作制度，实行精细化管理，最大限度的让压降漏斗扩散完全，使煤层充分解吸，达到高产稳产的效果。

（5）在鸡西井田进行地面煤层气开发试验，初步形成了一套适合鸡西井田深部薄煤层煤层气地面开发工艺技术体系。不但取得了优异的产气效果，而且可以通过地面抽采治理井下矿井瓦斯灾害，减少大气污染保护环境，说明地面煤层气开发在鸡西井田是切实可行的，具有很大的开发潜力。不但为矿井瓦斯治理提出新的解决途径，同时也为加快鸡西以及类似地区煤层气开发利用的步伐奠定了理论和实践基础。

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