提升晋城煤田采动井产气量关键性地质工程因素的初步研究

张文君,王 争,李 超,杨昌永,李 阳

(1. 煤与煤层气共采国家重点实验室,山西 晋城 048000;2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司,山西 晋城 048000)

利用采动井在采煤工作面进行瓦斯快速抽放是近年来兴起的一种新型瓦斯抽采技术,具有很好的应用前景。可以有效的解决煤矿区井下的瓦斯突出、矿井井下瓦斯浓度超限的难题[1]。

立足于晋煤集团煤矿瓦斯治理现状,面向整个集团公司煤炭和煤层气勘探开发生产的双重需求[2],分析当前制约采动产气的关键地质工程因素,主要从采动井的井身结构、完井层位、固井情况、布井位置、窥视井下套管变形情况等因素,分项研究对采动井产气量的影响,同时为煤层气新能源的开发提供了技术支撑[3]。

1 地质背景

晋城矿区成庄井田是国家科技重大专项示范工程的实施矿井之一。该井田位于沁水盆地东南缘,构造上处于太行复背斜西翼,总体上为一走向NNE-NE向、倾向NW的单斜构造。井田内地层平缓,倾角3°～15°,一般在10°以内。在单斜构造背景上,发育了起伏不大、两翼平缓的宽阔褶曲[4]。

区域内地层由上到下依次为第四系表土层、新近系、三叠系、二叠系、石炭系和奥陶系,主要含煤地层是下二叠统山西组和上石炭统太原组。3#煤层是成庄井田开采的主要煤层,可采煤平均厚度为6.2 m,煤层含气量介于4 m3/t～24 m3/t之间,平均为12.4 m3/t。目前的煤炭采区煤层气含量高达12 m3/t～24 m3/t,已经进入高瓦斯区域。

2 采动井井位布置原则

采动区钻孔是在地层受到煤矿开采影响后,针对采动区域残余的煤及其围岩中储集的气体而施工的煤层气抽采钻孔,其气体来源、地质条件和开发工艺与常规地面煤层气预抽井有显著不同[5],因此在钻孔布置中重点遵循以下原则。

1)钻孔易于抽采:在工作面回采中,从开切眼开始,随着工作面的推进,采动裂隙不断发展,采空区中部采动裂隙最发育,此为采动裂隙发展的第一阶段,当采出面积达到一定值后,进入采动裂隙发展的第二阶段,此时,位于采空区中部的采动裂隙趋于压实,而在采空区四周存在一连通的采动裂隙发育区,称为采动裂隙“O”型圈[6]。

2)钻孔不易受采动破坏:针对提前施工的采动区钻孔,即煤层回采前就施工的地面抽采钻孔应布置在受未来采动破坏最小的区域,参考两淮、阳泉等矿区实践经验,采动井布置在距离工作面巷道30 m～70 m的范围内[7]。

3)孔距合理:由于采动影响范围内煤岩层的裂隙发育,导流能力提高,单孔控制面积较大,尽量布置较少的钻孔就满足抽采需要,采煤带来的岩层移动,会使钻孔井筒遭受破坏,因此采动井应布置在岩层移动相对较弱的或者受破坏最小的地段,根据井下采煤工作面的实际情况,布置在靠近回风巷侧30 m以内的采动井井筒稳定性相对较好[8]。

4)地面环境有利:应保证地面有足够的空间实施地面工程,没有地面建筑、水体等;能够满足施工需要的道路交通、供电供水条件。

3 采动井井身结构的变化研究分析

根据表1分析可得：十一五重大专项井都是采用三开结构完井,CD-01、CD-02一开二开下套管固井、三开不固井下入筛管完井,二开低端距离煤层顶板处30 m～50 m,CD-03一开下套管固井、二开、三开不固井裸眼完井，井筒一般布置在开切眼工作面的中后段。

表1 “十一五”成庄井田采动井设计参数Table 1 Parameters of drainage well designing in Chengzhuang Mine

根据“十一五”采动井井身结构图(图1)分析可得：十一五重大专项井完井层位都穿过了三号煤底板以下2 m终孔,这样的终孔设计为采煤是与井筒的顺利沟通提供了可靠的保障。

图1 “十一五”采动井井身结构图Fig.1 Shaft structure of the drainage well of the Eleventh Five-Year Plan

分析该三口井的抽采量的统计结果(如表2所示)可知,三口井的抽采混量变化范围相差不大都在1 m3/min～9 m3/min 的变化区间,抽采的甲烷浓度相差较大,影响甲烷抽采总量的主要受抽采时间,相对CD-02、CD-03的抽采时间较长,甲烷抽采总量也较大,当抽采时间相差不大时,甲烷的累计抽采总量与抽采时甲烷的平均浓度呈现正相关。

表2 “十一五”成庄井田采动井抽采情况统计表Table 2 Extraction of the drainage well of the Eleventh Five-Year Plan in Chengzhuang Mine

通过对“十一五”重大专项井的井身结构和抽采情况的分析和总结可以得出以下结论:

1)井身结构相同的情况下,采动井二开固井比二开不固井抽采浓度偏高,约是2～5倍,主要原因是二开井段固井防止了该井段裂隙与地面的沟通,因此二开固井对采动区抽采比较有利。

2)采动井的抽采混合累计总量和甲烷累计总量和抽采天数成正相关性,也就是抽采天数越长抽采量越高。

3)影响采动井抽采抽采运行时间长短的主要地质因素主要为井筒的变形,井筒内堵塞、抽采负压升高、浓度降低,直接导致采动井终止服务,因此对采动井井筒稳定性的研究和控制是使采动井产气的关键性地质工程因素。

4 “十二五”重大专项成庄煤矿5310 、4318工作面采动井分析

成庄煤矿5310/4318工作面采动井均使用大直径钻井工艺,一开井径为480 mm或425 mm,经实际生产检验,该型井径能够有效防止采动扰动造成的井壁坍塌,具体井身结构，如表3所示。

根据图表分析可得“十二五”重大专项采动井都是采用三开结构完井,2012ZX-CZCD-01、2012ZX-CZCD-05一开二开下套管固井、三开不固井下入筛管完井,2012ZX-CZCD-04一开下套管固井、二开、三开不固井裸眼完井而。这种情况和“十一五”重大专项采动井很相似只是钻孔直径增大了很多,三开筛管直径变成了168 mm或215 mm,目的是减少采动井井筒的破坏造成钻孔的阻塞和钻孔报废。

根据“十二五”成庄井田采动井抽采情况统计表(如表4所示),分析该三口井的抽采量的统计结果可知,三口井的抽采混量变化范围相差不大都在0～19 m3/min 的变化区间,抽采的甲烷浓度相差较大,甲烷抽采总量的主要受抽采时间影响,2012ZX-CZCD-01相对2012ZX-CZCD-04、2012ZX-CZCD-05的抽采时间较长,甲烷抽采总量也较大,当抽采浓度相差不大时,甲烷的累计抽采总量与抽采时间呈现正相关,这与“十一五”采动井的分析结果相吻合。

表3 井身结构情况参数表Table 3 Parameters of shaft structure

表4 “十二五”成庄井田采动井抽采情况统计表Table 4 Extraction of the drainage well of the Twelfth Five-Year Plan in Chengzhuang Mine

图2 “十二五”采动井井身结构图Fig.2 Shaft structure of the drainage well of the Twelfth Five-Year Plan

通过对“十二五”重大专项井的井身结构和抽采情况的分析和总结可以得出以下结论:

1)通过对“十二五”采动井与“十一五”采动井整体对比分析,可得出前者比后者抽采运行时间偏长约2.35倍,抽采甲烷浓度偏高约1.94倍,抽采累计混合总量偏高约9.15倍,抽采甲烷累计总量偏高约13.24倍。

2)分析“十二五”采动井抽采甲烷累计总量与“十一五”采动井偏高约13.24倍的形成因素主要为采动井稳定运行抽采时间的增加引起的抽采混合累计总量的增加和甲烷抽采浓度的整体偏高倍数的叠加效应。

3)“十二五”采动井的井经的增大延长了采动井的抽采运行时间,完井筛管直径增大1.56倍,提高甲烷累加总量13.24倍,因此采动井井径的增大有利于增加稳定抽采时间和甲烷的抽采量,但不能根本解决采动井井身稳定性的问题。

4)影响采动井抽采抽采运行时间长短的主要地质因素主要为井筒的变形,井筒内堵塞、抽采负压升高、浓度降低,直接导致采动井终止服务,因此对采动井井筒稳定性的研究和控制是使采动井产气的关键性地质工程因素。

5 采动井井身结构变形情况的分析及处理方案研究

由于井下工作面的不断开采,造成采煤区域的地层不断发生垂直沉降和水平剪切应力的变化,在采动井的实际抽采过程中常会出现前期抽采量、甲烷浓度较高,后期随之井筒结构的破坏抽采负压不断升高和抽采量和甲烷弄断不断衰减,直接导致采动井的报废。先结合已经窥视的采动井的井筒变形情况对采动井的套管变形进行研究分析,并提出相应的解决方案,如表5所示。

表5 采动井窥视台账Table 5 Records of peering instrument in the drainage well

通过表5采动井窥视台账分析结论:

1) 采动井井身套管从接箍处断裂的情况占窥视井的4/7之多,建议对现有接箍强度加大,从而防止采动井的套管接箍处断裂情况的发生。

2) 可以对现有套管做抗拉强度实验,研究套管接箍强度是否与套管拉伸强度相匹配,另外在钻井下套管的过程中,要给套管施加相匹配的扭矩从而保证连接处的强度或者采用长丝扣套管,从而加强套管接箍处的强度。

3) 采动井3/7的井身结构存在套管变形和拉断的情况,主要集中在0～100 m的井段,因此应注意该井段套管强度的提高和固井水泥标号的提高,从而提升井身结构的强度。

4) 目前能保持井筒通道正常沟通的只有2014ZX-YCCD-06,SHCD13-02井,占已经窥视井的2/7,还能保持正常运行,因此对采动井井筒稳定性的研究和控制是使采动井产气的关键性地质工程因素。

针对采动井的井筒结构变形情况的解决方案：

1) 刚性处理方法:加强0～100 m井段的井身结构的强度,在该井段保持双层套管结构,一开Φ425 mm,钻至深度至100 m,下入Φ377 mm套管使用高强度水泥固井,二开Φ311 mm钻至煤层顶板30 m～50 m,下入直Φ244 mm套管使用高强度水泥固井,三开Φ215 mm钻至煤层底板以下2 m终孔,下入Φ168 mm筛管完井,该井型增强了0～100 m井段的抗拉和抗剪强度,对0～100 m的井筒变形有很好的保护作用。

2) 柔性处理方法:一开Φ425 mm至基岩下10 m,下入Φ377 mm套管固井,二开Φ311 mm钻至煤层顶板30 m～50 m,下入直Φ244 mm套管不固井,在套管和孔壁之间充填入细砂,三开Φ215 mm钻至煤层底板以下2 m终孔,下入Φ168 mm筛管完井,该井型通过二开段填充细砂,当采煤掘进时,地层沉降对二开套管的拉伸力大大减小,降低了套管被拉断的可能性,有效地保护了井筒的稳定性,从而增加采动井的服务年限,提高抽采量。

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