潘莊井田試驗區采空區地面井抽采制度及配套工藝研究

王 爭

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048000；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司, 山西 030000)

沁水盆地是我國重要的煤層氣產業基地之一，煤層氣資源量約為4×1012m3，2014年煤層氣產量已達到30×108m3，開發前景廣闊。潘莊井田作為沁水盆地20余個井田之一，歷史上存在較多小型礦井，通常采用房/柱式采煤方式，只采煤房不回收煤柱，殘煤率高達40%～50%。該類小型礦井廢棄后通過地面垂直鉆井至采空區垮落帶內，使井口與采空區有效溝通，地面使用小型螺桿/漩渦增壓機組進行抽采。在采空井實際抽采過程中存在抽采強度高導致甲烷濃度等抽采參數波動較大、螺桿/漩渦增壓機組安全監控系統相關聯鎖參數設置不合理導致設備頻繁連鎖停機等問題，需要制定合理的抽采工作制度及配套的抽采工藝技術。

1 影響抽采效果的因素

1.1 抽采強度不合理

采空區煤層氣抽采實質上是自采空區上部裂隙帶至煤層底板范圍內壓力傳播至地面抽采設備的過程。高負壓、大流量的抽采強度導致采空區內壓力激動，導致煤粉容易形成和產出，造成井筒附近煤巖層微裂隙發生閉合，產生壓敏效應；同時煤層氣解吸速度過快容易導致殘煤產生極強的速度敏感性，影響產氣量。

1.2 抽采配套設備不完善

(1)因采空井井下地質條件不同于預抽井，采空井井口套壓較低，一般為0～50KPa，部分井甚至為微負壓。采空井投運初期使用管式泵、水環泵、螺桿/漩渦增壓機組進行試抽采。使用管式泵抽采的采空井日產水量極低，不產氣；使用水環泵抽采的采空井抽采負壓較高，日產氣量衰減嚴重，抽采周期極短；使用螺桿/漩渦增壓機組抽采的采空井設備初期容易故障停機，影響抽采效果。

(2)在井口為負壓的情況下，空氣有可能通過井口進入煤礦采空區內，加速采空區內部的殘煤氧化速度，存在殘煤自燃的可能性，且采空區內甲烷在一定濃度條件下具有爆炸的風險。采空區地面井使用配套設備抽采時應考慮相關安全風險，制定相應防范措施。

2 合理工作制度的建立

2.1 抽采制度的優化

國內外學者針對常規煤層氣井對煤層氣排采階段的劃分進行了研究，包括國外的三段劃分法和國內的四段、八段劃分法。但對采空井煤層氣抽采制度研究較少。筆者根據國內外的資料，結合現場排采的經驗，以現有15口采空井抽采試驗為基礎，針對性調整優化原有采空井定日產氣量的抽采制度，提出“四段制”的抽采制度，見表1。

表1 “四段制”抽采工作制度

其劃分依據如下：

Ⅰ自由放噴階段，該階段主要針對井口壓力為正壓采空井，若井口壓力為負壓則略過此階段，該階段一般持續時間為3～7d。通過人為放空初步判斷采空區殘煤解吸煤層氣產氣量大小，為選擇合適功率螺桿/漩渦增壓機組提供參考。

Ⅱ穩定壓力降階段，通過調整抽采設備運行頻率達到控制采空井井口壓力的目的，一般持續時間為20～50d。該階段使用螺桿/漩渦增壓機組抽采設備傳播壓力降至采空區內部裂隙空間，游離煤層氣發生運移至抽采設備內，從而進一步降低井底流壓，促進采空區殘煤吸附氣的解吸，最終使采空區殘煤解吸速度與抽采設備抽采能力平衡。此階段壓力降幅度不能超過0.1～0.2kPa/d，過快的壓力降將影響采空區內壓降漏斗的擴展，不利于后期采空井抽采。

Ⅲ穩壓產氣階段，通過固定抽采設備運行頻率，保證井口壓力穩定，合理控制生產壓差，達到穩產目的。此階段一般持續時間400d以上。

Ⅳ定產氣量階段，此階段采空區殘煤吸附氣解吸量明顯低于抽采設備抽采量，井口壓力降低明顯時應提高抽采設備運行頻率，保證抽采設備日均瞬時流量不低于小于2倍增壓機組電流值，否則應停止抽采或更換更小功率增壓機組。典型的四段制抽采曲線見圖1。

圖1 JSCK-15井抽采曲線

2.2 井口壓力的控制

井口壓力是體現采空區殘煤吸附氣解吸能力的重要衡量指標，井口壓力過高，抽采設備抽放效率降低，不能充分釋放采空井產能；井口壓力過低，抽采設備高負荷運行，不利于采空井長期抽采。在抽采設備相同的前提下，對采空井井口壓力、日產氣量及抽采效果進行分析，可以有效指導采空井抽采制度的制定。

根據現場連續運行的9口采空井抽采數據為基礎，使用數學統計方法分析了不同抽采設備井口壓力與日產氣量的相互作用關系，對井口壓力區間求交集可得到抽采設備規格為3000m3/d時，井口壓力保持1.1～1.4kPa時有利于采空井長期、穩產抽采；抽采設備規格為5000m3/d時，井口壓力保持-8.5～-6.5kPa時有利于采空井長期、穩定抽采，如下表2所示。

表2 潘莊井田連續運行采空井運行數據統計表

3 抽采配套工藝技術優化

3.1 抽采設備優選

目前共有15口采空井投運，共有4口采空井使用管式泵抽采，1口采空井使用水環泵抽采(后改為增壓機組)、11口采空井使用螺桿/漩渦增壓機組進行試抽采。使用管式泵抽采的采空井日產水量極低，不產氣；使用水環泵抽采的采空井抽采負壓較高，日產氣量衰減嚴重，抽采周期極短；使用螺桿/漩渦增壓機組抽采的采空井初期因設備安全監測聯鎖參數設置不合理導致頻繁聯鎖停機，影響抽采效果。

結合潘莊井田附近采空井井口壓力不高的基礎地質條件，經過采空井長期抽采試驗摸索，優選螺桿/漩渦增壓機組作為采空井主要抽采設備。

3.2 抽采工藝優化

以螺桿/漩渦增壓機組作為采空區地面井抽采工藝核心組成部分，通過優化整體抽采工藝流程，實現采空井安全抽采的目的，抽采工藝流程圖圖2。

圖2 自由放噴階段抽采工藝流程圖

圖3 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段抽采工藝流程圖

(1)Ⅰ自由放噴階段，此階段地面工藝流程為井口(壓力表)→閥門→阻火器→流量計→放空管。

(2)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ抽采階段工藝流程為：井口(壓力表)→閥門→單向閥→阻火器→增壓機組→流量計→過濾器→閥門→管網(見圖3)。

3.3 安全監測聯鎖參數優化

對以螺桿/漩渦增壓機組作為抽采設備的潘莊井田試驗區11口采空井歷史運行參數波動情況進行總結分析，在保障設備安全運行的前提下對增壓機組原聯鎖參數進行優化處理，有效避免了采空井運行參數波動所觸發的抽采設備聯鎖停機，達到了抽采設備穩定運行的目的。

根據重慶煤科院2013年12月出具的《特殊環境條件下甲烷爆炸極限測定》報告，甲烷-空氣混合氣體在環境壓力0.4MPa、環境溫度100℃、10J點火能量條件下，甲烷的爆炸上限為21%。據中國煤礦安全生產網數據，當氧氣濃度低于12%時，甲烷氧氣混合氣體不會爆炸。采空井增壓機組的安全抽采聯鎖停機參數修改對照可見表3。

表3 螺桿/漩渦增壓機組安全抽采聯鎖停機參數

4 應用效果

自2013年以來已經累計投運15口采空井，其中5口初期采空井因進行抽采試驗已廢棄，1口采空井因產能不佳進行間斷性抽采，另外9口采空井按照“四段制”抽采工作制度，仍處于穩壓產氣階段，產氣量穩定3000m3/d以上達3口采空井，產氣量穩定2000～3000m3/d達3口采空井，產氣量穩定1000～2000m3/d達3口，平均日產氣量2.5×104m3/d，累計日產氣量2313.1×104m3/d。

5 結論

(1)潘莊井田試驗區采空井具有井下殘煤率高，采空區煤層氣資源量豐富的特點，合適的抽采制度及安全工藝流程是穩產的關鍵，Ⅱ抽采階段切忌大幅度壓力降，保證采空區內壓降漏斗大范圍擴散；

(2)針對采空區自燃、低濃度煤層氣容易發生爆炸的風險，通過優化潘莊井田試驗區采空井配套安全抽采工藝技術，可以實現安全抽采目的。

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