煤炭規劃區地面煤層氣井預抽技術體系

周雷雷

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048006)

基于煤炭開發時空接替規律，可將煤礦區域劃分為煤炭生產規劃區(簡稱“規劃區”)、煤炭開拓準備區(簡稱“準備區”)及煤炭生產區(簡稱“生產區”)，規劃區的煤炭資源一般在5～10 a甚至更長時間以后才開始采煤作業[1]。我國煤礦大多是高瓦斯礦井，使得礦井煤炭資源開采過程中瓦斯事故頻發且瓦斯事故所占比例較大，瓦斯已極大制約著礦井的安全高效生產[2-4]。《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ/T1026-2006)明確規定：凡通風方式無法解決瓦斯問題的高瓦斯礦井，必須建立永久抽采瓦斯系統或井下臨時抽采瓦斯系統。通過預抽進而降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，保障后期煤炭的安全高效生產。從治理瓦斯的角度，晉煤集團于20世紀90年代初期在寺河礦首次開展了地面煤層氣垂直井預抽工程，單井最高產氣量達10 000 m3/d，煤層氣預抽效果極為理想[5]，為采煤采氣一體化綠色生產邁出了堅實一步。我國經過近三十年的技術研究和工程實踐，迄今已形成了比較完善的地面煤層氣井采前抽(預抽)、采動抽和采后抽的三區(規劃區、準備區及生產區)聯動的“采煤采氣一體化”技術體系[5-7]。

1 地面垂直井預抽技術

地面垂直井在煤層氣開發中扮演著重要的“角色”，是最常見、普通的井型之一，具有井身結構簡單、施工技術難度小、適應多煤階煤層氣預抽等優點，但亦有井控范圍小、抽采效率低、井場多、占地面積廣及井場基建工程量大等劣勢。地面垂直井常采用二開井身結構，基于煤儲層物性特點，主要形成了裸眼洞穴完井(見圖1(a))、篩管裸眼洞穴完井(見圖1(b))和套管射孔壓裂完井(見圖1(c))等三種類型[8-9]。

洞穴完井系指在煤層段裸露，通過在煤層段人工造穴形成“大肚子”。根據煤層段裸露和下篩管情況，可分為裸眼洞穴完井(圖1(a))和篩管裸眼洞穴完井(圖1(b))兩種類型，二者在美國科羅拉多和圣胡安盆地等中低煤階高滲煤層中應用尤為廣泛，一些地區單井平均產氣量超過14 300 m3/d，預抽煤層氣效果極為理想[10]。裸眼洞穴完井和篩管裸眼洞穴完井技術在我國煤層氣開發過程中已有應用，但總體效果極不理想，絕大部分氣井未形成工業性氣流，顯示了該技術的適應范圍和局限性。而地面垂直井套管射孔壓裂完井技術則在我國應用較為廣泛，特別是在沁水盆地南部高煤階煤層氣預抽中獲得了巨大經濟效益[11]。

2 地面定向井預抽技術

地面定向井是油氣勘探領域較為復雜和先進的鉆井技術之一，它是由測斜、導向工具及特殊井下工具等對鉆井軌跡或井眼軌跡進行有效、精準控制，使鉆具沿著特定方向鉆達預定目標層位的鉆井工藝技術[12]。經過數十年發展，定向井技術日臻成熟且形成了多種定向井井型，主要有U型井、V型井、L型井、羽狀水平井等四種。

圖1 煤層氣地面垂直井井身結構及完井方式示意

2.1 地面煤層氣U型井預抽技術

U型井是定向井的特殊井型之一，因其井控面積大、抽采效率高、適合多種煤類等特點，因而在煤層氣開發中應用越來越多[13]。但U型井在構造復雜、煤體結構破碎嚴重及復雜地貌礦區適應性極差，投資風險極高。U型井一般由一口定向水平井(又稱“工程井”)和一口洞穴直井(又稱“排采井”)組成，水平井的水平段靶點末端與洞穴直井相連通，兩口井形成一個“U”字形的井筒結構(見圖2)[14]。煤層氣U型井水平段采用沿煤層傾向從高端向低端鉆進，洞穴直井位于低端且與水平井水平段靶點末端連接，可有效利用地下水重力效應，有利于排水和排出煤粉，實現煤層氣井的高效抽采。根據開發煤層的煤體結構及滲透性情況，U型井水平段有裸眼完井(見圖2(a))、篩管裸眼完井(見圖2(b))和套管固井射孔壓裂完井(見圖2(c))三種類型。

圖2 地面煤層氣U型井完井方式示意

地面煤層氣U型井技術在山西保德、沁水柿莊、霍林河盆地、鄂爾多斯盆地均已成功實施應用，氣井產氣效果理想，特別是在沁水盆地南部高煤階無煙煤區，效果尤為顯著，平均單井日產氣量高達1萬m3[13]。該技術在松軟低滲煤層中亦具有較好的適應性，2015年晉煤集團在趙莊礦3號松軟煤層中施工了一口U型井，平均產氣量維持在5 000 m3/d以上[15]。

2.2 地面煤層氣V型井預抽技術

V型井是基于U型井演化而來的一種特殊定向井，系指由兩組呈一定夾角的水平井共用一口洞穴直井組成，形成“V”字形的井筒結構[16](見圖3)。與U型井相比，其具有更大的井控面積、更廣的抽采范圍、更高的抽采效率、適應煤階范圍廣、井場占地面積小等優點。但其在構造復雜、煤體結構破碎嚴重及復雜地貌礦區適應性極差，抽采成效保障極低。V型井技術集成了隨鉆地質導向、煤層造穴、三井對接、多井眼完井等多項先進的鉆井技術[16]。V型井技術特點是利用兩組U型井水平段由沿煤層傾向從高端向低端鉆進，洞穴直井位于低端且與水平井水平段靶點末端連接，這樣地下水通過兩個水平井眼分排流向洞穴直井，進而增加了排水、排煤粉能力和提高采氣效率。

圖3 V型井井身結構示意(mm)

根據開發煤層的煤體結構及滲透性情況，V型井水平段可采用裸眼完井、篩管裸眼完井和套管固井射孔壓裂完井三種類型。目前， V型井技術在延川南、沁水盆地南部晉城礦區等高煤階礦區煤層氣開發中已實施應用，煤層氣預抽效果良好[16-17]。

2.3 地面煤層氣L型井預抽技術

L型井又稱單分支水平井，系指最大井斜角保持在90°左右，并在目的層中鉆進一定長度的水平段的特殊定向井，其井身結構呈“L”字型[18]，采用三開井身結構(見圖4),該井型與地面煤層氣垂直井相比，具有井控范圍大、抽采動用煤層氣資源廣、抽采效率高、適用性強、占地少等特點，與U型井具有異曲同工之處[19]。但L型井對排水采氣設備要求高，在構造復雜、煤體破壞嚴重及地貌復雜礦區適應性同樣極差，投資風險亦極高，抽采成效得不到保障。根據開發煤層的煤體破壞情況和煤層滲透性情況，L型井水平段可選用裸眼完井(圖4(a))、篩管裸眼完井(圖4(b))和套管固井射孔壓裂完井(圖4(c))三種類型。

圖4 L型井井身結構示意

L型井排水、采氣均為同一井筒，因此，對排采設備較為苛刻，常采用射流泵、電潛螺桿泵等排水大、排粉能力強的舉升系統完成排水降壓、采氣過程[20]。目前，這種井型已規模化的應用，實現了資源集約化開發、集中化管理，運行低成本、排采高效率[21]。

2.4 地面煤層氣羽狀水平井預抽技術

羽狀水平井又稱多分支水平井，系指在一個主水平井眼的兩側再鉆出多個分支井眼的氣井，呈“羽毛狀”[22](圖5)。它是常規水平井和分支井的結合體[23]，是近年來發展起來的一項新興的煤層氣開采技術。與U型井、V型井和L型井相比，水平羽狀分支井具有井控面積更大、導流能力強、儲層污染小、井場占地面積小、抽采效率和煤層氣采出程度更高等優勢，但對地質條件、煤體結構、煤層厚度及其穩定性要求高，單井投資費用大，工藝技術復雜[24-25]。

圖5 羽狀分支水平井結構示意

近年來，美國CDX國際公司率先把羽狀水平井應用于西弗吉尼亞州煤層氣開發項目，取得了低滲、中低階煤層高效抽采煤層氣的成功。我國在煤層氣開發中引進了羽狀水平井技術，先后在晉城、寧武、保德、韓城等地煤層氣區塊成功實施，煤層氣預抽效果良好[26-27]，特別是晉城煤層氣區塊內的寺河煤礦SP-01羽狀水平井，單井產氣量基本穩產在20 000 m3/d以上。

3 結 語

1) 煤炭規劃區地面煤層氣井預抽是高瓦斯礦井治理瓦斯的一條有效途徑，是實現采煤采氣統籌安排、協調開發的一種綠色生產技術模式。

2) 地面煤層氣垂直井預抽技術和地面煤層氣U型井、V型井、L型井及羽狀水平井定向預抽技術是高瓦斯礦井煤炭規劃區治理瓦斯的兩大技術體系，選用適應的地面煤層氣預抽技術是提高礦井瓦斯防治水平的關鍵。