山西省廢棄礦井采空區煤層氣地面抽采實踐

趙向東

(山西燃氣集團有限公司，山西 030032)

近年來實施的煤炭去產能政策，促使一批資源枯竭及落后產能礦井加快關閉，形成大量的關閉/廢棄礦井。國能煤炭(2016)334號《國家能源局關于印發煤層氣(煤礦煤層氣)開發利用“十三五”規劃的通知》明確指出：關閉礦井殘存煤層氣抽采利用或將成為煤層氣產業新的增長點，應建設一批示范工程，并研發推廣關閉礦井殘存煤層氣抽采利用技術。而我國礦井煤層氣抽采現階段仍主要集中在開采前預抽采和開采中卸壓抽采，真正意義上的關閉礦井煤層氣抽采尚處于探索階段，真正利用關閉礦井進行煤層氣抽采的實例較少。

圖1 三開氮氣鉆井工藝流程圖

據測算，目前我國煤礦采空區(廢棄礦井)中殘留煤層氣資源量近5000億m3，僅山西省就達726億m3，采空區煤層氣具有十分可觀的開發利用潛力。近年來，山西晉城煤業集團先后在省內晉城、西山、陽泉、左權等礦區施工了采空區、廢棄礦井煤層氣抽采井135口，目前運行55口，日抽采利用氣量達9.4萬m3，累計利用氣量約1.3億m3。經過多年摸索實踐，初步在煤炭采空區(廢棄礦井)煤層氣資源評價、地面鉆井技術、抽采工藝、裝備研發、技術攻關、標準制定等方面建立了成套技術體系，使采空區地面抽采利用實現了過程可控、利益可期，為有效消除采空區瓦斯逸出災害、高效利用采空區煤層氣(瓦斯)資源、促進礦區綠色發展提供了寶貴經驗。

1 鉆進工藝

對比水力鉆井和壓縮氣體鉆井技術的優缺點，水力鉆井技術的鉆井液在采空區裂隙發育區漏失嚴重，且泥漿極容易堵塞產氣裂隙，因此選擇壓縮氣體鉆井技術。基于此，開發了適合煤礦采空區鉆井的新型鉆井工藝，該工藝采用兩段式鉆井，即在鉆井的一開和二開選擇壓縮空氣作為井內循環介質。

當三開鉆進至采空區上部裂隙發育區，采空區內煤層氣通過裂隙運移至井筒內。若此時仍使用壓縮空氣作為循環介質，運移至井筒內的采空區瓦斯與壓縮空氣混合后，必然使甲烷體積分數處于爆炸極限范圍內，鉆井存在極大的安全隱患，因此選擇壓縮氮氣作為井內循環介質，氮氣介質相比空氣介質可抑制甲烷爆炸，極大地提高了鉆井安全性。三開氮氣鉆井工藝流程如圖1，使用膜制氮設備制備工業氮氣，并通過壓縮機將氮氣壓入鉆桿中。分段式的工藝設計，在大規模鉆井時，可合理安排每口鉆井的鉆進時段，此種模式下不需要每臺鉆機配備膜制氮設備，提高膜制氮設備使用效率。

選用壓縮空氣(氮氣)作為循環介質，在采空井鉆井時對鉆井工藝參數進行了優化，主要包括循環介質、鉆壓、鉆速、排量等，開展了采空區井過裂隙帶鉆井技術試驗，既降低了采空井鉆井成本，又可有效鉆至采空區3號煤層底板10m位置處，滿足生產要求，取得了較好的效果。

在一開段為防斜，采用了小鉆壓吊打的方法，同時為達到防塌的目的，采用小泵量、小鉆壓、低轉速的鉆進方式，確保了穩定性；在二開、三開段穿越采空區時，循環介質存在漏失嚴重，返漿(氣)困難甚至不返漿(氣)，容易造成坍塌、掉鉆、埋鉆事故，根據實際情況采用大風量沖孔、憋壓沖孔、空氣泡沫循環等方法，切實有效的解決了鉆孔施工中的掉塊、卡鉆等復雜情況，達到最大限度的節約成本，提高鉆效，縮短周期的目的。表1為空氣鉆井在不同井段時鉆進參數變化表。

表1 空氣鉆井在不同井段時鉆進參數變化表

地面采空井完井采用連續固井技術，一開典型套管串結構為引鞋+套管鞋+表層套管，二開典型套管串結構為：引鞋+套管鞋+旋流短節+套管+回壓凡爾+一根套管+承托環+套管串+聯頂節+水泥頭，主要固井設備有水泥車、水泥儲灰罐、混合漏斗、混合罐、壓風機車、流量計車及相關附屬設備等。

2 地面分級抽采工藝

針對廢棄礦井采空區煤層氣抽采濃度差異大的特點，考慮到煤層氣抽采安全性和高效性，將廢棄礦井采空區煤層氣抽采利用分為高濃度(CH4>30%)和低濃度(CH4≤30%)煤層氣抽采利用技術體系。圖2為廢棄礦井采空區分級抽采利用技術體系示意圖，根據煤層氣濃度差異，采用不同抽采設備，并匹配不同抽采工藝進行開發。此外，廢棄礦井采空區煤層氣可就地用作分布式發電機燃料，為抽采設備提供穩定動力。

圖2 廢棄礦井采空區分級抽采利用技術體系示意圖

2.1 高濃度煤層氣抽采利用技術

采空井是一種煤層氣抽采新井型，不同于常規預抽井“排水降壓”的產氣機理，其實質上是使用螺桿/漩渦增壓機組抽采設備人為制造并傳播壓力降至采空區內部裂隙空間，使游離煤層氣在壓降作用下運移至抽采設備內，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，達到穩定抽采煤層氣的目的。主要抽采工藝流程為：井口(壓力表)→閥門→阻火器→單向閥→閥門→增壓機組→緩沖罐→閥門→流量計→閥門→集輸管網。

2.2 低濃度煤層氣抽采利用技術

我國絕大多數煤礦采取直接排空方式處理低濃度煤層氣，低濃度煤層氣(CH4≤30%)不能直接通過增壓機集輸利用，但目前尚無專門針對野外地面抽采條件的低濃度煤層氣提純利用系統。為充分利用低濃度煤層氣資源(CH4≤30%)，通過針對性地開展集成創新，研究了一套具有安全抽采、甲烷提純以及增壓集輸等功能的分布式提純系統。

基于分布式提純系統設計思路，設計了如圖3的低濃度煤層氣安全提純系統，主要包括安全抽采子系統和變壓吸附子系統。安全抽采子系統由閘閥、單向閥、放水器、防爆阻火器、電動閥、水環真空泵、壓縮機、冷干機和氣體緩沖罐組成。安全抽采子系統運行流程為：在負壓抽采下，抽采至地面的低濃度煤層氣依次經單向閥、閘閥、放水器、阻火器的安全保障后進入煤層氣真空壓縮機，從負壓開始壓縮，將壓力升高到0.2MPa左右。冷干機可進一步將煤層氣中大部分水分冷凍分離。

圖3 低濃度煤層氣安全提純和增壓輸送系統工藝流程

3 應用效果

(1)晉城礦區

晉城礦區采空井共施工54口，運行25口，日產量約4.5萬m3。鉆井主要分布在晉圣永安宏泰、岳城、侯村、棗坡溝、潤宏、慶城、古書院等礦區；如2013年在晉圣永安宏泰煤礦施工了一口廢棄礦井煤層氣抽采井JSCK-02井，并成功實現產氣，初始產能達6000m3/d,經過6年的抽采，目前該井仍保持日產量約3000m3。

(2)西山礦區

西山礦區采空井共施工56口，運行20口，日產量約3.5萬m3，主要分布在屯蘭、馬蘭、東曲等礦區。抽采的高濃度煤層氣直接并網管輸利用，部分低濃度煤層氣資源就地提純利用。

(3)陽泉、晉中礦區

陽泉礦區采空井共施工18口，運行8口，日產量約0.8萬m3，主要分布在樂平、石崗、黃巖匯等礦區，抽采的高濃度煤層氣直接并網管輸利用，部分低濃度煤層氣資源提純到安全濃度再進行利用。晉中左權礦區采空井共施工9口，運行2口，日產量約0.6萬m3，主要分布在坪上礦區。

4 存在主要問題

(1)通過地面煤層氣抽采井解決煤礦井下瓦斯超限問題，各礦井條件不同，治理手段方法不盡相同；采空區煤層氣抽采有可能造成采空區漏風，誘發采空區煤層自燃，存在安全隱患。

(2)由于目前廢棄礦井(采空區)煤層氣地面抽采缺少法律依據，項目實施困難。

(3)由于種種原因，煤層氣開發企業通常很難獲取作業范圍內真實準確的煤礦采掘平面圖和井上下對照圖等關鍵基礎資料，地面鉆井極易鉆遇煤柱和積水區導致報廢，企業投入風險較高。

(4)目前采空區煤層氣抽采規模不大，主要效益體現在安全和環保方面，經濟效益整體較差，應加大扶持。

5 結語

應用實踐表明，采空區地面井平均產能達2000m3/d，部分高產井產能甚至達到6000m3/d，抽采年限達6年以上，廢棄礦井采空區煤層氣地面抽采效果顯著，初步實現了廢棄礦井采空區煤層氣規模化開發和工程示范效果，對山西省乃至全國廢棄礦井煤層氣資源開發利用有一定的引導和推廣作用。