寺河井田下組煤煤層氣開發(fā)有利區(qū)優(yōu)選及穿煤柱水平井井位部署

蘇善博, 張培河*, 李林, 周加佳, 王正喜, 李勇

(1.煤炭科學(xué)研究總院, 北京 100013; 2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司, 西安 710077)

煤礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)工程受限于煤礦采掘規(guī)劃,保證其合理性和經(jīng)濟(jì)性需要通過有利區(qū)優(yōu)選、井位部署方法研究和工程地質(zhì)條件分析等。針對(duì)寺河井田多煤層,高瓦斯等地質(zhì)特點(diǎn),從整體到局部層層遞進(jìn),環(huán)環(huán)相扣[1]。有利區(qū)優(yōu)選是煤層氣開發(fā)的先決條件。首先采取地面與井下條件統(tǒng)籌分析的工作方法,優(yōu)選出煤層氣開發(fā)的有利區(qū)塊,確定穿煤柱水平井煤層氣開發(fā)井位部署原則后對(duì)優(yōu)選區(qū)塊進(jìn)行穿煤柱水平井井位部署,并規(guī)避地質(zhì)構(gòu)造和地形交通等影響對(duì)部分井位微調(diào),直至形成滿足全區(qū)要求的地面煤層氣開發(fā)工程部署方案[2]。科學(xué)、合理的井位部署方法,不僅要對(duì)單一影響因素進(jìn)行分析,還應(yīng)考慮多因素的綜合影響結(jié)果[3]。

目前針對(duì)煤層氣開發(fā)有利區(qū)優(yōu)選經(jīng)歷了從定性化到半定量化再到定量化的發(fā)展階段[4-5]。多層次模糊數(shù)學(xué)法是為各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予權(quán)重,計(jì)算得分作為選區(qū)評(píng)價(jià)的定量依據(jù),能夠很好地把定量分析與定性分析相結(jié)合,含有評(píng)價(jià)者的主觀判斷、經(jīng)驗(yàn),通過一致性檢驗(yàn),有效的分析目標(biāo)準(zhǔn)則體系層次間的非序列關(guān)系[6-7]。多層次模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型的選區(qū)方法已被廣泛使用,其在鄂爾多斯盆地富黃地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)9油層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)[8]、沖擊地壓綜合評(píng)價(jià)[9]、準(zhǔn)東地區(qū)煤炭氣化有利區(qū)預(yù)測(cè)[10]、盾構(gòu)掘進(jìn)適應(yīng)性評(píng)價(jià)[11]、煤礦廢棄油井風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類[12]、澳大利亞東部地區(qū)低煤階煤層氣有利區(qū)[13]、沁水盆地武鄉(xiāng)南區(qū)塊煤層氣有利區(qū)[14]、滇黔北探區(qū)煤層氣多層合采有利區(qū)[15]等多方面應(yīng)用得到了較好的效果。但前人在煤層氣有利區(qū)優(yōu)選應(yīng)用中評(píng)價(jià)指標(biāo)多集中在煤厚、煤層氣含量、滲透率、構(gòu)造發(fā)育情況等資源條件和儲(chǔ)層條件兩方面,對(duì)地面煤層氣開發(fā)工程施工影響很大的工程地質(zhì)條件并未包含在內(nèi)。

在寺河井田多煤層發(fā)育區(qū)進(jìn)行下組煤煤層氣開發(fā)有利區(qū)優(yōu)選時(shí),不僅要進(jìn)行平面有利區(qū)優(yōu)選,而且要考慮煤層底板采動(dòng)效應(yīng)。因此,現(xiàn)利用FLAC3D軟件模擬研究上組煤采動(dòng)后下伏巖層應(yīng)力變化;結(jié)合煤礦采掘部署,選取影響下組煤煤層氣開發(fā)不同選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo),采用“層次分析法+模糊綜合評(píng)價(jià)法”的選區(qū)評(píng)價(jià)思路,構(gòu)建適合于寺河井田下組煤煤層氣開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立包含資源條件、儲(chǔ)層條件和工程地質(zhì)條件在內(nèi)的三級(jí)評(píng)價(jià)模型,為該區(qū)下組煤地面煤層氣開發(fā)工程提供一些借鑒。

1 研究區(qū)概況

寺河井田位于沁水盆地南部,北部和西部鄰近鄭莊煤礦,東北部臨近樊莊煤礦,南部鄰近晉圣和岳城煤礦,是目前中國(guó)煤層氣開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。井田主要含煤地層是石炭-二疊系太原組和山西組,共含煤15層,其中3、15號(hào)為主要可采煤層,9號(hào)除西區(qū)局部可采,其余為不可采煤層。15號(hào)煤層位于太原組下部,厚度為1.80～5.45 m,多在2.5～3 m。現(xiàn)分為東西兩個(gè)獨(dú)立盤區(qū)(獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)),煤層硬度高,煤體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,總體上屬于地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單類,研究區(qū)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 區(qū)域構(gòu)造圖Fig.1 Regional tectonic map

采用斜井盤區(qū)式開拓方法,走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤開采3號(hào)煤層,部分3號(hào)煤區(qū)域已經(jīng)成為采空區(qū),3號(hào)煤采空區(qū)范圍如圖2所示,未來規(guī)劃開采下組煤15號(hào)煤層。

圖2 寺河井田3號(hào)煤采空區(qū)范圍Fig.2 Range of No. 3 coal mining area in the Sihe Mine

根據(jù)已有的煤層氣含量測(cè)試結(jié)果:3 、9 、15 號(hào)煤瓦斯含量多在20 m3/t以上,且9、15號(hào)煤平均瓦斯含量均高于3號(hào)煤層。寺河井田15號(hào)煤層氣含量圖如圖3所示。

圖3 寺河井田15號(hào)煤層氣含量圖Fig.3 Map of the No. 15 gas content of Sihe Mine

2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)寺河井田3、9、15號(hào)煤層工程地質(zhì)條件,利用數(shù)值模擬軟件,建立模型模擬上組煤開采,在推進(jìn)不同位置時(shí)下組煤的應(yīng)力分布及位移變化情況。

2.1 建立地質(zhì)模型

基于工作面實(shí)測(cè)鉆孔柱狀圖,采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬,建立幾何力學(xué)模型,模型長(zhǎng)、寬、高尺寸為500 m×500 m×200 m,地質(zhì)模型如圖4所示。高度設(shè)置為200 m,從地面到模型的底部設(shè)定為500 m,即模型建立在地下300 m處。

圖4 地質(zhì)模型Fig.4 Geological model

在進(jìn)行地質(zhì)采礦模擬之前,為保證該模型能實(shí)現(xiàn)其自身的重力平衡,必須對(duì)該模型進(jìn)行初始地應(yīng)力處理,垂直應(yīng)力計(jì)算公式為

Q=rΔH

(1)

式(1)中:Q為上覆巖層載荷,N/m2;r覆巖平均容重N/m3;ΔH為模型頂板距地面距離,m。

上覆巖石平均容重取25 000 N/m3,因此對(duì)頂部表面施加的壓力是25 000×300=7.5 MPa。表1列出各巖層物理性質(zhì)參數(shù)。

表1 煤巖儲(chǔ)層物理性質(zhì)參數(shù)

將模型的第5層規(guī)定為15號(hào)煤層、第13層規(guī)定為9號(hào)煤層、第24層規(guī)定為3號(hào)煤層模型。本次數(shù)值模擬選用Mohr-Coulomb模型。

2.2 模擬結(jié)果分析

3號(hào)煤工作面推至不同位置時(shí)下伏巖層垂直應(yīng)力變化云圖如圖5所示。可以看出在上覆煤層開采后,煤層底板會(huì)向采空區(qū)方向發(fā)生移動(dòng)和變形,地應(yīng)力重新分布,同時(shí)卸壓使得附近圍巖的透氣性增大,在垂直方向上底板卸壓存在一定的范圍。在寺河煤礦3號(hào)煤層開采高度6 m條件下,不同推進(jìn)長(zhǎng)度導(dǎo)致下伏巖層垂直應(yīng)力分布變化不同。

圖5 3號(hào)煤層開采應(yīng)力云圖Fig.5 No.3 coal seam mining stress contour

上組煤回采后,底板巖體經(jīng)歷了壓縮-卸壓膨脹-重新壓實(shí)3個(gè)階段。隨著3號(hào)煤層工作面自開切眼不斷推進(jìn),下伏圍巖卸壓范圍伴隨上組煤開采面積的增加而增大。根據(jù)模擬結(jié)果,下伏圍巖卸壓最大深度可達(dá)158 m,3號(hào)煤層距離9號(hào)煤層約48 m,距15號(hào)煤層約84 m。3號(hào)煤層回采使得下伏巖層出現(xiàn)了明顯的卸壓情況,9號(hào)煤層和15號(hào)煤層在3號(hào)煤層開采的卸壓范圍以內(nèi)。

3 綜合評(píng)價(jià)模型

煤層氣有利區(qū)綜合評(píng)價(jià)根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)要求以及評(píng)價(jià)因素的相互關(guān)系建立具有不同層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[16]。下組煤煤層氣開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,其開發(fā)過程與諸多因素有關(guān),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下兩個(gè)方面。

(1)資源潛力可行性。資源是地面開發(fā)的先決條件,地面煤層氣開發(fā)需要一定規(guī)模的資源做支撐,如果資源量規(guī)模過小,地面煤層氣開發(fā)可能不具備可行性。

(2)開發(fā)工程可行性。煤層氣開發(fā)要求所在地區(qū)的地質(zhì)、儲(chǔ)層等條件必須要滿足目前煤層氣開發(fā)工藝技術(shù)的要求。對(duì)煤礦區(qū)下組煤煤層氣開發(fā)而言,煤礦采掘部署以及由此引起地質(zhì)、儲(chǔ)層條件的變化對(duì)煤層氣開發(fā)工程的影響等。

根據(jù)寺河煤礦煤炭采掘現(xiàn)狀,結(jié)合穿煤柱煤層氣開發(fā)工程相關(guān)要求,按照資源潛力可行性、開發(fā)工程可行性的目標(biāo)層評(píng)價(jià),采用層次分析法,建立采動(dòng)區(qū)下組煤煤層氣開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ)A包含資源條件B1、儲(chǔ)層條件B2及工程地質(zhì)條件B3在內(nèi)的采動(dòng)區(qū)下組煤煤層氣資源三級(jí)評(píng)價(jià)模型;基于對(duì)寺河井田煤田地質(zhì)、煤層氣地質(zhì)資料及開發(fā)數(shù)據(jù)的分析,對(duì)東五、六盤區(qū)及西一、二、三盤區(qū)等五個(gè)盤區(qū)做出評(píng)價(jià)。其中資源條件B1包括氣含量C1、埋藏深度C2、煤層厚度C3;儲(chǔ)層條件B2包括頂?shù)装鍘r性C4、構(gòu)造復(fù)雜程度C5、水文地質(zhì)條件C6;工程地質(zhì)條件B3包括煤炭采掘規(guī)劃C7、上組煤采空比C8(上組煤采空區(qū)面積與區(qū)塊面積的比值)、地表施工條件C9。

研究區(qū)在資源條件和儲(chǔ)層條件上具有相似性,但也存在一定的差異。在遵循客觀性和評(píng)價(jià)主體的特殊性兩大原則的基礎(chǔ)上,邀請(qǐng)有關(guān)專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩打分,建立同指標(biāo)參數(shù)間的判斷矩陣。利用MATLAB軟件計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量,各指標(biāo)的權(quán)重如表2所示。

表2 下組煤煤層氣資源評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重

表3 各層次系數(shù)總排序

應(yīng)用模糊矩陣的復(fù)合計(jì)算,得到有利區(qū)的模糊綜合評(píng)判矩陣,采用十分制進(jìn)行量化處理,將每個(gè)盤區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值與采動(dòng)區(qū)下組煤煤層氣開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中三級(jí)指標(biāo)構(gòu)成的權(quán)重系數(shù)乘積相加得到賦值加權(quán)求和值,從而得到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果,下組煤煤層氣有利區(qū)優(yōu)選結(jié)果如表4所示。

表4 下組煤煤層氣有利區(qū)優(yōu)選結(jié)果

從表4看出:按照煤層氣開發(fā)的有利程度,寺河井田5個(gè)盤區(qū)的順序?yàn)?東五盤區(qū)、西二盤區(qū)、西一盤區(qū)、西三盤區(qū)、東六盤區(qū)。即:東五盤區(qū)的綜合排序系數(shù)最大,煤層氣開發(fā)潛力大,是寺河煤礦部署下組煤地面煤層氣開發(fā)的優(yōu)選區(qū)。因此,設(shè)計(jì)下組煤煤層氣抽采首先在東五盤區(qū)進(jìn)行。

4 下組煤煤層氣開發(fā)井位部署方法

目前地面煤層氣開發(fā)主要有直井、定向井、水平井等開發(fā)方式,每種方式對(duì)地質(zhì)、儲(chǔ)層和地形等條件的適應(yīng)性不同。寺河井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層厚度穩(wěn)定、埋藏深度適中,水平井煤層氣開發(fā)條件有利。另外,近年來,水平井以地形適應(yīng)性好、產(chǎn)量高、后期管理方便、綜合成本低等優(yōu)勢(shì),為業(yè)界廣泛應(yīng)用。因此,本次寺河井田的下組煤煤層氣開發(fā)首先考慮采用水平井方式。

4.1 部署原則

考慮寺河井田煤炭采掘規(guī)劃、目前區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀、礦區(qū)煤層氣地質(zhì)條件等,合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)井位置,采取“整體規(guī)劃、分步實(shí)施、過程調(diào)整、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)”的策略進(jìn)行煤層氣開發(fā)部署[17],試驗(yàn)井井位部署原則如下。

(1)立足本礦區(qū)煤層氣資源,服務(wù)煤礦安全生產(chǎn)、降低瓦斯含量。

(2)與煤礦生產(chǎn)采掘規(guī)劃部署緊密結(jié)合,且與煤礦生產(chǎn)緊密銜接。

(3)選擇下組煤煤層氣資源富集區(qū),將水平井段布置在有利區(qū)內(nèi)。

(4)優(yōu)先考慮深度適宜、煤層厚、分布穩(wěn)定且發(fā)育穩(wěn)定區(qū)域布井。

(5)煤儲(chǔ)層條件滿足煤層氣水平井開發(fā)工程施工要求。

(6)直井段避開3號(hào)煤采空區(qū)及開采大巷,減少鉆井工程施工難度。

(7)地形條件適宜,供水、供電等條件方便;有利于礦區(qū)持續(xù)發(fā)展,充分考慮煤炭及煤層氣資源的合理有效利用。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

礦井采用斜井盤區(qū)式開拓方法,走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法,頂板管理為自然垮落法,采煤后采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)明顯的彎曲、離層和垮落,自上而下形成彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶;下伏巖層形成底鼓裂隙帶、底鼓變形帶。采煤后會(huì)在終采線設(shè)置密閉墻,用于封閉已完成回采的工作面,由于密閉墻的支撐作用,處于終采線附近的采空區(qū)上覆巖層不易垮塌。同時(shí)結(jié)合“O”形圈理論,認(rèn)為回采邊界處的煤柱是比較理想的下組煤地面煤層氣布井位置,不僅能避免煤層氣井影響煤炭回采的問題,而且可使煤炭回采對(duì)鉆孔井筒的影響程度最小。同時(shí)水平井對(duì)于薄煤層開發(fā)效果好,薄煤層使用直井開采接觸面積小,產(chǎn)量較低,經(jīng)濟(jì)效益差,水平井能夠顯著提升開發(fā)效益。在考慮煤層氣開發(fā)目的和地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,結(jié)合煤炭采掘部署,合理進(jìn)行井位設(shè)計(jì)。

煤層氣井位部署及設(shè)計(jì)需要降低對(duì)煤炭生產(chǎn)的影響、最大限度地提高氣井服務(wù)年限和提高采收率。水平井設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵要素及內(nèi)容如下。

(1)水平井方向。水平井方向主要考慮兩個(gè)因素,一是有利儲(chǔ)層展布特征,盡量沿有利儲(chǔ)層展布方向部署水平井。二是考慮最大水平主應(yīng)力分布情況,通常垂直最大水平主應(yīng)力方向布井,因?yàn)榇怪庇谧畲笾鲬?yīng)力方向,壓裂時(shí)裂縫延伸最遠(yuǎn),儲(chǔ)層改造效果最好,增加地層流體向井筒的滲流能力。

(2)水平段長(zhǎng)度。水平段長(zhǎng)度決定了單井井控儲(chǔ)量范圍,水平段長(zhǎng)度與產(chǎn)量成正比。水平段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)首先要考慮的就是地質(zhì)條件,有利儲(chǔ)層分布范圍是否滿足水平段實(shí)施要求,在地質(zhì)條件允許情況下,選擇合適的水平段長(zhǎng)度。

(3)水平井間距。由于工作面寬度的限制,在垂直于工作面走向上,布井間距應(yīng)與工作面和巷道寬度一致,同時(shí)為避免縫間干擾,使煤層氣開發(fā)井網(wǎng)覆蓋區(qū)域最大化,水平井段間距應(yīng)在250 m左右。

(4)水平井軌跡。根據(jù)目前鉆井技術(shù),以鉆中短半徑水平井為目標(biāo),設(shè)計(jì)靶前距在210～260 m之間。由于3號(hào)層煤和15號(hào)煤層間距范圍是確定的,穿煤柱下組煤煤層氣抽采的鉆井設(shè)計(jì)不僅需要考慮水平井的靶點(diǎn)位置,而且要充分考慮3號(hào)煤層和15號(hào)煤層間距引起的鉆井軌跡設(shè)計(jì)難度。由于煤柱的位置是確定的,而且煤礦上組煤開采對(duì)周圍巖體造成巖層移動(dòng)、裂隙發(fā)育等情況,使得井眼軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)的水平井軌跡應(yīng)盡可能避開斷層帶,同時(shí)要滿足鉆井施工等要求。

根據(jù)上述確定的穿煤柱水平井開發(fā)部署原則,水平井設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵要素及內(nèi)容等,設(shè)計(jì)寺河井田東五盤區(qū)穿煤柱抽采下組煤煤層氣水平井,共設(shè)計(jì)水平井15口,井位設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 井位設(shè)計(jì)圖Fig.6 Well design drawing

5 工程試驗(yàn)及效果分析

在東五盤區(qū)設(shè)計(jì)的煤層氣井中選取一口水平井開展了下組煤煤層氣的抽采試驗(yàn)。設(shè)計(jì)下組煤穿煤柱煤層氣水平井,鉆井采用三開結(jié)構(gòu),三開下入生產(chǎn)套管不固井,壓裂開發(fā)油管拖動(dòng)大排量水力噴射壓裂一體化設(shè)備,排采設(shè)備選用螺桿泵,通過采用“大井斜扶正+雙保接箍降偏磨+導(dǎo)向器降扭矩?fù)p耗”工藝[18]。至2021年6月,最高日產(chǎn)氣量9 522 m3,14個(gè)月內(nèi)累計(jì)產(chǎn)氣量220×104m3,產(chǎn)氣效果理想。

6 結(jié)論

(1)通過對(duì)寺河井田的系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究,利用FLAC3D軟件模擬,建立煤層底板采動(dòng)效應(yīng)地質(zhì)模型,開展針對(duì)性的研究上組煤采動(dòng)后下伏巖層應(yīng)力變化,數(shù)值模擬結(jié)果表示,下伏巖層最大破壞深度可達(dá)底板以下158 m,太原組9號(hào)煤層和15號(hào)煤層都處在卸壓范圍內(nèi)。

(2)根據(jù)下組煤煤層氣開發(fā)的相關(guān)影響因素,分級(jí)構(gòu)建下組煤煤層氣開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;結(jié)合層次分析法確定不同指標(biāo)的權(quán)重,利用模糊數(shù)學(xué)的方法建立評(píng)價(jià)矩陣,從而確定其相應(yīng)的加權(quán)求和值,預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)下組煤煤層氣水平井開發(fā)的有利區(qū)為東五盤區(qū)。

(3)結(jié)合寺河井田實(shí)際條件,確定本區(qū)煤層氣水平井井位部署原則,分析下組煤煤層氣井位優(yōu)化的關(guān)鍵要素和內(nèi)容,優(yōu)化部署15口穿煤柱抽采下組煤煤層氣水平井,選取一口水平井開展了下組煤煤層氣的抽采試驗(yàn),工程試驗(yàn)效果良好。