基金項目:國家重點基礎研究計劃(973計劃)(2009CB219606)“煤層氣開發井間幹擾機理及開發方式優化”
作者簡介:王鳳麟，男，九月出生，1977。主要研究方向為地球信息科學和煤層氣勘探開發。E-mail:wangfl@nccbm.com.cn；聯系電話:13691052123
(中聯煤層氣國家工程研究中心有限公司，北京100095)
我國高瓦斯礦井較多，井下瓦斯抽采難以滿足煤炭企業快速發展的需要。在系統研究國內外煤層氣開發技術現狀的基礎上，結合我國煤層氣儲排特點，運用現代油氣田開發和煤層氣開發的最新理論和研究成果，在氣采煤采聯合開發模式的基礎上， 提出在煤礦廢棄礦井/永久采空區采用地面直井鉆井技術進行間歇負壓抽采，在煤礦開采影響區煤層破碎帶采用定向長水平鉆井技術進行負壓抽采，實現壹井兩用，提高煤層氣開發效果，降低開采成本。 在煤炭開采規劃區，U型井遠端對接，實現規劃階段煤層抽放、開采階段二次完井裂隙帶抽放、采空區階段間歇抽放，實現壹井三用，提高煤層氣開發效果。該技術的研究不僅改善了煤層氣的開發效果，而且有效降低了煤礦區瓦斯突出和爆炸的危險性，大大提高了煤炭生產的安全性。
關鍵詞:煤礦區煤層氣間歇抽采，礦區裂隙帶
煤礦區煤層氣地面開發技術
王鳳麟
(中聯煤層氣國家工程研究中心有限公司，北京，100095)
摘要:我國煤礦瓦斯含量高，目前，井下排水滿足了煤炭企業快速發展的需要。為此，本文在國內外現狀的基礎上，結合我國煤層氣儲排特征和現代油氣田開發應用以及煤層氣開發的最新理論和研究成果，系統研究了煤層氣開發技術。 在煤礦廢棄礦井/永久采空區采用地面立井技術進行地面間歇式負壓抽放，在煤礦采掘活動影響區采用定向長水平井鉆井技術進行負壓抽放開采煤層分層裂隙帶，實現壹井兩用，提高煤層氣開發效果，同時降低生產成本； 利用遠端對接采煤規劃區內的U型井，實現規劃階段的抽采煤層、采動階段的兩口井完井抽采裂隙帶，在采空區階段進行間歇式抽采，實現壹井三用，提高煤層氣開發效果。該技術的研究即提高煤層瓦斯的開發效果，又有效降低煤礦區的瓦斯突出和爆炸危險，極大地提高了煤炭生產的安全性。
關鍵詞:煤礦區；CBM間歇式拔鎬；開采沈陷區；裂縫帶
1概述
我國煤礦區煤層氣資源豐富，也是研究和治理煤層氣較早的國家。目前，除淮南和鐵法礦區外，其他礦區主要采用井下排水技術。井下抽放技術存在的主要問題是:采用被動抽放，預抽量和時間受煤炭產量嚴格控制；瓦斯最終回收率低，“邊采邊抽”的模式導致瓦斯安全事故頻發；煤氣產品質量低，壹般甲烷濃度為30% ~ 50%；瓦斯資源浪費很大，我國每年采煤釋放到大氣中的甲烷超過6543.8+0.5億m3，其中可抽放利用的數量極其有限。它對環境有害，是壹種重要的溫室氣體。
因此，研究煤礦區煤層氣地面開發技術已成為科技工作者的重要課題。在系統研究國內外煤礦區煤層氣開發技術現狀的基礎上，提出了煤礦區不同開采階段的煤層氣開發技術。
2.國內外煤礦區地面煤層氣開發技術現狀
2.1美國煤礦區地面煤層氣開發技術現狀
美國煤礦區在采煤前預抽煤層氣，在采空區燃燒煤層氣。根據不同地質條件下煤層的滲透性、力學性質和井壁穩定性，形成了壹套煤層氣采前抽采開發技術系列，主要包括:壓裂開采、裸眼洞穴完井開采、羽狀多分支水平井開發等。出於環保、健康和安全的考慮，美國形成了采空區煤層氣可控安全燃燒技術。
2.2澳大利亞煤礦區地面煤層氣開發技術現狀
為了減緩溫室氣體排放，增加清潔能源，煤層氣的開采和利用引起了澳大利亞礦業公司和能源生產商的關註，雙方就煤炭和煤層氣開采權重疊問題制定了解決方案。不同階段井位部署方案:(1)近期煤層氣井部署:煤層內抽排系統與地面煤層氣抽排管道連接；為了便於更好的采煤，采用地面水平定向井；(2)中期煤層氣井部署:地面采用水平定向井，以便更好地采煤；(3)煤層氣井長期部署:在地面設計水平定向井，實現煤層氣商業化生產。
煤層氣地面開發井設計采用地質定向井施工方法。首先在預抽工作面的適當位置打壹口立井，將煤層的孔段擴大到1.5~2.0m，然後下放篩管，在篩管與擴大後的井壁之間填充礫石。該直井的井身結構如圖1所示。豎井施工結束後，沿工作面方向鉆壹口曲率半徑為200m左右的定向井進入豎井，進入煤層後再沿煤層鉆進。接近立井時，在立井的煤層孔段放壹個電磁信號源。安裝在水平孔定向鉆具前端的導向系統接收其信號，測量水平孔的鉆進軌跡，測量水平孔的鉆進軌跡與直井擴大段的相對位置和距離，從而引導水平孔定向鉆進，保證水平孔到位。
圖1直井結構示意圖
圖2水平井和直井穿透示意圖
2.3淮南礦區地面煤層氣開發技術現狀
淮南礦區是我國大型煤炭基地之壹，也是我國瓦斯湧出量和抽采能力高、瓦斯抽采利用最好的礦區之壹。開采卸壓層時，采用地面鉆孔抽采采區卸壓瓦斯。鉆孔壹般布置在工作面中部，鉆孔間距300m左右，單井流量5~18m3/min，濃度50%~95%，單井抽純瓦斯可達200萬m3以上。采用地面鉆孔抽采采空區瓦斯時，鉆孔壹般布置在距工作面回風巷約30~50m處，鉆孔間距約120m，單井流量3~8m3/min，濃度30%~80%。單井提取的純氣可達1m3 [1]以上。
2.4晉城礦區地面煤層氣開發技術
晉城礦區采氣采煤壹體化發展的技術路線:通過實施地面鉆孔、井下順層長鉆孔預抽、邊采(掘)邊抽、采空區抽放相結合的單壹中厚煤層瓦斯綜合治理模式，布置地面抽放鉆孔。從鉆井密度來說，首先要考慮單井的排水效果；第二，要考慮引流允許的時間；第三，要考慮均勻降低煤層瓦斯，不留局部瓦斯含量和壓力過高的隱患[2]。
3煤礦區地面煤層氣開發技術
隨著開采深度和集約化生產的快速發展，地質條件越來越復雜，井下排水難以滿足煤炭企業快速發展的需要。煤礦區煤層氣開發已成為制約礦井安全高效生產的關鍵因素。在時間上，煤炭企業的發展分為四個階段:廢棄礦井、永久采空區、采區和規劃區[3]。根據不同階段煤層氣的富集規律，利用現代油氣田開發技術，設計了相應的煤礦區煤層氣開發技術。
3.1廢棄礦井/永久采空區煤層氣開發技術
在廢棄礦井和永久采空區，煤層卸壓更加充分，開采層內的余煤和鄰近煤層分解的煤層氣大量湧入。該區煤層氣主要為遊離氣和吸附氣。遊離氣體主要分布在采空區，隨著上下裂隙的減少，遊離氣體含量也隨之減少。根據負壓抽放原理，被吸附的瓦斯從煤層中分解出來，成為遊離狀態，與原遊離瓦斯壹起沿可能的通道向外擴散運移。
根據該區煤層氣富集的特點，采用地面垂直鉆井，水環真空泵間歇負壓排水，如圖3所示。鉆井采用二開(壹開:鉆頭φ 311.1 mm，套管244.5mm二開:鉆頭φ215.9mm，套管φ139.7mm)，完井層面煤層以上2~5米。排水和生產設備采用水環真空泵。註意:(1)控制引流負壓，保證引流質量；(2)定期對氣體進行檢查和取樣分析測定，防止自燃。
圖3采空區豎井負壓排水
圖4礦區水平井
3.2礦區煤層氣開發技術
受采煤活動的影響，縱向上，采動層上部依次出現冒落帶、破碎帶和彎曲下沈帶。冒落帶與采空區漏風帶相連，煤層氣抽采難度大。破碎帶位於冒落帶之上，冒落帶是上鄰近層煤層氣抽采的最佳地帶。彎曲沈降帶位於破碎帶之上，壹般可達地表。由於遠離采動層，只能在靠近破碎帶的彎曲變形帶才有良好的排水效果。考慮到通風負壓在平面上的作用，礦區內的煤層氣主要集中在靠近回風巷的壹側。
根據礦區煤層氣富集規律，在該區設置壹口單主分支水平井，平面布置如圖4所示，在回風巷1/3~1/2工作面寬度處。三開完井(壹開:鉆頭φ 311.1 mm，套管244.5mm二開:鉆頭φ215.9mm，套管φ139.7mm；三開:鉆頭φ120.6mm，篩管φ101.6mm)，完鉆在煤層頂板冒落區附近的破碎帶，根據礦井實際資料用三帶計算公式確定。在該地區鉆井時，要註意工作面初次來壓前的施工，保證井筒結構的穩定；排水和采動註意對通風的影響，以及頂板水進入井筒形成水幕抑制排水的作用。總之，在該地區建設地面鉆井應做好風險分析和經濟效益分析。
工作面采煤完成後，將形成永久采空區，此井可繼續間歇抽采采空區，實現壹井兩用。
3.3規劃區煤層氣開發技術
按照煤層氣水平井8年的服務年限計算，雙方生產均未越過煤礦8年規劃區外。為配合煤炭企業，采用常規煤層氣鉆井抽采技術，將高瓦斯礦井降為低瓦斯礦井，減少瓦斯災害。8年采煤規劃區內，建設壹口U型井，采用遠程對接，如圖5所示。
U型井三開完井(壹開:鉆頭φ 311.1 mm，套管244.5mm二開:鉆頭φ215.9mm，套管φ139.7mm；三開:鉆頭φ120.6毫米，篩管φ 101.6毫米)。為了避免套管對煤層開采的影響，將玻璃鋼管道下入直井段的煤層段。當采煤工作面距離生產井200m時，預先在套管內放入壹個木塞，木塞高度為(冒落帶+1/3破碎帶)，將木塞穿孔。當工作面距離生產井200米時，采取排水減壓措施；當工作面距離生產井200米時，采用負壓排水；當采煤工作面成為永久采空區時，采用間歇負壓排水，實現壹井多用，延長煤礦區地面井排水周期。
4結論
根據我國煤炭礦區煤層氣開發利用現狀、賦存和排放特征，利用現代油氣田開發和煤礦煤層氣開發的最新理論和研究成果，提出了廢棄礦井/永久采空區、礦區和規劃區不同階段的煤層氣開發技術，即:(1)利用煤炭開采卸壓，采空區地面直井鉆井，篩管完井，采用間歇負壓抽采；(2)在采區，利用采掘工作的推進壓力，進行采掘卸壓，在頂板回風巷壹側利用地面水平單口井進行負壓抽采；(3)在8年規劃區內，利用兩條主幹支管遠程對接U型井，在采掘工作面距生產井200m前，采取排水降壓；當工作面距離生產井200米時，采用負壓排水；當工作面成為永久采空區時，采用間歇負壓抽放。只要煤炭和煤層氣兩個產業堅持統籌兼顧、先產氣後采煤、煤層氣開采兼顧後續采煤的原則，就能從根本上杜絕煤礦安全事故，最大限度地利用資源，保護環境，取得良好的安全、資源、環境和社會效益。
圖5規劃區煤層氣開發技術
參考
梁緣。瓦斯治理理念與煤與瓦斯開采技術[J]，中國煤炭，(06):5~12。
[2]何輝，蘇麗萍。2008.煤礦區“采氣采煤壹體化”的理論與實踐探討[C]，2008煤層氣學術研討會。
、許、胡愛梅。瓦斯生產與煤炭開采的協調發展[J]，煤礦安全，(10):100 ~ 101。
[4]田，李武忠，周元剛，等. 2008 .煤礦區煤層氣綜合開發利用模式探討[J]，天然氣工業，(28):87~89
李，劉長久。2005.鐵法礦區地面垂直采空區井技術[J]，中國煤層氣，(2):7~10。