朱 敏 吳定泉 李 俊 彭 鶴 張金笑 趙家攀

(華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

1 鄭村井區(qū)地質(zhì)開發(fā)情況

鄭村井區(qū)位于沁水盆地馬蹄形斜坡帶東南緣，隸屬山西省晉城市沁水縣，主體為丘陵山地，地面海拔600～1000m。區(qū)內(nèi)為一近東西向單斜構(gòu)造，構(gòu)造平緩，斷層不發(fā)育，開發(fā)主力層系為山西組3號煤層、太原組9號、15號煤層。3號煤埋深300～800m，平均厚度5.9 m；9號煤埋深360～880m，平均厚度1.4 m；15號煤埋深400～900m，平均厚度3.7m。井區(qū)內(nèi)總體含氣量較高，3號煤含氣量10～24m3/t，9號煤含氣量11～24m3/t，15號煤含氣量 12～26m3/t，含氣量呈南部高、北部低的特點(diǎn)。3號煤平均孔隙度6.1%，平均滲透率0.44mD；9號煤平均孔隙度5.4%，平均滲透率0.41mD；15號煤平均孔隙度4.9%，平均滲透率0.35mD。

該區(qū)內(nèi)三套開發(fā)層系均有良好的供氣表現(xiàn)，3號煤層氣井平均單井日產(chǎn)氣量達(dá)2000m3，穩(wěn)產(chǎn)期可達(dá)2～2.5a，9號、15號煤平均單井日產(chǎn)氣量分別為900m3、1600m3，兩者穩(wěn)產(chǎn)期較3號煤略短，經(jīng)歷煤礦采掘影響以來，部分井產(chǎn)量呈斷崖式下降，難以穩(wěn)產(chǎn)，氣量損失十分嚴(yán)重。

2 煤礦采掘?qū)γ簩託饩_發(fā)的影響

根據(jù)煤礦采前規(guī)劃、巷道抽采、工作面回采的一般步驟，可將礦權(quán)重疊區(qū)域區(qū)劃分為規(guī)劃區(qū)、抽采區(qū)及采空區(qū)三個(gè)區(qū)域。以鄭村井區(qū)為例，鄭村西南部為寺河煤礦未來五年規(guī)劃區(qū)，沿巷、煤巷于2015年自南向北推移，目前已至鄭村中部，并繼續(xù)以80～100m的月掘進(jìn)速度繼續(xù)向北部延伸，因而在巷道兩側(cè)一定范圍內(nèi)形成抽采區(qū)，受采掘影響該井區(qū)分別于2018年、2019年形成兩處采空區(qū)(圖1)。各區(qū)域內(nèi)煤層氣井開發(fā)所受影響規(guī)律不同，本文根據(jù)煤礦采掘步驟及不同階段對氣井的影響特征，針對規(guī)劃區(qū)、抽采區(qū)及采空區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)建立不同開發(fā)模式。

圖1 重疊區(qū)內(nèi)煤層氣井區(qū)域劃分

2.1 規(guī)劃區(qū)內(nèi)開發(fā)模式

規(guī)劃區(qū)是指煤礦企業(yè)僅計(jì)算采掘速度、部署施工范圍等工作，目前未進(jìn)行實(shí)際采掘作業(yè)，通常 3～5年后對其實(shí)施抽采，該區(qū)域內(nèi)煤層氣井產(chǎn)量在此期間不會(huì)受到影響。

由于規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤層氣井具有生命周期縮短、采出程度低的特點(diǎn)，區(qū)內(nèi)單井應(yīng)改變以往“穩(wěn)步提產(chǎn)，長期穩(wěn)產(chǎn)”的排采思路，實(shí)施“快速提產(chǎn)，降壓增氣”模式(圖2)，在受到煤礦采掘影響前實(shí)現(xiàn)采出氣量最大化。通過數(shù)值模擬計(jì)算，新井縮短10%～15%的穩(wěn)產(chǎn)年限，同時(shí)提升20%～30%的采氣速度，可實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)氣增量(表1)。針對老井可增設(shè)負(fù)壓設(shè)備降低管壓，通過壓力傳導(dǎo)增大儲(chǔ)層與井筒的生產(chǎn)壓差，降低廢棄壓力，達(dá)到提高采收率的目的。

圖2 規(guī)劃區(qū)排采模式

表1 單井產(chǎn)氣增量模擬計(jì)算

2.2 抽采區(qū)內(nèi)開發(fā)模式

抽采區(qū)是指由于煤礦沿巷鉆孔及煤巷鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽形成的分布于巷道兩側(cè)300～1000m范圍內(nèi)的區(qū)域，受鉆孔影響范圍及抽吸強(qiáng)度差異，抽采區(qū)內(nèi)煤層氣井通常1～4個(gè)月內(nèi)會(huì)衰減無氣(圖3)，造成單井采出程度降低，資源嚴(yán)重?fù)p失。

圖3 抽采區(qū)煤層氣井生產(chǎn)曲線

抽采區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)與煤礦開采矛盾突出，煤礦抽吸力度遠(yuǎn)高于煤層氣排采強(qiáng)度。對于合采井，煤礦抽采形成負(fù)壓環(huán)境，9號、15號煤氣體也會(huì)隨3號煤氣體逸散，造成下部資源浪費(fèi)，針對合采井(圖4(a))應(yīng)建立“封堵抽采煤層”的開發(fā)模式，迫使下部煤層氣量沿井筒進(jìn)入地面管線形成商品氣量，保護(hù)氣體資源。針對3號煤單采井可封堵抽采層后動(dòng)用下部煤層，提升資源利用率。目前已在鄭村井區(qū)實(shí)施水泥封堵3號煤層(圖4(b))，但因該層壓力較低，煤礦采掘產(chǎn)生的應(yīng)變易使水泥產(chǎn)生裂縫，封堵效果受到一定影響，目前正在試驗(yàn)金屬套管補(bǔ)貼方式封堵3號煤層(圖4(c))，以期提升補(bǔ)貼區(qū)穩(wěn)定性，延長穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，保障措施效果。

圖4 封堵煤層及套管補(bǔ)貼示意圖

2.3 采空區(qū)內(nèi)開發(fā)模式

采空區(qū)內(nèi)3號煤層受到采掘破壞，單采3號煤井迅速衰減無氣，如圖5，合采井在進(jìn)行切割套管處理后也無法供氣，該區(qū)域內(nèi)單井一般在2～7d內(nèi)迅速無氣。

圖5 采空區(qū)煤層氣井生產(chǎn)曲線

3號煤層采空后原有儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)被打破，起到應(yīng)力釋放作用，下部煤層裂縫擴(kuò)張，改善了導(dǎo)流能力，提升原始滲透率，有效解決了煤層壓力傳導(dǎo)困難、改造效果差等問題，一定程度上為下部煤層的開發(fā)帶來正效應(yīng)，易出現(xiàn)高產(chǎn)井。但在回采過程中回采面內(nèi)巖柱存在大幅度垂向位移，易使井筒產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)變，因而采空區(qū)內(nèi)煤層氣井難以保證開發(fā)效果。經(jīng)分析優(yōu)選采空區(qū)以外區(qū)域部署井位既可達(dá)到高效利用采空區(qū)卸壓作用，又可盡量減小井筒形變，通過在回采邊界煤柱區(qū)鉆井的開發(fā)策略，可高效動(dòng)用9號、15號煤資源，目前該技術(shù)已基本成熟，未來將在鄭村采空區(qū)域邊界優(yōu)選井位實(shí)施應(yīng)用(表2)。

表2 重疊區(qū)內(nèi)煤層氣井開發(fā)模式劃分表

3 開發(fā)效果評價(jià)

2020年至今在鄭村井區(qū)通過開展地面、地下兩方面工作降低煤礦造成的氣量影響：一是在規(guī)劃區(qū)增設(shè)負(fù)壓設(shè)備5臺(tái)，強(qiáng)化排采力度，單井平均日增氣量達(dá)2200m3；二是在抽采區(qū)優(yōu)選合采井實(shí)施封堵3號煤新開下部煤層措施井21口，單井平均日增氣量3100m3；兩者均取得顯著增產(chǎn)效果。