煤矿区地面煤层气开发井网优化部署方法研究.pdf

分类号 U D C 学校代码 密级 硕士学位论文 8 3 3 0 6 煤矿区地面煤层气开发井网优化 部署方法研究 S t u d y o nw e l lp a t t e r no p f i m i z a f i o na n d a r r a n g e m e n tm e t h o do f C B M e x p l o i t a t i o no ng r o u n d i nc o a lm i n i n ga r e a 导 研究方向 培养单位 煤炭科学研究总院 2 0 12 年6 月 ㈣ 煤炭科学研究总院学位论文独创性声明和使用授权声明 姓名巡入学时间型蝤 旦毕业时间竺 鎏 里 培养单位 盖章 酉塞砑塞陵 论文题目魉之．叠应递膳塑墨鱼盟么溅颦未酶级 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导f ，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已．在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。尾做，秸习 论文作者 签名 动钮鹞 ≯肛年6 月呷同 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数掘库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 导师 签名 ≯陋年6 月“ 同 者 签名 或硝 ‘月，P 同 煤炭科学研究总院硕士学位论文 摘要 瓦斯是煤矿生产的重要安全隐患，我国高瓦斯矿井众多，治理瓦斯灾害，防范瓦 斯事故始终是煤矿安全生产的头等大事。煤矿区煤层气开发，对于煤矿安全生产、煤 层气资源利用及环境保护都有非常重要的意义。而井网优化部署是煤矿区地面煤层气 开发方案设计的重要内容。 本文调研了国内外煤层气勘探开发和煤矿区井网部署方法的现状，总结了煤矿区 煤层气开发的特点和原则。并以淮北矿区芦岭矿为例，基于煤矿区煤层气开发的特点 和原则，研究了煤层气开发有利区，形成了一套煤矿区地面煤层气开发的井网优化部 署方法。 在分析该矿煤层气开发地质条件和目标煤层特征的基础上，结合芦岭矿煤炭生产 规划，运用层次分析法进行了地面煤层气开发选区，优选煤层气开发的最有利区为ⅡI 二采区；通过分析目前国内外地面煤层气开发方式的适用条件，结合煤层气开发地质 条件，优选芦岭矿地面煤层气开发方式为地面垂直井，井网样式为矩形井网；采用气 藏数值模拟和地质类比相结合的方法，优化了地面煤层气开发的气井间距为 2 5 0 m x 3 0 0 m ；基于芦岭矿目前煤层气开发现状和煤炭生产规划，通过分析煤层气开发 地质条件，设计在目前试验井组基础上扩大规模，再进行1 0 口井的地面煤层气开发 先导性试验。 关键词煤矿区；煤层气；区块优选；井网部署。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 A B S T R A C T T h e r ea r em a n yh i g hg a s s yc o a lm i n e si no u rc o u n t r y , a n dg a sh a sb e e nas e r i o u sr i s k t ot h ec o a lm i n es a f e t y ．S om a n a g e m e n ta n dp r e v e n t i o no fg a sd i s a s t e ri sa l w a y st h e p r i o r i t y o f 血es a f e t yp r o d u c t i o ni nc o a lm i n e s ．C o a l b e dm e t h a n e C B M ld e v e l o p m e n ti nc o a l m i n i n ga r e a sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs a f e t yp r o d u c t i o n ，C B Mr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ．W e l lp a t t e r no p t i m i z a t i o na r r a n g e m e n ti sa ni m p o r t a n ts u b j e c ti n C B M d e v e l o p m e n t ． I nt h i s t h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i c so fC B Md e v e l o p m e n ti nc o a l m i m n ga r e a s a r e s u m m a r i z e df r o ma n a l y z i n gC B Md e v e l o p m e n ts t a t u sa n do D t i m i z a t i o nd e s i g no fw e l l p a R e ma th o m ea n da b o a r d ．B a s e do nt h i s ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h em o s tf a v o u r a b l ea r e af o r C B Md e v e l o p m e n ta n ds u m m a r i z e dt h e w a yo fw e l lp a t t e r no p t i m i z a t i o no fC B M d e v e l o p m e n to ng r o u n di nc o a lm i n i n ga r e a sb yt h ee x a m p l eo f L u l i n gc o a lm i n e ． B a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c so f t a r g e t c o a ls e a m sa n dt h ep r o d u c t i o np l a n n i n go fL u l i n gc o a lm i n e ，t h eC B M e x p l o r a t i o nz o n ei s s e l e c t e db yt h em e t h o do fA H P , a n dt h ec o n c l u s i o ni sc o m eo u tt h a tt h eI I I 一2m i n i n 2a r e ai s t h eb e s t ．W i t ht h ea n a l y s i so ft h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fs e v e r a ld e v e l o p m e n t m o d e so f C B Mb o t hi nC h i n aa n da b r o a d ，a n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fL u l i n gc o a l m i n e ，t h e a u t h o rp o i n t e do u tt h a tt h es u r f a c ev e r t i c a lw e l l sw i t ht h er e c t a n g u l a rp a t t e r ni s t h em o s t s u i t a b l ed e v e l o p m e n to fC B Mi n L u l i n gc o a lm i n ei nt h ec u r r e n ts t a t e ．T h eb o r e h 0 1 e d i s t a n c ew i t h2 5 0 m x 3 0 0 mi s o p t i m i z e dv i aC B Mn u m e r i c a ls i m u l m i o na n da n a t o g y m e t h o d ．I nv i e wo ft h eC B M d e v e l o p m e n ts t a t u s ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dc o a lp r o d u c t i o n p l a n n i n go fL u l i n g ，t h ep i l o tt e s to ft e nw e l l sw i l lc a r r yo u ti no r d e rt oe x p a n dt h es c a l eo f c u r r e n tt e s tw e l lg r o u p ． K e yw o r d s C o a lm i n i n ga r e a s ，c o a l b e dm e t h a n e C B M ，o p t i m i z a t i o no fb l o c k s ，W e l l p a R e ma n a n g e m e n t ． I I 煤炭科学研究总院硕士学位论文 目录 1 前言⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景和立题意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 煤层气开发及井网部署现状．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 国内外煤层气开发现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 我国煤层气开发井网部署研究现状．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．7 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 煤矿区地面煤层气开发的特点和原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 煤矿区煤层气开发的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 煤矿区煤层气开发原则．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 地面煤层气开发选区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 芦岭矿地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 ．1 ．1 构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 ．2 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．1 ．3 煤系及煤层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．4 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 煤储层特征⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．1 主要煤层发育特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．2 含气量．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．3 煤层渗透性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．4 煤储层压力⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．2 ．5 原地应力⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．3 煤层气开发选区评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．1 芦岭矿生产及规划情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．2 选区方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．3 选区的评价研究．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．4 煤层气开发目标煤层⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 ．1 开发目标煤层的确定⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．3 3 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯3 5 4 地面煤层气开发井网优化部署⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 芦岭矿煤层气开发现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 煤层气开发方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1 煤层气不同开发方式的适用条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．2 芦岭矿煤层气开发方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．3 8 4 ．3 井网优化部署方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．3 ．1 模拟区域及边界⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 ．2 数据文件建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．4 l 4 ．3 ．3 历史拟合及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 ．4 拟合结果分析⋯．．⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．4 煤层气开发井网优化⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．5 煤层气开发部署及产能预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．5 ．1 煤层气开发部署⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯5 1 4 ．5 ．2 产能预测及分析⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．5 2 4 ．6 煤矿区煤层气开发部署方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．7 小结．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．5 5 5 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 前言 1 ．1 研究背景和立题意义 随着工业的发展、社会的进步，人类对能源的需求和依赖日益强烈，而常规石 油天然气资源却在不断减少。我国经济发展迅速，对能源的需求更加强烈，煤层气作 为一种洁净的新能源，且资源量规模大、分布广，将发挥越来越重要的作用。 目前有7 4 个国家蕴藏有煤层气资源，根据国际能源署 I E A 的统计资料和中国 最新一轮 2 0 0 6 年 煤层气资源评价结果，全球煤层气资源量可能超过2 6 0 万亿m 3 ， 9 0 ％分布在1 2 个主要产煤国家，俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚的煤层气资 源量均超过1 0 力 亿1 T 1 3 。我国陆上2 0 0 0 m 以浅的煤层气资源量为3 2 ．8 6 万亿m 3 【1 ] ，煤 层气资源量位列世界前3 位，占世界前1 2 个国家煤层气资源总量的1 3 ％[ 2 ’4 】 表1 ．1 ， 仅2 2 个重点矿区的煤层气地质资源量合计4 0 7 6 ．1 2 1 0 8 r n 3 ，煤层气可采资源量 】3 3 5 ．4 4 x 】0 8 m 3 【5 ] 。 表I ．I 世界主要产煤国家煤层气资源量表 国家 煤层 1 气0 1 2 资m 源3 量 国家 煤层 1 气0 1 2 资m 源3 量 俄罗斯 1 1 3 波兰 3 加拿人 7 6英国3 中国 3 2 ．8 6 乌克兰 2 美国 2 1 ．2 印度 1 ．6 澳大利亚1 4哈萨克斯坦1 ．1 德国 3 南菲0 ．8 煤层气在采矿界又称为煤层瓦斯，这部分资源在未能有效开发利用的情况下，会 对煤矿安全生产造成巨大威胁。煤矿安全事故多因瓦斯引发，瓦斯已成为威胁我国煤 矿安全的重要因素。随着煤矿不断向深部延伸和煤炭开采规模的不断加大，这种灾害 必将会越来越严重，严重制约着煤炭的安全生产。因此，进行煤矿瓦斯抽采是解决煤 矿瓦斯事故的重要途径。 由于通常采用加大通风量和井下抽采等方法将瓦斯从矿井抽出并排入大气，大量 煤层气排放入空气中会造成严重的环境问题。故而大力研究煤层气地面开发既可以根 本上防止煤矿瓦斯事故的频频发生，有效的改善煤矿生产安全；又可以大大减少煤层 1 煤炭科学研究总院硕士学位论文 瓦斯排放导致的温室效应，对全球环境的保护也具有非常重要的作用；同时还可以获 得洁净新能源。 芦岭矿是我国典型的高瓦斯突出矿井，位于安徽省宿州市东南2 0 k i n ，淮北煤田 的东南缘，矿区面积2 3 k i n 2 [ 6 1 。随着近些年矿井开采深度的增加，瓦斯突出危险性逐 渐增强1 7 J 。 芦岭矿可采煤层主要有3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0 共计8 层煤，其中，8 、9 、1 0 煤是矿区的主要可采煤层，也是煤层气的主要开发目标煤层。8 、9 煤位于下二叠统下 石盒子组，8 煤平均厚度9 ．6 0 m ，9 煤平均厚度2 ．9 3 m ；1 0 煤位于下二叠统山西组，平 均煤厚1 ．8 6 m ；芦岭矿具有构造复杂、煤层层数多、厚度大、主要为构造煤、水文地 质条件较复杂、气含量高、煤层渗透性差的特点，自建矿以来多次发生瓦斯突出事故， 严重威胁到矿工人身安全，制约了矿区经济发展。 对芦岭矿这样的高瓦斯低渗煤矿而言，如何对煤层气充分开发和合理利用是一个 关系煤矿安全和经济发展的重要课题。芦岭矿积极进行瓦斯的监控和抽排工作，近年 来，该矿采用地面压裂井对瓦斯进行抽采，达到了较好的防治效果，可见进行地面煤 层气抽采是矿区防治瓦斯危害一个行之有效的方法。 煤层气井网优化是地面煤层气开发的重要环节，井网部署的合理与否，不仅关系 到单井产量的大小，而且直接影响到煤层气开发项目的成败。煤层气井网优化与部署 是煤层气开发方案的重要组成部分，也是开发工程中的关键环节，科学、合理的井网 部署不仅可以保障煤层气开发的顺利实施，而且可以有效利用煤层气资源，提高煤层 气采收率与经济效益。 基于上述认识，在导师的指导下，选择“煤矿区地面煤层气开发井网优化部署方 法研究”为题，以芦岭矿的地面煤层气开发研究作为实例，采用现场调研、理论研究、 数值模拟的研究方法，借鉴国内外煤层气开发、井网部署现状，提出芦岭矿地面煤层 气开发的最优井网部署方案，以达到保障煤矿安全、使煤矿区煤层气充分开发的目的。 这是对我国煤矿区煤层气开发的一个有益探索，具有重要的现实意义。 2 煤炭科学研究总院硕十学位论文 1 ．2 煤层气开发及井网部署现状 1 ．2 ．1 国内外煤层气开发现状 美国是世界上煤层气商业开发最早也是最为成功的国家。美国煤层气开发，最早 起因于煤矿井下瓦斯抽采，来防治瓦斯灾害。由于政府的优惠政策和技术工艺的突破， 1 9 8 6 年以来，美国的地面煤层气开发得到突飞猛进的发展【8 1 。1 9 9 5 年，其地面垂直井 煤层气年产量提升至2 7 5 1 0 8 m 3 [ 9 ] ，基本形成产业化规模‘10 1 。2 0 0 0 年，非常规天然气 产量占天然气总产量的2 7 ％，美国能源情报署 E I A 预计到2 0 3 0 年，此比例将达到 5 6 ％[ 1 】】。 美国煤层气资源量为2 1 ．2 x 1 0 1 2 1 T 1 3 ，分布在1 7 个含煤盆地，可分为东部和西部两 类大盆地，其中，东部以黑勇士盆地为代表，西部以圣胡安盆地为代表，其煤层气开 发以地面开发为主。 圣胡安盆地位于美国科罗拉多州和新墨西哥州，面积1 9 4 2 5 k r n 2 【1 2 1 。含煤地层为 上白垩统，构造简单，煤层倾角较小，煤层厚度大，分布稳定，主要煤层有3 层，煤 层总厚1 0 ～3 0 m ，煤层含气量1 2 ．7 ～2 0 m 3 ／t ，煤层渗透率一般3 0 ～5 0 m D l l 3 】，煤层上下 岩层的封闭性好[ 1 4 ] 。该盆地开发井距为8 0 0 m 8 0 0 m ，单井控制面积0 ．6 4 k m 2 ，井距相 对较大，这是由于该盆地煤储层渗透率较高，泄气面积相应较大，采用较大井距不仅 不会降低采收率，而且可以达到降低费用的目的。 黑勇士盆地位于亚拉巴马州，含煤地层为下石炭统波茨维尔组，构造简单，煤层 倾角较小，主要煤层3 层，为薄煤层，单井煤层总厚2 ．4 “ - 6 ．7 m ，煤阶最高为低挥发 分烟煤[ ”】，煤层含气量6 ～2 0 m 3 ／t ，煤层渗透率6 ～2 0 m D 。由于其渗透率低于圣胡安 盆地，故其井间距相对较小，为4 0 0 m x 4 0 0 m ～6 0 0 m x 6 0 0 m ，单井控制面积0 ．1 6 ～0 ．3 6 k m 2 ， 生产十多年后，其采收率可达5 0 ％～6 0 ％。 澳大利亚是世界煤层气开发最活跃的国家之一，在煤层气开采、煤矿通风等方面 积累了丰富的经验，特别是在地质勘探、钻井、排采和煤矿瓦斯管理等方面具有一定 的技术优势。目前澳大利亚广泛应用地面采空区垂直钻孔技术抽采瓦斯，其单井最大 产量可达7 ．0 8 万m 3 ／d [ 1 6 】。资料表明，澳大利亚的煤炭资源量为1 ．7 1 0 1 2 t ，煤层平均 含气量为0 ．8 ～1 6 ．8 m 3 ／t ，煤层埋深普遍小于1 0 0 0 m ，渗透率多为1 ～1 0 m D ，主要分布 煤炭科学研究总院硕 学位论文 在悉尼、鲍恩和苏拉特三个含煤盆地，其中苏拉特盆地煤层气开发目标煤层埋深 2 0 0 ～8 0 0 m ，其煤层渗透率为1 0 - 2 5 m D ，气含量为3 - g m 3 ／t ，其井间距为6 0 0 m 8 0 0 m ， 单井控制面积0 ．4 6 k m 2 ，连续排采十多年，其采收率可达5 0 ％。 我国煤矿区煤层气抽采始于2 0 世纪5 0 年代初，自8 0 年代后期开始，我国逐步 在3 0 多个煤层气1 1 标区开展了前期评价；2 0 0 0 年以来开展了沁水、柳林、阜新等多 个地区的井组开发试验；2 0 0 6 年以来，在国家各项优惠政策促进下，我国煤层气地面 开发进入规模开发阶段并实现快速增长，煤层气勘探快速推进。2 0 0 5 ～2 0 0 9 年与 2 0 0 0 ～2 0 0 4 年相比，煤矿区煤层气抽采量翻了3 倍多，煤矿区煤层气利用量翻了2 倍 多I 】7 】。 在我国煤矿区众多高瓦斯突出矿井中，有的经多年的煤层气抽采，已取得显著成 效。其中，以沁水、阜新盆地较为典型。目前煤层气开发的方式主要有地面垂直井、 地面采动区井、井下瓦斯抽放以及地面水平井开发方式，比较常用的是地面垂直井方 式1 1 8 。沁南地区是我国煤层气勘探开发最成功的地区，该区采用的煤层气开发方式主 要是地面垂直井，井间距多为3 0 0 m x 3 0 0 m ～4 0 0 m x 4 0 0 m ，地面垂直井单井产气量一般 在2 0 0 0 ～5 0 0 0 m 3 ／d 左右，最高为16 0 0 0 m 3 ／d 1 19 1 。 1 ．2 ．2 我国煤层气开发井网部署研究现状 根据美国开发煤层气的经验，煤阶以低．中挥发分烟煤为佳。但是，我国有一大批 无烟煤矿区，大多属高突矿井，且中国煤层地质条件复杂、煤体结构破坏严重、渗透 率普遍偏低、储层非均质性强、高煤阶煤和低煤阶煤占主导，这决定了国外现有的地 面煤层气开发部署方法不能直接套用，中国必须走一条适合自身煤层特点的煤层气开 发道路。而地面煤层气开发中的井网的优化设计，是我国煤层气开发中一项亟待解决 的关键技术【2 0 1 。 井网优化的内容主要包括开发方式、井网样式、气井间距等。井网优化主要考虑 煤层气开发的目的、开发地质条件，以及地形、地物和交通等外部条件。目前，地面 煤层气开发方式主要有地面垂直井、地面采动区井、丛式井、羽状水平井和U 型井等 方式[ 2 8 】。常用的井网开发样式有矩形井网、菱形井网、不规则井网、五点式井网等； 由于煤层气开发目的和开发地质条件的差异等，不同地区煤层气开发的井间距差别较 大。 4 煤炭科学研究总院硕士学位论文 井网方位和井间距优化是井网优化部署的重要方面。井网方位的确定通常根据地 应力、煤层裂隙特征等进行研究。井间距的确定主要有以下方法 1 单井合理控制储量法[ 2 1 ] 此方法的原理是开发井距的确定应当考虑单井的 合理控制储量，使高丰度区单井控制储量不会过大，而低丰度区单井控制储量应大于 经济极限储量。在此基础上，根据资源丰度，进一步求取井距或井网密度。 G 垡兰垡翌 8 N x E ， 其中，G 。为单井控制地质储量，m 3 ；q 为稳产期内单井平均产能， m 3 ／d ；d 为每年产气天数，取3 3 0 天；t 为煤层气稳产期年限，年；N 为稳产期末可采 储量采出程度；E r 为煤层气采收率。 杨秀春‘”】等在沁水盆地南部的潘庄区块使用此方法对井间距进行了优化选择。根 据资源丰度、产能规划，分为高产、低丰度高产、低丰度低产三个类型，并确定了各 自水平的最佳井间距，最佳井距分别为3 5 0 m x 3 5 0 m 、4 0 0 m x 4 0 0 m 、4 2 0 m x 4 2 0 m 。 2 经济极限井网密度法由于经济极限井距的大小同时受资源丰度的影响很 大，在不考虑井网密度对于采收率的影响时，根据单井控制经济极限储量 即对于想 取得经济效益，其总费用应该大于销售收入，这要求具备足够的储量，即单井控制经 济极限储量，它是选择合理井距的一个重要经济指标 ，可以算出经济极限井距。 。C T XP u e2 ■面其中，G 。为单井控制经济极限储量，m 3 ；C 为单井钻井和气建合计 成本 包括钻井、储层改造、地面建设系统工程投资分摊 ，元／井；P 为单井年平均 采气操作费用，元／年井T 为开采年限，年；A 。为煤层气售价，元／m 3 ；E r 为煤层 气采收率。 朱鹏飞【2 2 1 在寺河井田使用此方法对井间距进行了优化选择，已知单井钻井和气建 合计成本采用3 4 0 万元／井，单井年平均采气操作费用3 2 ．4 万元／年井，开采年限1 5 年，煤层气售价1 ．5 元／m 3 ，煤层气采收率为5 4 ％，代入公式得单井控制经济极限储量 为0 ．1 0 2 1 0 8 m 3 。在资源丰度为1 ．5 1 0 8 1 T 1 3 ／k m 2 下，可求得单井经济极限控制储量面 积为0 ．0 6 8 k m 2 ，相应的经济极限井距为2 6 0 m x 2 6 0 m 。 3 规定单井产能法此方法的原理是在充分分析地质资料的基础上设一个气 藏地质储量，规定了一定的产能，则可以求得单位面积上的井数。杨秀春等在潘庄区 块应用此方法得出正方型井网最佳井距为3 3 7 m x 3 3 7 m 。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 经济极限．合理井网密度法当资金投入与产出效益相同时，即气田开发总 利润为0 时，对应的井网密度即为经济极限井网密度；考虑资金与效益产出因素，当 经济效益最大时的井网密度为气f f l 的最佳经济井网密度；气田的实际井网密度应在最 佳井网密度与极限井网密度之问，并尽量靠近最佳井网密度。杨秀春等在潘庄区块应 用此原理得出气田合理井网密度为9 ～1 0 口井／k m 2 。 5 地质类比与数值模拟相结合法 此方法是针对矿区地质和储层情况，与相似的开发成功的区块相比较，从而初步 确定研究区井间距的范围，并在此基础上使用数值模拟方法，最终得出最优井间距。 此方法在矿区研究程度较低时优势更为明显。 阜康矿区位于新疆准南煤田，位于准噶尔坳陷区以南的黄山一二工河向斜北翼， 总体为地层南倾的单斜构造，走向为近东西向，地层倾角4 5 。～5 3 。，含煤地层在走向 上和倾向上变化不大。由于前期的煤层气开发研究较少，故在煤层气开发小井网部署 时，目标煤层选取了4 2 煤层一层煤，采用了地质类比和数值模拟结合的方法由于 白杨河西地层倾角较大，不能采用常规的六边形网和矩形网方式，尹淮新针对该区地 形条件及具体的地质及煤储层条件，根据大倾角地层压降漏斗的特点，采用三角形构 成的梯形网，类似“w ”型[ 2 3 ] ；而井间距通过类比沁南盆地潘河区块井网优化的数据， 使用加拿大C M E 数值模拟软件对区块模拟，最终得出倾向井间距为2 5 0 m ，走向井间 距为3 0 0 m 的结论。 6 考虑压裂裂缝的煤层气藏井网井距确定方法此方法通过研究煤层气压裂 直井渗流特征、裂缝参数对煤层气井产能的影响，得出煤层气井裂缝参数与井距的关 系，即沿裂缝方向，井距受压裂的影响，井距可适当放大，而垂直裂缝方向，井距主 要受该方向煤层物性的影响，井距应适当缩小。对于煤层气压裂直井，选择矩形或菱 形井网比较合适。其中，矩形长边沿裂缝方向，短边沿垂直裂缝方向，矩形长宽之比 受裂缝参数和储层渗透率的影响；菱形井网长对角线沿裂缝方向，短对角线沿垂直裂 缝方向，菱形长短对角线之比同样受裂缝参数和储层渗透率的影响。基于以上的理论 基础和所发现的规律，再使用数值模拟的方法最终确定井间距。 韩城区块位于渭北煤田的东北端，含煤地层为太原组和山西组，该区块煤层有效 渗透率为1 ．6 m D ，裂隙孔隙度2 ％，煤层平均厚度为6 m ，裂缝半长6 0 m 。徐兵祥【2 4 1 等在2 0 1 1 年对该区块井网部署进行了新的探索，提出考虑压裂裂缝的煤层气藏井网 6 煤炭科学研究总院硕士学位论文 井距确定方法。由裂缝长度与井距的关系，徐兵祥选择矩形井网和菱形井网两种井网 进行研究，并分别对两种井网的9 种井间距方案进行数值模拟，最终确定在给定优化 指标下，最优方案为矩形井网3 5 0 m x 3 0 0 m ，或菱形井网7 0 0 m x 4 0 0 m 。 在实际的煤层气开发工作中，我国的地质工作者一直在进行着更好方法的探索和 研究。在综合对比各种方法优缺点和芦岭矿煤层气开发现状的基础上，本文采用数值 模拟法进行井网优化部署。 1 ．3 主要研究内容 本文以“煤矿区地面煤层气开发井网优化部署方法研究”为题，以淮北矿区芦岭 矿为例，主要研究内容如下 1 国内外煤矿区煤层气开发井网部署方法调研 2 煤矿区煤层气开发的特点和部署原则 3 煤层气赋存地质条件和储层特征研究 4 煤层气开发方式优选 5 煤层气开发井网样式和井问距优化 1 ．4 研究方法及技术路线 本文采用现场调研、理论研究和数值模拟相结合的研究方法，就煤矿区煤层气开 发有利区选择、煤层气开发方式优选和井网优化部署方法进行了研究，形成了一套适 合煤矿区煤层气开发井网优化部署技术，达到有效指导煤矿区地面煤层气开发的目 的。主要研究方法及技术路线见图1 ．1 。 7 煤炭科学研究总院硕士学位论文 图1 ．1 论文技术路线流程图 1 通过调研，分析国内外煤矿区煤层气开发和井网布置现状。 2 分析研究煤矿区地面煤层气开发与商业性煤层气开发的异同，阐明煤矿区 煤层气开发的特点和部署原则。 3 研究煤层气开发地质条件，结合煤矿区煤炭生产部署，研究煤层气开发选 区方法和理论，选择煤层气开发有利区。 4 归纳总结国内常用的煤层气开发方式，对每种开发方式进行适用性分析， 并优选当前经济技术条件下，与煤炭采掘规划相适应、最适合本区的煤层气开发方式。 5 基于煤矿区特点、开发的目的和煤层气开发地质条件，优选地面煤层气开 发的井网模式；通过历史拟合修丁F 煤储层参数，在数值模拟和类比分析的基础上，优 化煤层气开发气井间距； 6 在地质条件综合分析基础上，结合矿区煤炭生产规划和目前煤层气开发现 状，提出下一步煤层气开发的建议性部署方案。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 煤矿区地面煤层气开发的特点和原则 2 ．1 煤矿区煤层气开发的特点 煤矿区煤层气开发与纯商业性的煤层气开发不同，有其独特的特点。 1 煤层气开发目的 纯商业性煤层气开发侧重能源开发，以规模化长期稳定生产煤层气，实现商业利 益为目的，主要通过勘探选区寻找到煤储层条件好、有煤层气开发潜力的有利区块， 进行地面大规模勘探开发，通过售气获得直接经济利益。 而煤矿区煤层气开发出于煤矿安全与能源资源利用的考虑，开发围绕煤矿安全生 产，采取一切可以采取的措施手段，以求在尽量短的时期内改善煤矿生产安全条件， 并兼顾进行煤层气资源的利用【2 5 1 。通过先抽气后采煤的手段，最大限度地保证在煤矿 巷道掘进、工作面回采前，必须把煤层瓦斯含量、压力降低到达到煤矿安全生产的要 求。使原本高瓦斯矿井转变为低瓦斯矿井，防治瓦斯灾害，其次才是开发资源。煤矿 区煤层气地面抽采井产气量的定位，不是基于投入产出的直接经济效益关系，而是长 期抽采取得的防治瓦斯灾害的效果，在两淮、平顶山矿区，认可的单井最低日产气量 是8 0 0 m 3 。 2 煤层气开发地点 纯商业性煤层气开发可以通过各种方法手段优选出煤层气富集、构造简单、渗透 性好、气饱和度高、煤层结构尽量为原生结构煤的煤层气高产富集区，靠近商业区便 于售气的地区进行煤层气开发，对于开发条件不好或经济效益不高的地区可以放弃开 发，以获得最大经济效益。 只要煤矿为高瓦斯矿井，存在潜在瓦斯事故威胁的矿井具备基本的煤层气抽采条 件，均可进行煤层气抽采，而不是必须选择高产富集区进行抽采。这其中又可分为两 类原生结构煤层的煤矿区煤层气开发和遭受构造破坏的碎软煤层煤矿区煤层气开 发。 ①构造破坏不明显煤层的煤矿区煤层气开发 晋城矿区位于沁水盆地东南缘，矿区面积9 6 0 k m 2 [ 2 6 1 ，地貌以低．中山、丘陵为主， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 地形较破碎。地质构造简单，断层稀少，以宽缓的背向斜为主。煤层气开发的主要目 标煤层为山西组3 煤层、太原组1 5 煤层，两煤层的平均厚度分别为6 ．1 l m 、3 ．2 1 m ， 煤层埋深变化较大．通常在3 0 0 m ～6 0 0 m ；3 煤层气含量为4 - 2 5 m 3 ／t ，1 5 煤层气含量为 6 - 2 6 m 3 ／t ；煤层镜质组反射率较高；孑L 隙结构较好，相对于全国煤储层而已，渗透率 中等偏高，煤层气保存条件好。 晋城煤层气开发条件好，便于进行各种煤层气开发方式的选择和实施，目前已有 多家单位在晋城矿区进行了煤层气开发，开发效果良好。 ②遭受构造破坏的碎软煤层煤矿区煤层气开发 淮北芦岭矿区即为典型的碎软低透气性的煤矿区，位于宿东矿区东南部。地形平 坦，芦岭矿所处的宿东向斜总体呈不对称的向斜构造，井田内以斜切断层为主。下石 盒子组的8 、9 煤层和山西组的1 0 煤层是矿区煤层气开发的目标煤层，其煤体结构主 要为碎裂煤～靡棱煤，煤层气含量在4 - 3 5 ～1 4 ．5 9 m 3 ／t ，8 、9 煤的渗透率为0 ．6 8 ～0 ．9 9 m D ， l O 煤的渗透率在0 ．1 m D 以下。由于气含量高而渗透性低，煤层又以软煤为主，加之 井田断层发育，水文地质条件复杂，煤层气开发难度大。而即便是如此的煤层气开发 条件，由于煤矿安全的需要，也要在条件稍微具备的情况下尽量进行充分的煤层气开 发。 3 煤层气抽采方式 纯商业性煤层气开发通常选择地面开发方式，而且羽状水平井、U 型井等开发方 式是其通常首要考虑的。美国在勇士盆地、圣胡安盆地和C h e r o k e e 盆地等相继成功应 用地面水平井技术开发煤层气，取得了很好的效果，尤其是C D X 公司㈣开发的煤层 气定向羽状水平井开发技术，受到广泛关注