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地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向 周德昶,焦先军 淮南矿业集团瓦斯管理研究院,安徽 淮南232001 摘 要地面钻井抽采瓦斯是瓦斯治理和煤层气开发的一种有效手段。淮南矿区在松软低透气性 的煤层赋存条件下,通过瓦斯治理与采矿技术相结合,经多年实践,探索出了地面钻井抽采瓦斯技术的 发展方向,其有关成熟做法对类似地质条件的矿区具有借鉴意义。 关键词地面钻井;卸压抽采;钻井结构 中图分类号TD712 . 67 文献标识码A 文章编号1008 - 4495200606 - 0077 - 03 收稿日期2006 - 07 - 06;2006 - 08 - 03修回 作者简介周德昶1966 , 男,安徽寿县人,工程硕士, 高级工程师,淮南矿业集团瓦斯管理研究院院长,主要从事通 风与安全管理工作。 1 国内外现状及存在的问题 目前世界上主要产煤国对煤层甲烷的资源化开 发利用程度较高,主要方法是地面钻井开采。美国 自20世纪70年代初首先利用地面钻井的方法开发 煤层气资源获得成功;澳大利亚目前广泛应用地面 采空区垂直钻孔抽采技术;德国1992年开始应用地 面钻井技术开发鲁尔煤田的煤层气;英国煤层渗透 率低,目前正在研究低渗透率瓦斯的开发技术 [1] 。 我国地面钻井抽采瓦斯的开发仍处于勘探试验 阶段。白沙、 抚顺、 焦作、 阳泉等矿区曾在20世纪70 年代打了40多个地面钻孔,并实施钻孔水力压裂等 措施抽放瓦斯,但产气效果不理想 [2] 。晋城矿区煤 层裂隙发育、 渗透性好、 可抽采性好,从1995年开始 进行地面煤层气开发,通过地面钻孔抽采地下煤层气, 目前已形成规模,并实现了商业化产销用体系。 地面钻井抽采瓦斯技术,虽在国内外已作过研 究和试验,但主要是针对煤层赋存稳定、 渗透性好的 煤层,少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等 措施进行过地面钻井抽采瓦斯,但产气效果不理想。 目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻 井抽采瓦斯的实践。淮南矿区在煤层复杂特困条件 下对地面钻井抽采瓦斯技术进行了探索与实践,取 得了一些成果,为地面钻井抽采瓦斯技术的发展探 索出了方向。 2 地面钻井瓦斯抽采实践 2. 1 矿区概况 淮南矿区现有9对生产矿井,全为突出矿井,矿 区煤层具有地质构造复杂、 煤层松软、 透气性低、 瓦 斯含量大、 瓦斯压力高、 突出危险性大等特点,历史 上是全行业瓦斯事故的重灾区。由于瓦斯治理手段 落后,1997年以前,矿区瓦斯抽采量一直徘徊在 500万m 3Π a上下。1997年以后,随着瓦斯抽采方法 的变革与创新,瓦斯抽采量增幅较大,到2005年为 1.5亿m 3 ,矿井瓦斯抽采率达43 ,初步实现了煤与 瓦斯共采。 2. 2 地面钻井抽采情况 20世纪90年代,两淮矿区在地面勘探和开采煤 层气方面做了大量工作,先后共施工了测试井14 个,压裂试生产井8个,但产气效果均不理想,日产 气量均达不到商业开发标准 [3] 。2002年以来,淮南 矿区不断创新抽采理念,积极试验地面钻井抽采采 动区瓦斯技术、 地面钻井抽采采空区瓦斯技术、 地面 钻井一井两用抽采采动区、 采空区瓦斯技术,在松软 低透煤层群条件下进行了地面钻井瓦斯抽采的探索 和实践,到目前为止共施工地面钻井12个,其中7 个成功,4个失败,1个在考察中见表 1 。 2. 3 成功做法 2.3. 1 配合保护层开采,地面钻井抽采采动区瓦 斯,扩大保护范围 淮南矿区13 - 1主采煤层具有很强的突出危险 性,而其透气性系数低,预抽困难,因而在开采前先 开采保护层11 - 2煤层,作为区域性防突措施。回 采前预先由地面向上覆各卸压煤层打穿层地面钻 井,通过抽采管道对各卸压煤层瓦斯实施全层同时 77 2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期 表1 淮南矿区地面钻井抽采情况统计表 地 点孔深Πm钻孔直径Πmm抽采时间抽采浓度Π抽采量Π 万m3效果备 注 潘一23521面674177.8～139.72002 - 08～2005 - 0450～95292成功采动区、 采空区抽采 潘一26621面1 井 667177.8～139.72005 - 03～至今40～90217成功采动区抽采 潘一26621面2 井 667177.8～139.72005 - 07～至今60～9091成功采动区抽采 潘一26621面3 井 671177.8～139.7在考察 谢一5111C15面707177.82005 - 03～2005 - 1150～8096成功采空区抽采 谢桥12421面1 井 654177.8～139.72004 - 11～2005 - 0150～9071成功采动区抽采 谢桥12421面2 孔 654177.8～139.72005 - 01～2005 - 0230～9516失败采动区抽采 谢桥12421面3 井 654177.8～139.72005 - 04～2005 - 0510～303.3失败采动区抽采 谢桥12421面4 井 654177.8～139.72005 - 07～2005 - 0940～8558成功采动区抽采 谢桥12421面5 井 654177.8～139.72005 - 10～2005 - 1240～8054.1成功采动区抽采 张北11418面1 井 558177.8～139.72005 - 0760～8010失败采空区抽采 张北11418面2 井 520177.8～139.72005 - 1260～8715.3失败采空区抽采 抽采或煤层气开采。谢桥矿在12421下保护层开 采期间,在做好井下瓦斯抽采的同时,研究应用了地 面钻井预抽采动影响区域煤层瓦斯技术。该面1 地面钻井距切眼50 m ,倾向上布置在工作面的中部, 终孔距11 - 2煤顶 5 m 见图 1 。通过考察,该孔共 抽采瓦斯71万m 3 ,平均日产气1. 8万m 3 ,有效抽采 范围140 m ,最大抽采范围180 m ,抽出的高浓度瓦斯 部分用于发电。 图1 谢桥矿12421工作面钻井平面布置图与结构示意图 2.3. 2 创新高瓦斯工作面瓦斯治理方法,实施地面 钻井抽采采空区瓦斯技术 谢一矿5111C15综采工作面,是突出煤层C13 煤的上保护层,回采时绝对瓦斯涌出量近50 m 3Π min。 为解决回采时的瓦斯问题,在工作面地面对应位置 施工1个钻井抽采采空区瓦斯,钻孔终孔距C15煤 顶板6 m ,平面上在C15工作面的中部见图 2 。工 作面在配风量为1 210 m 3Π min时,回风瓦斯浓度为 0. 56 左右。该孔共抽采瓦斯96万m 3 ,平均日产气 量6 000 m 3 ,同时用抽出的瓦斯发电,1台500 kW的 移动发电机组每天发电9 000 kWh ,累计发电180 万kWh。 图2 谢一矿5111C15工作面钻井平面布置图与结构示意图 2.3. 3 增大地面钻井服务周期,实施一井两用抽采 采动区、 采空区瓦斯技术 潘一矿23521为下保护层面,保护23223工作 面。23521面开采期间,在做好井下瓦斯抽放的同时, 87 2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期 应用了地面钻井抽采瓦斯技术,钻井布置见图3。 图3 潘一矿23521工作面钻井平面布置图与结构示意图 根据开采和上覆岩移状态,试验钻井的瓦斯抽 采分3个阶段进行了考察。 第1阶段保护层回采期间采动区抽采。该阶 段共抽出纯瓦斯97万m 3 ,平均日产气量1. 49万m 3 , 抽放流量10. 38 m 3Π min ,瓦斯浓度85 。 第2阶段保护层停采后采动区抽采。该阶段 共抽出纯瓦斯71万m 3 ,平均日产气量5 900 m 3 ,抽 放流量4. 1 m 3Π min ,瓦斯浓度稳定在95 左右。 第3阶段被保护层工作面采空区抽采。该阶 段共抽出纯瓦斯16万m 3 ,平均日产气量5 000 m 3 , 抽放流量3. 5 m 3Π min ,瓦斯浓度稳定在50 ～80 。 2. 3. 4 科学实施钻井工艺,优化钻井结构 淮南潘谢矿区地表第四纪新地层厚度普遍在 300～400 m ,且有流砂层,为提高钻进安全,在基岩 面以上新地层下双层石油套管,外层套管进入基岩 坚硬岩层不小于40 m ,套管间隙注满水泥浆,施工时 在完成上部套管段固井后再进行下部钻进。在钻井 结构上,根据抽采需要采用一钻井一结构。谢一矿 5111C15工作面地面钻井主要抽采采空区瓦斯,其工 作管由 Φ139. 7 mm增加为 Φ177. 8 mm;谢桥矿 12421工作面地面钻井主要抽采采动区瓦斯 ,东段 的4 ,5 钻井,由于上部14 ,16 - 1 ,17 - 1煤层不发 育,钻井的工作管设计较短,贯穿11 - 2煤层上部的 13 - 1煤层即止。 3 地面钻井抽采瓦斯技术主要障碍及解决 途径 3. 1 主要障碍 地面钻井实施过程中遇到的最大难题是钻井的 稳定性难以保证。由于在抽采过程中钻井发生错 断,张北矿11418工作面1 ,2 井和谢桥矿12421 工作面2 ,3 井抽采范围最大不到40 m ,抽采量不 足16万m 3 。分析其破坏原因① 受地质、 水文条件 影响,钻井发生破坏的矿井第四纪新地层普遍较厚, 在400 m左右,且含有多层含水流砂层,涌水量大, 钻井在基岩面附近发生错断;而地下水随回采不断 下泄,使新地层的流砂逐渐堵塞在钻井中,造成钻井 不透气。② 采高大、 回采速度快,上覆岩石移动破坏 加剧,工作面周期来压频繁,使钻井遭受巨大的剪切 力作用。③ 产气筛管较长,强度较弱,在一定程度上 也影响了钻井的稳定性。 3. 2 改进措施 1 在钻井布置方面,根据抽采目的来设计钻井 位置将抽采采动区卸压瓦斯的钻井布置在工作面 中部,而抽采采空区瓦斯的钻井则尽量靠近上风巷 位置。 2 在钻井结构方面,为防止钻井套管在动态下 沉过程中破断,导致流砂和水沿钻井涌入井下,基岩 面以上新地层下双层石油套管,并进入基岩坚硬岩 层一定深度,钻井环状间隙注泥浆或沥青固井;在卸 压煤层段下单层筛管,不固井,产气筛管与上部固井 套管设计一段重叠段,筛管长度根据煤层条件设计, 筛管为圆孔,并增大筛管与井壁的间隙。 3 在防堵塞方面,将钻井筛管下口至煤层顶板 留有一段岩柱,在岩柱段设计施工几米小直径的裸 孔口袋与冒落带采空区直接沟通,以利于管内水和 煤泥流入采空区,防止下口堵塞。 4 在钻井孔口设计方面,为预防淹井,将钻井口 距地表高度预先提高;在抽采瓦斯或煤层气开采过 程中,为预防钻井随地层大幅度动态下沉而拉断管 道,在钻井口与抽采管道联接处,设计安装无级升降 装置,以此弥补动态高度变化,确保正常抽采。 3. 3 技术发展途径 地面钻井抽采瓦斯是一项实用性强、 技术复杂 的工程,在我国目前尚处于试验阶段,为使该项技术 早日广泛推广应用,必须解决以下几个方面问题。 1 在地面钻井抽采理论上需有所突破研究符 合矿井实际地质、 开采条件的煤与瓦斯共采理论指 导实践。 下转第88页 97 2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期 5起特大瓦斯爆炸事故的发生,与瓦斯积聚有 关,与现场管理有关,与通风装备有关,与领导责任 有关,与现场工作人员操作不当也有关。水城矿务 局木冲沟煤矿现场人员违章拆卸矿灯引起火花,造 成瓦斯爆炸,煤尘参与爆炸。假如现场人员治理瓦 斯意识强,能够按章作业,是能够避免事故的发生 的。 淮北矿业集团公司芦岭煤矿工人维修电器开关 时带电作业产生火花引起瓦斯爆炸,假如现场作业 人员平时养成按章作业的良好习惯,不带电作业,不 是同样能避免事故发生吗 教训之六,加强安全教育,吸取同类事故教训。 俗话说,智者用教训预防事故,愚者用鲜血换来 教训。瓦斯爆炸事故为什么接连发生,瓦斯爆炸事 故为什么难以预防,其原因之一就是没有认真吸取 教训。芦岭煤矿2002年曾经发生了特大瓦斯突出 事故,但是该矿没有认真吸取过去的教训;2000年贵 州木冲沟矿发生瓦斯爆炸事故后,国家煤矿安全监 察局曾电传所有国有煤矿吸取教训,杜绝同类事故 的发生,却又接连发生多起瓦斯爆炸事故。这值得 引起我们的深思和警觉。发生事故是可怕的,但更 可怕的是事故发生后,没有吸取教训,事故再次发 生。在吸取教训中,不仅要吸取自己的教训,而且还 要吸取别人的教训。吸取自己的教训,就是要达到 “交了学费,增长知识” 的目的;吸取别人的教训,就 是要达到 “别人吃堑、 自己长智,别人患病、 自己强 身” 的目的。 教训之七,加强小煤矿开采的审批工作,开矿人 应具备一定的安全知识和行业经验。 在以上5起事故中,有2起是私营小煤矿事故。 矿主受教育程度都比较低,专业水平和业务水平都 较低。这在国外是不可想象的。在美国,申请开矿 者必须上过4年大学,有5年管理经验井下3年 , 10人推荐,经考试合格,才能上岗。如果能严把开矿 的 “准入关”,在此不敢说事故就一定能避免,但至少 能及时发现隐患,以便及时采取相应措施。 参考文献 [1]冉启平.木冲沟煤矿 “9.27” 特大瓦斯煤尘爆炸事故分析 [J ].煤矿安全,2002 ,332 39～41 [2]劳动保护编辑部.徐州煤矿瓦斯爆炸92人遇难[J ].劳 动保护,2001 ,9 23 [3]赵永金.一方有难 八方支援 在城子河煤矿 “620” 事故遇难职工家属捐款仪式上的讲话[J ].当代矿工, 2002 ,9 23～26 [4]宋承文.孟南庄煤矿瓦斯煤尘爆炸事故原因浅析[J ]. 山西建筑,2003 ,11 79～80 [5]周家快.芦岭煤矿近年来瓦斯事故浅析[J ].煤炭技术, 2005 ,246 54～55 责任编辑熊云威 上接第79页 2 地面钻井的抽采半径有待考察认真考察地 面钻井的抽采半径,以便合理确定布孔方案。 3 地面钻井的稳定性有待提高进行采矿覆岩 移动规律分析,优化钻井布置,改进钻井结构,以提 高钻井的稳定性。 4 政府应给予政策支持,积极鼓励矿井实施地面 钻井抽采技术并进行综合利用,实现煤与瓦斯的共采。 4 结语 地面钻井抽采瓦斯是一项煤与瓦斯共采的绿色 开采技术,发展前景十分广阔。淮南矿区在松软低 透气性的煤层赋存条件下,通过瓦斯治理与采矿技 术相结合,利用采动作用所产生的 “卸压增透” 和 “卸 压增流” 效应,积极试验地面钻井抽采采动区瓦斯技 术、 地面钻井抽采采空区瓦斯技术、 地面钻井一井两 用抽采采动区、 采空区瓦斯技术,通过多年的实践, 基本探索出了地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向, 其有关成熟做法值得类似地质条件矿区借鉴。 参考文献 [1]国家安全生产监督管理总局交流合作中心.第一届中国 国际煤矿瓦斯防治与利用大会论文集[C].北京煤炭工 业出版社,2005 [2]袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京 煤炭工业出版社,2004 [3]孙茂远,黄盛初,等.煤层气开发利用手册[M].北京煤 炭工业出版社,1998 责任编辑卫 蓉 88 2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期