地面瓦斯治理技术探析

地面区域瓦斯治理通过借鉴常规油气开采技术，结合矿井生产布局规划和采掘接替计划在煤矿区及煤矿区之外的瓦斯富集区通过施工直井或定向井、经过储层改造（如压裂、洞穴完井等）后实施排水－降压－采气，达到实现瓦斯自然解析，与煤矿井下瓦斯负压抽采不同，实现煤层气（瓦斯）正压抽采以改变瓦斯应力分布、改善地层应力分布、提高煤层透气性的目的，也可称为“煤层气地面开采”。若同时结合井下抽采工程，即实现井上下瓦斯综合治理的目标。

地面区域瓦斯治理在结合矿井采掘接替计划的的基础上采用相匹配工艺技术进行开发。其关键工艺技术包括钻井工艺、储层改造工艺、生产排采工艺。

一、煤层气（煤矿瓦斯）分区抽采技术

（一）准备区瓦斯抽采技术

为煤矿规划工作面3～5年后的准备区，结合矿井开拓部署，按照加快煤储层井间干扰的原则，在煤矿规划工作面对于地面合理部署煤层气抽采井（直井、定向井或水平井）。通过储层改造和持续抽采，提高井下抽采效率，实现煤储层的三个改善“改善瓦斯压力、改善地应力、改善煤体强度”，为煤矿采掘接替服务。

（二）采动区瓦斯抽采技术

地面采动区抽采技术是从地面打抽采井（直井、定向井或水平井）进入煤层顶板，主要用于抽采煤炭采动影响范围内的不可采煤层及围岩中的煤层气。由于受采动影响，抽采井筒附近煤层及围岩破裂，裂隙增加，应力释放，煤储层压力降低，煤层及围岩的瓦斯大量解吸，并经岩石冒落带或裂隙带进入井筒产出。

采动区抽采技术适用于高瓦斯含量的煤层或煤层群；煤层覆岩地质构造简单；岩间岩性变化不明显、不含水或少含水层；开采煤层不具有自然发火危险或发火期较长矿井。

该技术已在淮南集团谢庄、潘一矿区成熟运用，并形成示范工程，在晋城等其他煤矿区已经进行技术推广阶段。

（三）采空区瓦斯抽采技术

地面钻孔抽出采空区瓦斯在淮北、铁法等矿区都取得了初期的成功，山西蓝焰集团，在熟练掌握地面先进钻井的基础上，通过对采空区、采动区瓦斯涌出运移规律的详细研究的基础上。利用先进的钻井设备和技术手段，在晋城矿区开展了采空区、采动区地面抽采试验。取得了理想的抽放效果，并形成了规模开发和利用。

二、地面煤层气（煤矿瓦斯）抽采井型

（一）地面垂直（定向丛式）井抽采技术

地面垂直井煤层气抽采技术是在地面打垂直井（定向丛式）进入目标煤层，通过采取一系列增产强化措施抽采煤层气。受地质条件的影响，垂直井（定向丛式）煤层气开发的完井方式不一致，目前主要的完井方式有射孔压裂完井、裸眼完井和洞穴完井等。

我国煤层气（煤矿瓦斯）勘探开发主要采用地面垂直井方式，在矿井区域瓦斯治理中，结合井网（梅花、五点、矩形等）部署，采用压裂增产的强化措施，可实现煤矿区域网状治理效果，成本低、技术成熟，效果比较显著，单井最高产量达到16000 m3／d，平均产量为500 m3／d。山西晋煤集团十几年来形成潘庄、柿庄、樊庄、潘河和阳泉寺家庄等多个矿井成功经验，结合矿井井下瓦斯抽采，实现了区域瓦斯治理效果，杜绝了煤矿瓦斯事故的发生。图6－1地面抽采井工作流程示意图。

图6－1　地面抽采井工作流程示意图

（二）多分支水平井抽采技术

多分支水平井是指主水平井眼与洞穴井连通，在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个水平分支井眼。多分支水平井首先钻一口直井，由地面延伸至煤层，使用造穴工具形成洞穴。在距洞穴井一定的水平位移处钻一直井段，然后造斜延伸穿过洞穴井的洞穴，此定向井称为工程井。工程井继续在煤层中水平延伸，钻至一定距离，形成主分支，在主分支井眼两侧不同位置钻多个分支井眼，以加大与煤层的接触面积，称为多分支水平井。

在矿井区域瓦斯治理中，结合采掘工程部署，采用压裂增产的强化措施，可实现煤层条带区域治理效果；相对成本较高、技术已经趋于成熟。图6－2地面抽采水平井示意图。

（三）定向羽状水平井抽采技术

定向羽状水平井是在常规水平井和分支井的基础上结合煤层实际地层特征发展起来的一种新技术。

具有提高有效供给范围、提高煤层导流能力、减少煤层伤害、提高单井产量、缩短生产周期和提高采收率的技术优势。

自2003年引进此技术，主要集中在沁水盆地的晋城、寿阳、端氏、大宁等地区。截至2010年底，中国已钻100多口。2011年在我省义马耿村矿曾做过试验。

（四）L形地面水平井抽采技术(www.xing528.com)

L形煤层气抽采井，通过排水－降压－采气实现煤层气的地面抽采，达成煤巷掩护掘进和煤层中的煤层气超前预抽目的，实现煤巷掘进掩护和采煤过程中瓦斯突出危险性的消除。

图6－2　地面抽采水平井示意图

技术适用于煤层地质构造简单，没有错断煤层的断层、煤层连续性好、煤层渗透性适中、煤体结构破坏程度较低的区域。

2013年以来晋煤已经在采空区施工十几口井，产气量1万～3万m3／d。

（五）储层改造工艺

为改善原始煤层的透气性，煤储层改造是地面煤层气（瓦斯）抽采效果的关键之一。由于煤储层渗透率小，特别是河南省多是高阶煤层，地面抽采井不压裂就达不到高瓦斯产出，通过人工压裂形成的诱导裂缝降低或消除了煤层的近井眼伤害，强化了煤层中的天然裂隙网络，扩大了有效“井眼半径”和瓦斯解吸渗流面积，加强了井眼稳定性，在井眼周围形成了有效的瓦斯渗流通道，有效地提高了瓦斯井的产能。目前常规且成熟的煤储层改造工艺有：水力携砂压裂、高能气体压裂工艺、水力携砂喷射等，具体实施方案要根据煤层的抽采物性及抽采技术条件确定。

1.水力压裂

煤层压裂的特殊性：煤层与常规储层的机械性质不同。与常规储层相比，煤层杨氏模量低，泊松比高，且具有特殊的双孔隙结构，割理发育，具有更大的各向异性和不均质性；煤层压裂与油层压裂的不同点：煤是易碎物质，压裂时由于压裂液的磨损及剪切作用，将会产生大量煤粉。煤粉的副作用是增加压裂施工压力、堵塞渗流通道降低压裂效果、增加后期排液作业难度，而且煤层渗透率一般较低，压裂液易对其造成伤害。因此作业应该注意尽量减少煤粉的产生。

压裂液添加剂的选择：添加剂一般包括稠化剂、交联剂、PH值调节剂等。稠化剂能够减少煤层污染，保护煤层；交联剂的作用是使稠化剂溶液中的稠化剂分子迅速形成长链，提高液体的造缝和携砂能力；PH值调节剂的作用是为了保证压裂液与煤层配伍，降低对煤层的伤害，提高压裂液的携砂能力。支撑剂的选择：压裂时支撑剂的选择也非常重要，它是提高裂缝导流能力的重要环节。支撑剂的选择主要考虑其强度和成本，还要考虑到回流问题，是否能深侵地层问题。理想的支撑剂应当具备密度小，强度大，圆球度高，在高温水中呈化学惰性等特点。目前常用的支撑剂有石英砂和树脂包层砂等，常用石英砂规格有40～70目粉砂、20～40目中砂和12～20目粗砂。压裂加砂组合方式有4种：粉砂＋中砂＋粗砂；粉砂＋粗砂；中砂＋粗砂；粗砂。有的压裂不加砂，不加砂具有成本低、可避免支撑剂回流等特点，适用于现场应力相对较低（如浅煤层）和诱生裂缝能在自支撑作用下保持敞开状态的地区，且压裂效果相当好。

2.高能气体压裂

为了提高单井产量，除了研究适用于煤层的水力压裂技术和在煤层中打水平井以外，用于油气井高能气体压裂技术的研究与应用已达10多年之久，目前这项技术—液氮，二氧化氮已经多应用于部分适应性的煤层气（瓦斯）抽采井中，主要目的是增强煤储层中煤层气（瓦斯）的能量，以适应煤层气（瓦斯）增产的需要。

3.裂缝评价技术

煤层气（瓦斯）抽采井在过程压裂中可以通过在地面裂缝检测的方法进行效果评价，煤层气井只有通过对压后裂缝半长、导流能力的测定，来分析压裂效果。大地电位法、井温法、微地震法、放射性示踪法的综合裂缝监测，将获得较好的评价效果。

图6－3　焦作JLSQ－参1井压裂实时监测影响水平图

压裂监测结果表明，JLSQ－参1井此次常规水力携砂压裂，本次压裂效果比较明显。

压裂层段（527.67－534.47）m主影响方位北东80°，东翼影响长度196.6m，西翼影响长度188.2m，两翼折算总长度384.8m，影响高度范围11.4m。

图6－3可以看出起裂位置发生在井口西面，随着压裂的进行，西面产生不联通的缝网，这可能是由于地层存在天然裂缝或由于地层应力分布不均匀造成的；从整体效果来看此次压裂东西翼影响形态对称、扩展均衡。

4.煤层气（煤矿瓦斯）地面井排采工艺

煤层气（瓦斯）的形成、储集、迁移、产出机理与常规油气亦存在较大差异；煤层气（瓦斯）主要以吸附方式储存在煤岩的基质孔隙内表面上，它的产出是一个降压解吸—扩散—渗流的过程。

地面抽采井采气工程，就是在人为干预下，有目的地将煤层气（瓦斯）从地下开采到地面，并输送到预订位置的工程。其采气工程是通过抽排煤储层中的承压水，使得煤层压力降至煤的解吸压力以下，吸附态的甲烷解吸为大量游离态甲烷，并通过扩散和流动两种不同的机制运移到井筒。

煤层气（瓦斯）地面抽采排水的方法有：有杆泵、螺杆泵、电潜泵、气举、水力喷射泵、泡沫法及优选管柱法等。而我省目前主要采用有杆泵、螺杆泵实现油管排水，套管采气。