煤矿区采煤采气一体化技术及其对设备的要求

田永东 （中国石油大学(北京)）

摘要   随着煤矿区采煤采气一体化进程的推进, 飞禽走兽老虎机开发工程对设备提出了更高的要求。在论述煤矿区飞禽走兽老虎机抽采技术的基础上, 分析了煤矿区飞禽走兽老虎机抽采对设备的要求。总体而言, 飞禽走兽老虎机地面钻井施工设备价格偏高, 配件供应和维修时间较长, 施工成本较高, 而且钻井深度也很有限；井下钻井设备需要解决松软突出煤层钻进问题, 应研制开发大直径、长钻孔、定向钻进设备以及有效的钻孔循环介质; 压裂设备要求压裂泵车的排量尽量大、稳定性好、成本低、维修方便及时, 同时应尝试液氮代替常规的水基压裂液, 并开发相应的液氮压裂设备体系。

关键词  飞禽走兽老虎机  一体化   钻井设备   压裂设备   氮气泡沫压裂   

0引言

煤矿区飞禽走兽老虎机抽采是目前我国飞禽走兽老虎机抽采的重点领域。2010年，全国飞禽走兽老虎机(煤矿瓦斯) 抽采量8 亿m³，其中煤矿井下瓦斯抽采量73.5亿m³，地面飞禽走兽老虎机抽采量14.5亿m³。地面飞禽走兽老虎机抽采量主要也来自于煤矿区。煤矿区飞禽走兽老虎机抽采的特点是结合煤矿生产安全实施飞禽走兽老虎机(瓦斯)抽采，遵循“采煤采气一体化”的原则，先采气，后采煤其中采气为采煤创造了条件，抽采钻孔和抽采工程需要结合煤矿井下煤炭的生产衔接以及煤炭开采布局实施。

1 煤矿区飞禽走兽老虎机抽采技术

目前，煤矿区飞禽走兽老虎机抽采技术主要有地面钻井预抽采、本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采等几种形式^[1]。

1.1本煤层瓦斯抽采技术

本煤层瓦斯抽采技术本煤层瓦斯抽采又称为开采煤层瓦斯抽采, 是指在开采煤层内预先掘进或施工钻孔抽采本煤层瓦斯, 目的是减少煤层瓦斯含量, 降低回风流中的瓦斯浓度, 以确保矿井安全生产。本煤层瓦斯抽采按抽采机理分为未卸压抽采和卸压抽采2 类方式, 按汇集瓦斯方法分为钻孔抽采、巷道抽采和巷道与钻孔综合抽采3 类^[2]。

1.1.1本煤层未卸压钻孔抽采

本煤层预抽瓦斯是钻孔打人未卸压的原始煤体进行抽采瓦斯。按钻孔和煤层的关系,本煤层未卸压钻孔抽采技术分为穿层钻孔和顺层钻孔,按钻孔和角度分为上向孔、下向孔和水平孔等方式。

穿层钻孔抽采是在开采煤层的顶板或底板岩巷（或煤巷)内,每隔一段距离开采长约10 m的钻场,再从钻场向煤层施工3——5个穿透煤层全厚的钻孔,然后封孔或将整个钻场封闭起来,安装抽采管路并与抽采系统连接起来进行抽采,穿层钻孔抽采钻场布置形式如图l 所示。

图1 穿层钻孔抽采钻场布里示意图

l一煤层； 2一钻孔； 3一钻场； 4一岩巷； 5一密闭； 6一抽采瓦斯管路。

顺层钻孔是在巷道进人煤层后再沿煤层所打钻孔,可以用于石门见煤处、煤巷及采煤工作面, 我国多在采煤工作面进行。在采煤工作面开采前,按不同的方式布置钻孔,抽采一段时间后再进行开采,以减少回采过程中的瓦斯涌出量。顺层钻孔有种钻孔布置方式：一是石门穿煤点抽采,在采区煤巷尚未掘进之前,利用石门见煤点向两侧及顶部打沿层扇形钻孔预抽瓦斯；二是在回采巷道圈出后或在巷道掘进过程中,于运输巷、回风巷或切眼布置不同方式的顺层钻孔。本煤层顺层钻孔抽采区域布置如图2 所示。

图2 本煤层顺层钻孔抽采区域布置图

本煤层顺层钻孔与穿层钻孔相比,顺层钻孔的单孔抽采瓦斯量大；钻孔的自排量和抽采量一般呈随时间的延长而逐渐衰减的规律,基本符合负指数方程；交叉钻孔比单一的平行钻孔瓦斯抽采量有明显的增加。

  1．1.2本煤层却压钻孔抽采

本煤层卸压钻孔抽采技术包括边采边抽和边掘边抽2 种方式。边采边抽本煤层瓦斯钻孔布置如图3所示。边采边抽技术即在工作面前方, 在进风巷或回风巷中每隔一定距离打平行于工作面的钻孔然后插管、封孔进行抽采 (图3a )。也可以每隔一定距离掘一钻场(深度小于6 m )，布置3 个扇形钻孔,然后插管、封孔进行抽采 (图3b )。

边采边抽技术的优点在于：采动影响致使煤层已卸压,煤层透气性增加, 抽采效果好；不受采掘工作影响和时间限制,具有较强的灵活性和针对性。其不足之处点是：开孔位置在煤层,封孔不易保持严密,影响抽采效果和瓦斯浓度；另外,钻孔与煤层层理平行,层理之间不易勾通,瓦斯不易流动,也影响了抽采效果。

边掘边抽是在掘进巷道两帮每隔一定距离掘一钻场(深度小于6m)，在钻场向工作面推进方向打5——10 个超前钻孔,然后插管、封孔进行抽采。边掘边抽本煤层瓦斯的钻孔布置如图4 所示。随着工作面的推进,钻场不断向前接替,2 个钻场的接替重叠长度一般为20 ——30 m。淮南矿业集团谢桥矿采用这种技术,钻孔抽采瓦斯体积分数可达50%——60%，每个钻场抽出瓦斯纯量5——6 m³/min。

图4 边掘边抽本煤层瓦斯的钻孔布置示意图

1.2邻近层瓦斯抽采技术

能向开采煤层采掘空间涌出瓦斯的邻近煤层，称为邻近层。为了防止和减少邻近层的瓦斯通过层间的裂隙大量涌向开采层,可采用抽采的方法处理这一部分瓦斯, 这种抽采方法称邻近层瓦斯抽采。邻近层瓦斯抽采按邻近层的位置分为上邻近层或顶板邻近层)抽采和下邻近层(或底板邻近层)抽采,按汇集瓦斯的方法分为钻孔抽采、巷道抽采和巷道钻孔综合抽采3类^[3]。

1.2.1上邻近层瓦斯抽采

上邻近层瓦斯抽采,即邻近层位于开采层的上部,通过巷道或钻孔来抽采上邻近层的瓦斯。根据岩层的破坏程度与位移状态可把顶板划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,底板划分为裂隙带和变形带。冒落带高度一般为采厚的5 倍左右,在距开采层近的处于冒落带内的煤层, 随冒落带的冒落而冒落,瓦斯完全释放到采空区内,很难进行上邻近层抽采。裂隙带的高度为采厚的8——30 倍,此带因充分卸压, 瓦斯大量解吸,是抽采瓦斯的最好区带,抽采量大,浓度高。因此,上邻近层取冒落带高度为下限距离,裂隙带的高度为限距离。上邻近层抽采按抽采钻孔的布置位置, 分为以下2 种方式：1开采层层内巷道打钻抽采。这是上邻近层抽采经常采用的一种方式。将钻场设在回风副巷内，由钻场向上邻近层打穿层钻孔, 然后接管进行抽采（图5 )。2开采层层外巷道打钻抽采。钻场设在开采煤层顶板的岩巷中, 由钻场向上邻近层打扇形钻孔进行抽采。

1.2.2下邻近层瓦斯抽采

下邻近层瓦斯抽采即邻近层位于开采层的下部, 通过巷道或钻孔来抽采下邻近层的瓦斯。根据上述3带原理,由于下邻近层不存在冒落带, 所以不考虑上部边界,至于下部边界,一般为60——80m。同上邻近层抽采一样,下邻近层瓦斯抽采也分为层内和层外巷道打钻抽采2 种方式。

图5 开采层层内巷道打钻抽采上邻近层瓦斯的钻孔布置示意图

1．3采空区瓦斯抽采技术

采空区瓦斯主要来源于2 个方面, 一是未能采出而被留在采空区煤炭中存有的一定数量的残存瓦斯；二是顶板和周围煤(岩)中的瓦斯。当回采工作面的采空区或老空区积存大量瓦斯时,往往被漏风带入生产巷道或工作面空间,或由于大气压力或通风系统变化使采空区瓦斯大量涌人工作面, 往往造成瓦斯超限而影响生产,甚至酿成重大事故因而应对采空区瓦斯进行抽采^[4]。

1.3.1插管采空区瓦斯抽采

进行回采工作面采空区瓦斯抽采时,应将采空区封闭严密,防止漏风,后在回风巷的密闭处插管进行抽采。回采工作面插管抽采采空区瓦斯如图6所示。

图6  回未工作面插管抽采采空区瓦斯  1一抽采瓦斯管路; 2一密闭区; 3一采空区。

1.3.2钻孔采空区瓦斯抽采

钻孔抽采采空区瓦斯是指在回采工作面回采过程中,在工作面回风巷每隔30——100m 掘一钻场，向采空区上方施工顶板走向(或倾向) 钻孔,钻孔进入冒落带或裂隙带,然后将封闭(或将钻孔逐个封闭) 进行抽采。此外,还可采用在回风巷预先埋置管路或在煤层中距回风巷相近的其他巷道中向采空区打钻等方式, 抽采采空区瓦斯。

1.3.3走向巷道抽采采空区瓦斯

沿工作面走向距回风巷10 ——30m 的上覆岩层裂隙带内布置巷道,封闭巷口,插管联人抽采系统,对回采工作面采空区裂隙带内的高浓度瓦斯进行抽采(见图7)。

图7 回采工作面采空区抽采瓦斯

2煤矿区飞禽走兽老虎机抽采对设备的要求

煤矿区飞禽走兽老虎机抽采的设备主要包括施工井下抽放钻孔所用的钻机和抽放泵, 地面预抽采所需要的钻机和压裂设备等。

目前, 我国飞禽走兽老虎机开发几个关键工序所用施工设备供应不够充分, 设备紧缺,施工价格偏高。在目前飞禽走兽老虎机垂直井钻井施工中,我国普遍采用煤田地质勘探钻机和钻井液钻进,而对飞禽走兽老虎机开发有利的空气钻进设备,目前国内数量有限,而且是最近几年才装备,其数量远远不能满足我国飞禽走兽老虎机产业化发展的需要。飞禽走兽老虎机增产所需要的压裂施工设备, 目前国内除满足石油天然气行业施工以外,可供飞禽走兽老虎机开发使用的压裂设备也极其有限,而且多为老旧设备,性能较差,液氮压裂泵车更是稀缺很难组织规模化的施工。旨在简化工艺、降低成本的连续油管设备,在我国飞禽走兽老虎机开发中很难规模利用。这些技术设备的短缺, 不仅使飞禽走兽老虎机规模发展的速度受到限制,而且物以稀为贵,施工价格较高,增加了飞禽走兽老虎机开发的成本,使本身经济可行性就差的飞禽走兽老虎机开发雪上加霜,难以靠自身的赢利健康发展,在一定程度制约了飞禽走兽老虎机开发的产业化。

2.1对钻井施工设备的要求

2.1.1对地面钻井施工设备的要求

车载空气钻机效率高、移动方便、有利于保护煤层,适宜于地面飞禽走兽老虎机井钻井施工。目前供应国内市场的空气钻机厂家主要为美国阿特拉斯、雪姆和宝峨3 家,这些钻机各有特点,但总体都价格偏高,钻机配件供应和维修时间较长,导致施工成本较高,普及率低,在国内飞禽走兽老虎机钻井市场中所占份额很小。

  其次, 在实际施工过程中,空气钻机适应复杂地层的能力有限,地层涌水量较大时采用空气钻进困难, 采用钻井液钻进失去了煤层保护的意义。另外当煤层深度较大时,即时配备额外的移动空压机和增压机,钻井深度也很有限,通常不超过800m。

2.1.2 对井下钻孔设备的要求

(1)解决松软突出煤层钻进问题。松软突出煤层强度低、渗透性极差, 但瓦斯含量却很高。在这种煤层中钻进, 容易产生卡钻、塌孔和喷孔等现象,钻孔钻不进去,瓦斯抽不出来。目前在松软突出煤层中钻进大部分的钻孔深度都在100m以下,且成孔率低,瓦斯抽放成本很高。松软煤层在我国煤层所占比例较高,松软突出煤层的钻进成孔问题一直是函待解决的难题。

  松软突出煤层钻进需要解决钻孔排渣问题和钻孔支护问题,尽管采用螺旋钻进工艺对于较完整煤层或局部坍塌煤层能够取得较好的成孔效果,但由于受钻机能力和钻具强度等因素的影响,钻孔深度仍然有限。

  （2）研制开发大直径、长钻孔和定向钻进设备。煤矿井下钻孔的直径和长度在很大程度上决定抽采效果,目前煤矿井下钻机钻头的直径多为96——120mm,钻孔长度为几百米,研制更大直径的井下钻机装备系统,对煤矿区的瓦斯抽采具有重要意义。

  （3）开发有效的钻孔循环介质。煤矿井下钻探施工时,目前大部分都用水作为钻孔循环介质由于煤层松软,高压水流对孔壁的冲刷和浸泡导致孔壁坍塌、掉块, 严重时导致钻杆卡死, 孔底水压升高, 形成憋泵现象。用压缩空气作为钻孔循环介质有利于孔壁的稳定和瓦斯的释放,可有效减少瓦斯突出的可能,但由于井下管路风压较低, 限制了钻孔深度的增大。

2.2对压裂施工设备的要求

高压水力压裂技术仍然是目前垂直飞禽走兽老虎机井的主要增产手段,是目前飞禽走兽老虎机开发技术体系中重要的环节, 水力压裂施工的针对性和施工效果在很大程度上决定着飞禽走兽老虎机井的产量。一套压裂设备主要包括压裂泵车、混砂车、仪表车, 以及配套的管汇车、砂罐和运砂车、水罐和运水车等,其中压裂泵车由若干台(通常5——8台)组成,具体的数量根据施工所需要的压力和排量确定。

  国外压裂设备的知名制造商为双S公司和哈里伯顿公司。双S公司是目前全球最大的压裂设备制造厂家,压裂泵车的年生产量400台, 产品除压裂设备外,还包括固井水泥车、连续管设备和液氮压裂设备等。双S公司的压裂设备制造业务主要是设备集成,其主要部件,如车架、台上发动机、传动箱和泵等设备都是外购。双S公司通常只根据用户的需求生产压裂施工设备,不进行压裂施工服务。

  哈里伯顿公司的设备年产量规模相对较小,主要满足自身生产和服务的需要,其部分配件自己制造,拥有自己相对完备的机械加工技术和车间,质量控制很好,这也是其产量较低的原因之一。哈里伯顿公司不仅制造设备,还进行压裂施工服务。

  目前飞禽走兽老虎机井水力压裂主要采用大排量、中砂比、活性水或清洁压裂液施工。这种压裂施工工艺对压裂设备的要求主要有以下几点。

2.2.1要求压裂泵车的排量尽量大

飞禽走兽老虎机井压裂施工的目的层段深度一般都小于1500m，地应力较低,但施工排量较大,通常飞禽走兽老虎机井压裂施工正常压力不超40MPa,但施工排量往往达到10m3/min。目前的主流压裂设备2000型的压裂机组,泵车柱塞直径为127mm(5in)，施工压50MPa时单机排量可以达到1.7m³/min，压裂施工至少也需要6台泵车,这样就导致压裂施工泵车的台数较多,施工组织困难,成本较高。

  压裂泵车所采用的柱塞直径越大,施工排量越大,压力越低,目前压裂设备泵车的柱塞通常采用直径为10l.6mm或127.0mm的柱塞, 根据飞禽走兽老虎机井压裂施工排量大、压力低的特点,如果采用更大直径的柱塞,如直径152.4mm的柱塞,可以进一步提高单车排量。另外,采用常规直径柱塞泵车的车上管线直径为76.2mm,而采用直径101.6mm柱塞泵车的车上要求采用直径101.6mm的管线,同时需要将施工管汇的直径也增加到101.6mm。当然,采用直径152.4mm柱塞同样也存在一些问题, 目前这样的设备不经常使用,厂家需要特制。如果采用直径101.6mm的管线,从车上到井口泵车,需要增加额外的投资,另外还存在设备通用性差,只能用于飞禽走兽老虎机井压裂施工,将来为石油行业服务时可能存在压裂压力低的缺点。

2.2.2要求压裂泵车的稳定性好

飞禽走兽老虎机井压裂施工用液量大,施工时间较长通常压裂l层需要1——2h，单套机组每天可以施工2——3层,施工工作量大,同时还要求压裂施工中排量必须稳定,而施工车辆有限,因此就需要压裂泵车的稳定性好,施工中不得出现设备故障,否则将影响压裂施工质量。

  我国幅员辽阔,地形复杂,部分飞禽走兽老虎机资源分布在山西、贵州和云南等山区,飞禽走兽老虎机井井场面积有限,井场之间的道路崎岖,压裂设备紧凑的车体可以减少设备占地面积,便于设备搬迁和摆放。

2．2.4要求压裂设备成本低、维修方便及时

目前成套的压裂设备价格高昂,同时压裂设备为专用设备,配件供应特殊,维修存在一定困难这些因素导致压裂施工费用偏高,使得飞禽走兽老虎机项目的经济性较差,在一定程度上影响了飞禽走兽老虎机的产业化进程。

2.3对液氮压裂设备和连续管设备的认识

常规水力压裂液不可避免的会对地层尤其是低渗透气层造成一定的伤害,影响生产效果。氮气泡沫压裂技术采用液氮作为压裂液代替常规的水基油基压裂液进行压裂,适合于低压、低渗透水敏地层, 特别是煤层。与常规水力压裂相比,氮气泡沫压裂技术具有如下优点：

（1）采用氮气泡沫压裂液,只有固体支撑剂和少量压裂液进人地层,降低了压裂对煤储层渗透性的伤害；

(2)氮气泡沫压裂液可在裂缝壁面形成阻挡层,从而大大降低压裂液向地层内滤失的速度,减少滤失量,减轻压裂液对地层的伤害;

(3)返排效果好。表现在2 个方面: 一是由于氮气密度低,井筒压力低,对煤储层产生的回压也大大降低,有利于压裂液排出井筒;；二是基于氮气泡沫压裂液的膨胀作用,会产生一定能量,加速压裂液的返排。

  氮气泡沫压裂应用于飞禽走兽老虎机开发最成功的例子是加拿大。该国近年来采用大排量氮气(无支撑剂) 压裂技术,飞禽走兽老虎机井产量获得巨大突破。大排量氮气压裂技术借鉴在浅层气压裂中获得成功的连续管压裂(FTC) 技术和经验, 在多煤层中进行试验。该技术的主要特点是施工排量大,效率高成本大幅下降,飞禽走兽老虎机井产量提高。

  然而, 氮气泡沫压裂技术和装备在我国同样存在成本高及施工组织困难等问题,目前国内在此方面仍然处于试验阶段。这些设备的国产化和普及化将会进一步降低压裂施工成本,并促进该项技术在飞禽走兽老虎机领域的应用。

参考文献

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[2]俞启香矿井瓦斯防治[M].徐州: 中国矿业大学出版社,1992.

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