苏善博, 张培河*, 李林, 周加佳, 王正喜, 李勇
(1.煤炭科学研究总院, 北京 100013; 2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司, 西安 710077)
煤矿区地面煤层气开发工程受限于煤矿采掘规划,保证其合理性和经济性需要通过有利区优选、井位部署方法研究和工程地质条件分析等。针对寺河井田多煤层,高瓦斯等地质特点,从整体到局部层层递进,环环相扣[1]。有利区优选是煤层气开发的先决条件。首先采取地面与井下条件统筹分析的工作方法,优选出煤层气开发的有利区块,确定穿煤柱水平井煤层气开发井位部署原则后对优选区块进行穿煤柱水平井井位部署,并规避地质构造和地形交通等影响对部分井位微调,直至形成满足全区要求的地面煤层气开发工程部署方案[2]。科学、合理的井位部署方法,不仅要对单一影响因素进行分析,还应考虑多因素的综合影响结果[3]。
目前针对煤层气开发有利区优选经历了从定性化到半定量化再到定量化的发展阶段[4-5]。多层次模糊数学法是为各评价指标赋予权重,计算得分作为选区评价的定量依据,能够很好地把定量分析与定性分析相结合,含有评价者的主观判断、经验,通过一致性检验,有效的分析目标准则体系层次间的非序列关系[6-7]。多层次模糊数学评价模型的选区方法已被广泛使用,其在鄂尔多斯盆地富黄地区延长组长9油层储层评价[8]、冲击地压综合评价[9]、准东地区煤炭气化有利区预测[10]、盾构掘进适应性评价[11]、煤矿废弃油井风险等级分类[12]、澳大利亚东部地区低煤阶煤层气有利区[13]、沁水盆地武乡南区块煤层气有利区[14]、滇黔北探区煤层气多层合采有利区[15]等多方面应用得到了较好的效果。但前人在煤层气有利区优选应用中评价指标多集中在煤厚、煤层气含量、渗透率、构造发育情况等资源条件和储层条件两方面,对地面煤层气开发工程施工影响很大的工程地质条件并未包含在内。
在寺河井田多煤层发育区进行下组煤煤层气开发有利区优选时,不仅要进行平面有利区优选,而且要考虑煤层底板采动效应。因此,现利用FLAC3D软件模拟研究上组煤采动后下伏岩层应力变化;结合煤矿采掘部署,选取影响下组煤煤层气开发不同选区评价指标,采用“层次分析法+模糊综合评价法”的选区评价思路,构建适合于寺河井田下组煤煤层气开发潜力评价指标体系,建立包含资源条件、储层条件和工程地质条件在内的三级评价模型,为该区下组煤地面煤层气开发工程提供一些借鉴。
寺河井田位于沁水盆地南部,北部和西部邻近郑庄煤矿,东北部临近樊庄煤矿,南部邻近晋圣和岳城煤矿,是目前中国煤层气开发的重点区域。井田主要含煤地层是石炭-二叠系太原组和山西组,共含煤15层,其中3、15号为主要可采煤层,9号除西区局部可采,其余为不可采煤层。15号煤层位于太原组下部,厚度为1.80～5.45 m,多在2.5～3 m。现分为东西两个独立盘区(独立生产系统),煤层硬度高,煤体结构简单,总体上属于地质构造简单类,研究区构造如图1所示。
图1 区域构造图Fig.1 Regional tectonic map
采用斜井盘区式开拓方法,走向长壁综合机械化采煤开采3号煤层,部分3号煤区域已经成为采空区,3号煤采空区范围如图2所示,未来规划开采下组煤15号煤层。
图2 寺河井田3号煤采空区范围Fig.2 Range of No. 3 coal mining area in the Sihe Mine
根据已有的煤层气含量测试结果:3 、9 、15 号煤瓦斯含量多在20 m3/t以上,且9、15号煤平均瓦斯含量均高于3号煤层。寺河井田15号煤层气含量图如图3所示。
图3 寺河井田15号煤层气含量图Fig.3 Map of the No. 15 gas content of Sihe Mine
根据寺河井田3、9、15号煤层工程地质条件,利用数值模拟软件,建立模型模拟上组煤开采,在推进不同位置时下组煤的应力分布及位移变化情况。
2.1 建立地质模型
基于工作面实测钻孔柱状图,采用FLAC3D软件进行模拟,建立几何力学模型,模型长、宽、高尺寸为500 m×500 m×200 m,地质模型如图4所示。高度设置为200 m,从地面到模型的底部设定为500 m,即模型建立在地下300 m处。
图4 地质模型Fig.4 Geological model
在进行地质采矿模拟之前,为保证该模型能实现其自身的重力平衡,必须对该模型进行初始地应力处理,垂直应力计算公式为
Q=rΔH
(1)
式(1)中:Q为上覆岩层载荷,N/m2;r覆岩平均容重N/m3;ΔH为模型顶板距地面距离,m。
上覆岩石平均容重取25 000 N/m3,因此对顶部表面施加的压力是25 000×300=7.5 MPa。表1列出各岩层物理性质参数。
表1 煤岩储层物理性质参数
将模型的第5层规定为15号煤层、第13层规定为9号煤层、第24层规定为3号煤层模型。本次数值模拟选用Mohr-Coulomb模型。
2.2 模拟结果分析
3号煤工作面推至不同位置时下伏岩层垂直应力变化云图如图5所示。可以看出在上覆煤层开采后,煤层底板会向采空区方向发生移动和变形,地应力重新分布,同时卸压使得附近围岩的透气性增大,在垂直方向上底板卸压存在一定的范围。在寺河煤矿3号煤层开采高度6 m条件下,不同推进长度导致下伏岩层垂直应力分布变化不同。
图5 3号煤层开采应力云图Fig.5 No.3 coal seam mining stress contour
上组煤回采后,底板岩体经历了压缩-卸压膨胀-重新压实3个阶段。随着3号煤层工作面自开切眼不断推进,下伏围岩卸压范围伴随上组煤开采面积的增加而增大。根据模拟结果,下伏围岩卸压最大深度可达158 m,3号煤层距离9号煤层约48 m,距15号煤层约84 m。3号煤层回采使得下伏岩层出现了明显的卸压情况,9号煤层和15号煤层在3号煤层开采的卸压范围以内。
煤层气有利区综合评价根据相应的评价目标要求以及评价因素的相互关系建立具有不同层次的评价指标体系[16]。下组煤煤层气开发是一项系统工程,其开发过程与诸多因素有关,应重点关注以下两个方面。
(1)资源潜力可行性。资源是地面开发的先决条件,地面煤层气开发需要一定规模的资源做支撑,如果资源量规模过小,地面煤层气开发可能不具备可行性。
(2)开发工程可行性。煤层气开发要求所在地区的地质、储层等条件必须要满足目前煤层气开发工艺技术的要求。对煤矿区下组煤煤层气开发而言,煤矿采掘部署以及由此引起地质、储层条件的变化对煤层气开发工程的影响等。
根据寺河煤矿煤炭采掘现状,结合穿煤柱煤层气开发工程相关要求,按照资源潜力可行性、开发工程可行性的目标层评价,采用层次分析法,建立采动区下组煤煤层气开发潜力评价指标体系AA包含资源条件B1、储层条件B2及工程地质条件B3在内的采动区下组煤煤层气资源三级评价模型;基于对寺河井田煤田地质、煤层气地质资料及开发数据的分析,对东五、六盘区及西一、二、三盘区等五个盘区做出评价。其中资源条件B1包括气含量C1、埋藏深度C2、煤层厚度C3;储层条件B2包括顶底板岩性C4、构造复杂程度C5、水文地质条件C6;工程地质条件B3包括煤炭采掘规划C7、上组煤采空比C8(上组煤采空区面积与区块面积的比值)、地表施工条件C9。
研究区在资源条件和储层条件上具有相似性,但也存在一定的差异。在遵循客观性和评价主体的特殊性两大原则的基础上,邀请有关专家对指标进行两两打分,建立同指标参数间的判断矩阵。利用MATLAB软件计算判断矩阵的最大特征值λmax及其对应的特征向量,各指标的权重如表2所示。
表2 下组煤煤层气资源评价各指标权重
表3 各层次系数总排序
应用模糊矩阵的复合计算,得到有利区的模糊综合评判矩阵,采用十分制进行量化处理,将每个盘区的评价指标的量化值与采动区下组煤煤层气开发潜力评价指标体系中三级指标构成的权重系数乘积相加得到赋值加权求和值,从而得到最终的评价结果,下组煤煤层气有利区优选结果如表4所示。
表4 下组煤煤层气有利区优选结果
从表4看出:按照煤层气开发的有利程度,寺河井田5个盘区的顺序为:东五盘区、西二盘区、西一盘区、西三盘区、东六盘区。即:东五盘区的综合排序系数最大,煤层气开发潜力大,是寺河煤矿部署下组煤地面煤层气开发的优选区。因此,设计下组煤煤层气抽采首先在东五盘区进行。
目前地面煤层气开发主要有直井、定向井、水平井等开发方式,每种方式对地质、储层和地形等条件的适应性不同。寺河井田地质构造简单、煤层厚度稳定、埋藏深度适中,水平井煤层气开发条件有利。另外,近年来,水平井以地形适应性好、产量高、后期管理方便、综合成本低等优势,为业界广泛应用。因此,本次寺河井田的下组煤煤层气开发首先考虑采用水平井方式。
4.1 部署原则
考虑寺河井田煤炭采掘规划、目前区内煤层气开发现状、矿区煤层气地质条件等,合理地优化设计试验井位置,采取“整体规划、分步实施、过程调整、动态评价”的策略进行煤层气开发部署[17],试验井井位部署原则如下。
(1)立足本矿区煤层气资源,服务煤矿安全生产、降低瓦斯含量。
(2)与煤矿生产采掘规划部署紧密结合,且与煤矿生产紧密衔接。
(3)选择下组煤煤层气资源富集区,将水平井段布置在有利区内。
(4)优先考虑深度适宜、煤层厚、分布稳定且发育稳定区域布井。
(5)煤储层条件满足煤层气水平井开发工程施工要求。
(6)直井段避开3号煤采空区及开采大巷,减少钻井工程施工难度。
(7)地形条件适宜,供水、供电等条件方便;有利于矿区持续发展,充分考虑煤炭及煤层气资源的合理有效利用。
4.2 优化设计
矿井采用斜井盘区式开拓方法,走向长壁综合机械化采煤法,顶板管理为自然垮落法,采煤后采空区上覆岩层出现明显的弯曲、离层和垮落,自上而下形成弯曲下沉带、裂隙带和冒落带;下伏岩层形成底鼓裂隙带、底鼓变形带。采煤后会在终采线设置密闭墙,用于封闭已完成回采的工作面,由于密闭墙的支撑作用,处于终采线附近的采空区上覆岩层不易垮塌。同时结合“O”形圈理论,认为回采边界处的煤柱是比较理想的下组煤地面煤层气布井位置,不仅能避免煤层气井影响煤炭回采的问题,而且可使煤炭回采对钻孔井筒的影响程度最小。同时水平井对于薄煤层开发效果好,薄煤层使用直井开采接触面积小,产量较低,经济效益差,水平井能够显著提升开发效益。在考虑煤层气开发目的和地质条件的基础上,结合煤炭采掘部署,合理进行井位设计。
煤层气井位部署及设计需要降低对煤炭生产的影响、最大限度地提高气井服务年限和提高采收率。水平井设计考虑的关键要素及内容如下。
(1)水平井方向。水平井方向主要考虑两个因素,一是有利储层展布特征,尽量沿有利储层展布方向部署水平井。二是考虑最大水平主应力分布情况,通常垂直最大水平主应力方向布井,因为垂直于最大主应力方向,压裂时裂缝延伸最远,储层改造效果最好,增加地层流体向井筒的渗流能力。
(2)水平段长度。水平段长度决定了单井井控储量范围,水平段长度与产量成正比。水平段长度设计首先要考虑的就是地质条件,有利储层分布范围是否满足水平段实施要求,在地质条件允许情况下,选择合适的水平段长度。
(3)水平井间距。由于工作面宽度的限制,在垂直于工作面走向上,布井间距应与工作面和巷道宽度一致,同时为避免缝间干扰,使煤层气开发井网覆盖区域最大化,水平井段间距应在250 m左右。
(4)水平井轨迹。根据目前钻井技术,以钻中短半径水平井为目标,设计靶前距在210～260 m之间。由于3号层煤和15号煤层间距范围是确定的,穿煤柱下组煤煤层气抽采的钻井设计不仅需要考虑水平井的靶点位置,而且要充分考虑3号煤层和15号煤层间距引起的钻井轨迹设计难度。由于煤柱的位置是确定的,而且煤矿上组煤开采对周围岩体造成岩层移动、裂隙发育等情况,使得井眼轨迹的优化设计至关重要。设计的水平井轨迹应尽可能避开断层带,同时要满足钻井施工等要求。
根据上述确定的穿煤柱水平井开发部署原则,水平井设计考虑的关键要素及内容等,设计寺河井田东五盘区穿煤柱抽采下组煤煤层气水平井,共设计水平井15口,井位设计图如图6所示。
图6 井位设计图Fig.6 Well design drawing
在东五盘区设计的煤层气井中选取一口水平井开展了下组煤煤层气的抽采试验。设计下组煤穿煤柱煤层气水平井,钻井采用三开结构,三开下入生产套管不固井,压裂开发油管拖动大排量水力喷射压裂一体化设备,排采设备选用螺杆泵,通过采用“大井斜扶正+双保接箍降偏磨+导向器降扭矩损耗”工艺[18]。至2021年6月,最高日产气量9 522 m3,14个月内累计产气量220×104m3,产气效果理想。
(1)通过对寺河井田的系统评价研究,利用FLAC3D软件模拟,建立煤层底板采动效应地质模型,开展针对性的研究上组煤采动后下伏岩层应力变化,数值模拟结果表示,下伏岩层最大破坏深度可达底板以下158 m,太原组9号煤层和15号煤层都处在卸压范围内。
(2)根据下组煤煤层气开发的相关影响因素,分级构建下组煤煤层气开发潜力评价指标体系;结合层次分析法确定不同指标的权重,利用模糊数学的方法建立评价矩阵,从而确定其相应的加权求和值,预测评价下组煤煤层气水平井开发的有利区为东五盘区。
(3)结合寺河井田实际条件,确定本区煤层气水平井井位部署原则,分析下组煤煤层气井位优化的关键要素和内容,优化部署15口穿煤柱抽采下组煤煤层气水平井,选取一口水平井开展了下组煤煤层气的抽采试验,工程试验效果良好。
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