王 爭

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048000；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司, 山西 030000)

沁水盆地是我國重要的煤層氣產業(yè)基地之一，煤層氣資源量約為4×1012m3，2014年煤層氣產量已達到30×108m3，開發(fā)前景廣闊。潘莊井田作為沁水盆地20余個井田之一，歷史上存在較多小型礦井，通常采用房/柱式采煤方式，只采煤房不回收煤柱，殘煤率高達40%～50%。該類小型礦井廢棄后通過地面垂直鉆井至采空區(qū)垮落帶內，使井口與采空區(qū)有效溝通，地面使用小型螺桿/漩渦增壓機組進行抽采。在采空井實際抽采過程中存在抽采強度高導致甲烷濃度等抽采參數(shù)波動較大、螺桿/漩渦增壓機組安全監(jiān)控系統(tǒng)相關聯(lián)鎖參數(shù)設置不合理導致設備頻繁連鎖停機等問題，需要制定合理的抽采工作制度及配套的抽采工藝技術。

1 影響抽采效果的因素

1.1 抽采強度不合理

采空區(qū)煤層氣抽采實質上是自采空區(qū)上部裂隙帶至煤層底板范圍內壓力傳播至地面抽采設備的過程。高負壓、大流量的抽采強度導致采空區(qū)內壓力激動，導致煤粉容易形成和產出，造成井筒附近煤巖層微裂隙發(fā)生閉合，產生壓敏效應；同時煤層氣解吸速度過快容易導致殘煤產生極強的速度敏感性，影響產氣量。

1.2 抽采配套設備不完善

(1)因采空井井下地質條件不同于預抽井，采空井井口套壓較低，一般為0～50KPa，部分井甚至為微負壓。采空井投運初期使用管式泵、水環(huán)泵、螺桿/漩渦增壓機組進行試抽采。使用管式泵抽采的采空井日產水量極低，不產氣；使用水環(huán)泵抽采的采空井抽采負壓較高，日產氣量衰減嚴重，抽采周期極短；使用螺桿/漩渦增壓機組抽采的采空井設備初期容易故障停機，影響抽采效果。

(2)在井口為負壓的情況下，空氣有可能通過井口進入煤礦采空區(qū)內，加速采空區(qū)內部的殘煤氧化速度，存在殘煤自燃的可能性，且采空區(qū)內甲烷在一定濃度條件下具有爆炸的風險。采空區(qū)地面井使用配套設備抽采時應考慮相關安全風險，制定相應防范措施。

2 合理工作制度的建立

2.1 抽采制度的優(yōu)化

國內外學者針對常規(guī)煤層氣井對煤層氣排采階段的劃分進行了研究，包括國外的三段劃分法和國內的四段、八段劃分法。但對采空井煤層氣抽采制度研究較少。筆者根據(jù)國內外的資料，結合現(xiàn)場排采的經驗，以現(xiàn)有15口采空井抽采試驗為基礎，針對性調整優(yōu)化原有采空井定日產氣量的抽采制度，提出“四段制”的抽采制度，見表1。

表1 “四段制”抽采工作制度

其劃分依據(jù)如下：

Ⅰ自由放噴階段，該階段主要針對井口壓力為正壓采空井，若井口壓力為負壓則略過此階段，該階段一般持續(xù)時間為3～7d。通過人為放空初步判斷采空區(qū)殘煤解吸煤層氣產氣量大小，為選擇合適功率螺桿/漩渦增壓機組提供參考。

Ⅱ穩(wěn)定壓力降階段，通過調整抽采設備運行頻率達到控制采空井井口壓力的目的，一般持續(xù)時間為20～50d。該階段使用螺桿/漩渦增壓機組抽采設備傳播壓力降至采空區(qū)內部裂隙空間，游離煤層氣發(fā)生運移至抽采設備內，從而進一步降低井底流壓，促進采空區(qū)殘煤吸附氣的解吸，最終使采空區(qū)殘煤解吸速度與抽采設備抽采能力平衡。此階段壓力降幅度不能超過0.1～0.2kPa/d，過快的壓力降將影響采空區(qū)內壓降漏斗的擴展，不利于后期采空井抽采。

Ⅲ穩(wěn)壓產氣階段，通過固定抽采設備運行頻率，保證井口壓力穩(wěn)定，合理控制生產壓差，達到穩(wěn)產目的。此階段一般持續(xù)時間400d以上。

Ⅳ定產氣量階段，此階段采空區(qū)殘煤吸附氣解吸量明顯低于抽采設備抽采量，井口壓力降低明顯時應提高抽采設備運行頻率，保證抽采設備日均瞬時流量不低于小于2倍增壓機組電流值，否則應停止抽采或更換更小功率增壓機組。典型的四段制抽采曲線見圖1。

圖1 JSCK-15井抽采曲線

2.2 井口壓力的控制

井口壓力是體現(xiàn)采空區(qū)殘煤吸附氣解吸能力的重要衡量指標，井口壓力過高，抽采設備抽放效率降低，不能充分釋放采空井產能；井口壓力過低，抽采設備高負荷運行，不利于采空井長期抽采。在抽采設備相同的前提下，對采空井井口壓力、日產氣量及抽采效果進行分析，可以有效指導采空井抽采制度的制定。

根據(jù)現(xiàn)場連續(xù)運行的9口采空井抽采數(shù)據(jù)為基礎，使用數(shù)學統(tǒng)計方法分析了不同抽采設備井口壓力與日產氣量的相互作用關系，對井口壓力區(qū)間求交集可得到抽采設備規(guī)格為3000m3/d時，井口壓力保持1.1～1.4kPa時有利于采空井長期、穩(wěn)產抽采；抽采設備規(guī)格為5000m3/d時，井口壓力保持-8.5～-6.5kPa時有利于采空井長期、穩(wěn)定抽采，如下表2所示。

表2 潘莊井田連續(xù)運行采空井運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 抽采配套工藝技術優(yōu)化

3.1 抽采設備優(yōu)選

目前共有15口采空井投運，共有4口采空井使用管式泵抽采，1口采空井使用水環(huán)泵抽采(后改為增壓機組)、11口采空井使用螺桿/漩渦增壓機組進行試抽采。使用管式泵抽采的采空井日產水量極低，不產氣；使用水環(huán)泵抽采的采空井抽采負壓較高，日產氣量衰減嚴重，抽采周期極短；使用螺桿/漩渦增壓機組抽采的采空井初期因設備安全監(jiān)測聯(lián)鎖參數(shù)設置不合理導致頻繁聯(lián)鎖停機，影響抽采效果。

結合潘莊井田附近采空井井口壓力不高的基礎地質條件，經過采空井長期抽采試驗摸索，優(yōu)選螺桿/漩渦增壓機組作為采空井主要抽采設備。

3.2 抽采工藝優(yōu)化

以螺桿/漩渦增壓機組作為采空區(qū)地面井抽采工藝核心組成部分，通過優(yōu)化整體抽采工藝流程，實現(xiàn)采空井安全抽采的目的，抽采工藝流程圖圖2。

圖2 自由放噴階段抽采工藝流程圖

圖3 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段抽采工藝流程圖

(1)Ⅰ自由放噴階段，此階段地面工藝流程為井口(壓力表)→閥門→阻火器→流量計→放空管。

(2)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ抽采階段工藝流程為：井口(壓力表)→閥門→單向閥→阻火器→增壓機組→流量計→過濾器→閥門→管網(見圖3)。

3.3 安全監(jiān)測聯(lián)鎖參數(shù)優(yōu)化

對以螺桿/漩渦增壓機組作為抽采設備的潘莊井田試驗區(qū)11口采空井歷史運行參數(shù)波動情況進行總結分析，在保障設備安全運行的前提下對增壓機組原聯(lián)鎖參數(shù)進行優(yōu)化處理，有效避免了采空井運行參數(shù)波動所觸發(fā)的抽采設備聯(lián)鎖停機，達到了抽采設備穩(wěn)定運行的目的。

根據(jù)重慶煤科院2013年12月出具的《特殊環(huán)境條件下甲烷爆炸極限測定》報告，甲烷-空氣混合氣體在環(huán)境壓力0.4MPa、環(huán)境溫度100℃、10J點火能量條件下，甲烷的爆炸上限為21%。據(jù)中國煤礦安全生產網數(shù)據(jù)，當氧氣濃度低于12%時，甲烷氧氣混合氣體不會爆炸。采空井增壓機組的安全抽采聯(lián)鎖停機參數(shù)修改對照可見表3。

表3 螺桿/漩渦增壓機組安全抽采聯(lián)鎖停機參數(shù)

4 應用效果

自2013年以來已經累計投運15口采空井，其中5口初期采空井因進行抽采試驗已廢棄，1口采空井因產能不佳進行間斷性抽采，另外9口采空井按照“四段制”抽采工作制度，仍處于穩(wěn)壓產氣階段，產氣量穩(wěn)定3000m3/d以上達3口采空井，產氣量穩(wěn)定2000～3000m3/d達3口采空井，產氣量穩(wěn)定1000～2000m3/d達3口，平均日產氣量2.5×104m3/d，累計日產氣量2313.1×104m3/d。

5 結論

(1)潘莊井田試驗區(qū)采空井具有井下殘煤率高，采空區(qū)煤層氣資源量豐富的特點，合適的抽采制度及安全工藝流程是穩(wěn)產的關鍵，Ⅱ抽采階段切忌大幅度壓力降，保證采空區(qū)內壓降漏斗大范圍擴散；

(2)針對采空區(qū)自燃、低濃度煤層氣容易發(fā)生爆炸的風險，通過優(yōu)化潘莊井田試驗區(qū)采空井配套安全抽采工藝技術，可以實現(xiàn)安全抽采目的。

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