張江華 秦 勇 李國富 孟召平 李國慶 李軍軍 季長江 陳召英

1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室3.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室·中國礦業(yè)大學(xué)4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院 5.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院

0 引言

在國家“雙碳”目標(biāo)的背景下，中國天然氣資源供給需求比任何時候都更為強烈。煤礦采空區(qū)及其圍巖中殘留著豐富的煤層氣資源[1]，是增加天然氣供給的現(xiàn)實資源。截至2021年，僅山西省廢棄礦井就達1.2×104處，采空區(qū)面積達到870.92 km2[2]。為了盤活這一部分煤層氣資源，前人分別對采空區(qū)煤層氣資源評價方法[3-4]、采空區(qū)井設(shè)計[5]和抽采方法[6]進行了研究，但多關(guān)注的是采空煤層之上煤層氣抽采，資源量更為豐富的下伏煤層氣資源長期未能動用。上部煤層開采同樣導(dǎo)致采空區(qū)下伏地層應(yīng)力卸載，煤巖層裂隙張開，滲透率增高，為下伏煤層氣資源高效開采提供了有利條件。結(jié)合煤炭開采向深部延伸的趨勢，山西藍焰集團率先關(guān)注到采空區(qū)下伏煤層氣資源的開發(fā)利用價值，啟動了針對性抽采方法研發(fā)[7-9]。然而，過采空區(qū)煤層氣地面井開發(fā)依然面臨諸多技術(shù)難題，如煤層采空卸壓條件對下伏煤層氣賦存特點的擾動情況不明、資源分布狀況不清、抽采效果有待評估等。基于此，針對晉城西部礦區(qū)，建立了采空區(qū)下伏煤層氣資源潛力評價方法，分析了抽采應(yīng)用效果，為該項技術(shù)方法推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

晉城西部礦區(qū)（簡稱晉城西區(qū)）早期的煤炭開發(fā)和煤層氣地面抽采對象為3號煤層，多年開采形成了大面積采空區(qū)，下伏9號和15號煤層的煤層氣長期未能有效抽采，也給下伏煤層的煤炭安全生產(chǎn)造成極大隱患。同時，因為采掘銜接的需求，下部煤層的煤層氣預(yù)抽迫在眉睫。

晉城西區(qū)包括寺河、晉圣、成莊和岳城等煤礦，主要可采煤層由淺至深為山西組3號煤層和太原組9號、15號煤層（圖1）。可采煤層累計厚度約13.5 m，屬于國內(nèi)緊缺的優(yōu)質(zhì)無煙煤。

圖1 晉城西部礦區(qū)位置及其含煤地層綜合柱狀圖

3號煤層距離9號煤層約48 m，距15號煤層約84 m（圖1）。大量測試結(jié)果顯示，晉城西區(qū)9號煤層和15號煤層的蘭氏體積平均為43.71 m3/t，蘭氏壓力平均為3.42 MPa，臨界解吸壓力平均為3.02 MPa。其中3號煤層平均厚度為6.09 m，平均含氣量為19.51 m3/t；9號煤層平均厚度為1.00 m，平均含氣量為17.84 m3/t；15號煤層平均厚度為3.21 m，平均含氣量為24.10 m3/t；3號煤層傾角為4°，直接頂板一般為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，單向抗拉強度為1.20 MPa，黏聚力為4.93 MPa，內(nèi)摩擦角為41.6°。

2 采空區(qū)下伏煤層氣資源潛力

2.1 采空區(qū)卸壓范圍分析

與常規(guī)采空區(qū)煤層氣抽采井相比，采空區(qū)下伏煤層氣地面井抽采技術(shù)難點之一在于鉆井需穿越采空影響區(qū)。鑒于這一特點，過采空區(qū)井鉆遇的采空影響區(qū)在垂向上可分為3部分：①上覆卸壓區(qū)；②采空破碎區(qū)；③下伏卸壓區(qū)（圖2）。根據(jù)“上三帶”及采空區(qū)應(yīng)力釋放原理，由上而下的巖層移動分為彎曲下沉帶、裂隙帶、垮落帶、采空區(qū)煤層、底臌裂隙帶和底臌變形帶。筆者將彎曲下沉帶和裂隙帶定義為上覆卸壓區(qū)，將底臌裂隙帶、底臌變形帶定義為下伏卸壓區(qū)，將垮落帶和采空區(qū)煤層定義為采空破碎區(qū)，同時，將裂隙帶、采空破碎區(qū)和底臌裂隙帶統(tǒng)稱為采煤影響區(qū)域。

圖2 采空區(qū)卸壓范圍示意圖

上述分帶中，垮落帶由上覆巖層垮落巖石組成，裂隙帶隨著工作面的推進發(fā)生變形與位移導(dǎo)致裂隙發(fā)育，兩者直接導(dǎo)通采空區(qū)破碎區(qū)。在下伏卸壓區(qū)，底臌裂隙帶裂隙主要為沿層理的順層張裂隙和巖層破斷后垂直、斜交層理形成的穿層裂隙，裂隙連通性較好，并與采空區(qū)導(dǎo)通；底臌變形帶裂隙以沿層理形成的順層張裂隙為主，上、下巖層之間不導(dǎo)通，順層裂隙發(fā)育程度與采空區(qū)距離呈反比[10]。

根據(jù)寺河煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告及國家安全監(jiān)管局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[11]，計算寺河礦3號煤層采空區(qū)上部裂隙帶最大高度、工作面底板破壞深度（即底臌裂隙帶的范圍）?；诜€(wěn)壓區(qū)理論可以確定上部煤層開采對下部煤層的影響范圍，利用穩(wěn)壓區(qū)錯距公式計算底臌變形帶的最小深度。相關(guān)計算公式分別如下[12]。

垮落帶最大高度（Hk）計算如下：

式中M表示煤層厚度，m；表示累計采厚，m。

裂隙帶最大高度（Hl）[13]計算如下：

工作面底板破壞深度（Hp）[14]計算如下：

式中T表示開采深度，取平均值331.4 m；α表示煤層傾角，取平均值4°；W表示工作面傾向長度，取平均值 250.0 m。

利用穩(wěn)壓區(qū)開采計算模型[15]計算底臌變形帶的最小深度，公式如下：

式中Xmin表示兩煤層影響最小錯距，m；D表示兩煤層平均間距，取84.0 m；δ表示巖石移動角，取55°；L表示安全距離，一般為20.0～25.0 m，取20.0 m；B表示上煤層工作面的最大控頂距，取7.0 m。

計算結(jié)果分別為：垮落帶最大高度為15.0 m，裂隙帶最大高度為59.4 m，底臌裂隙帶（即工作面底板破壞深度）最大深度為25.9 m，底臌變形帶最小深度為86.0 m。因此，采煤影響區(qū)域為3號煤層頂板以上74.4 m至底板以下25.9 m，下伏卸壓區(qū)最小深度為3號煤層底板以下86.0 m。3號煤層距離9號煤層約48.0 m，距15號煤層約84.0 m。由此可知，9號和15號煤層均處于底臌變形帶內(nèi)，處于3號煤層采空區(qū)下伏卸壓區(qū)范圍。

2.2 采空區(qū)下伏地層卸壓效果分析

利用FLAC3D模擬軟件，分別模擬3號煤層采高為 1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m 和 6.0 m（煤層原始厚度）時的開采活動，計算采空區(qū)下伏巖層的彈性卸壓應(yīng)力變化（圖3）。

圖3 上部煤層采高與下伏巖層卸壓程度關(guān)系圖

如圖3所示，隨著3號煤層采高的增加，下伏巖層的卸壓范圍逐漸變大，且卸壓梯度也逐漸變大。基于數(shù)值模擬結(jié)果，擬合得到3號煤層采高與卸壓最大深度之間關(guān)系如下：

式中Xmax表示下伏巖層卸壓最大深度，m；式（5）中的系數(shù)23.5，指示采空區(qū)下伏巖層卸壓深度約為采高的23.5倍。

以研究區(qū)3號煤層平均厚度6.1 m計算，在采全高條件下，下伏巖層卸壓最大深度可達143.0 m。進一步而言，3號煤層采空區(qū)卸壓作用大幅提高了采空區(qū)下部9號和15號煤層的孔滲性。倪小明等[16]基于樊莊區(qū)塊原始煤儲層參數(shù)，根據(jù)煤基質(zhì)與孔隙應(yīng)力平衡、損傷理論擬合垂向應(yīng)力與孔隙度關(guān)系，提出了如下經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

式中σv表示垂向總應(yīng)力（即原始上覆巖層自重應(yīng)力），MPa；φ表示孔隙度。這一模型采用晉城礦區(qū)試驗數(shù)據(jù)獲得，可應(yīng)用于9號和15號煤層的孔隙度和滲透率變化幅度估算。

未采區(qū)煤層垂向應(yīng)力（σv0）與采空區(qū)下伏煤儲層垂向應(yīng)力（σv1）的計算公式均由下式估算：

式中ρ表示巖石密度，kg/m3，計算σv1時密度根據(jù)過采空區(qū)井的測井曲線予以解釋，計算σv0時密度采用采動前煤層氣井測井解釋結(jié)果；h表示深度，m，計算σv1時h根據(jù)鉆孔柱狀圖確定采空區(qū)和下伏目的煤層的距離；g表示重力加速度。

將計算的σv0與σv1的代入式（6），得出9號、15號煤層孔隙度分別提高約3.15倍和2.50倍。

陳俊國[17]利用本文研究區(qū)鄰區(qū)（潞安礦區(qū)李莊煤礦）煤樣，開展物理模擬試驗和理論推導(dǎo)，建立了簡化的滲透率和孔隙度關(guān)系式。筆者利用這一模型，計算采空后下伏煤層的滲透率提高倍數(shù)，計算如下：

式中K0、K1分別表示初始煤層滲透率和采空后下伏煤層滲透率，μm2；φ0、φ1分別表示初始煤層孔隙度和采空后下伏煤層孔隙度。

得出9號、15號煤層滲透率分別提高約31倍和16倍。同時，采空區(qū)下伏煤層因卸壓作用，抗壓強度和抗拉強度減小，約為相同深度原始抗壓強度及抗拉強度的1/3，原巖整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，裂隙充分發(fā)育，儲層壓力減小。卸壓作用必將導(dǎo)致采空區(qū)下伏煤層氣解吸，在保存條件良好前提下，游離氣含量在總含氣量中的比例必然提高。

2.3 采空區(qū)下伏煤層氣資源量測算

計算模型由煤層吸附氣資源量和采動卸壓游離氣資源量兩部分組成，即：

式中G表示采空區(qū)下煤層氣資源量，m3；Gx表示吸附氣資源量，m3；Gy表示游離氣資源量，m3。

2.3.1 吸附氣資源量計算模型

按照我國地礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（煤層氣儲量估算規(guī)范：DZ/T 0216—2010），采用體積法計算煤層氣資源量[18]：

式中Qx表示吸附氣資源豐度，108m3/km2；A表示資源量計算面積，km2。

吸附氣資源豐度計算式為：

式中Vx表示吸附氣含量，空氣干燥基樣品的測定數(shù)值，m3/t；E表示煤層平均容重，t/m3。

其中，煤層吸附氣含量計算式為：

式中S表示含氣飽和度；VL表示蘭氏體積，m3/t；pL表示蘭氏壓力，MPa；pp表示現(xiàn)今儲層壓力（即采空后煤儲層壓力），MPa。

若已知煤層原始含氣量，根據(jù)Langmuir方程，含氣飽和度的計算公式為：

式中V0表示煤層原始含氣量，m3/t；p0表示煤儲層原始壓力，MPa；Vl表示理論飽和含氣量，m3/t。

2.3.2 游離氣資源量計算模型

受到上部采空區(qū)開采卸壓的影響，下伏煤儲層壓力下降，使一部分吸附氣解吸成為游離氣。為此，采空區(qū)下伏煤層游離氣含量為：

式中Qy表示游離氣資源豐度，108m3/km2，其計算公式為：

式中Vy表示游離氣含量，m3/t。

其中，暫不考慮采空區(qū)卸壓逸散作用，煤層游離氣含量是原始吸附氣含量與采空區(qū)卸壓導(dǎo)致解吸量之差，計算公式為：

式中S1表示采空區(qū)下伏煤儲層含氣飽和度。

根據(jù)馬修斯（Matthew）和凱利（Kelly）提出的破裂壓力預(yù)測模型[19-20]，破裂壓力與地層孔隙壓力（相當(dāng)于采空區(qū)下伏煤儲層壓力pp）和上覆巖層壓力的關(guān)系為：

式中pf表示煤儲層破裂壓力，MPa；b為常數(shù)，根據(jù)各礦區(qū)實際壓裂施工所得破裂壓力和試井所得地層壓力代入式（17）擬合計算得出。

其中，破裂壓力由各區(qū)塊過采空區(qū)井壓裂報告予以解釋，利用式（7）計算的采空區(qū)下伏煤儲層垂向應(yīng)力σv1替代上覆巖層壓力Pf并代入式（17），求得采空區(qū)下伏煤儲層壓力：

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力等于孔隙流體壓力和有效應(yīng)力之和，采空后的煤儲層有效應(yīng)力為：

式中σe表示有效應(yīng)力，MPa。

利用晉城礦區(qū)煤儲層有效應(yīng)力和含氣飽和度之間的擬合公式[16]為：

變換式（20），得到采空區(qū)下伏煤層含氣飽和度計算如下：

將計算結(jié)果S1代入式（16），可得到游離氣含量。將下伏煤儲層條件和煤樣等溫吸附實測資料帶入上述相關(guān)計算式，計算得到研究區(qū)各煤礦的煤層氣資源量和資源豐度如表1所示，結(jié)果顯示，晉城西區(qū)采空區(qū)下伏9號煤層和15號煤層煤層氣資源量合計為261.45×108m3。其中，吸附氣資源量為 105.55×108m3，占比40.37%；游離氣資源量為155.90×108m3，占比59.63%。由此可見，各礦游離氣資源量都超過50%，為過采空區(qū)煤層氣抽采提供了極為有利的資源條件。

表1 晉城西區(qū)采空區(qū)下伏煤層氣資源量計算結(jié)果表

3 采空區(qū)下伏煤層氣抽采效果分析

關(guān)于晉城西區(qū)采空區(qū)下伏煤層氣抽采工藝和技術(shù)方法，筆者所在課題組已有介紹[7-8]。在此基礎(chǔ)上，進一步總結(jié)過采空區(qū)煤層氣井抽采技術(shù)體系，分析抽采效果及經(jīng)濟效益。

3.1 采空區(qū)下伏煤層氣抽采技術(shù)體系

煤礦采空區(qū)大部分為破碎帶和遺留煤柱區(qū)域。針對有煤柱區(qū)域下伏煤層的預(yù)抽選用“L”形井進行抽采下組煤，其井身結(jié)構(gòu)采用常規(guī)三開井身結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖4 過采空區(qū)煤層氣抽采方法示意圖

針對上覆煤層為采空區(qū)的下伏煤層，抽采井型采用大口徑垂直井，三開井身結(jié)構(gòu)，采用空氣鉆進，鉆遇采空區(qū)破碎帶時利用氮氣介質(zhì)進行鉆進，消除煤礦井下安全隱患。在采煤影響區(qū)域以上的二開技術(shù)套管可利用返扣裝置進行回收，鉆井及固井方法詳見本文參考文獻[7-8]。

3.2 過采空區(qū)煤層氣井抽采效果

跟蹤分析研究區(qū)50口過采空區(qū)井，分為3種產(chǎn)氣類型[8]。其中60%的井在投運1個月內(nèi)開始穩(wěn)定產(chǎn)氣，為產(chǎn)氣類型Ⅰ；28%的井在排采2～6月內(nèi)開始穩(wěn)定產(chǎn)氣，為產(chǎn)氣類型Ⅱ；12%的井排采7個月以上開始產(chǎn)氣，為產(chǎn)氣類型Ⅲ（表2）。研究區(qū)大部分常規(guī)煤層氣井都需排采7個月以上開始產(chǎn)氣，排采兩年后開始穩(wěn)定產(chǎn)氣，過采空區(qū)井見氣周期明顯快于常規(guī)煤層氣井。

表2 不同類型過采空區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣效果分析表

上述50口過采空區(qū)井3種類型的產(chǎn)氣潛能差異較大：Ⅰ型，見氣快，單井最高產(chǎn)氣量達 11 040 m3/d，井口套壓維持在較高水平，平均井口套壓為0.43 MPa，具有較好的產(chǎn)能潛力；Ⅱ型，見氣較快，單井最高產(chǎn)氣量為9 643 m3/d，單井平均產(chǎn)氣量較高，達 3 324 m3/d，井口套壓平均為 0.32 MPa；Ⅲ型，見氣時間較長，上覆采空區(qū)卸壓效果不明顯，單井平均產(chǎn)氣量為1 496 m3/d，與研究區(qū)常規(guī)煤層氣井產(chǎn)氣效果相當(dāng)。

3.3 采空區(qū)下伏煤層氣抽采效益

過采空區(qū)抽采下伏煤層氣技術(shù)已在研究區(qū)寺河、岳城、成莊等煤礦推廣應(yīng)用。截至2021年底，累計施工投運煤層氣井102口，日產(chǎn)氣量約27.6×104m3，累計產(chǎn)氣量 2.54×108m3（表3），累計創(chuàng)造產(chǎn)值4.31億元（煤層氣井口價按1.7元/m3計）。寺河煤礦井下煤層氣抽采成本較高，抽采成本約為15元/m3，過采空區(qū)抽采下伏煤層氣累計為煤礦節(jié)約生產(chǎn)成本所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益達38.10億元，效益顯著。

表3 過采空區(qū)煤層氣井經(jīng)濟效益表

對比分析寺河煤礦50口3號煤層常規(guī)煤層氣井，平均成本158 萬元/口，投資回收期為4.7 年。50口過采空區(qū)井平均成本188 萬元/口，投資回收期僅3.2年，比常規(guī)煤層氣井縮短1.5年。煤層氣井口價1.7元/m3，成本按總投資和氣量折算為1.357 元/m3，過采空區(qū)煤層氣井5年累計（第1年工程施工，第2年計為投運第1年）新增利潤4 973.0 萬元，常規(guī)煤層氣井5年累計新增利潤為4 360.2 萬元（表4），由此可見，過采空區(qū)井具有顯著的投資產(chǎn)出效益。

表4 過采空區(qū)煤層氣井與常規(guī)煤層氣井效益對比分析表

4 結(jié)論

1）針對晉城西區(qū)山西組3號煤層采空區(qū)卸壓情況，將底臌裂隙帶、底臌變形帶定義為下伏卸壓區(qū)，將裂隙帶、采空破碎區(qū)、底臌裂隙帶定義為采煤影響區(qū)域，分別計算了其范圍，為過采空區(qū)井鉆進施工提供了理論基礎(chǔ)。計算和數(shù)值模擬表明，下伏卸壓區(qū)范圍最大深度可達底板以下143 m，太原組9號煤層和15號煤層都處于底臌變形帶內(nèi)。

2）建立了采空區(qū)下伏卸壓區(qū)煤層氣資源量及相關(guān)參數(shù)估算模型，計算了晉城井區(qū)4個煤礦（寺河、岳城、成莊、晉圣）采空區(qū)下伏煤層氣資源量，資源量合計為261.45×108m3。其中，吸附氣資源量105.55×108m3，占比40.37%；游離氣資源量155.90×108m3，占比59.63%。各礦下伏9號和15號煤層的游離氣資源量占比都超過50%，為過采空區(qū)煤層氣抽采提供了理論依據(jù)。

3）對比常規(guī)煤層氣井，分析了過采空區(qū)煤層氣井抽采的經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，過采空區(qū)井單井投資回收期比常規(guī)煤層氣單井縮短1.5年，50口井5年累計新增利潤4 973.0萬元，經(jīng)濟效益顯著，具有向山西南部其他礦區(qū)（如潞安礦區(qū)、西山礦區(qū)、陽泉礦區(qū)等）推廣應(yīng)用的前景和價值。