煤层气井在与煤矿重叠区高效开发模式的建立——以郑村井区为例

朱 敏 吴定泉 李 俊 彭 鹤 张金笑 赵家攀

(华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

1 郑村井区地质开发情况

郑村井区位于沁水盆地马蹄形斜坡带东南缘，隶属山西省晋城市沁水县，主体为丘陵山地，地面海拔600～1000m。区内为一近东西向单斜构造，构造平缓，断层不发育，开发主力层系为山西组3号煤层、太原组9号、15号煤层。3号煤埋深300～800m，平均厚度5.9 m；9号煤埋深360～880m，平均厚度1.4 m；15号煤埋深400～900m，平均厚度3.7m。井区内总体含气量较高，3号煤含气量10～24m3/t，9号煤含气量11～24m3/t，15号煤含气量 12～26m3/t，含气量呈南部高、北部低的特点。3号煤平均孔隙度6.1%，平均渗透率0.44mD；9号煤平均孔隙度5.4%，平均渗透率0.41mD；15号煤平均孔隙度4.9%，平均渗透率0.35mD。

该区内三套开发层系均有良好的供气表现，3号煤层气井平均单井日产气量达2000m3，稳产期可达2～2.5a，9号、15号煤平均单井日产气量分别为900m3、1600m3，两者稳产期较3号煤略短，经历煤矿采掘影响以来，部分井产量呈断崖式下降，难以稳产，气量损失十分严重。

2 煤矿采掘对煤层气井开发的影响

根据煤矿采前规划、巷道抽采、工作面回采的一般步骤，可将矿权重叠区域区划分为规划区、抽采区及采空区三个区域。以郑村井区为例，郑村西南部为寺河煤矿未来五年规划区，沿巷、煤巷于2015年自南向北推移，目前已至郑村中部，并继续以80～100m的月掘进速度继续向北部延伸，因而在巷道两侧一定范围内形成抽采区，受采掘影响该井区分别于2018年、2019年形成两处采空区(图1)。各区域内煤层气井开发所受影响规律不同，本文根据煤矿采掘步骤及不同阶段对气井的影响特征，针对规划区、抽采区及采空区内煤层气开发建立不同开发模式。

图1 重叠区内煤层气井区域划分

2.1 规划区内开发模式

规划区是指煤矿企业仅计算采掘速度、部署施工范围等工作，目前未进行实际采掘作业，通常 3～5年后对其实施抽采，该区域内煤层气井产量在此期间不会受到影响。

由于规划区内煤层气井具有生命周期缩短、采出程度低的特点，区内单井应改变以往“稳步提产，长期稳产”的排采思路，实施“快速提产，降压增气”模式(图2)，在受到煤矿采掘影响前实现采出气量最大化。通过数值模拟计算，新井缩短10%～15%的稳产年限，同时提升20%～30%的采气速度，可实现最大产气增量(表1)。针对老井可增设负压设备降低管压，通过压力传导增大储层与井筒的生产压差，降低废弃压力，达到提高采收率的目的。

图2 规划区排采模式

表1 单井产气增量模拟计算

2.2 抽采区内开发模式

抽采区是指由于煤矿沿巷钻孔及煤巷钻孔进行瓦斯预抽形成的分布于巷道两侧300～1000m范围内的区域，受钻孔影响范围及抽吸强度差异，抽采区内煤层气井通常1～4个月内会衰减无气(图3)，造成单井采出程度降低，资源严重损失。

图3 抽采区煤层气井生产曲线

抽采区内煤层气开发与煤矿开采矛盾突出，煤矿抽吸力度远高于煤层气排采强度。对于合采井，煤矿抽采形成负压环境，9号、15号煤气体也会随3号煤气体逸散，造成下部资源浪费，针对合采井(图4(a))应建立“封堵抽采煤层”的开发模式，迫使下部煤层气量沿井筒进入地面管线形成商品气量，保护气体资源。针对3号煤单采井可封堵抽采层后动用下部煤层，提升资源利用率。目前已在郑村井区实施水泥封堵3号煤层(图4(b))，但因该层压力较低，煤矿采掘产生的应变易使水泥产生裂缝，封堵效果受到一定影响，目前正在试验金属套管补贴方式封堵3号煤层(图4(c))，以期提升补贴区稳定性，延长稳产时间，保障措施效果。

图4 封堵煤层及套管补贴示意图

2.3 采空区内开发模式

采空区内3号煤层受到采掘破坏，单采3号煤井迅速衰减无气，如图5，合采井在进行切割套管处理后也无法供气，该区域内单井一般在2～7d内迅速无气。

图5 采空区煤层气井生产曲线

3号煤层采空后原有储层压力系统被打破，起到应力释放作用，下部煤层裂缝扩张，改善了导流能力，提升原始渗透率，有效解决了煤层压力传导困难、改造效果差等问题，一定程度上为下部煤层的开发带来正效应，易出现高产井。但在回采过程中回采面内岩柱存在大幅度垂向位移，易使井筒产生纵向拉伸应变，因而采空区内煤层气井难以保证开发效果。经分析优选采空区以外区域部署井位既可达到高效利用采空区卸压作用，又可尽量减小井筒形变，通过在回采边界煤柱区钻井的开发策略，可高效动用9号、15号煤资源，目前该技术已基本成熟，未来将在郑村采空区域边界优选井位实施应用(表2)。

表2 重叠区内煤层气井开发模式划分表

3 开发效果评价

2020年至今在郑村井区通过开展地面、地下两方面工作降低煤矿造成的气量影响：一是在规划区增设负压设备5台，强化排采力度，单井平均日增气量达2200m3；二是在抽采区优选合采井实施封堵3号煤新开下部煤层措施井21口，单井平均日增气量3100m3；两者均取得显著增产效果。