摘要 隨著煤礦區(qū)采煤采氣一體化進程的推進, 煤層氣開發(fā)工程對設(shè)備提出了更高的要求。在論述煤礦區(qū)煤層氣抽采技術(shù)的基礎(chǔ)上, 分析了煤礦區(qū)煤層氣抽采對設(shè)備的要求。總體而言, 煤層氣地面鉆井施工設(shè)備價格偏高, 配件供應(yīng)和維修時間較長, 施工成本較高, 而且鉆井深度也很有限；井下鉆井設(shè)備需要解決松軟突出煤層鉆進問題, 應(yīng)研制開發(fā)大直徑、長鉆孔、定向鉆進設(shè)備以及有效的鉆孔循環(huán)介質(zhì); 壓裂設(shè)備要求壓裂泵車的排量盡量大、穩(wěn)定性好、成本低、維修方便及時, 同時應(yīng)嘗試液氮代替常規(guī)的水基壓裂液, 并開發(fā)相應(yīng)的液氮壓裂設(shè)備體系。
關(guān)鍵詞 煤層氣 一體化 鉆井設(shè)備 壓裂設(shè)備 氮氣泡沫壓裂
0引言
煤礦區(qū)煤層氣抽采是目前我國煤層氣抽采的重點領(lǐng)域。2010年，全國煤層氣(煤礦瓦斯) 抽采量8 億m3，其中煤礦井下瓦斯抽采量73.5億m3，地面煤層氣抽采量14.5億m3。地面煤層氣抽采量主要也來自于煤礦區(qū)。煤礦區(qū)煤層氣抽采的特點是結(jié)合煤礦生產(chǎn)安全實施煤層氣(瓦斯)抽采，遵循“采煤采氣一體化”的原則，先采氣，后采煤其中采氣為采煤創(chuàng)造了條件，抽采鉆孔和抽采工程需要結(jié)合煤礦井下煤炭的生產(chǎn)銜接以及煤炭開采布局實施。
1 煤礦區(qū)煤層氣抽采技術(shù)
目前，煤礦區(qū)煤層氣抽采技術(shù)主要有地面鉆井預(yù)抽采、本煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采等幾種形式[1]。
1.1本煤層瓦斯抽采技術(shù)
本煤層瓦斯抽采技術(shù)本煤層瓦斯抽采又稱為開采煤層瓦斯抽采, 是指在開采煤層內(nèi)預(yù)先掘進或施工鉆孔抽采本煤層瓦斯, 目的是減少煤層瓦斯含量, 降低回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛? 以確保礦井安全生產(chǎn)。本煤層瓦斯抽采按抽采機理分為未卸壓抽采和卸壓抽采2 類方式, 按匯集瓦斯方法分為鉆孔抽采、巷道抽采和巷道與鉆孔綜合抽采3 類[2]。
1.1.1本煤層未卸壓鉆孔抽采
本煤層預(yù)抽瓦斯是鉆孔打人未卸壓的原始煤體進行抽采瓦斯。按鉆孔和煤層的關(guān)系,本煤層未卸壓鉆孔抽采技術(shù)分為穿層鉆孔和順層鉆孔,按鉆孔和角度分為上向孔、下向孔和水平孔等方式。
穿層鉆孔抽采是在開采煤層的頂板或底板巖巷（或煤巷)內(nèi),每隔一段距離開采長約10 m的鉆場,再從鉆場向煤層施工3——5個穿透煤層全厚的鉆孔,然后封孔或?qū)⒄麄€鉆場封閉起來,安裝抽采管路并與抽采系統(tǒng)連接起來進行抽采,穿層鉆孔抽采鉆場布置形式如圖l 所示。
圖1 穿層鉆孔抽采鉆場布里示意圖
l一煤層； 2一鉆孔； 3一鉆場； 4一巖巷； 5一密閉； 6一抽采瓦斯管路。
順層鉆孔是在巷道進人煤層后再沿煤層所打鉆孔,可以用于石門見煤處、煤巷及采煤工作面, 我國多在采煤工作面進行。在采煤工作面開采前,按不同的方式布置鉆孔,抽采一段時間后再進行開采,以減少回采過程中的瓦斯涌出量。順層鉆孔有種鉆孔布置方式：一是石門穿煤點抽采,在采區(qū)煤巷尚未掘進之前,利用石門見煤點向兩側(cè)及頂部打沿層扇形鉆孔預(yù)抽瓦斯；二是在回采巷道圈出后或在巷道掘進過程中,于運輸巷、回風(fēng)巷或切眼布置不同方式的順層鉆孔。本煤層順層鉆孔抽采區(qū)域布置如圖2 所示。
圖2 本煤層順層鉆孔抽采區(qū)域布置圖
本煤層順層鉆孔與穿層鉆孔相比,順層鉆孔的單孔抽采瓦斯量大；鉆孔的自排量和抽采量一般呈隨時間的延長而逐漸衰減的規(guī)律,基本符合負指數(shù)方程；交叉鉆孔比單一的平行鉆孔瓦斯抽采量有明顯的增加。
1．1.2本煤層卻壓鉆孔抽采
本煤層卸壓鉆孔抽采技術(shù)包括邊采邊抽和邊掘邊抽2 種方式。邊采邊抽本煤層瓦斯鉆孔布置如圖3所示。邊采邊抽技術(shù)即在工作面前方, 在進風(fēng)巷或回風(fēng)巷中每隔一定距離打平行于工作面的鉆孔然后插管、封孔進行抽采 (圖3a )。也可以每隔一定距離掘一鉆場(深度小于6 m )，布置3 個扇形鉆孔,然后插管、封孔進行抽采 (圖3b )。
邊采邊抽技術(shù)的優(yōu)點在于：采動影響致使煤層已卸壓,煤層透氣性增加, 抽采效果好；不受采掘工作影響和時間限制,具有較強的靈活性和針對性。其不足之處點是：開孔位置在煤層,封孔不易保持嚴(yán)密,影響抽采效果和瓦斯?jié)舛?；另?鉆孔與煤層層理平行,層理之間不易勾通,瓦斯不易流動,也影響了抽采效果。
邊掘邊抽是在掘進巷道兩幫每隔一定距離掘一鉆場(深度小于6m)，在鉆場向工作面推進方向打5——10 個超前鉆孔,然后插管、封孔進行抽采。邊掘邊抽本煤層瓦斯的鉆孔布置如圖4 所示。隨著工作面的推進,鉆場不斷向前接替,2 個鉆場的接替重疊長度一般為20 ——30 m?；茨系V業(yè)集團謝橋礦采用這種技術(shù),鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)可達50%——60%，每個鉆場抽出瓦斯純量5——6 m3/min。
圖4 邊掘邊抽本煤層瓦斯的鉆孔布置示意圖
1.2鄰近層瓦斯抽采技術(shù)
能向開采煤層采掘空間涌出瓦斯的鄰近煤層，稱為鄰近層。為了防止和減少鄰近層的瓦斯通過層間的裂隙大量涌向開采層,可采用抽采的方法處理這一部分瓦斯, 這種抽采方法稱鄰近層瓦斯抽采。鄰近層瓦斯抽采按鄰近層的位置分為上鄰近層或頂板鄰近層)抽采和下鄰近層(或底板鄰近層)抽采,按匯集瓦斯的方法分為鉆孔抽采、巷道抽采和巷道鉆孔綜合抽采3類[3]。
1.2.1上鄰近層瓦斯抽采
上鄰近層瓦斯抽采,即鄰近層位于開采層的上部,通過巷道或鉆孔來抽采上鄰近層的瓦斯。根據(jù)巖層的破壞程度與位移狀態(tài)可把頂板劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,底板劃分為裂隙帶和變形帶。冒落帶高度一般為采厚的5 倍左右,在距開采層近的處于冒落帶內(nèi)的煤層, 隨冒落帶的冒落而冒落,瓦斯完全釋放到采空區(qū)內(nèi),很難進行上鄰近層抽采。裂隙帶的高度為采厚的8——30 倍,此帶因充分卸壓, 瓦斯大量解吸,是抽采瓦斯的最好區(qū)帶,抽采量大,濃度高。因此,上鄰近層取冒落帶高度為下限距離,裂隙帶的高度為限距離。上鄰近層抽采按抽采鉆孔的布置位置, 分為以下2 種方式：1開采層層內(nèi)巷道打鉆抽采。這是上鄰近層抽采經(jīng)常采用的一種方式。將鉆場設(shè)在回風(fēng)副巷內(nèi)，由鉆場向上鄰近層打穿層鉆孔, 然后接管進行抽采（圖5 )。2開采層層外巷道打鉆抽采。鉆場設(shè)在開采煤層頂板的巖巷中, 由鉆場向上鄰近層打扇形鉆孔進行抽采。
1.2.2下鄰近層瓦斯抽采
下鄰近層瓦斯抽采即鄰近層位于開采層的下部, 通過巷道或鉆孔來抽采下鄰近層的瓦斯。根據(jù)上述3帶原理,由于下鄰近層不存在冒落帶, 所以不考慮上部邊界,至于下部邊界,一般為60——80m。同上鄰近層抽采一樣,下鄰近層瓦斯抽采也分為層內(nèi)和層外巷道打鉆抽采2 種方式。
圖5 開采層層內(nèi)巷道打鉆抽采上鄰近層瓦斯的鉆孔布置示意圖
1．3采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)
采空區(qū)瓦斯主要來源于2 個方面, 一是未能采出而被留在采空區(qū)煤炭中存有的一定數(shù)量的殘存瓦斯；二是頂板和周圍煤(巖)中的瓦斯。當(dāng)回采工作面的采空區(qū)或老空區(qū)積存大量瓦斯時,往往被漏風(fēng)帶入生產(chǎn)巷道或工作面空間,或由于大氣壓力或通風(fēng)系統(tǒng)變化使采空區(qū)瓦斯大量涌人工作面, 往往造成瓦斯超限而影響生產(chǎn),甚至釀成重大事故因而應(yīng)對采空區(qū)瓦斯進行抽采[4]。
1.3.1插管采空區(qū)瓦斯抽采
進行回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采時,應(yīng)將采空區(qū)封閉嚴(yán)密,防止漏風(fēng),后在回風(fēng)巷的密閉處插管進行抽采?；夭晒ぷ髅娌骞艹椴刹煽諈^(qū)瓦斯如圖6所示。
圖6 回未工作面插管抽采采空區(qū)瓦斯 1一抽采瓦斯管路; 2一密閉區(qū); 3一采空區(qū)。
1.3.2鉆孔采空區(qū)瓦斯抽采
鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯是指在回采工作面回采過程中,在工作面回風(fēng)巷每隔30——100m 掘一鉆場，向采空區(qū)上方施工頂板走向(或傾向) 鉆孔,鉆孔進入冒落帶或裂隙帶,然后將封閉(或?qū)@孔逐個封閉) 進行抽采。此外,還可采用在回風(fēng)巷預(yù)先埋置管路或在煤層中距回風(fēng)巷相近的其他巷道中向采空區(qū)打鉆等方式, 抽采采空區(qū)瓦斯。
1.3.3走向巷道抽采采空區(qū)瓦斯
沿工作面走向距回風(fēng)巷10 ——30m 的上覆巖層裂隙帶內(nèi)布置巷道,封閉巷口,插管聯(lián)人抽采系統(tǒng),對回采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)的高濃度瓦斯進行抽采(見圖7)。
圖7 回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯
2煤礦區(qū)煤層氣抽采對設(shè)備的要求
煤礦區(qū)煤層氣抽采的設(shè)備主要包括施工井下抽放鉆孔所用的鉆機和抽放泵, 地面預(yù)抽采所需要的鉆機和壓裂設(shè)備等。
目前, 我國煤層氣開發(fā)幾個關(guān)鍵工序所用施工設(shè)備供應(yīng)不夠充分, 設(shè)備緊缺,施工價格偏高。在目前煤層氣垂直井鉆井施工中,我國普遍采用煤田地質(zhì)勘探鉆機和鉆井液鉆進,而對煤層氣開發(fā)有利的空氣鉆進設(shè)備,目前國內(nèi)數(shù)量有限,而且是最近幾年才裝備,其數(shù)量遠遠不能滿足我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要。煤層氣增產(chǎn)所需要的壓裂施工設(shè)備, 目前國內(nèi)除滿足石油天然氣行業(yè)施工以外,可供煤層氣開發(fā)使用的壓裂設(shè)備也極其有限,而且多為老舊設(shè)備,性能較差,液氮壓裂泵車更是稀缺很難組織規(guī)?；氖┕?。旨在簡化工藝、降低成本的連續(xù)油管設(shè)備,在我國煤層氣開發(fā)中很難規(guī)模利用。這些技術(shù)設(shè)備的短缺, 不僅使煤層氣規(guī)模發(fā)展的速度受到限制,而且物以稀為貴,施工價格較高,增加了煤層氣開發(fā)的成本,使本身經(jīng)濟可行性就差的煤層氣開發(fā)雪上加霜,難以靠自身的贏利健康發(fā)展,在一定程度制約了煤層氣開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。
2.1對鉆井施工設(shè)備的要求
2.1.1對地面鉆井施工設(shè)備的要求
車載空氣鉆機效率高、移動方便、有利于保護煤層,適宜于地面煤層氣井鉆井施工。目前供應(yīng)國內(nèi)市場的空氣鉆機廠家主要為美國阿特拉斯、雪姆和寶峨3 家,這些鉆機各有特點,但總體都價格偏高,鉆機配件供應(yīng)和維修時間較長,導(dǎo)致施工成本較高,普及率低,在國內(nèi)煤層氣鉆井市場中所占份額很小。
其次, 在實際施工過程中,空氣鉆機適應(yīng)復(fù)雜地層的能力有限,地層涌水量較大時采用空氣鉆進困難, 采用鉆井液鉆進失去了煤層保護的意義。另外當(dāng)煤層深度較大時,即時配備額外的移動空壓機和增壓機,鉆井深度也很有限,通常不超過800m。
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對井下鉆孔設(shè)備的要求
(1)解決松軟突出煤層鉆進問題。松軟突出煤層強度低、滲透性極差, 但瓦斯含量卻很高。在這種煤層中鉆進, 容易產(chǎn)生卡鉆、塌孔和噴孔等現(xiàn)象,鉆孔鉆不進去,瓦斯抽不出來。目前在松軟突出煤層中鉆進大部分的鉆孔深度都在100m以下,且成孔率低,瓦斯抽放成本很高。松軟煤層在我國煤層所占比例較高,松軟突出煤層的鉆進成孔問題一直是函待解決的難題。
松軟突出煤層鉆進需要解決鉆孔排渣問題和鉆孔支護問題,盡管采用螺旋鉆進工藝對于較完整煤層或局部坍塌煤層能夠取得較好的成孔效果,但由于受鉆機能力和鉆具強度等因素的影響,鉆孔深度仍然有限。
（2）研制開發(fā)大直徑、長鉆孔和定向鉆進設(shè)備。煤礦井下鉆孔的直徑和長度在很大程度上決定抽采效果,目前煤礦井下鉆機鉆頭的直徑多為96——120mm,鉆孔長度為幾百米,研制更大直徑的井下鉆機裝備系統(tǒng),對煤礦區(qū)的瓦斯抽采具有重要意義。
（3）開發(fā)有效的鉆孔循環(huán)介質(zhì)。煤礦井下鉆探施工時,目前大部分都用水作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)由于煤層松軟,高壓水流對孔壁的沖刷和浸泡導(dǎo)致孔壁坍塌、掉塊, 嚴(yán)重時導(dǎo)致鉆桿卡死, 孔底水壓升高, 形成憋泵現(xiàn)象。用壓縮空氣作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)有利于孔壁的穩(wěn)定和瓦斯的釋放,可有效減少瓦斯突出的可能,但由于井下管路風(fēng)壓較低, 限制了鉆孔深度的增大。
2.2對壓裂施工設(shè)備的要求
高壓水力壓裂技術(shù)仍然是目前垂直煤層氣井的主要增產(chǎn)手段,是目前煤層氣開發(fā)技術(shù)體系中重要的環(huán)節(jié), 水力壓裂施工的針對性和施工效果在很大程度上決定著煤層氣井的產(chǎn)量。一套壓裂設(shè)備主要包括壓裂泵車、混砂車、儀表車, 以及配套的管匯車、砂罐和運砂車、水罐和運水車等,其中壓裂泵車由若干臺(通常5——8臺)組成,具體的數(shù)量根據(jù)施工所需要的壓力和排量確定。
國外壓裂設(shè)備的知名制造商為雙S公司和哈里伯頓公司。雙S公司是目前全球最大的壓裂設(shè)備制造廠家,壓裂泵車的年生產(chǎn)量400臺, 產(chǎn)品除壓裂設(shè)備外,還包括固井水泥車、連續(xù)管設(shè)備和液氮壓裂設(shè)備等。雙S公司的壓裂設(shè)備制造業(yè)務(wù)主要是設(shè)備集成,其主要部件,如車架、臺上發(fā)動機、傳動箱和泵等設(shè)備都是外購。雙S公司通常只根據(jù)用戶的需求生產(chǎn)壓裂施工設(shè)備,不進行壓裂施工服務(wù)。
哈里伯頓公司的設(shè)備年產(chǎn)量規(guī)模相對較小,主要滿足自身生產(chǎn)和服務(wù)的需要,其部分配件自己制造,擁有自己相對完備的機械加工技術(shù)和車間,質(zhì)量控制很好,這也是其產(chǎn)量較低的原因之一。哈里伯頓公司不僅制造設(shè)備,還進行壓裂施工服務(wù)。
目前煤層氣井水力壓裂主要采用大排量、中砂比、活性水或清潔壓裂液施工。這種壓裂施工工藝對壓裂設(shè)備的要求主要有以下幾點。
2.2.1要求壓裂泵車的排量盡量大
煤層氣井壓裂施工的目的層段深度一般都小于1500m，地應(yīng)力較低,但施工排量較大,通常煤層氣井壓裂施工正常壓力不超40MPa,但施工排量往往達到10m3/min。目前的主流壓裂設(shè)備2000型的壓裂機組,泵車柱塞直徑為127mm(5in)，施工壓50MPa時單機排量可以達到1.7m3/min，壓裂施工至少也需要6臺泵車,這樣就導(dǎo)致壓裂施工泵車的臺數(shù)較多,施工組織困難,成本較高。
壓裂泵車所采用的柱塞直徑越大,施工排量越大,壓力越低,目前壓裂設(shè)備泵車的柱塞通常采用直徑為10l.6mm或127.0mm的柱塞, 根據(jù)煤層氣井壓裂施工排量大、壓力低的特點,如果采用更大直徑的柱塞,如直徑152.4mm的柱塞,可以進一步提高單車排量。另外,采用常規(guī)直徑柱塞泵車的車上管線直徑為76.2mm,而采用直徑101.6mm柱塞泵車的車上要求采用直徑101.6mm的管線,同時需要將施工管匯的直徑也增加到101.6mm。當(dāng)然,采用直徑152.4mm柱塞同樣也存在一些問題, 目前這樣的設(shè)備不經(jīng)常使用,廠家需要特制。如果采用直徑101.6mm的管線,從車上到井口泵車,需要增加額外的投資,另外還存在設(shè)備通用性差,只能用于煤層氣井壓裂施工,將來為石油行業(yè)服務(wù)時可能存在壓裂壓力低的缺點。
2.2.2要求壓裂泵車的穩(wěn)定性好
煤層氣井壓裂施工用液量大,施工時間較長通常壓裂l層需要1——2h，單套機組每天可以施工2——3層,施工工作量大,同時還要求壓裂施工中排量必須穩(wěn)定,而施工車輛有限,因此就需要壓裂泵車的穩(wěn)定性好,施工中不得出現(xiàn)設(shè)備故障,否則將影響壓裂施工質(zhì)量。
我國幅員遼闊,地形復(fù)雜,部分煤層氣資源分布在山西、貴州和云南等山區(qū),煤層氣井井場面積有限,井場之間的道路崎嶇,壓裂設(shè)備緊湊的車體可以減少設(shè)備占地面積,便于設(shè)備搬遷和擺放。
2．2.4要求壓裂設(shè)備成本低、維修方便及時
目前成套的壓裂設(shè)備價格高昂,同時壓裂設(shè)備為專用設(shè)備,配件供應(yīng)特殊,維修存在一定困難這些因素導(dǎo)致壓裂施工費用偏高,使得煤層氣項目的經(jīng)濟性較差,在一定程度上影響了煤層氣的產(chǎn)業(yè)化進程。
2.3對液氮壓裂設(shè)備和連續(xù)管設(shè)備的認(rèn)識
常規(guī)水力壓裂液不可避免的會對地層尤其是低滲透氣層造成一定的傷害,影響生產(chǎn)效果。氮氣泡沫壓裂技術(shù)采用液氮作為壓裂液代替常規(guī)的水基油基壓裂液進行壓裂,適合于低壓、低滲透水敏地層, 特別是煤層。與常規(guī)水力壓裂相比,氮氣泡沫壓裂技術(shù)具有如下優(yōu)點：
（1）采用氮氣泡沫壓裂液,只有固體支撐劑和少量壓裂液進人地層,降低了壓裂對煤儲層滲透性的傷害；
(2)氮氣泡沫壓裂液可在裂縫壁面形成阻擋層,從而大大降低壓裂液向地層內(nèi)濾失的速度,減少濾失量,減輕壓裂液對地層的傷害;
(3)返排效果好。表現(xiàn)在2 個方面: 一是由于氮氣密度低,井筒壓力低,對煤儲層產(chǎn)生的回壓也大大降低,有利于壓裂液排出井筒;；二是基于氮氣泡沫壓裂液的膨脹作用,會產(chǎn)生一定能量,加速壓裂液的返排。
氮氣泡沫壓裂應(yīng)用于煤層氣開發(fā)最成功的例子是加拿大。該國近年來采用大排量氮氣(無支撐劑) 壓裂技術(shù),煤層氣井產(chǎn)量獲得巨大突破。大排量氮氣壓裂技術(shù)借鑒在淺層氣壓裂中獲得成功的連續(xù)管壓裂(FTC) 技術(shù)和經(jīng)驗, 在多煤層中進行試驗。該技術(shù)的主要特點是施工排量大,效率高成本大幅下降,煤層氣井產(chǎn)量提高。
然而, 氮氣泡沫壓裂技術(shù)和裝備在我國同樣存在成本高及施工組織困難等問題,目前國內(nèi)在此方面仍然處于試驗階段。這些設(shè)備的國產(chǎn)化和普及化將會進一步降低壓裂施工成本,并促進該項技術(shù)在煤層氣領(lǐng)域的應(yīng)用。
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