潘庄井田试验区采空区地面井抽采制度及配套工艺研究

王 争

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司, 山西 030000)

沁水盆地是我国重要的煤层气产业基地之一，煤层气资源量约为4×1012m3，2014年煤层气产量已达到30×108m3，开发前景广阔。潘庄井田作为沁水盆地20余个井田之一，历史上存在较多小型矿井，通常采用房/柱式采煤方式，只采煤房不回收煤柱，残煤率高达40%～50%。该类小型矿井废弃后通过地面垂直钻井至采空区垮落带内，使井口与采空区有效沟通，地面使用小型螺杆/漩涡增压机组进行抽采。在采空井实际抽采过程中存在抽采强度高导致甲烷浓度等抽采参数波动较大、螺杆/漩涡增压机组安全监控系统相关联锁参数设置不合理导致设备频繁连锁停机等问题，需要制定合理的抽采工作制度及配套的抽采工艺技术。

1 影响抽采效果的因素

1.1 抽采强度不合理

采空区煤层气抽采实质上是自采空区上部裂隙带至煤层底板范围内压力传播至地面抽采设备的过程。高负压、大流量的抽采强度导致采空区内压力激动，导致煤粉容易形成和产出，造成井筒附近煤岩层微裂隙发生闭合，产生压敏效应；同时煤层气解吸速度过快容易导致残煤产生极强的速度敏感性，影响产气量。

1.2 抽采配套设备不完善

(1)因采空井井下地质条件不同于预抽井，采空井井口套压较低，一般为0～50KPa，部分井甚至为微负压。采空井投运初期使用管式泵、水环泵、螺杆/漩涡增压机组进行试抽采。使用管式泵抽采的采空井日产水量极低，不产气；使用水环泵抽采的采空井抽采负压较高，日产气量衰减严重，抽采周期极短；使用螺杆/漩涡增压机组抽采的采空井设备初期容易故障停机，影响抽采效果。

(2)在井口为负压的情况下，空气有可能通过井口进入煤矿采空区内，加速采空区内部的残煤氧化速度，存在残煤自燃的可能性，且采空区内甲烷在一定浓度条件下具有爆炸的风险。采空区地面井使用配套设备抽采时应考虑相关安全风险，制定相应防范措施。

2 合理工作制度的建立

2.1 抽采制度的优化

国内外学者针对常规煤层气井对煤层气排采阶段的划分进行了研究，包括国外的三段划分法和国内的四段、八段划分法。但对采空井煤层气抽采制度研究较少。笔者根据国内外的资料，结合现场排采的经验，以现有15口采空井抽采试验为基础，针对性调整优化原有采空井定日产气量的抽采制度，提出“四段制”的抽采制度，见表1。

表1 “四段制”抽采工作制度

其划分依据如下：

Ⅰ自由放喷阶段，该阶段主要针对井口压力为正压采空井，若井口压力为负压则略过此阶段，该阶段一般持续时间为3～7d。通过人为放空初步判断采空区残煤解吸煤层气产气量大小，为选择合适功率螺杆/漩涡增压机组提供参考。

Ⅱ稳定压力降阶段，通过调整抽采设备运行频率达到控制采空井井口压力的目的，一般持续时间为20～50d。该阶段使用螺杆/漩涡增压机组抽采设备传播压力降至采空区内部裂隙空间，游离煤层气发生运移至抽采设备内，从而进一步降低井底流压，促进采空区残煤吸附气的解吸，最终使采空区残煤解吸速度与抽采设备抽采能力平衡。此阶段压力降幅度不能超过0.1～0.2kPa/d，过快的压力降将影响采空区内压降漏斗的扩展，不利于后期采空井抽采。

Ⅲ稳压产气阶段，通过固定抽采设备运行频率，保证井口压力稳定，合理控制生产压差，达到稳产目的。此阶段一般持续时间400d以上。

Ⅳ定产气量阶段，此阶段采空区残煤吸附气解吸量明显低于抽采设备抽采量，井口压力降低明显时应提高抽采设备运行频率，保证抽采设备日均瞬时流量不低于小于2倍增压机组电流值，否则应停止抽采或更换更小功率增压机组。典型的四段制抽采曲线见图1。

图1 JSCK-15井抽采曲线

2.2 井口压力的控制

井口压力是体现采空区残煤吸附气解吸能力的重要衡量指标，井口压力过高，抽采设备抽放效率降低，不能充分释放采空井产能；井口压力过低，抽采设备高负荷运行，不利于采空井长期抽采。在抽采设备相同的前提下，对采空井井口压力、日产气量及抽采效果进行分析，可以有效指导采空井抽采制度的制定。

根据现场连续运行的9口采空井抽采数据为基础，使用数学统计方法分析了不同抽采设备井口压力与日产气量的相互作用关系，对井口压力区间求交集可得到抽采设备规格为3000m3/d时，井口压力保持1.1～1.4kPa时有利于采空井长期、稳产抽采；抽采设备规格为5000m3/d时，井口压力保持-8.5～-6.5kPa时有利于采空井长期、稳定抽采，如下表2所示。

表2 潘庄井田连续运行采空井运行数据统计表

3 抽采配套工艺技术优化

3.1 抽采设备优选

目前共有15口采空井投运，共有4口采空井使用管式泵抽采，1口采空井使用水环泵抽采(后改为增压机组)、11口采空井使用螺杆/漩涡增压机组进行试抽采。使用管式泵抽采的采空井日产水量极低，不产气；使用水环泵抽采的采空井抽采负压较高，日产气量衰减严重，抽采周期极短；使用螺杆/漩涡增压机组抽采的采空井初期因设备安全监测联锁参数设置不合理导致频繁联锁停机，影响抽采效果。

结合潘庄井田附近采空井井口压力不高的基础地质条件，经过采空井长期抽采试验摸索，优选螺杆/漩涡增压机组作为采空井主要抽采设备。

3.2 抽采工艺优化

以螺杆/漩涡增压机组作为采空区地面井抽采工艺核心组成部分，通过优化整体抽采工艺流程，实现采空井安全抽采的目的，抽采工艺流程图图2。

图2 自由放喷阶段抽采工艺流程图

图3 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段抽采工艺流程图

(1)Ⅰ自由放喷阶段，此阶段地面工艺流程为井口(压力表)→阀门→阻火器→流量计→放空管。

(2)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ抽采阶段工艺流程为：井口(压力表)→阀门→单向阀→阻火器→增压机组→流量计→过滤器→阀门→管网(见图3)。

3.3 安全监测联锁参数优化

对以螺杆/漩涡增压机组作为抽采设备的潘庄井田试验区11口采空井历史运行参数波动情况进行总结分析，在保障设备安全运行的前提下对增压机组原联锁参数进行优化处理，有效避免了采空井运行参数波动所触发的抽采设备联锁停机，达到了抽采设备稳定运行的目的。

根据重庆煤科院2013年12月出具的《特殊环境条件下甲烷爆炸极限测定》报告，甲烷-空气混合气体在环境压力0.4MPa、环境温度100℃、10J点火能量条件下，甲烷的爆炸上限为21%。据中国煤矿安全生产网数据，当氧气浓度低于12%时，甲烷氧气混合气体不会爆炸。采空井增压机组的安全抽采联锁停机参数修改对照可见表3。

表3 螺杆/漩涡增压机组安全抽采联锁停机参数

4 应用效果

自2013年以来已经累计投运15口采空井，其中5口初期采空井因进行抽采试验已废弃，1口采空井因产能不佳进行间断性抽采，另外9口采空井按照“四段制”抽采工作制度，仍处于稳压产气阶段，产气量稳定3000m3/d以上达3口采空井，产气量稳定2000～3000m3/d达3口采空井，产气量稳定1000～2000m3/d达3口，平均日产气量2.5×104m3/d，累计日产气量2313.1×104m3/d。

5 结论

(1)潘庄井田试验区采空井具有井下残煤率高，采空区煤层气资源量丰富的特点，合适的抽采制度及安全工艺流程是稳产的关键，Ⅱ抽采阶段切忌大幅度压力降，保证采空区内压降漏斗大范围扩散；

(2)针对采空区自燃、低浓度煤层气容易发生爆炸的风险，通过优化潘庄井田试验区采空井配套安全抽采工艺技术，可以实现安全抽采目的。

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