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0 引 言

构造煤在我国煤矿区广泛发育。平顶山矿区是我国构造煤发育的一个典型矿区，也是我国煤与瓦斯突出严重的矿区之一[1-3]，瓦斯含量高，瓦斯压力大，并拥有着丰富的煤炭资源和煤层气资源[4]。随着高产、高效采掘和矿井的不断延深，煤层瓦斯含量、瓦斯压力逐渐增大。瓦斯超限、煤与瓦斯突出日益严重。瓦斯危害严重影响了矿井的安全生产和煤炭高效生产，致使矿井接替紧张。由于平顶山矿区煤层结构遭受严重破坏，构造煤较发育，其煤层松软、透气性差。传统的井下抽采防治措施存在工程量大、抽采时间长、抽采率低、施工困难且危险性大等问题。因此，井下抽采的瓦斯防治方式已经不能满足平顶山矿区煤矿安全和高效生产的需要。

目前，在我国多煤层发育地区进行地面煤层气抽采，普遍采用分层压裂、合层排采(以下简称分压合排)工艺技术。该技术可有效降低煤层气开发成本、提高煤层气井产能。许多学者从可行性研究、影响因素分析、层间矛盾、排采特征及控制方法等方面对该技术进行了广泛的研究。倪小明等[5]、谢学恒等[6]、熊涛等[7]、王振云等[8]分别对樊庄地区、延川南地区、桑峨区、寿阳区块煤层气分压合排进行了可行性研究；孟艳军等[9]对柳林地区煤层气开发中的层间矛盾问题进行了分析；吕玉民等[10]对韩城煤层气合采产能特征及影响因素进行探析；黄华州等[11-12]对合层排采控制方法及控制指标体系进行了研究。

为了解决平顶山矿区煤炭生产中的瓦斯隐患，探索瓦斯抽采新途径，并充分利用煤层气这一洁净能源。2011年在平顶山矿区首山一矿实施5口垂直井进行地面瓦斯抽采试验，对主采煤层四2煤层和二1煤层采用分压合排技术进行瓦斯地面预抽。但分压合排的效果不甚理想。笔者通过对首山一矿四2、二1煤层分压合排的产气效果和影响因素分析，探讨四2、二1煤层分压合排产气效果不佳的原因，以期为构造煤矿区煤层气合层排采提供参考和借鉴。

1 矿井概况

首山一矿位于平顶山市的东北方向，距平顶山市约25 km，行政区划隶属襄城县管辖。东西长约6.6 km，南北宽4.0～4.5 km，面积约36 km2。矿区构造简单，主体构造为一轴向320°的宽缓背斜，地层走向一般为290°～320°，倾角一般为8°～20°[13-14]，断层不甚发育。

首山一矿可采或局部可采煤层共5层(表1)，分别为山西组的二1煤层、下石盒子组的四2、四3、五1、五2煤层，其中二1、四2煤层为全区可采煤层。煤矿采掘设计的主采煤层为山西组的二1煤层和下石盒子组的四2煤层[15-16]。

四2煤层厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，煤层结构较简单，含0～3层夹矸，属较稳定煤层。煤层气井测试结果显示：四2煤层空气干燥基气含量为4.79～6.48 m3/t，平均5.51 m3/t。

二1煤层厚2.76～10.22 m，一般5.00～7.00 m，平均6.15 m。煤层结构较简单，含0～2层夹矸，属稳定～较稳定煤层。上距四2煤层平均170 m。煤层气井测试结果显示：二1煤层空气干燥基气含量为3.37～3.62 m3/t，平均3.50 m3/t。

注：五2、五r、四3、四2、二1之间的间距分别为26、56、6、170 m。

2 分压合排的影响因素分析

笔者从分压合排的影响因素出发，分析首山一矿四2、二1煤层分压合排产气效果不佳的原因。

煤层气井的排采是排水降压采气的过程。2层煤分层压裂、合层排采，将共享一个井筒，排采过程压力传递的速度对产气速度影响最大[17-18]。压力传递速度受储层压力及压力梯度、渗透率、煤层顶底板岩石特征、水文地质条件等因素影响。同时，构造煤矿区煤层因受构造运动影响，煤体破碎、松软，其煤体结构和煤层间距也会共同影响合排的效果。

2.1 煤储层压力和压力梯度

储层压力决定了井筒中的压差，控制流体的流向；储层压力梯度则是由储层压力和煤层埋深综合反映，从某种程度上反映了地层能量的大小[6]。储层压力系统对分压合排的影响主要表现为2个方面：

1)当储层压力相差比较大，且压力高的煤层位于上部，在其他条件相同的情况下，上部高压储层中的流体将受压差作用倒灌入下部低压储层。易造成上部高压煤层吐砂吐粉，并且增加了下部低压煤层的排水降压时间，影响合排效果。

2)当储层压力梯度差别较大时，在其他条件相同情况下进行排采时，压力传递速度差别较大，势必造成供液能力的差异明显，影响合排效果。

煤层气井注入/压降试井测试得到了本区部分井四2、二1煤层的储层压力以及压力梯度数据。四2煤层埋深610.45 m时，储层压力为6.22 MPa，压力梯度为1.05×10-2 MPa/m；二1煤层埋深820.08 m时，储层压力为8.65 MPa，压力梯度为1.05×10-2 MPa/m。减去四2、二1煤层间距209.63 m对应的静水柱压力2.10 MPa，四2、二1煤层实际层间压差为0.33 MPa，差值较小，储层压力梯度在同一数量级，故不会因储层压力相差过大而影响合排效果。

2.2 煤储层渗透率

煤储层的渗透率是反映煤层中气、水等流体的渗透性的重要参数，决定煤层气的运移和产出，反映了流体在煤层中运移的难易程度。煤储层原位渗透率是在现场通过试井直接测得的。首山一矿煤层气井测试结果显示：四2煤层渗透率为0.25×10-3 μm2，二1煤层渗透率为0.014×10-3 μm2。就煤储层而言，四2煤层是中渗透率储层，二1煤层是低渗透率储层，四2煤层比二1煤层渗透性较好。

2.3 煤层顶底板岩石特征

煤层顶底板岩石特征对合采的影响主要表现在，当顶底板为泥岩且厚度较大时，水力压裂很难突破煤层顶底板，裂缝将仅在煤层中延伸。若顶底板岩石力学性质与煤层相差不大时，水力压裂时容易突破顶底板，影响压裂效果。

首山一矿四2、二1煤层顶底板岩性特征见表2。四2煤层顶板主要由泥岩、砂质泥岩组成，底板大部分为泥岩、砂质泥岩；二1煤层直接顶板大部分为泥岩、砂质泥岩，直接底板大部分为泥岩、砂质泥岩。2层煤顶底板岩性特征相似均为泥岩和砂质泥岩，稳定分布且厚度较大，泊松比为0.15～0.22，而煤层破碎松软，故压裂缝将仅在煤层中延伸，不影响分压合排的效果。

表2 首山一矿四2、二1煤层参数统计
Table 3 Statistic results of Four 2 and Two 1 coal seam in the Shoushan No.1 Coal Mine

煤层编号储层压力梯度/(10-2 MPa·m-1)渗透率/(10-3 μm2)煤层顶板岩性煤层底板岩性充水含水层富水性四21.050.250 主要为泥岩、砂质泥岩,局部为细～粗粒砂岩 大部为泥岩、砂质泥岩,个别为细粒砂岩富水性弱-极弱二11.050.014 大部为泥岩、砂质泥岩,局部为细粒砂岩 大部为泥岩、砂质泥岩,局部为细粒砂岩富水性弱-极弱

2.4 水文地质条件

水文地质条件对分压合排的影响主要体现在煤层供液能力的差别上。四2煤层的直接充水含水层主要是顶板砂岩裂隙含水层，以煤层顶板40 m为界。由1～4层细-中粒砂岩组成，局部粗粒砂岩，厚0～26 m，平均10.66 m。含水层富水性弱-极弱；二1煤层的直接充水含水层主要是顶板砂岩孔隙裂隙承压含水层。主要由2～4层细-中粗粒砂岩组成，厚15.19～49.72 m，平均32.29 m。含水层富水性弱-极弱。对二1、四2煤层排采有影响的2层含水层均富水性弱-极弱。

2.5 煤体结构和煤层间距

煤体结构和煤层间距对分压合排的影响主要体现在：由于2层煤的临界解吸压力不同，当下部煤层的临界解吸压力小于煤层间距对应的流体压力时，排采过程中井筒内液面必须降到上部煤层以下，并达到下部煤层的临界解吸压力，下部煤层才会产气。在构造煤矿区煤体松软，排采液面下降过程中，若液面下降超过煤层，上部煤层暴露，必然造成储层伤害[9]，缺少液体对运移通道的支撑，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，渗透率降低，造成产气量下降。

平顶山矿区煤层孔隙、裂隙比较发育。但由于先后受到中岳、怀远、加里东、印支、燕山和喜马拉雅六期构造运动影响，煤层破坏严重，煤体破碎，碎粒煤、糜棱煤发育，煤体松软。首山一矿四2煤层以碎裂煤为主，次为碎粒煤，煤体松软，其普氏系数f为0.22，属于Ⅹ级岩石，极易破碎(按照岩石的普氏系数，可把岩石分成10级，等级越高的岩石越容易破碎)。

首山一矿四2、二1煤层的煤层间距为170 m，粗略换算成流体压力为1.70 MPa。

2.6 综合分析

通过对分压合排过程中影响压力传递的储层压力梯度、渗透率、煤层顶底板岩石特征、水文地质条件等因素分析，并考虑构造煤矿区煤体结构和煤层间距对分压合排的影响，同时结合煤层气井实际排采过程探讨首山一矿四2、二1煤层分压合排产气效果不佳的原因。

首山一矿四2、二1煤层的储层压力梯度、渗透率、煤层顶底板岩石特征、水文地质条件差别不大，对分压合排效果影响不大。

四2、二1煤层的煤层间距为170 m，换算成流体压力为1.70 MPa。四2煤层临界解吸压力是1.16～1.69 MPa；二1煤层是0.40～0.46 MPa。二1煤层的临界解吸压力小于煤层间距对应的流体压力1.70 MPa。随着排水采气的进行，为使二1煤层产气，井筒内液面必须降到四2煤层以下，而首山一矿四2煤层以碎裂煤为主，次为碎粒煤，煤体松软，其普氏系数f为0.22。当液面降至四2煤层以下，煤层暴露，必然造成储层伤害。通常情况下不需要考虑液体的压缩性，可以认为液体是不可压缩的。缺少液体对运移通道的支撑，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，渗透率降低，造成四2煤层产气量下降，影响分压合排的效果。

煤层气井的排采是煤层气勘探开发工程的归结点，客观地反映了分压合排的效果。按照稳定、缓慢、合理的排采控制原则，首山一矿煤层气井排采过程中总体上液面下降速度小于10 m/d。排采初期，随着井筒内液面下降，压力降低，处于上部的四2煤层将首先达到临界解吸压力，发生解吸。这时，虽然气体已解吸，但还不能形成流线，仅阻碍水的流动，此阶段为非饱和水阶段。排采继续进行，液面稳定下降，四2煤层煤层气开始大量解吸，进入两相流阶段，而二1煤层还未产气。此时，为使二1煤层产气，达到四2、二1煤层分压合排的效果，必须继续降低液面，使压力降到二1煤层的临界解吸压力以下。由于二1煤层的临界解吸压力小于煤层间距对应的流体压力1.70 MPa。因此井筒内液面必须降到四2煤层以下，使四2煤层暴露。但四2煤层煤体松软，缺少流体支撑其通道后，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，渗透率下降，造成四2煤层产气量下降。若维持液面在四2煤层以上，二1煤层则无法达到临界解吸压力，无法产气，失去分压合排的意义。

综合考虑上述因素，笔者认为首山一矿四2、二1煤层压力及压力梯度、煤层顶底板岩石特征、渗透率和水文地质条件对分压合排的效果影响不大。较大的煤层间距(170 m)、二1煤层相对较小的临界解吸压力和四2煤层松软的煤体结构，共同影响了合排的目的，造成分压合排效果不佳。因此，在现有技术条件下不适合对首山一矿四2、二1煤层采用分压合排技术。

3 分压合排的产气效果

2011年，在平顶山矿区首山一矿实施了5口垂直井进行地面瓦斯抽采试验，均对四2、二1煤层进行分层压裂、合层排采。5口井自2012年5月31日开始排采。截至2013年8月1日，累计排采420多天(表3)。结果显示：5口井产气效果整体不佳，01、02、03、04、05井最大日产气量分别为262、586、411、567、205 m3，平均日产气量分别为75、350、119、203、41 m3。现场排采过程中发现各井日产气量随着井筒内液面下降至四2煤层后不断上升，日产气量达到最大值；当液面继续下降，四2煤层暴露出来后，产气量开始急剧下降。之后不久，由于5口井产气量低，日常维护费用大，河南煌龙新能源发展有限公司关停了这5口井。目前，各井已停止排采。

表3 首山一矿煤层气井排采效果
Table 3 Drainage result of CBM wells in the Shoushan No.1 Coal Mine

井号井型最高日产气量/m3平均日产气量/m301直井2627502直井58635003直井41111904直井56720305直井20541

注：工艺为分压合排。

以01井合排过程为例，该井压力计深度为821 m，二1煤层底板深度为816 m，四2煤层底板深度为633 m，四2煤层底板对应的井底流压(压力计读数)为1.88 MPa。该井开始排采后，井筒内液面下降，井底流压降低；当压力降到上部四2煤层临界解吸压力后，四2煤层开始产气，随液面下降产气量不断上升；液面接近四2煤层位置时，产气量达到高峰；当液面降到四2煤层以下，四2煤层完全暴露，即井底流压小于1.88 MPa后，随着液面继续下降，产气量明显降低，分压合排的产气效果不佳(图1)。这进一步验证了理论分析的可靠性。

图1 01煤层气井排采曲线
Fig.1 Drainage curves of No.01 CBM well

4 结 论

1)在构造煤矿区采用分压合排技术，不仅要考虑影响压力传递的储层压力及压力梯度、渗透率、煤层顶底板岩石特征、水文地质条件等因素，还要考虑煤层间距和煤体结构对分压合排效果的影响。

2)平顶山矿区首山一矿现场排采过程及效果显示采用四2、二1煤层分压合排的5煤层气井效果不佳。

3)平顶山矿区首山一矿四2、二1煤层的储层压力及压力梯度、渗透率、煤层顶底板岩石特征、水文地质条件差别不大，对分压合排效果影响不大；而较大的煤层间距、二1煤层相对较小的临界解吸压力和四2煤层煤体松软，共同影响了合排的目的，使分压合排效果不佳。因此，在现有技术条件下不适合对首山一矿四2、二1煤层采用分压合排技术。

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