CN102392677A - 煤层气储盖层立体缝网改造增透技术 - Google Patents
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Abstract
一种煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，从地面向未采区煤层顶底板均施工顺层水平井，通过射孔、分段压裂，或者，利用现有井巷工程向未采区煤层顶底板施工顺层、立体交叉式或多分支长钻孔进行水力压裂，将煤层气储盖层改造成纵横交错的裂隙网络系统，形成“改造体积”，然后在改造体积内施工各种类型的抽采钻孔，与压裂井一起进行负压抽采，使煤层瓦斯不断解吸、扩散，并通过改造体积被大规模抽采出来。本发明通过在煤层气储盖层内形成纵横交错的裂隙网络系统，使煤层瓦斯在负压下不断解吸，并通过改造体积被大规模抽采出来，可快速将被改造层内的煤层瓦斯降至防突规定中的安全标准以下，在形成煤层气规模开发的基础上实现煤矿安全高效生产。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气（瓦斯）储盖层的强化增透技术领域，具体涉及一种煤层气（瓦斯）储盖层立体缝网改造增透新技术。
背景技术
近年来，矿井开采向深部发展，一些矿井的开采深度已超过1000 m。随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量逐渐增加，煤层瓦斯压力增大，一些低瓦斯矿井或高瓦斯矿井逐步升级为突出矿井，造成瓦斯事故频发，并已成为制约煤矿安全状况好转的瓶颈。因此，瓦斯治理是当前煤矿安全工作的首要任务，该问题亟待解决。
我国瓦斯治理的十二字方针“先抽后采、监测监控、以风定产”反映了煤矿瓦斯防治的客观规律和基本要求，凝聚了血的教训，是煤矿安全生产实践经验的概括和总结。特别是“先抽后采”，对防范瓦斯事故具有釜底抽薪、源头治本的作用，是煤矿安全生产的基础性、关键性措施。但因煤层的低渗透特征严重影响，采用常规的钻孔布置方式预抽煤层瓦斯时，往往达不到所要求的抽采效果；因此提高煤层的渗透性已成为提高瓦斯抽采效果的关键。针对低渗煤层瓦斯抽放的问题，传统方法只有依靠降低钻孔间距、增加钻孔工程量、延长抽采时间等措施来达到预抽效果，这些都没能改变目前煤矿井下瓦斯超限频繁、采掘接替紧张的局面，这与构建本质安全型矿井的目的不相符合，亟需新的瓦斯抽采手段来改变这种困境，为此，需采用强化增透抽采瓦斯方法，人为强迫沟通煤储盖层内的原有裂隙网络并产生新的裂隙网络，实现立体缝网改造，使煤储盖层透气性增加，为加强瓦斯抽采提供了更广阔的作业空间，提高瓦斯抽采效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层气（瓦斯）储盖层立体缝网改造增透新技术，本发明可以解决松软、低渗、高突煤层的区域消突技术难题，也可增加硬煤渗透率提高其瓦斯抽采的效果，同时有效增加被改造层的厚度和广度，为加强瓦斯抽采提供了更广阔的作业空间。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
从地面向未采区煤层顶底板均施工顺层水平井，通过射孔、分段压裂，或者，利用现有井巷工程向未采区煤层顶底板施工顺层、立体交叉式或多分支长钻孔进行水力压裂，将煤层气（瓦斯）储盖层改造成纵横交错的裂隙网络系统，形成“改造体积”，然后在改造体积内施工各种类型的抽采钻孔，与压裂井（孔）一起进行负压抽采，使煤层瓦斯不断解吸、扩散，并通过改造体积被大规模抽采出来。
所述的“改造体积”，通过改造实现对煤岩体基质块形成内部分割，裂缝的张开和扩展增加了裂隙的空间体积，裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。将可以渗流的有效储集层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大，使得煤层气（瓦斯）从任意方向的基质块向裂缝的渗流距离最短，极大地提高储盖层整体渗透率，实现对煤层气（瓦斯）储盖层在长、宽、高三维方向上的全面改造，整个改造的影响范围就是“改造体积”。
采用地面钻井时，从地面向未采区煤层顶底板均施工水平井，水平井的数目可以是两条或者是多条，具体数目根据地质特征等具体设计。
采用井下钻孔时，利用现有井巷工程向未采区煤层顶底板施工顺层或立体交叉式或多分支长钻孔，施工钻孔数目要使压裂改造的影响范围最大程度覆盖改造区域，也可分为多组进行分别改造，具体数目根据现场施工条件、地质条件等确定。
采用地面钻井，当煤层顶底板均稳定、易成孔时，采用从地面向煤层顶底板中分别施工水平井同时分段压裂抽采瓦斯。
采用井下钻孔，当煤层顶底板均稳定、易成孔时，在井下现有巷道中向煤层顶底板中施工顺层长钻孔，同步或交叉压裂抽采瓦斯。
从地面向煤层顶底板中施工的水平井，所述的在煤层顶底板中施工的水平井在水平投影上的夹角为0-90度。
从地面向煤层顶底板中施工的水平井，所述的在煤层顶板中施工的水平井眼在垂向上与煤层间的间距为0~10m，在煤层底板中施工的水平井眼在垂向上与煤层间的间距为0~10m。
从地面向煤层顶底板中施工的水平井，所述的施工在煤层顶底板中的水平井，均采用分段多簇射孔。
从地面向煤层顶底板中施工的水平井抽采瓦斯，所述的压裂为在水平井眼段每隔一定距离下封隔器实施分段压裂，并且使所施工的多口水平井同步分段压裂，对煤层顶底板中的水平井眼之间的煤岩层进行强化处理，使该段煤岩层天然裂隙在平面和纵向上延伸、扩展的同时产生更多的次生裂隙，并最终相互沟通形成复杂的网状裂隙系统，实现煤岩层立体缝网改造。
从井下向煤层顶底板中施工顺层长钻孔，所述的在煤层顶底板中施工的顺层长钻孔在水平投影上的夹角为0-45度。
从井下向煤层顶底板中施工多分支长钻孔，所述的在煤层顶底板中施工的水平长钻孔向煤层开分支钻孔，每个分支孔的施工见煤后即完成。
从井下向煤层顶底板中施工顺层、立体交叉式或多分支长钻孔抽采瓦斯，所述的压裂均采用多钻孔同步压裂或者交叉式压裂，促使产生更为复杂的立体缝网系统，以增加储层的改造体积。
从井下向煤层顶底板中施工顺层、立体交叉式或多分支长钻孔抽采瓦斯，压裂后在改造体积内施工各种类型的抽采钻孔抽采瓦斯，为增加抽采措施提供更为广阔的的施工空间。
所述的煤层气（瓦斯）储盖层立体缝网改造增透技术，所述压裂钻孔在压裂后排水降压后进行负压抽采瓦斯，使煤层瓦斯达到临界解吸压力以下，并在负压抽采过程中，使封闭在煤层中的瓦斯不断从煤层中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向“改造体积”渗流运移，再通过“改造体积”岩层中的水平井眼或钻孔内被大规模抽采出来。
煤层气（瓦斯）储盖层立体缝网改造增透技术是：通过压裂的方式对煤储盖层双井（孔）或者多井（孔）同时实施压裂改造，借助压裂使煤岩体各级裂隙弱面受到高压水作用，通过对裂隙弱面两壁面的支撑作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，在形成一条或者多条主裂缝的同时，在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，余类推。从而实现对煤岩体基质块形成内部分割，这种分割一方面通过裂缝的张开和扩展增加了裂隙的空间体积，另一方面通过裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。将可以渗流的有效储集层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大，使得煤层气（瓦斯）从任意方向的基质块向裂缝的渗流距离最短，极大地提高储盖层整体渗透率，实现对煤层气（瓦斯）储盖层在长、宽、高三维方向上的全面改造，然后在改造层内施工各种类型的抽采钻孔，与压裂井（孔）一起进行负压抽采，使煤层瓦斯不断解吸、扩散，并通过改造体积被大规模抽采出来。本发明通过在煤层气（瓦斯）储盖层内形成纵横交错的裂隙网络系统，使煤层瓦斯在负压下不断解吸，并通过改造体积被大规模抽采出来，可快速将被改造层内的煤层瓦斯降至防突规定中的安全标准以下，在形成煤层气规模开发的基础上实现煤矿安全高效生产。
附图说明
图1是本发明针对从地面向煤层顶底板中同向施工水平井立体缝网改造立体图；
图2是图1的A-A’剖面图；
图3是图1的B-B’剖面图；
图4是本发明针对从地面向煤层顶底板中对向施工水平井立体缝网改造立体图；
图5是图4的A-A’剖面图；
图6是图4的B-B’剖面图；
图7是本发明针对从井下向煤层顶底板中施工顺层钻孔立体缝网改造的立体图；
图8是图7的A-A’剖面图；
图9是图7的B-B’剖面图。
具体实施方式
实施例1
煤层厚度为6 m，埋藏深度600 m的近水平的松软、突出煤层6，该层煤的破坏类型为Ⅳ类或Ⅴ类，煤体结构为糜棱煤；瓦斯含量为25 m3/t，瓦斯压力为1.8 MPa；煤层顶板4为中砂岩和粉砂岩，厚0.95-10.32m，平均6.55m，煤层底板7为砂质泥岩或粉砂岩，厚0.88-19.33 m，平均7.00 m，煤层底板有灰岩含水层，上距煤层20～30m，岩溶与裂隙发育不均衡。
实施步骤如下：
（1）在地面1选取合适地点，确定井位；
（2）采用三开井身结构向煤层顶板4和底板7钻井施工，顶板施工两个水平井5，呈30°夹角，底板施工两个水平井8，呈30°夹角。5与8的水平投影呈15°夹角。一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的J55钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的J55钢级技术套管后固井，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼5和8直径为152.4mm，下入Φ127mm的J55钢级技术套管封固煤层顶板4和底板7。采用导向钻进技术使三开水平井眼5和8距煤层6为10m，为保证二开井段3和三开井段5和8固井质量，使套管串居中，在二开大斜度井段3采用螺旋滚轮式钢性扶正器与双弓弹性扶正器交叉使用，三开水平段5和8使用刚性旋流扶正器，通过螺旋流顶替技术提高顶替效率。
（3）钻井工程移交后射孔准备压裂，实施多簇分段射孔，射孔后根据已定的水力压裂方案对水平井眼5与煤层6之间的煤层顶板岩层4和水平井眼8与煤层6之间的煤层底板岩层7实施同步分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层实现立体缝网的体积改造
（4）从地面封井、排水、降压后，利用负压抽采，使封闭在煤层6中的瓦斯不断从煤层6中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向改造体积内渗流运移，再通过改造体积内的中的水平井眼5和8被大规模抽采出来。
实施例2
对于厚度为8 m，埋藏深度640 m的松软、低渗、突出煤层6，该层煤的破坏类型为Ⅳ类，煤体结构为碎粒煤；瓦斯含量为28m3/t，瓦斯压力为1.9MPa；煤层顶板4为砂质泥岩，厚3.2-15.9m，平均7.8m，煤层底板7为粉砂岩，厚2.6-17.6米，平均7.6米，煤层顶底板稳定，岩溶与裂隙发育不均衡。
实施步骤如下
（1）地面1选取合适地点，确定井位；
（2）采用三开井身结构向煤层顶板4和煤层底板7施工水平井，首先在煤层顶板4中施工的水平井，该分支水平井一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的N80钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的N80钢级技术套管后固井，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼5直径为152.4mm，下入Φ127mm的N80钢级技术套管封固煤层顶板4。
（3）待在煤层顶板7中施工的水平井钻井结束后，再施工煤层底板中的水平井，该分支水平井一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的N80钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的N80钢级技术套管封固煤层6，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼8直径为152.4mm，下入Φ127mm的N80钢级技术套管封固煤层底板7。采用导向钻进技术使三开水平井眼5和8距煤层6为10m，为保证二开井段3和三开井段5和8固井质量，使套管串居中，在二开大斜度井段3采用螺旋滚轮式钢性扶正器与双弓弹性扶正器交叉使用，三开水平段5和8使用刚性旋流扶正器，通过螺旋流顶替技术提高顶替效率。
（4）待完成（2）（3）施工后，在5和8水平钻进方向的对向再采用三开井身结构向煤层顶板4和煤层底板7施工水平井。采用技术参数与5和8相同，利用用导向钻进技术使顶板水平井眼和5不在一个水平空间内，且水平投影呈35°夹角；使底板水平井眼和8不在一个水平空间内，且呈水平投影35°夹角。
（3）钻井工程移交后射孔准备压裂，实施多簇分段射孔，射孔后根据已定的水力压裂方案分别对水平井眼5与煤层6之间的煤层顶板岩层4和煤层底板7实施同步交叉分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层显现立体改造。
（4）从地面封井、排水、降压后，利用负压抽采，使封闭在煤层6中的瓦斯不断从煤层6中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向改造体积渗流运移，再通过改造体积岩层中的水平井眼被大规模抽采出来。
实施例3
对于厚度为8 m，埋藏深度640 m的松软、低渗、突出煤层6，该层煤的破坏类型为Ⅳ类，煤体结构为碎粒煤；瓦斯含量为28m3/t，瓦斯压力为1.9MPa；煤层顶板4为砂质泥岩，厚3.2-15.9m，平均7.8m，煤层底板7为粉砂岩，厚2.6-17.6米，平均7.6米，煤层顶底板稳定，岩溶与裂隙发育不均衡。
实施步骤如下：
（1）根据井巷工程的条件要求，选定钻孔9和10的开孔位置。
（2）采用大功率钻机向工作面顶板4和底板7各施工一组顺层长钻孔9和10，孔径120 mm，孔深200 m。
（3）顶板顺层长钻孔9与底板顺层长钻孔10在水平投影长呈45°夹角。
（4）在钻孔内下入壁厚10 mm的高压无缝钢管，在管壁和孔壁之间注入高强度化学材料封孔。孔口安装专用连接井口。
（5）完成钻孔和封孔后，用高压管汇连接各个钻孔孔口与压裂设备，根据已定的水力压裂方案分别对顶板钻孔9与煤层6之间的煤层顶板岩层4和底板钻孔10与煤层6之间的煤层底板7实施同步交叉分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层显现立体改造。
（6）在实现立体改造的煤层顶板4和煤层底板7内施工抽采钻孔，进行封孔。
（7）接入井下抽采管路，实现大面积抽采。
Claims (10)
1. 一种煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，其特征是：从地面向未采区煤层顶底板均施工顺层水平井，通过射孔、分段压裂，或者，利用现有井巷工程向未采区煤层顶底板施工顺层、立体交叉式或多分支长钻孔进行水力压裂，将煤层气储盖层改造成纵横交错的裂隙网络系统，形成“改造体积”，然后在改造体积内施工各种类型的抽采钻孔，与压裂孔一起进行负压抽采，使煤层瓦斯不断解吸、扩散，并通过改造体积被大规模抽采出来。
2.根据权利要求1所述的煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，其特征在于：通过改造实现对煤岩体基质块形成内部分割，裂缝的张开和扩展增加了裂隙的空间体积，裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络；将可以渗流的有效储集层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大，使得煤层气从任意方向的基质块向裂缝的渗流距离最短，极大地提高储盖层整体渗透率，实现对煤层气储盖层在长、宽、高三维方向上的全面改造，整个改造的影响范围就是“改造体积”。
3.根据权利要求1所述的煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，其特征在于：采用地面钻井时，从地面向未采区煤层顶底板均施工水平井，水平井的数目为两条以上。
4.根据权利要求1所述的煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，其特征在于：采用井下钻孔时，利用现有井巷工程向未采区煤层顶底板施工顺层或立体交叉式或多分支长钻孔，施工钻孔数目要使压裂改造的影响范围最大程度覆盖改造区域，或分为多组进行分别改造。
5.根据权利要求1所述的煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，其特征在于：采用地面钻井时，当煤层顶底板均稳定、易成孔时，采用从地面向煤层顶底板中分别施工水平井同时分段压裂抽采瓦斯。
6.根据权利要求1所述的煤层气储盖层立体缝网改造增透技术，其特征在于：采用井下钻孔时，当煤层顶底板均稳定、易成孔时，在井下现有巷道中向煤层顶底板中施工顺层长钻孔，同步或交叉压裂抽采瓦斯。
7.根据权利要求3所述的从地面向煤层顶底板中施工的水平井，其特征在于：所述的在煤层顶底板中施工的水平井在水平投影上的夹角为0-90度。
8.根据权利要求3所述的从地面向煤层顶底板中施工的水平井，其特征在于：所述的在煤层顶板中施工的水平井眼在垂向上与煤层间的间距为0~10m，在煤层底板中施工的水平井眼在垂向上与煤层间的间距为0~10m；所述的施工在煤层顶底板中的水平井，均采用分段多簇射孔；所述的压裂为在水平井眼段每隔一定距离下封隔器实施分段压裂，并且使所施工的多口水平井同步分段压裂，对煤层顶底板中的水平井眼之间的煤岩层进行强化处理，使该段煤岩层天然裂隙在平面和纵向上延伸、扩展的同时产生更多的次生裂隙，并最终相互沟通形成复杂的网状裂隙系统，实现煤岩层立体缝网改造。
9.根据权利要求4所述的从井下向煤层顶底板中施工顺层长钻孔，其特征是：所述的在煤层顶底板中施工的顺层长钻孔在水平投影上的夹角为0-45度。
10.根据权利要求4所述的从井下向煤层顶底板中施工多分支长钻孔，其特征是：所述的在煤层顶底板中施工的水平长钻孔向煤层开分支钻孔，每个分支孔的施工见煤后即完成；所述的压裂均采用多钻孔同步压裂或者交叉式压裂，促使产生更为复杂的立体缝网系统，以增加储层的改造体积。
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