CN102392678A - 井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法 - Google Patents

井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法 Download PDF

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李伍成
陶云奇
苏现波
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刘三钧
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一种井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,在煤矿井下利用钻机在煤储层或其顶、底板中施工井下大直径定向长钻孔,然后在距所述井下大直径定向长钻孔适当距离的煤层内施工卸压孔,从地面向井下施工垂直井与井下大直径长钻孔钻场或其附近巷道贯通,采用高压管路将地面大型压裂装备、地面垂直井井筒和井下大直径定向长钻孔连接牢靠,利用地面大型压裂装备对每个井下大直径定向长钻孔实施压裂形成立体裂隙网络,将井下大直径定向长钻孔中的水排出后将压裂孔与卸压孔一起进行带压连抽,利用立体裂隙网络采用负压将煤层瓦斯快速抽采出来。本发明可快速、高效地利用立体裂隙网络采用负压抽放煤层瓦斯,为矿井安全高效生产提供技术保障,应用前景广阔。

Description

井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法
技术领域
本发明涉及一种压裂增透抽采瓦斯的方法。具体指通过地面钻孔与井下钻孔连接,利用地面煤层气开发大型压裂设备对井下煤储层及其顶底板进行压裂改造,提出一种井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法。
背景技术
矿井瓦斯(煤层气)是一把“双刃剑”。据统计,我国埋深 2000m 以浅的煤层气地质资源量约 36.81万亿m3,居世界第三,因其有着与天然气类似或者更优良的性质,作为一种新型洁净能源,开发潜力巨大;同时,煤层气还是一种强烈的温室效应气体,其温室效应是相同数量二氧化碳的21.5倍。但作为一种危险因素,由其引发的瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出已成为我国煤矿安全生产的最大危害,成为制约矿井安全高效生产的瓶颈。而搞好瓦斯治理的根本措施就是抽采瓦斯,若能解决瓦斯抽采难问题,不仅可以减少煤矿瓦斯事故的发生,而且可以增加优质清洁能源供给,改善能源供给结构,推动节能减排,保护生态环境。
《防治煤与瓦斯突出规定》明确指出防突工作必须坚持区域措施先行的原则。从抽采角度出发,区域瓦斯治理措施可分为地面抽采和井下抽采两种。地面抽采多以获取洁净能源为首要目的,以地面煤层气开发技术为手段实现采前、采中、采后多阶段抽采;井下抽采以实现矿井安全生产为目的,以实施各种类型的井下钻孔为手段进行瓦斯抽采。目前,我国的地面瓦斯抽采技术仅在沁水盆地、辽宁阜新盆地等个别矿区取得了较好效果,主要原因为煤层瓦斯富集区基本全是构造煤强烈发育的严重突出矿区,所采煤层煤质松软、渗透率低,如果不采取增透措施,常规的井下钻孔瓦斯抽采半径小,抽采效果差,很难短时间实现煤层消突和获取高浓度瓦斯资源的目的,往往以密集布孔和煤层顶底板岩抽巷等高工程投入为代价进行抽采,为此,需采用水力强化增透措施对煤储层及其顶底板进行改造。但利用井下压裂设备通过定向长钻孔对煤储层及其顶底板进行压裂改造时,经常表现出压裂设备能力不足的现象,不能达到预期的改造目的。利用地面煤层气开发技术在地面对煤储层及其顶底板进行压裂改造虽可达到预期效果,但其经济代价较高。唯有将地面压裂设备和井下钻孔相结合,才能达到二者优势互补,既实现了较低经济成本下的大规模压裂,又实现了压裂范围的定向控制,从而达到区域瓦斯治理的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有煤矿井下水力压裂增透压裂装备能力的不足,提供一种井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法。能够在大幅降低成本的条件下达到地面水平井大规模压裂增透的效果,并能够避免利用地面水平井压裂时造斜点和水平段着陆点目的层不可压裂的弊端,通过在压裂影响范围内施工多个不同类型的抽采孔,可快速、高效地利用立体裂隙网络抽放煤层瓦斯,为矿井安全高效生产提供技术保障,应用前景广阔。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,根据工程需要,在煤矿井下利用千米定向钻机在煤储层或其顶底板中施工井下大直径定向长钻孔,封孔、固孔,并安装便于与高压管路相接的固定孔口,然后在距所述井下大直径定向长钻孔15-30m的煤层内施工卸压孔,通过井上下定位技术,从地面向井下施工垂直井与井下大直径长钻孔钻场或其附近巷道贯通,然后在地面和井下井口位置安装供压裂施工时用的井口装置并固定,利用高压管路将地面大型压裂装备、地面垂直井井筒和井下大直径定向长钻孔连接牢靠,利用地面大型压裂装备对每个井下大直径定向长钻孔实施压裂形成立体裂隙网络,将井下大直径定向长钻孔中的水排出后将压裂孔与卸压孔一起进行带压连抽,利用立体裂隙网络采用负压将煤层瓦斯快速抽采出来。
所述的井下大直径定向长钻孔既是压裂孔又是抽采孔,且至少一个,两个以上时,两个钻孔之间的孔间距是压裂影响半径的2倍。
所述的井下大直径定向长钻孔根据工程需要和地质条件的不同,钻孔分别布置在煤层中部或尽可能靠近煤层的顶底板中,且每个钻孔的孔径、孔深、倾角、方位角等钻孔参数可以相同,也可以不同。
所述的井下大直径定向长钻孔施工完成后,需及时进行封孔、固孔,并在钻孔开口位置安装专用的便于与高压管路相接的压裂孔口,封孔长度和深度能够满足压裂施工过程中的安全需要。
所述的卸压孔既是出煤孔又是抽采孔,且至少两个,水平方向上分别位于井下大直径定向长钻孔的两侧,垂直方向上位于从煤层1/2处靠近井下大直径定向长钻孔的一侧。
所述的地面垂直井采取二开结构完井,均下入技术套管后固井,且在地面和井下井口位置安装供压裂施工时用的井口装置并固定完好。
所述的利用地面大型压裂装备对每个井下大直径定向长钻孔实施压裂形成立体裂隙网络,包括采用地面煤层气开发的在压裂液中加砂的压裂技术对每个井下大直径定向长钻孔实施一次或重复的大规模压裂,以形成多条或者具有多种类型的裂缝进而构成立体裂隙网络,或者,采用只采用清水作为压裂液对每个井下大直径定向长钻孔实施一次或重复的大规模压裂,以形成多条或者具有多种类型的裂缝进而构成立体裂隙网络。
所述的立体裂隙网络指的是通过多条不同类型的裂缝穿透每个井下大直径定向长钻孔所在煤层顶底板与煤层中的原生或人工裂隙相互贯通,或者,穿透每个井下大直径定向长钻孔所在煤层与煤层顶底板中的原生或人工裂隙相互贯通,以此形成立体裂隙网络。
本发明所述的井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,在煤矿井下利用千米定向钻机在煤储层或其顶底板中施工井下大直径定向长钻孔,然后在距所述井下大直径定向长钻孔适当距离施工卸压孔,从地面向井下施工垂直井与井下大直径长钻孔钻场或其附近巷道贯通,利用高压管路将地面大型压裂装备、地面垂直井井筒和井下大直径定向长钻孔连接牢靠,利用地面大型压裂装备对每个井下大直径定向长钻孔实施压裂形成立体裂隙网络,将井下大直径定向长钻孔中的水排出后将压裂孔与卸压孔一起进行带压连抽,利用立体裂隙网络采用负压将煤层瓦斯快速抽采出来。本发明旨在克服现有煤矿井下水力压裂增透时井下压裂装备能力的不足,避开采用地面水平井压裂工艺开发煤层气时经济投入过大的弊端,将井下水力压裂增透工艺和地面水平井开发煤层气工艺技术相结合,取长补短,在大幅降低成本的条件下达到地面水平井大规模压裂增透的效果,并能够避免利用地面水平井压裂时造斜点和水平段着陆点目的层不可压裂的弊端,通过在压裂影响范围内施工多个不同类型的抽采孔,可快速、高效地利用立体裂隙网络抽放煤层瓦斯,为矿井安全高效生产提供技术保障,应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明实施井上下联合压裂增透抽采瓦斯方法的流程示意图;
图2是本发明在煤层顶板中实施井上下联合压裂的示意图;
图3是图2的A-A’剖面图;
图4是图2实施压裂后的示意图;
图5是本发明在煤层底板中实施井上下联合压裂的示意图;
图6是图5的A-A’剖面图;
图7是图5实施压裂后的示意图;
图8是本发明在本煤层中实施井上下联合压裂的示意图;
图9是图8的A-A’剖面图;
图10是图8实施压裂后的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图,对本发明的技术方案进行描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2、3、4所示,一种在单一煤层顶板中实施井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法。有一个厚度为6m,埋藏深度为120m的近水平的单一煤层4,软分层位于煤层4的下部,煤层顶板3中含水量小,采用本发明利用千米定向钻机在钻场9向煤层顶板3中施工了1个井下大直径定向长钻孔6,在煤层4中布置了两个卸压孔12,在地面1向下布置了地面垂直井8,垂直井8穿过上覆地层2与钻场9贯通。
具体压裂抽采步骤如下:
(1)首先采用专用的封孔器对个井下大直径定向长钻孔6进行封孔、固孔,在孔口安装便于与高压管路相接的压裂专用固定孔口14;
(2)根据压裂设计方案,选择合适的煤层气开发常用的地面大型压裂装备11,在地面垂直井上下口分布安装固定井口7和15;
(3)通过井下大直径定向长钻孔6的压裂专用固定孔口14、地面垂直井8的固定井口7和15,利用能耐50MPa以上的高压管路10将地面大型压裂装备11、地面垂直井8和井下大直径定向长钻孔6连接牢靠;
(4)选用清水为压裂液,采用常规压裂技术,利用地面大型压裂装备11对煤层顶板3中的井下大直径定向长钻孔6实施压裂,将部分煤体从卸压孔12中压出,使煤层4在压裂影响范围内卸压的同时,在煤层4和煤层顶板3中共同形成立体裂隙网络13;
(5)将地面垂直井8、井下大直径定向长钻孔6中的水放出后,对井下大直径定向长钻孔6和卸压孔12封孔后与井下抽采系统相接,利用立体裂隙网络13采用高负压将煤层瓦斯快速抽采出来。
实施例2
如图5、6、7所示,一种在单一煤层底板中实施井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法。有一个厚度为6m,埋藏深度为120m的近水平的单一煤层4,软分层位于煤层4的上部,煤层底板5中含水量小,采用本发明利用千米定向钻机在巷道9中向煤层底板5中施工了1个井下大直径定向长钻孔6,在煤层4中布置了两个卸压孔12,在地面1向下布置了地面垂直井8,垂直井8穿过上覆地层2与巷道9的顶板贯通。
具体压裂抽采步骤如下:
(1)首先采用专用的封孔器对个井下大直径定向长钻孔6进行封孔、固孔,在孔口安装便于与高压管路相接的压裂专用固定孔口14;
(2)根据压裂设计方案,选择合适的煤层气开发常用的地面大型压裂装备11,在地面垂直井上下口分布安装固定井口7和15;
(3)通过井下大直径定向长钻孔6的压裂专用固定孔口14、地面垂直井8的固定井口7和15,利用能耐50MPa以上的高压管路10将地面大型压裂装备11、地面垂直井8和井下大直径定向长钻孔6连接牢靠;
(4)选用一定浓度KCl溶液为压裂液,不同粒度的石英砂为支撑剂,采用常规加砂压裂技术,利用地面大型压裂装备11对煤层底板5中的井下大直径定向长钻孔6实施压裂,同时将部分煤体从卸压孔12中压出,使煤层4在压裂影响范围内卸压的同时,在煤层4和煤层底板5中共同形成立体裂隙网络13;
(5)将地面垂直井8、井下大直径定向长钻孔6中的水放出后,对井下大直径定向长钻孔6和卸压孔12封孔后与井下抽采系统相接,利用立体裂隙网络13采用高负压将煤层瓦斯快速抽采出来。
实施例3
如图8、9、10所示,一种在单一煤层中实施井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法。有一个厚度为6m,埋藏深度为120m的近水平的单一煤层4,煤的结构类型以原生结构煤和碎裂煤为主,构造煤不发育,采用本发明利用千米定向钻机在钻场9向煤层4中施工了1个井下大直径定向长钻孔6,并在煤层4中布置了两个卸压孔12,在地面1向下布置了地面垂直井8,垂直井8穿过上覆地层2与钻场9贯通。
具体压裂抽采步骤如下:
(1)首先采用专用的封孔器对个井下大直径定向长钻孔6进行封孔、固孔,在孔口安装便于与高压管路相接的压裂专用固定孔口14;
(2)根据压裂设计方案,选择合适的煤层气开发常用的地面大型压裂装备11,在地面垂直井上下口分布安装固定井口7和15;
(3)通过井下大直径定向长钻孔6的压裂专用固定孔口14、地面垂直井8的固定井口7和15,利用能耐50MPa以上的高压管路10将地面大型压裂装备11、地面垂直井8和井下大直径定向长钻孔6连接牢靠;
(4)选用清水为压裂液,采用常规压裂技术,利用地面大型压裂装备11对煤层4中的井下大直径定向长钻孔6实施压裂,将部分煤体从卸压孔12中压出,使煤层4在压裂影响范围内卸压的同时,在煤层4、煤层顶板3和煤层底板5中共同形成立体裂隙网络13;
(5)将地面垂直井8、井下大直径定向长钻孔6中的水放出后,对井下大直径定向长钻孔6和卸压孔12封孔后与井下抽采系统相接,利用立体裂隙网络13采用高负压将煤层瓦斯快速抽采出来。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,其特征在于:在煤矿井下利用钻机在煤储层或其顶底板中施工井下大直径定向长钻孔,封孔、固孔,并安装便于与高压管路相接的固定孔口,然后在距所述井下大直径定向长钻孔15-30m的煤层内施工卸压孔,通过井上下定位技术,从地面向井下施工垂直井,垂直井与井下大直径长钻孔钻场或其附近巷道贯通,然后在地面和井下井口位置安装供压裂施工时用的井口装置并固定,利用高压管路将地面大型压裂装备、地面垂直井井筒和井下大直径定向长钻孔连接,利用地面大型压裂装备对每个井下大直径定向长钻孔实施压裂形成立体裂隙网络,将井下大直径定向长钻孔中的水排出后将压裂孔与卸压孔一起进行带压连抽,利用立体裂隙网络采用负压将煤层瓦斯抽采出来。
2.根据权利要求1所述的井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,其特征是:所述的井下大直径定向长钻孔至少有一个,当为两个以上时,两个钻孔之间的孔间距是压裂影响半径的2倍。
3.根据权利要求2所述的井下大直径定向长钻孔,其特征是:所述的井下大直径定向长钻分别布置在煤层中部或靠近煤层的顶底板中。
4.根据权利要求2所述的井下大直径定向长钻孔,其特征是:所述的井下大直径定向长钻孔施工完成后,及时进行封孔、固孔,并在钻孔开口位置安装便于与高压管路相接的压裂孔口。
5.根据权利要求1所述的井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,其特征是:所述的卸压孔至少有两个,水平方向上分别位于井下大直径定向长钻孔的两侧,垂直方向上位于从煤层1/2处靠近井下大直径定向长钻孔的一侧。
6.根据权利要求1所述的井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,其特征是:所述的地面垂直井采取二开结构完井,均下入技术套管后固井,且在地面和井下井口位置安装供压裂施工时用的井口装置并固定。
7.根据权利要求1所述的井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法,其特征是:所述的利用地面大型压裂装备对每个井下大直径定向长钻孔实施压裂形成立体裂隙网络,包括采用地面煤层气开发的在压裂液中加砂的压裂技术对每个井下大直径定向长钻孔实施一次或重复的大规模压裂,以形成多条或者具有多种类型的裂缝进而构成立体裂隙网络,或者,采用只采用清水作为压裂液对每个井下大直径定向长钻孔实施一次或重复的大规模压裂,以形成多条或者具有多种类型的裂缝进而构成立体裂隙网络。
8.根据权利要求6所述的立体裂隙网络,其特征是:所述的立体裂隙网络指的是通过多条不同类型的裂缝穿透每个井下大直径定向长钻孔所在煤层顶底板与煤层中的原生或人工裂隙相互贯通,或者,穿透每个井下大直径定向长钻孔所在煤层与煤层顶底板中的原生或人工裂隙相互贯通,以此形成立体裂隙网络。
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