CN104131831A - 一种煤层气井上下立体联合抽采方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层气井上下立体联合抽采方法，在裂隙带与弯曲下沉带之间的过渡区域采用水平井和直井对接，水平井水平段适当靠近回采工作面回风巷一侧；采用直径200mm以上的大直径抽采管，利用分段水力压裂、分段密封和梯度负压抽采技术，在煤炭开采不同阶段，选用不同抽采井进行煤层气抽采。该方法在煤炭回采后，时间上可实现不同区域的同步抽采，空间上可实现不同区域的立体式抽采，提高了煤层气抽采效率，同时可抽采煤层顶板的围岩气，实现了不同类型气体的联合抽采和“一井多用”。

Description

一种煤层气井上下立体联合抽采方法

技术领域

本发明是关于一种煤层气抽采的方法，尤其涉及一种煤层气井上下立体联合抽采的方法。

背景技术

煤层气作为一种清洁能源，其开发利用有利于我国能源结构的调整。由于我国煤储层具有“三低一高”（低饱和度、低渗透性、低储层压力，高变质程度）的特点（袁亮，2013），要提高煤层气开发效率，当务之急是克服以上煤储层特点产生的难题。对于我国煤储层的低渗透性，地面开采时，大多采用水力压裂改造；井下抽采采用卸压的方式，在煤层上方开采保护层或专用抽采巷道抽采煤层瓦斯。煤层气地面开采，目前大都采用直井，且井筒常常穿过煤层，这给后期的煤炭开采带来了潜在的危害。

煤炭开采后，采空区上方由下至上会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带中，顶板垮落；裂隙带中成段拆断或产生许多裂隙，但不冒落仍整齐排列，其高度一般为煤层厚度的5~8倍，会形成离层裂隙和竖向破断裂隙，竖向破断裂隙沟通了上下层间煤层气运移的通道（李超，2013）；裂隙带上方直到地表的岩层为弯曲下沉带，这部分岩层不产生裂隙或仅产生极微小的裂隙。

比较而言，采空区抽采则具有明显的优势，它既不需要大规模改造煤储层，又能提高渗透率；同时，采空区煤层气抽采还有利于井下瓦斯治理和煤炭开采。根据相关资料（袁亮，2013；郭亮，2013；秦跃平，2008）可知，煤层气联合抽采技术目前在采空区大多采用直井抽采，井筒终孔位置一般布置在裂隙带下限的1/3处。由于直井的有效卸压面积有限，井筒底部又接近冒落带，煤炭开采后井筒的稳定性也不易保持，最终难以达到“一井多用”的目的。目前煤层气抽采管径一般在200 mm以下，而澳大利亚常用的采空区地面钻井内径通常为200～250 mm，瓦斯抽采效果良好。袁亮等（2013）通过现场试验也证明了大直径地面钻井比普通直径地面钻井更加稳定，保证了出气量。同时，袁亮等（2013）通过数值模拟和现场试验证明，地面钻孔靠近回风巷一侧，抽采效果更好。

目前采用一种更优越的抽采方法，十分重要的显现出来。

发明内容

为了解决现有井上下联合抽采方法的不足，本发明提供了一种煤层气井上下立体联合抽采方法，该一种煤层气井上下立体联合抽采方法根据前人井上下联合抽采的经验、理论基础及现场试验，提出了三区，即未采区、开采区和采空区联合抽采方案。该方案可实现三区立体式抽采，同时也提高了井下抽采效率，能够实现井上下联合抽采和“一井多用”的目标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该一种煤层气井上下立体联合抽采方法，包括垂直井、水平井与垂直井对接、水平井水平段、冒落带、弯曲下沉带、水平井、裂隙带、回风巷、进风巷、分隔处、煤层、密封装置、井下抽采钻孔、采空区，在地面施工直立的垂直井和沿煤层开采方向的水平井，垂直井井筒底部和水平井水平段均位于裂隙带与弯曲下沉带的过渡区，该区距煤层顶板的高度一般为煤层厚度的5~8倍，在垂直井底部扩径，降低水平井与直井在此处的对接难度，该垂直井和水平井的抽采管径均大于200 mm，该抽采井的水平井的水平段与煤层之间有顶板冒落和水力压裂产生的裂缝相连通，将水平井水平段按煤炭设计的每次放顶长度分成若干段，按照设计的分隔长度，相邻分隔段之间保留一定的宽度，水力压裂时，避免将相邻分隔段之间压穿。直井1和水平井6抽采管的直立段端部与负压抽采设备相密封连接进行负压抽采。

该抽采井的设计位置为：在采空区上方形成的裂隙带与弯曲下沉带过渡区，该区距煤层顶板的高度一般为煤层厚度的5~8倍，平面图中，该井布置位置应选在回风巷和进风巷之间，并靠近回风巷一侧；其抽采井的布置密度应根据探测到的煤层被抽采范围确定，根据水平井能达到的抽采效果范围确定，经探测，根据其他地质情况，该抽采范围应定在200 m~300 m半径范围内。

在本发明中，抽采煤层气顺序包括：①.工作面规划和圈定阶段抽采、②.工作面采前预抽、③.采空区形成后边采边抽三个阶段。

①.工作面规划和圈定阶段抽采是利用压裂裂缝及煤层部分卸压对煤层及煤层上方围岩中气体进行抽采，在图4中，水平井井口密闭，仅用直井抽采，抽采方式为负压抽采，直到工作面开始回采；

②.工作面采前预抽阶段是针对煤层及其上方围岩中气体进行井上下联合负压抽采，在图5中，工作面圈定完毕，开始进行采前瓦斯抽采时，按之前设计的水平井水平段的分隔长度，将靠近工作面端的水平井水平段的第一段利用密封装置密封起来，保证两段的密封性，水平井井口仍然密闭，同时，从工作面及进风巷和回风巷向煤层打抽采钻孔，利用垂直井和井下抽采钻孔同时进行负压抽采，直到达到抽采标准，工作面开始回采。井下抽采钻孔将之前的压裂裂缝贯穿起来，提高井下抽采效率，更快达到抽采标准；为防止封隔的两段密封效果不佳，造成部分区域气体停滞，不同区域之间采用梯度抽采负压，从开采面向推进方向抽采负压依次提高，即井下抽采钻孔的抽采负压小于直井井口的抽采负压。

③.采空区形成后边采边抽阶段是针对采空区和煤层及其上方围岩中气体进行井上下联合负压抽采；在图6中，当工作面开始回采，采空区首次形成之后，将采空区密闭，同时将下次放顶所对应的水平井水平段也密封起来，水平井、垂直井和井下抽采钻孔同时进行抽采，形成梯度负压抽采的情况；当下一段采空区形成之后，在水平井水平段中，将与采空区对应的分隔段相互贯通，继续抽采，之后按开采次序依次循环，直到工作面回采完毕。

本发明的有益效果是，该一种煤层气井上下立体联合抽采方法可实现三区，即未采区、开采区和采空区立体式联合抽采，可解决高瓦斯矿井的瓦斯抽采问题，从时间和空间上实现了煤层气井上下立体联合抽采。井下钻孔抽采煤层气时，井下抽采钻孔将之前的压裂裂缝贯穿起来，提高井下抽采效率，更快达到抽采标准，省时省力，又不影响后期煤炭的正常安全开采，同时还可以有效开发围岩中的围岩气，一举三得。能够实现井上下立体联合抽采和“一井多用”的目标。为立体化、层次化有效开发煤层气提供了一种方法。

附图说明

下面结合附图对本发明实施方式进一步说明。

图1：为本发明中井位布置方案示意图。

图2：为本发明中水平井平面示意图。

图3：为本发明中水平井剖面示意图。

图4：为本发明中工作面规划和圈定阶段抽气示意图。

图5：为本发明中工作面采前预抽气示意图。

图6：为本发明中采空区形成后联合抽采示意图。

图1中：1.直井，2.水平井与直井对接处，3.水平井水平段，4.冒落带，5.弯曲下沉带，6.水平井，7.裂隙带。

图2中：3.水平井水平段，8.回风巷，9.进风巷，10.进风巷与回风巷风流流向。

图3中：1.直井，2.水平井与直井对接处，6.水平井，11.分隔处，12.煤层。

图4中：1.直井，2.水平井与直井对接处，6.水平井，12.煤层，13.气体流向。

图5中：1.直井，2.水平井与直井对接处，6.水平井，12.煤层，13.气体流向，14.密封装置，15.井下抽采钻孔。

图6中：1.直井，2.水平井与直井对接处，6.水平井，12.煤层，13.气体流向，14.密封装置，15.井下抽采钻孔，16.采空区。

具体实施方式

在图中该一种煤层气井上下立体联合抽采方法，包括垂直井1、水平井与垂直井对接处2、水平井水平段3、冒落带4、弯曲下沉带5、水平井6、裂隙带7、回风巷8、进风巷9、分隔处11、煤层12、密封装置14、井下抽采钻孔15、采空区16，在地面施工直立的垂直井1和沿煤层开采方向的水平井6，垂直井1井筒底部和水平井水平段2均位于裂隙带7与弯曲下沉带5的过渡区，该区距煤层顶板的高度一般为煤层厚度的5~8倍，在垂直井1底部进行扩径，降低水平井6与直井1的对接难度，该垂直井1和水平井6的抽采管直井均大于200 mm，将水平井水平段2按煤炭设计的每次放顶长度分成若干段，并对水平井水平段3进行分段水力压裂，避免压穿相邻分隔处11，该抽采井的水平井的水平段与煤层之间有顶板冒落和水力压裂产生的裂缝相连通，直井1和水平井6抽采管的直立段端部与负压抽采设备相密封连接进行负压抽采。

图1抽采井的设计位置为：在采空区上方形成的裂隙带与弯曲下沉带过渡区，该区距煤层顶板的高度一般为煤层厚度的5~8倍，平面图中，该井布置位置应选在回风巷8和进风巷9之间，并靠近回风巷8的一侧；其抽采井的布置密度应根据探测到的煤层被抽采范围确定，根据水平井6能达到的抽采效果范围确定，经探测，根据其他地质情况，该抽采范围应定在200 m~300 m半径范围内。

在本发明中，抽采煤层气顺序包括：①.工作面规划和圈定阶段抽采、②.工作面采前预抽、③.采空区形成后边采边抽三个阶段。

①.工作面规划和圈定阶段抽采是利用压裂裂缝及煤层部分卸压对煤层及煤层上方围岩中气体进行抽采。在图4中，水平井6井口密闭，仅用直井1抽采，抽采方式为负压抽采，直到工作面开始回采。

②.工作面采前预抽阶段是针对煤层及其上方围岩中气体进行井上下联合负压抽采。在图5中，工作面圈定完毕，开始进行采前瓦斯抽采时，按之前设计的水平井水平段2的分隔长度，将靠近工作面端的水平井水平段2的第一段利用密封装置14密封起来，保证两段的密封性，水平井6井口仍然密闭，同时，从工作面及进风巷9和回风巷8向煤层打抽采钻孔，利用垂直井1和井下抽采钻孔15同时进行负压抽采，直到达到抽采标准，工作面开始回采。井下抽采钻孔将之前的压裂裂缝贯穿起来，提高井下抽采效率，更快达到抽采标准；为防止封隔的两段密封效果不佳，造成部分区域气体停滞，不同区域之间采用梯度抽采负压，从开采面向推进方向抽采负压依次提高，即井下抽采钻孔（15）的抽采负压小于直井（1）井口的抽采负压。

③.采空区形成后边采边抽阶段是针对采空区16和煤层12及其上方围岩中气体进行井上下联合负压抽采。在图6中，当工作面开始回采，采空区16首次形成之后，将采空区密闭，同时将下次放顶所对应的水平井水平段用密封装置14密封起来，水平井6、垂直井1和井下抽采钻孔同时进行抽采，形成梯度负压抽采的情况，即水平井（6）井口的抽采负压小于井下抽采钻孔（15）的抽采负压，井下抽采钻孔（15）的抽采负压小于直井（1）井口的抽采负压。当下一段采空区形成之后，在水平井水平段中，将与采空区对应的分隔段相互贯通，继续抽采，之后按开采次序依次循环，直到工作面回采完毕。

Claims (3)

1.一种煤层气井上下立体联合抽采方法，包括垂直井（1）、水平井与垂直井对接处（2）、水平井水平段（3）、冒落带（4）、弯曲下沉带（5）、水平井（6）、裂隙带（7）、回风巷（8）、进风巷（9）、分隔处（11）、煤层（12）、密封装置（14）、井下抽采钻孔（15）、采空区（16），其特征是：在本发明中，抽采煤层气顺序包括①.工作面规划和圈定阶段抽采、②.工作面采前预抽、③.采空区形成后边采边抽三个阶段；

①.工作面规划和圈定阶段抽采是利用压裂裂缝及煤层部分卸压对煤层（12）及煤层（12）上方围岩中气体进行抽；水平井（6）井口密闭，仅用直井（1）抽采，抽采方式为负压抽采，直到工作面开始回采；

②.工作面采前预抽阶段是针对煤层及其上方围岩中气体进行井上下联合负压抽采；工作面圈定完毕，开始进行采前瓦斯抽采时，按之前设计的水平井水平段2的分隔长度，将靠近工作面端的水平井水平段2的第一段利用密封装置14密封起来，保证两段的密封性，水平井6井口仍然密闭，同时，从工作面及进风巷9和回风巷8向煤层打抽采钻孔，利用垂直井1和井下抽采钻孔15同时进行负压抽采，直到达到抽采标准，工作面开始回采；井下抽采钻孔将之前的压裂裂缝贯穿起来，提高井下抽采效率，更快达到抽采标准；为防止封隔的两段密封效果不佳，造成部分区域气体停滞，不同区域之间采用梯度抽采负压，从开采面向推进方向抽采负压依次提高，即井下抽采钻孔（15）的抽采负压小于直井（1）井口的抽采负压；

③.采空区形成后边采边抽阶段是针对采空区（16）和煤层（12）及其上方围岩中气体进行井上下联合负压抽采；当工作面开始回采，采空区（16）首次形成之后，将采空区（16）密闭，同时将下次放顶所对应的水平井水平段用密封装置（14）密封起来，水平井（6）、垂直井（1）和井下抽采钻孔同时进行抽采，形成梯度负压抽采的情况，即水平井（6）井口的抽采负压小于井下抽采钻孔（15）的抽采负压，井下抽采钻孔（15）的抽采负压小于直井（1）井口的抽采负压；当下一段采空区形成之后，在水平井水平段中，将与采空区对应的分隔段相互贯通，继续抽采，之后按开采次序依次循环，直到工作面回采完毕。

2.根据权利要求1所述的一种煤层气井上下立体联合抽采方法，其特征是：在地面施工直立的垂直井（1）和沿煤层开采方向的水平井（6），在垂直井（1）底部进行扩径，降低水平井（6）和直井（1）的对接难度，该垂直井（1）和水平井（6）抽采管径均大于200 mm，该抽采井的水平井的水平段与煤层之间有顶板冒落和水力压裂产生的裂缝相连通，直井（1）和水平井（6）抽采管的直立段端部与负压抽采设备相密封连接进行负压抽采。

3.根据权利要求1所述的一种煤层气井上下立体联合抽采方法，其特征是：抽采井的设计位置为：在采空区上方形成的裂隙带与弯曲下沉带过渡区，该区距煤层顶板的高度一般为煤层厚度的5~8倍，不排除有特殊的情况，平面图中，该井布置位置应选在回风巷（8）和进风巷（9）之间，并靠近回风巷（8）的一侧；其抽采井的布置密度应根据探测到的煤层被抽采范围确定，根据水平井（6）能达到的抽采效果范围确定，经探测，根据其他地质情况，该抽采范围应定在200 m~300 m半径范围内。