CN105927191B

CN105927191B - 一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法

Info

Publication number: CN105927191B
Application number: CN201610446293.5A
Authority: CN
Inventors: 冯国瑞; 李振; 王鲜霞; 李典; 杜献杰; 章敏; 戚庭野; 姜海纳; 康立勋
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: CN105927191A

Abstract

本发明公开了一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法。该方法首先对矿井进行勘测，由地面向老空区底板岩层以下5~20米处施工水平井，进行煤层气抽采；当煤层气抽采量下降到初始值Q₁的20%~40%，循环停抽‑降压‑抽采的过程，当抽采量下降到Q₁的20%以下时，压裂煤岩层，并进行水平井垂直段延伸，安设排采设备，进行煤层气抽采，记录此时抽采量为Q₂；当抽采量下降到Q₂的20%以下时，注入二氧化碳气体驱替，再次抽采煤层气，直至煤层气抽采量下降到的8m³/min时停抽。该发明解决了原有抽采钻井与老空区储层接触面积有限、抽采范围小的难题，同时避免了钻井施工到裂隙带上方施工难度大、成孔率低的问题。

Description

一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法

技术领域

本发明涉及一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，属于煤层气开采技术领域。

背景技术

由于长期的工业化开采，我国存在着无数众多、面积巨大的老空区。仅以山西省为例，截止2013年底，山西省共有4700余处废弃矿井，老空区面积已达5000平方公里，这些老空区的开挖多是采用的是采出率较低的旧式爆破采煤工艺，其煤炭采出率一般在50%~60%，甚至更低，因此上述老空区赋存着相当可观的煤层气资源瓦斯储量，相关数据显示仅以山西省为例老空区煤层气资源量约30亿立方米。瓦斯是一种清洁能源，对老空区残留煤层气的能源化利用，可有效缓解我国天然气供应不足的局面；同时瓦斯作为一种有害气体，排放到大气中所产生的温室效应是二氧化碳的21倍，因此对这部分瓦斯的抽采利用具有良好的经济效益及环境效益。

目前针对老空区瓦斯的抽采主要是针对单一工作面老空区瓦斯的抽采，其方法是由地面向老空区上部裂隙带内施工地面钻井以抽采老空区瓦斯，此种方法钻井施工过程中施工难度大、事故发生率高、成孔率低。而且一个地面井筒只能针对一个老空区进行抽采，抽采的煤层气产量低且成本高。中国专利 CN105114038A公布了一种依靠超临界CO₂射流压裂相邻老空区间煤柱抽采同一水平两个老空区瓦斯的方法；中国专利CN104696006A公布了一种穿透多层老空区残留煤柱抽采多层老空区残余煤层气的方法；上述方法均为竖井抽采多个老空区瓦斯的情况；上述专利存在着地面垂直钻井与煤层气储层接触面小、抽采范围有限等问题，同时上述专利均为抽采老空区内存留煤层气资源，均未将老空区煤层气与相邻为开采煤层气资源统筹起来，考虑联合开发协同抽采。

事实上，煤田中煤层往往以多层煤相距一定距离的形式赋存在煤田中，针对上部是老空区下部是较薄煤层的组合地质情况，目前从固体矿床开挖开采（传统开挖采煤）的角度往往对下部煤层厚度变化较大的薄煤层（0~1.5米）进行弃采，弃采的原因多为采矿技术上不可行或技术上可行但从经济成本角度对其弃采，这就造成了相当一大部分煤炭（煤层气）资源的大量浪费。

发明内容

本发明针对上述问题，从煤炭（煤层气）资源协同利用、联合开发的角度出发，提供了一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法。

本发明提供了一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，包括以下步骤：

1）根据矿井采掘情况、煤层柱状图以及井上下对照图等已有地质采掘资料并结合物理勘测手段确定井下上部煤层已开挖的刀柱式开采老空区参数以及下部煤层与上部老空区之间的距离D；所述老空区参数包括柱采区的范围、数目以及煤柱数目、大小、分布大体位置；

2)由地面向刀柱式老空区底板以下5~20米岩层处施工水平井；

水平井由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段、造斜段、水平井垂直段以及水平井地面端，其中水平井地面端设有密封装置并连接抽采管，抽采管上设有阀门Ⅰ，水平井近地面端进行密封；

3）打开阀门Ⅰ由抽采管对水平井进行第一次煤层气抽采，记录此时单位时间内煤层气抽采量Q₁；

4）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₁的20%~40%时，关闭阀门Ⅰ，停抽12~36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，同时降低抽采压力继续进行煤层气抽采；当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q₁的20%~40%时，再次关闭阀门Ⅰ，停抽12~36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，再次降低抽采压力进行煤层气抽采；循环上述停抽-降压抽采的过程，直至抽采压力降低至比大气压低80~100kpa；

5）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₁的20%以下时，将抽采管拆卸，由井口下放分段压裂设备，对水平井水平段与下部煤层之间以及水平井水平段与上部老空区之间的层间岩层实施定向压裂；

6）将水平井垂直段进行垂向延伸，直至延伸至下部煤层底板5~20米范围处；

7）由水平井垂直段处安设排采设备，水平井垂直段中设置的排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵、抽油管，抽油管内设有抽油杆，地面设置的抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直井段内的水进行排采；水平井垂直段地面端由四通分为三条支路：排水管、抽气管、注气管，排水管连接井下抽油管，地面端设有阀门Ⅱ，抽气管地面端连有阀门Ⅲ，注气管地面端连有阀门Ⅳ，注气管的井下部分一直延伸到水平井水平段内，且位于水平井水平段内为筛眼段，水平井垂直井段近地面端进行密封，地面有密封装置；

打开阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，由抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直井段内的水进行抽采，同时由抽气管进行煤层气抽采，记录排采中单位时间内煤层气最大抽采量Q₂；

8）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₂的20%以下时，关闭阀门Ⅱ，阀门Ⅲ，打开阀门Ⅳ由注气管向水平井内注入压力为4~30MPa的CO₂ 气体24~72小时，关闭阀门Ⅳ，静待12~48小时；

9）再次打开阀门Ⅱ，阀门Ⅲ，由排采设备再次进行排水降压以及煤层气抽采；

10）当单位时间内煤层气抽采量下降至8m³/min以下时，停止煤层气抽采。

上述方法中，所述水平井垂直段从老空区边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为10~60米，水平井造斜段造斜点选取则由已确定的水平段、垂直段层位以及现场钻井工艺决定。

上述方法中，所述定向分段压裂为套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、定向水力喷射分段压裂技术中的一种。

本发明的有益效果：

本发明从煤炭（煤层气）资源最大化开采的角度出发，同时将老空区残留的大量煤层气资源以及采用传统采矿方法弃采的下煤层的煤层气资源考虑在内，提出了一种抽采煤层气的创新方法。该方法可有效解决原有单纯采用地面垂直钻井时，抽采钻井与老空区储层有效接触面积小、抽采范围有限的难题，在抽采老空区煤层气的同时将临近薄煤层的煤层气资源一并抽采上来，解决了弃采呆滞煤炭（煤层气）资源的回收，可谓一举两得；同时本发明提出了老空区煤层气抽采过程中停抽-降压的循环抽采模式，在保证煤层气抽采量的同时极大降低了能耗；二氧化碳气体的注入同时提高了钻井的抽采量和使用寿命。

附图说明

图1为本发明前期阶段施工水平井抽采过程的结构示意图。

图2为本发明后期阶段增设排采设备后抽采过程的结构示意图。

图中：1、抽采管，2、阀门Ⅰ，3、密封装置，4、密封段，5、水平井垂直段，6、边界煤柱，7、水平井造斜段，8、下部煤层，9、分段压裂裂缝，10、分段压裂段，11、压裂间隔段，12、水平井水平段，13、阀门Ⅱ，14、排水管，15、抽气管，16、阀门Ⅲ，17、阀门Ⅳ，18、注气管，19、抽油机，20、四通，21、抽油管，22、抽油杆，23、抽油泵，24、刀柱式老空区，25、水平井。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

下面以晋圣永安鸿泰煤矿某工作面为例，说明该发明方法：晋圣永安鸿泰煤矿坐落在沁水煤田，该煤田范围内井田内可采煤层为山西组的3号煤层和太原组的9号、15号煤层。其中主采煤层3号煤层平均煤厚6.34米，自上世纪六十年代起，由于开采方法的落后以及小煤窑乱采乱挖现象严重，其主采煤层3号煤主要采煤方法为刀柱法采煤，其采出率低，遗留在井下大量煤，老空区煤层气资源量相当丰富。与之间距52米左右为薄煤层9号煤，其平均煤厚0.63米，为局部可采煤层，该薄煤层若用传统采矿中的井工开采则成本高昂，可采价值不大，但对这部分资源弃之可惜。为圆满解决煤层气资源的协同开采，本发明提供的发明方法具体为：

1）根据矿井采掘情况、煤层柱状图以及井上下对照图等已有地质采掘资料并结合三维激光扫描仪、瞬变电磁法等手段确定井下上部刀柱式老空区（24）参数以及下部煤层（8）与上部老空区之间的距离D=47米；所述老空区参数包括柱采区的范围、数目以及煤柱数目、大小、分布大体位置；

2)由地面向刀柱式老空区（24）底板以下10米岩层处施工水平井（25）；

水平井（25）由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段（12）、水平井造斜段（7）、水平井垂直段（5）以及水平井地面端，其中水平井地面端设有密封装置（3）并连接抽采管（1），抽采管上设有阀门Ⅰ（2），水平井近地面端进行密封，形成密封段（4）；

3）打开阀门Ⅰ（2）由抽采管（1）对水平井（25）进行第一次煤层气抽采，记录此时单位时间内煤层气抽采量Q₁；

4）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₁的25%时，关闭阀门Ⅰ（2），停抽36小时，之后再次打开阀门Ⅰ（2），同时降低抽采压力继续进行煤层气抽采；当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q₁的25%时，再次关闭阀门Ⅰ（2），停抽36小时，之后再次打开阀门Ⅰ（2），再次降低抽采压力进行煤层气抽采；循环上述停抽-降压抽采的过程，直至抽采压力降低至比大气压低85kpa；

5）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₁的20%以下时，将抽采管（1）拆卸，由井口下放分段压裂设备，对水平井水平段（12）与下部煤层（8）之间以及水平井水平段（12）与上部刀柱式老空区（24）之间的层间岩层实施定向压裂；

6）将水平井垂直段（5）进行垂向延伸，直至延伸至下部煤层（8）底板10米范围处；

7）由水平井垂直段（5）处安设排采设备，水平井垂直段中设置的排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵（23）、抽油管（21），抽油管（21）内设有抽油杆（22），地面设置的抽油机（19）通过抽油杆（22）驱动抽油泵（23）对水平井垂直井（5）段内的水进行排采；水平井垂直段地面端由四通（20）分为三条支路：排水管（14）、抽气管（15）、注气管（18），排水管（14）连接井下抽油管（21），地面端设有阀门Ⅱ（13），抽气管（15）地面端连有阀门Ⅲ（16），注气管（18）地面端连有阀门Ⅳ（17），注气管（18）井下延伸到水平井水平段内，且位于水平井水平段内为筛眼段,可使输送来的超临界二氧化碳与下部岩层充分接触扩散，水平井垂直井段近地面端用水泥砂浆进行密封形成密封段，地面设有密封装置。

打开阀门Ⅱ（13）和阀门Ⅲ（16），由抽油机（19）通过抽油杆（22）驱动抽油泵（23）对水平井垂直段（5）内的水进行抽采，同时由抽气管（15）进行煤层气抽采，记录排采中单位时间内煤层气最大抽采量Q₂；

8）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₂的20%以下时，关闭阀门Ⅱ（13），阀门Ⅲ（16），打开阀门Ⅳ由注气管向水平井内注入压力为10MPa的CO₂ 气体32小时，关闭阀门Ⅳ，静待48小时；

9）再次打开阀门Ⅱ（13），阀门Ⅲ（16），由排采设备再次进行排水降压以及煤层气抽采；

10）当单位时间内煤层气抽采量下降到8m³/min时，关闭阀门Ⅱ（13），阀门Ⅲ（16）停止煤层气抽采。

所述水平井垂直段从老空区边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离20米，水平井造斜段造斜点选取则由已确定的水平段、垂直段层位以及现场钻井工艺决定。

所述定向分段压裂为套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、定向水力喷射分段压裂技术中的一种。本实施例采用了多级封隔器分段压裂技术。

Claims

1.一种刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）根据矿井采掘情况、煤层柱状图以及井上下对照图已有地质采掘资料并结合物理勘测手段确定井下上部煤层已开挖的刀柱式老空区参数以及下部煤层与上部老空区之间的距离D；所述老空区参数包括柱采区的范围、数目以及煤柱数目、大小、分布位置；

2)由地面向刀柱式老空区底板以下5~20米岩层处施工水平井；

7）由水平井垂直段处安设排采设备，排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵、抽油管，抽油管内设有抽油杆，地面设置的抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直井段内的水进行排采；水平井垂直段地面端由四通分为三条支路：排水管、抽气管、注气管，排水管连接井下抽油管，地面端设有阀门Ⅱ，抽气管地面端连有阀门Ⅲ，注气管地面端连有阀门Ⅳ，注气管的井下部分一直延伸到水平井水平段内，且位于水平井水平段内为筛眼段，水平井垂直井段近地面端进行密封，地面设有密封装置；

8）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q₂的20%以下时，关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，打开阀门Ⅳ由注气管向水平井内注入压力为4~30MPa的CO₂ 气体24~72小时，关闭阀门Ⅳ，静待12~48小时；

9）再次打开阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，由排采设备再次进行排水降压以及煤层气抽采；

2.根据权利要求1所述的刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，其特征在于：所述水平井垂直段从老空区边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为10~60米，水平井造斜段造斜点选取则由已确定的水平段、垂直段层位以及现场钻井工艺决定。

3.根据权利要求1所述的刀柱式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，其特征在于：所述定向压裂为套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、定向水力喷射分段压裂技术中的一种。