CN105927192B - 一种垮落式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垮落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，由地面向老空区与下煤层的中间岩层处施工水平井，实施压裂并进行煤层气抽采；当煤层气单位时间抽采量下降到Q1的20%~40%，循环停抽‑降压抽采的过程继续抽采；当抽采量为Q1的10%以下时，第二次压裂并施工排采直井，安设设备进行排采；当抽采量下降到Q2的20%以下，二氧化碳气体驱替并再次排采；当抽采量再次下降至Q2的20%以下时，超临界二氧化碳驱替并再次排采直至抽采量下降到的Q2的10%时停抽。该方法可在抽采老空区的同时将临近煤层的煤层气资源一并抽采上来，节约成本同时最大限度抽采煤层气资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种垮落式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，属于抽采煤层气技术领域。
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做出了重要探索；
然而，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，考虑协同起来抽采。
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下，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起伏变化较大的薄煤层（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。
为此针对上述问题，本发明从资源最大化开采的角度出发，提出一种将上部垮落法开采形成老空区煤层气以及下部薄煤层煤层气的同时抽采出的方法。
发明内容
针对上述煤炭（煤层气）资源弃采造成的大量资源浪费现象，本发明提出一种既能抽采上部老空区瓦斯又能回收下部煤层煤层气资源的煤层气抽采方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
本发明提供了一种垮落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，同时运用物理勘探手段对已开挖的老空区进行现场勘测，明确获得上部已开挖的老空区参数（包括老空区开挖范围，空洞、煤柱分布情况等），下部煤层与上部老空区之间的距离D；
2) 由地面向垮落式老空区底板与下部煤层之间的中间岩层处施工水平井；
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，其中水平井地面端通过三通分两条支路：抽采管和压裂管，其中抽采管上设有阀门Ⅰ，压裂管上设有阀门Ⅱ，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅰ，地面设有密封装置Ⅰ；
3）由压裂管下放分段压裂设备，对水平井水平段与上部垮落式老空区底板之间的层间岩层实施定向压裂；
4）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为Q1；
5）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；
6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的10%以下时，关闭阀门Ⅰ，由压裂管下放分段压裂设备，对水平定向井水平段与下部煤层之间的层间岩层以及下部煤层实施定向压裂；
7）自老空区另一侧边界煤柱处施工一口排采直井，所述排采直井与水平井水平段连通；在排采直井处安设排采设备，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排采直井内的水进行排采；抽油管地面端连接排水管，排采直井近地面端进行密封，在排水管下方设有抽气管，其中抽油管、排水管排水，抽气管进行煤层气抽采；
排采直井地面端设有抽气管、排水管，抽气管上设有阀门Ⅲ，排水管上设有阀门Ⅳ，打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，同时关闭阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，由地面抽油机通过抽油杆带动抽油泵工作，对排采直井进行排水并抽采煤层气，记录排采中单位时间煤层气最大抽采量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Ⅲ、阀门Ⅳ，打开阀门Ⅱ由压裂管向水平井内注入10~30MPa的CO2气体8~36小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ，静待12~48小时，之后再次打开阀门Ⅰ进行煤层气排采；
9）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q2的20%以下时，再次关闭阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，打开阀门Ⅱ由压裂管向水平井内注入温度为32~50℃、压力为8~20MPa的超临界CO2 24~72小时，关闭阀门Ⅱ，静待12~48小时，之后再次打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ进行煤层气排采；
10）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的10%以下时，停止煤层气抽采。
上述方法中，所述的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，造斜段造斜点选取则由已确定的水平井水平段、水平井垂直段层位以及现场钻井工艺决定。
上述方法中，所述定向分段压裂具体方式为套管限流压裂、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；
上述方法中，所述排采直井从老空区另一侧边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为10~60米，施工垂深至下部煤层底板以下4~10米范围内。
采用上述技术方案，本发明获得的有益效果是：
该发明从煤炭（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临近薄煤层的煤层气资源考虑在内，提出了一种抽采老空区及下煤层煤层气的创新方法。该方法可有效解决原有单纯采用地面垂直钻井抽采老空区时，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；同时该方法避免了地面钻井施工至老空区裂隙带上方造成的钻井事故率高、成孔率低、施工难度大的难题；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，解决了弃采呆滞煤层气资源的回收，做到了一井多用，极大的节约了成本；同时水平井位于岩层中，避免了钻井直接打至煤层时，由于煤层过于松散而发生的井道坍塌事故以及井道堵塞事故。
附图说明
图1为垮落式老空区煤层气及下煤层煤层气联合开采方法的示意图。
图中1、 抽采管，2、阀门Ⅰ， 3、阀门Ⅱ，4、压裂管，5、水平井垂直段，6、边界煤柱，7、造斜段，8、水平井，9、第二次分段压裂裂缝，10、分段压裂段，11、分段压裂间隔段，12、下部煤层，13、三通，14、密封装置Ⅰ，15、密封段Ⅰ，16、抽油机，17、水平井水平段，18、上部垮落式老空区，19、第一次分段压裂裂缝，20、抽油泵，21、抽油杆，22、抽油管，23、排采直井，24、密封段Ⅱ，25密封装置Ⅱ，26、阀门Ⅲ，27、抽气管，28、排水管，29、阀门Ⅳ。
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。
为了本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的解释，现结合附图对一种垮落式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法进行详细说明。
下面以晋煤集团岳城矿某工作面为例，说明该发明方法。岳城矿坐落于沁水煤田，该煤田是我国煤层气资源丰富的重要煤田之一，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。由于历史以及开采方法的落后等原因，煤田内主采煤层3号煤采出率低，遗留在井下大量煤，老空区煤层气资源量相当丰富。与3号煤层底板平均间距为47.16米的薄煤层9号煤，其平均煤厚1米，该煤层尚未开采。 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。
为解决煤炭（煤层气）资源的协同开采，该发明提供的具体方法为：
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运用三维激光扫描仪对已开挖的老空区进行现场勘测，明确获得上部已开挖的老空区参数（包括老空区开挖范围，空洞、煤柱分布情况等），下部煤层与上部老空区之间的距离为52米；
2) 由地面向上部垮落式老空区（18）底板与下部煤层（12）之间的中间岩层处施工水平井（8）；
水平井（8）由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段（17）、造斜段（7）、水平井垂直段（5）以及水平井地面端，其中水平井地面端通过三通（13）分两条支路：抽采管（1）和压裂管（4），其中抽采管（1）上设有阀门Ⅰ（2），压裂管（4）上设有阀门Ⅱ（3），对水平井垂直段（5）近地面端进行密封形成密封段Ⅰ（15），地面设有密封装置Ⅰ（14）；
3）由压裂管（4）下放分段压裂设备，对水平井水平段（17）与上部垮落式老空区（18）底板之间的层间岩层实施定向压裂；
4）打开阀门Ⅰ（2）由抽采管（1）对水平井（8）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为Q1；
5）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%时，关闭阀门Ⅰ（2），停抽12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20%时，再次关闭阀门Ⅰ（2），停抽12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92kpa；
6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的10%以下时，关闭阀门Ⅰ（2），由压裂管（4）下放分段压裂设备，对水平井水平段（8）与下部煤层（12）之间的层间岩层以及下部煤层（12）实施定向压裂；
7）自老空区另一侧边界煤柱处施工一口排采直井（23），所述排采直井（23）与水平井水平段（17）连通；在排采直井处安设排采设备，排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵（20）、抽油管（22），抽油管（22）内设有抽油杆（21），地面设置的抽油机（16）通过抽油杆（21）驱动抽油泵（20）对排采直井内的水进行排采；抽油管（22）地面端连接排水管（28），排采直井近地面端进行密封，在排水管（28）下方设有抽气管（27），其中抽油管（22）、排水管（28）排水，抽气管（27）进行煤层气抽采；
排采直井地面端设有抽气管（27）、排水管（28），抽气管（27）上设有阀门Ⅲ（26），排水管（28）上设有阀门Ⅳ（29），打开阀门Ⅲ（26）、阀门Ⅳ（29），同时关闭阀门Ⅰ（2）和阀门Ⅱ（3），由地面抽油机（16）通过抽油杆（21）带动抽油泵（20）工作，对排采直井（23）进行排水并抽采煤层气，记录排采中单位时间煤层气最大抽采量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Ⅲ（26）、阀门Ⅳ（29），打开阀门Ⅱ（3）由压裂管（4）向水平井（8）内注入30MPa的C02气体26小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ（3），静待18小时，之后再次打开阀门Ⅰ（2）进行煤层气排采；
9）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q2的20%以下时，再次关闭阀门Ⅲ（26）、阀门Ⅳ（29），打开阀门Ⅱ（3）由压裂管（4）向水平井内注入温度为45℃、压力为13MPa的超临界CO2 40小时，关闭阀门Ⅱ（3），静待18小时，之后再次打开阀门Ⅲ（26）、阀门Ⅳ（29）进行煤层气排采；
10）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的10%以下时，停止煤层气抽采。
上述方法中，所述的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40米，造斜段造斜点选取则由已确定的水平井水平段、水平井垂直段层位以及现场钻井工艺决定。
上述方法中，所述定向分段压裂具体方式为套管限流压裂、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，本实施例选择的是定向水力喷射分段压裂技术。
上述方法中，所述排采直井从老空区另一侧边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为35米，施工垂深至下部煤层底板以下4~10米范围内。
Claims (4)
1.一种垮落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，同时运用物理勘探手段对已开挖的老空区进行现场勘测，明确获得上部已开挖的老空区参数，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老空区开挖范围、空洞、煤柱分布情况；
2) 由地面向垮落式老空区底板与下部煤层之间的中间岩层处施工水平井；
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，其中水平井地面端通过三通分两条支路：抽采管和压裂管，其中抽采管上设有阀门Ⅰ，压裂管上设有阀门Ⅱ，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅰ，地面设有密封装置Ⅰ；
3）由压裂管下放分段压裂设备，对水平井水平段与上部垮落式老空区底板之间的层间岩层实施定向压裂；
4）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为Q1；
5）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；
6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的10%以下时，关闭阀门Ⅰ，由压裂管下放分段压裂设备，对水平定向井水平段与下部煤层之间的层间岩层以及下部煤层实施定向压裂；
7）自老空区另一侧边界煤柱处施工一口排采直井，所述排采直井与水平井水平段连通；在排采直井处安设排采设备，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排采直井内的水进行排采；抽油管地面端连接排水管，排采直井近地面端进行密封，在排水管下方设有抽气管，其中抽油管、排水管排水，抽气管进行煤层气抽采；
排采直井地面端设有抽气管、排水管，抽气管上设有阀门Ⅲ，排水管上设有阀门Ⅳ，打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，同时关闭阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，由地面抽油机通过抽油杆带动抽油泵工作，对排采直井进行排水并抽采煤层气，记录排采中单位时间煤层气最大抽采量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Ⅲ、阀门Ⅳ，打开阀门Ⅱ由压裂管向水平井内注入10~30MPa的CO2气体8~36小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ，静待12~48小时，之后再次打开阀门Ⅰ进行煤层气排采；
9）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q2的20%以下时，再次关闭阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，打开阀门Ⅱ由压裂管向水平井内注入温度为32~50℃、压力为8~20MPa的超临界CO2 24~72小时，关闭阀门Ⅱ，静待12~48小时，之后再次打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ进行煤层气排采；
10）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的10%以下时，停止煤层气抽采。
2.根据权利要求书1所述的垮落式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，其特征在于：所述的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，造斜段造斜点选取则由已确定的水平井水平段、水平井垂直段层位以及现场钻井工艺决定。
3.根据权利要求书1所述的垮落式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，其特征在于：所述定向压裂具体方式为套管限流压裂、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。
4.根据权利要求1所述的垮落式老空区及下煤层煤层气联合开采的方法，其特征在于：所述排采直井从老空区另一侧边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为10~60米，施工垂深至下部煤层底板以下4~10米范围内。
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