CN105971563B - 一种下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法 - Google Patents
一种下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法。本发明通过向上、下老空区之间中间岩层处施工水平井，进行抽采并记录单位时间煤层气抽采量为Q1；当抽采量下降到Q1的10%~20%以下时，实施压裂再次抽采，记录煤层气抽采量为Q2；当抽采量下降到Q2的10%~20%以下时，再次压裂抽采量记为Q3，抽采量再次下降为Q3的10~20%时，进行二氧化碳驱替；之后再次抽采直至抽采量下降为6m3/min时停抽。该方法解决了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；在抽采下层老空区煤层气的同时将临近上部老空区煤层气资源一并抽采上来，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，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、抽采效果不佳等问题。
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，上下两层煤开采完成过后就会形成复合老空区。由于历史以及开采条件限制等原因，现存的复合老空区开采时煤炭资源采出率有限（多在60%以下），其内蕴含着数量相当可观的煤层气资源，目前针对复合老空区的协同抽采尚处于相对空白阶段。
发明内容
针对上述问题，本发明从煤层气资源最大化开采同时考虑经济成本的角度出发，提出一种将上部垮落法下部刀柱法开采形成的复合老空区以及上下均采用刀柱法开采形成的复合老空区煤层气同时抽采出的方法，解决了现有的煤层气资源弃采造成的大量资源浪费现象。
本发明提供了一种下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，包括以下步骤：
（1）根据矿井地质采掘资料，综合运用物理勘探手段确定井下上部、下部煤层已开挖的老空区参数，下部老空区与上部老空区之间的距离参数；老空区参数包括老空区开挖范围、空洞、煤柱分布情况；
（2）由老空区边界煤柱上方的地面位置处向下部老空区以及上部老空区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可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，水平井地面端由三通分为两条支路：抽采管和注气管，其中抽采管一侧支路连有阀门Ⅰ，注气管一侧支路连有阀门Ⅱ，水平井近地面端进行密封，地面有密封装置；
（3）打开地面上阀门Ⅰ，通过抽采管进行煤层气抽采，同时记录此时单位时间内煤层气抽采量Q1；
（4）待单位时间内煤层气抽采量下降为Q1的10%~20%时，关闭阀门Ⅰ，将水平井水平段每隔8~35米划分成若干分段压裂段，每一分段压裂段之间为压裂间隔段，压裂间隔段长为3~10米，将水平井地面端三通拆卸由井口下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术对分段压裂段以上直至上部老空区底板之间的岩层实施压裂；
（5）重新安设三通，并进行井口密封，打开抽采管上的阀门Ⅰ，再次由抽采管进行煤层气抽采, ，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q2；
（6）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q2的10~20%时，关闭阀门Ⅰ，将水平井水平段每隔8~35米划分成若干分段压裂段，每一分段压裂段之间为压裂间隔段，压裂间隔段长为3~10米，将水平井地面端三通拆卸由井口下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术对分段压裂段以下直至下部老空区顶板之间的岩层实施压裂；
（7）重新安设三通，并进行井口密封，打开抽采管上的阀门Ⅰ，再次由抽采管进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q3；
（8）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q3的10~20%时，关闭阀门Ⅰ,打开阀门Ⅱ，由注气管向老空区内压入5~20MPa的CO2气体12~48h，静待24~36h；
（9）再次打开阀门Ⅰ，关闭阀门Ⅱ，再次由抽采管进行煤层气抽采；
（10）当单位时间内煤层气抽采量下降为Q的10%以下时，关闭阀门Ⅰ，停抽8~24小时，之后打开阀门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为Q的10%以下时，再次关闭阀门Ⅰ，停抽8~24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；
（11）当单位时间煤层气抽采量下降为6m3/min时停止煤层气抽采。
上述方案中，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，水平井水平段的垂深由两个老空区之间的中间岩层的层间距离决定，水平井造斜段的造斜点选取则由已确定的水平井水平段、水平井垂直段的层位以及现场钻井工艺决定。
上述方案中，所述的分段压裂技术为：套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、水力喷射压裂技术中的一种。
上述方案中，所述的抽采老空区煤层气的方法，其特征在于：所述老空区为上部垮落式下部刀柱式复合老空区或上下刀柱式复合老空区。
本发明从煤层气资源协同抽采的角度出发，将上部以及下部老空区残留的大量煤层气资源同时考虑在内，提出了一种协同抽采煤层气的创新方法。该方法有效解决了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；在抽采下层位老空区煤层气的同时将临近上部老空区煤层气资源一并抽采上来，做到了一井多用，极大地节约了成本；同时水平井位于上部以及下部老空区之间的层间岩层，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为本发明实施例1抽采煤层气的示意图。
图2为本发明实施例2抽采煤层气的示意图。
图中1、抽采管，2、阀门Ⅰ， 3、阀门Ⅱ，4、注气管，5、水平井垂直段，6、边界煤柱，7、造斜段，8、下部老空区，9、水平井水平段，10、上部老空区， 11、分段压裂段，12、分段压裂裂缝，13、水平井，14、密封段，15、密封装置，16、三通，17、压裂间隔段。
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1：抽采上部垮落法下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的方法
本实施例以晋煤集团晋圣煤矿某工作面为例，说明该发明的抽采方法。晋圣煤矿坐落于沁水煤田，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煤底板平均间距为53.20米的薄煤层9号煤，其平均煤厚0.81米，当上下两层位两层煤开挖形成的老空区为上垮落下刀柱式复合老空区时，为解决煤层气资源的协同开采，具体包括以下步骤：
（1）根据矿井地质采掘资料，综合运用物理勘探手段确定井下上部、下部煤层已开挖的老空区参数，下部老空区与上部老空区之间的距离参数；老空区参数包括老空区开挖范围、空洞、煤柱分布情况；
（2）由老空区边界煤柱上部对应的地面位置处向下部老空区（8）以及上部老空区（10）之间的中间岩层处施工水平井（13）；
水平井（13）由井下向地面延伸处可依次分为水平井水平段（9）、造斜段（7）、水平井垂直段（5）以及水平井地面端，其中水平井地面端由三通（16）分为两条支路，抽采管（1）一侧支路连有阀门Ⅰ（2），注气管（4）一侧支路连有阀门Ⅱ（3）, 水平井近地面端进行密封形成密封段（14），地面有密封装置（15）；密封采用水泥和砂浆密封。
（3）打开地面上阀门Ⅰ（2），由抽采管（1）进行煤层气抽采，同时记录此时单位时间内煤层气抽采量Q1；
（4）待单位时间内煤层气抽采量下降为Q1的20%时，关闭阀门Ⅰ，将水平井水平段（9）每隔16米划分成若干分段压裂段（11），每一分段压裂段之间为压裂间隔段（17），压裂间隔段长为4米，将三通（16）拆卸由井口下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术，对分段压裂段（11）以上直至上部老空区（10）底板之间的岩层实施压裂；
（5）重新安设三通（16），并进行井口密封，打开抽采管上的阀门Ⅰ（2），再次由抽采管（1）进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q2；
（6）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q2的20%时，关闭阀门Ⅰ，将水平井水平段（9）每隔25米划分成若干分段压裂段（11），每一分段压裂段之间为压裂间隔段（17），压裂间隔段长为6米，将三通（16）拆卸由井口下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术对分段压裂段（11）以下直至下部老空区（8）顶板之间的岩层实施压裂；
（7）重新安设三通（16），并进行井口密封，打开抽采管上的阀门Ⅰ（2），再次由抽采管（1）进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q3；
（8）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q3的20%时，关闭阀门Ⅰ（2）,打开阀门Ⅱ（3），由注气管向老空区内压入20MPa的CO2气体48h，静待36h；
（9）再次打开阀门Ⅰ（2），关闭阀门Ⅱ（3），再次由抽采管（1）进行煤层气抽采；
（10）当单位时间内煤层气抽采量下降为Q的10%以下时，关闭阀门Ⅰ（2），停抽12小时，之后打开阀门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为Q的10%以下时，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80kpa；
（11）当单位时间煤层气抽采量下降为6m3/min时停止煤层气抽采。
上述水平井垂直段（5）从老空区边界煤柱（6）中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为18米，水平井水平段（9）垂深由两个老空区之间的中间岩层的层间距离所决定，水平井造斜段（7）造斜点选取则由已确定的水平井水平段（9）、水平井垂直段（5）层位以及现场钻井工艺决定；
上述水平井定向分段压裂中下设的分段压裂设备需要根据具体采用的哪种分段压裂技术确定，其具体的分段压裂技术可以为套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、水力喷射压裂技术中的一种，具体实施中需要结合工况现场确定。
实施例2：抽采上下刀柱式复合老空区煤层气的方法
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煤底板平均间距为47.16米的薄煤层9号煤，其平均煤厚1米，当上下两层位两层煤开挖形成的老空区为上下刀柱式复合老空区时，为解决该条件下老空区煤层气资源的开采，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、井上下对照图等已有地质采掘资料，同时综合运用物理勘探手段确定井下上部、下部煤层已开挖的老空区参数（主要包括老空区开挖范围，空洞、煤柱分布情况等），下部老空区与上部老空区之间的距离等参数；
（2）由老空区边界煤柱（6）上方的地面位置向下部老空区（8）以及上部老空区（10）之间的中间岩层施工水平井（13），
水平井（13）由井下向地面延伸处可依次分为水平井水平段（9）、造斜段（7）、水平井垂直段（5）以及水平井地面端，水平井地面端由可拆卸三通（16）分为两条支路：抽采管（1）和注气管（4），其中抽采管一侧支路连有阀门Ⅰ（2），注气管一侧支路连有阀门Ⅱ（3），水平井近地面端进行密封形成密封段（14），地面有密封装置（15）；密封采用水泥和砂浆密封。
（3）打开地面上阀门Ⅰ（2），由抽采管（1）进行煤层气抽采，同时记录此时单位时间内煤层气抽采量Q1；
（4）待单位时间内煤层气抽采量下降为Q1的18%时，关闭阀门Ⅰ（2），将水平井水平段（9）每隔30米划分成若干分段压裂段（11），每一分段压裂段之间为压裂间隔段（17），压裂间隔段长为6米，将三通（16）拆卸由井口下放分段压裂设备运用水平井分段压裂技术对分段压裂段（11）以上直至上部老空区（13）底板之间的层间岩层实施压裂；
（5）重新安设三通（16），并进行井口密封，打开抽采管（1）上的阀门Ⅰ（2），再次由抽采管（1）进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q2；
（6）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q2的18%时，关闭阀门Ⅰ（2），将水平井水平段（9）每隔25米划分成若干分段压裂段（11），每一分段压裂段之间为压裂间隔段（17），压裂间隔段长为5米，将三通（16）拆卸由井口下放分段压裂设备运用水平井分段压裂技术对分段压裂段（11）以下直至下部老空区（8）顶板之间的层间岩层实施压裂；
（7）重新安设三通（16），并进行井口密封，打开抽采管（1）上的阀门Ⅰ（2），再次由抽采管（1）进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q3；
（8）当单位时间内煤层气抽采量下降为Q3的20%时，关闭阀门Ⅰ（2），打开阀门Ⅱ（3），由注气管（4）向老空区内压入18MPa的CO2气体24h，之后静待36h；
（9）再次打开阀门Ⅰ（2），关闭阀门Ⅱ（3），再次由抽采管（1）进行煤层气抽采；
（10）当单位时间内煤层气抽采量下降为Q的10%以下时，关闭阀门Ⅰ（2），停抽18小时，之后打开阀门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为Q的10%以下时，再次关闭阀门Ⅰ（2），停抽18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90kpa；
（11）当单位时间煤层气抽采量下降为6m3/min时停止煤层气抽采。
所述水平井垂直段（5）从老空区边界煤柱（6）中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为35米，水平井水平段（9）的垂深由两个老空区之间的层间岩层厚度决定，水平井造斜段（7）的造斜点选取则由已确定的水平井水平段（9）、水平井垂直段（5）的层位以及现场钻井工艺决定。
上述水平井定向分段压裂中下设的分段压裂设备需要根据具体采用的哪种分段压裂技术确定，其具体的分段压裂技术可以为套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、水力喷射压裂技术中的一种，具体实施中需要结合工况现场确定。
Claims (5)
1.一种下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）根据矿井地质采掘资料，综合运用物理勘探手段确定井下上部、下部煤层已开挖的老空区参数，下部老空区与上部老空区之间的距离参数；老空区参数包括老空区开挖范围、空洞、煤柱分布情况；
（2）由老空区边界煤柱对应的上方地面位置处向下部老空区以及上部老空区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可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，水平井地面端由三通分为两条支路：抽采管和注气管，其中抽采管一侧支路连有阀门Ⅰ，注气管一侧支路连有阀门Ⅱ，水平井近地面端进行密封，地面有密封装置；
（3）打开地面上阀门Ⅰ，通过抽采管进行煤层气抽采，同时记录此时单位时间内煤层气抽采量Q1；
（4）待单位时间内煤层气抽采量下降为Q1的10%~20%时，关闭阀门Ⅰ，将水平井水平段每隔8~35米划分成若干分段压裂段，每一分段压裂段之间为压裂间隔段，压裂间隔段长为3~10米，将水平井地面端三通拆卸由井口下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术对分段压裂段以上直至上部老空区底板之间的岩层实施压裂；
（5）重新安设三通，并进行井口密封，打开抽采管上的阀门Ⅰ，再次由抽采管进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q2；
（6）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q2的10~20%时，关闭阀门Ⅰ，将水平井水平段每隔8~35米划分成若干分段压裂段，每一分段压裂段之间为压裂间隔段，压裂间隔段长为3~10米，将水平井地面端三通拆卸由井口下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术对分段压裂段以下直至下部老空区顶板之间的岩层实施压裂；
（7）重新安设三通，并进行井口密封，打开抽采管上的阀门Ⅰ，再次由抽采管进行煤层气抽采，并记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q3；
（8）当单位时间内煤层气抽采量再次下降为Q3的10~20%时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ，由注气管向老空区内压入5~20MPa的CO2气体12~48h，静待24~36h；
（9）再次打开阀门Ⅰ，关闭阀门Ⅱ，再次由抽采管进行煤层气抽采；
（10）当单位时间内煤层气抽采量下降为Q3的10%以下时，关闭阀门Ⅰ，停抽8~24小时，之后打开阀门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为Q3的10%以下时，再次关闭阀门Ⅰ，停抽8~24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；
（11）当单位时间煤层气抽采量下降为6m3/min时停止煤层气抽采。
2.根据权利要求1所述的下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，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，水平井水平段的垂深由两个老空区之间的中间岩层的层间距离决定，水平井造斜段的造斜点选取则由已确定的水平井水平段、水平井垂直段的层位以及现场钻井工艺决定。
3.根据权利要求1所述的下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，其特征在于：所述分段压裂技术为：套管限流压裂、多级封隔器分段压裂、水力喷射压裂技术中的一种。
4.根据权利要求1所述的下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，其特征在于：所述老空区为上部垮落式下部刀柱式复合老空区。
5.根据权利要求1所述的下部刀柱法开采形成的复合老空区煤层气的抽采方法，其特征在于：所述老空区为上下刀柱式复合老空区。
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