CN106089290A - 一种协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法。该方法首先对矿井进行勘测，确定了底板破坏深度后施工水平井，进行老空区煤层气抽采，当煤层气单位时间抽采量下降到Q1的20%~40%，循环降低抽采压力继续煤层气抽采，当抽采量下降到Q1的10%~18%时，注入超临界CO2驱替，当抽采量再次下降到Q1的20%以下时实施定向压裂，并在水平井另一侧设置排采直井，安设排采设备，进行煤层气抽采，当煤层气抽采量下降至Q2的20%以下时，再次利用超临界CO2驱替，直至抽采量下降到Q2的10%时停止抽采。该方法在抽采刀柱式老空区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问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，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的旧式爆破采煤工艺采煤方法多为刀柱法开采，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，目前从采矿的角度往往对下部煤层厚度变化较大的邻近较薄煤层（0~1.2米）弃采，弃采的原因多为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，本发明从协同抽采、综合开采的角度出发，提供了一种协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法。
本发明提供了一种协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，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初步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；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）综合运用物理勘探手段结合已有地质、采掘资料对已开挖的老空区进行现场勘测，获得下部煤层与上部老空区的实际距离D，并对上部刀柱式开采形成的老空区的柱采区域、煤柱从左到右依次进行编号；
3)获得上部煤层刀柱式老空区每个柱采区域开采所引起的底板破坏深度，并依据每个柱采区域对应的编号对底板破坏深度依次分别编号为d1，…dn；
4）取底板破坏深度d1,…dn中的最小值di, 若D≦di，则由地面向上部老空区底板和下部煤层顶板之间的中间岩层处施工水平井；若D﹥di时，则由地面向上部老空区底板破坏深度处施工水平井；
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，其中水平井地面端连接四通分为三条支路：抽采管、压裂管、注流管，抽采管一侧支路连有阀门Ⅰ，注流管一侧支路连有阀门Ⅱ，压裂管一侧支路连有阀门Ⅴ，水平井近地面端进行密封，地面有密封装置；
5）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；
6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%~40%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，再次降低抽采压力进行煤层气抽采，循环上述降压抽采过程，直至抽采压力降低至比大气压低80~100kpa；
7）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的10%~18%以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ由注流管向水平井内注入温度为32~50℃，压力为8~12MPa的超临界CO2 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进行煤层气抽采；
8）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至原始抽采量Q1的20%以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅴ，由水平井井口的压裂管下放分段压裂设备，对水平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；
9）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；对再次压裂后的水平井以及排采直井进行清洗，并在排采直井中设置排采设备，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；
10）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由注流管向水平井内注入温度为32~50℃，压力为8~12MPa的超临界CO28~36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Ⅲ、阀门Ⅳ进行煤层气排采；
11）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，上部老空区的底板岩层破坏深度的确定，需要运用现场实测、工程实践经验拟合公式、实验室数值模拟、相似模拟的方式中的任一种或是四种方法相结合的方式来确定，确定破坏深度时取上述方法获得的最小值作为参考值。
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；水平井水平段垂深由底板破坏深度以及上部老空区与下部煤层之间的层间距离决定，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。
上述方法中，所述排采直井从老空区的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，该排采直井与水平井连通。
本发明的有益效果：
该发明从煤炭（煤层气）资源协同抽采的角度出发，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，提出了一种协同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，同时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，可谓一举两得；同时水平井位于下部煤层以上，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为协同抽采刀柱式老空区煤层气与下部煤层煤层气示意图。
图中：1、 抽采管，2、阀门Ⅰ， 3、阀门Ⅱ，4、注流管，5、水平井垂直段，6、造斜段，7、分段压裂裂缝，8、分段压裂段，9、水平井水平段，10、抽油泵，11、抽油杆，12、抽油管，13、排采直井，14、密封段Ⅱ，15密封装置Ⅱ，16、阀门Ⅲ，17、抽气管，18、排水管，19、阀门Ⅳ，20、抽油机，21、上部老空区，22、密封段Ⅰ，23、密封装置Ⅰ，24、四通，25、下部煤层，26、水平井，27、分段压裂间隔段、28、边界煤柱，29、压裂管，30、阀门Ⅴ。
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初步确定晋圣永安鸿泰煤矿某工作面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（25）与上部老空区（21）之间的距离；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）综合运用三维激光扫描仪、瞬变电磁法物理勘探手段结合已有地质、采掘资料对已开挖的老空区进行现场勘测，获得下部煤层（25）与上部老空区（21）的实际距离D为48米，上部刀柱法开采形成的柱采区域共计14个，并对上部刀柱式开采形成的老空区的柱采区域、煤柱从左到右依次进行编号；
3)通过现场实测的方法，获得上部煤层刀柱式老空区每个柱采区域开采所引起的底板破坏深度，并依据每个柱采区域对应的编号对底板破坏深度依次分别编号为d1,…d14；
4）得出底板破坏深度d1，…d14中的最小值d4=12米，因为D（48米）﹥d4（12米），则由地面向上部老空区（21）底板破坏深度12米处施工水平井（26）；
水平井由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段（9）、造斜段（6）、水平井垂直段（5）以及水平井地面端，其中水平井地面端连接四通（24）分为三条支路：抽采管（1）、压裂管（29）和注流管（4），抽采管（1）一侧支路连有阀门Ⅰ（2），注流管（4）一侧支路连有阀门Ⅱ（3），压裂管（29）一侧支路连有阀门Ⅴ（30），水平井（26）近地面端设有密封段Ⅰ（22）、地面处设有密封装置Ⅰ（23）。
5）打开阀门Ⅰ由抽采管（1）对水平井（26）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；
6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的30%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30%时，再次降低抽采压力进行煤层气抽采，循环上述降压抽采过程，直至抽采压力降低至比大气压低90kpa；
7）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的10%时，关闭阀门Ⅰ（2），打开阀门Ⅱ（3）由注流管（4）向水平井（26）内注入温度为35℃，压力为9MPa的超临界CO2 36小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ（3），静待48小时，之后再次打开阀门Ⅰ（2）进行煤层气抽采；
8）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至原始抽采量Q1的20%以下时，关闭阀门Ⅰ（2），打开阀门Ⅴ（30），由水平井井口的压裂管（29）下放分段压裂设备，运用水平井分段压裂技术对水平井水平段（9）与下部煤层（25）之间的层间岩层以及下部煤层（25）实施定向压裂；
9）自老空区另一侧边界煤柱处施工一口排采直井（13），所述排采直井（13）与水平井水平段（9）连通；对再次压裂后的水平井（26）以及排采直井（13）进行清洗，并在排采直井（13）中设置排采设备，排采直井地面端设有抽气管（17），抽气管（17）上设有阀门Ⅲ（16），打开阀门Ⅲ（16）、阀门Ⅳ（19），同时关闭阀门Ⅰ（2）和阀门Ⅱ（3），由地面抽油机（20）通过抽油杆（11）带动抽油泵（10）工作，对排采直井（13）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；
所述的排采直井（13）中设置的排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵（10）、抽油管（12），抽油管（12）内设有抽油杆（11），地面设置的抽油机（20）通过抽油杆（11）驱动抽油泵（10）对排采直井内的水进行排采；抽油管（12）地面端连接排水管（18），排采直井近地面端设有密封段Ⅱ（14）、地面处设有密封装置Ⅱ（15）；在排水管（18）下方设有抽气管（17），其中抽油管（12）、排水管（18）排水，抽气管（17）进行煤层气抽采，在排水管（18）上设有阀门Ⅳ（19）；抽油机（20）包括减速装置、传送带、动力机等设备。
10）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（16）、阀门Ⅳ（19），打开阀门Ⅱ（3）由注流管（4）向水平井（26）内注入温度为32℃，压力为8MPa的超临界CO2气体12小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ（3），静待48小时，之后再次打开阀门Ⅲ（16）、阀门Ⅳ（19）进行煤层气排采；
11）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。
上述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，上部老空区（21）的底板岩层破坏深度的确定，需要运用现场实测、工程实践经验拟合公式、实验室数值模拟、相似模拟的方式或是四种方法相结合的方式来确定，确定破坏深度时取上述方法获得的最小值作为参考值。本次实施例采取现场实测的方法获得。
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。本发明实施例中采取的是套管限流压裂的方式
上述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，所述水平井垂直段（5）从老空区边界煤柱（28）中穿过，与边界煤柱（28）端部的水平距离为20米，水平井水平段（9）垂深由底板破坏深度以及上部老空区（21）与下部煤层（25）之间的层间距离所决定，造斜段（6）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。
上述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，所述排采直井从老空区另一侧边界煤柱中穿过，距离边界煤柱端部的距离为20米，施工垂深至下部煤层（25）底板以下6米范围处。
Claims (5)
1.一种协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，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等已有地质采掘资料初步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；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）综合运用物理勘探手段结合已有地质、采掘资料对已开挖的老空区进行现场勘测，获得下部煤层与上部老空区的实际距离D，并对上部刀柱式开采形成的老空区的柱采区域、煤柱从左到右依次进行编号；
3)获得上部煤层刀柱式老空区每个柱采区域开采所引起的底板破坏深度，并依据每个柱采区域对应的编号对底板破坏深度依次分别编号为d1,…dn；
4）取底板破坏深度d1,…dn中的最小值di，若D≦di，则由地面向上部老空区底板和下部煤层顶板之间的中间岩层处施工水平井；若D﹥di时，则由地面向上部老空区底板破坏深度最小值处施工水平井；
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，其中水平井地面端连接四通分为三条支路：抽采管、压裂管、注流管，抽采管一侧支路连有阀门Ⅰ，注流管一侧支路连有阀门Ⅱ，压裂管一侧支路连有阀门Ⅴ，水平井近地面端进行密封，地面设有密封装置；
5）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；
6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%~40%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，再次降低抽采压力进行煤层气抽采，循环上述降压抽采过程，直至抽采压力降低至比大气压低80~100kpa；
7）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的10%~18%以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ由注流管向水平井内注入温度为32~50℃、压力为8~12MPa的超临界CO2 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进行煤层气抽采；
8）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至原始抽采量Q1的20%以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅴ，由水平井井口的压裂管下放分段压裂设备，对水平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；
9）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；对再次压裂后的水平井以及排采直井进行清洗，并在排采直井中设置排采设备，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；
10）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由注流管向水平井内注入温度为32~50℃、压力为8~12MPa的超临界CO28~36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Ⅲ、阀门Ⅳ进行煤层气排采；
11）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1所述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，其特征在于：上部老空区的底板岩层破坏深度的确定，需要运用现场实测、工程实践经验拟合公式、实验室数值模拟、相似模拟的方式中的任一种或者四种方法相结合来确定，确定破坏深度时取上述方法获得的最小值作为参考值。
3.根据权利要求1所述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，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，水平井水平段垂深由底板破坏深度以及上部老空区与下部煤层之间的层间距离所决定，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。
4.根据权利要求1所述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的协同抽采刀柱式老空区及下煤层煤层气的方法，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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