CN108661697A - 地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法 - Google Patents
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Abstract
一种地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法，其包含如下步骤：步骤一：施工输送孔；步骤二：在抽采工作面按照一定井距设计若干口瓦斯抽放孔；步骤三：进行抽放孔的钻进施工；步骤四：设计分段压裂增透工艺；步骤五：下入增透施工管柱；步骤六：增透压裂施工；步骤七：井下瓦斯抽采；由此，本发明具有井下大排量加砂压裂功能，能够提高煤矿井下瓦斯强化抽采效率和效果，实现大范围、快速、精准降低采煤工作面的瓦斯压力和瓦斯含量，达到高效强化抽采井下瓦斯的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法。
背景技术
高瓦斯突出矿井在我国分布非常广泛，煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高是高瓦斯矿井的典型特征，采煤过程中瓦斯的涌出会严重影响煤炭的安全生产，目前普遍采用井下长钻孔抽采瓦斯方法为主，鉴于我国高瓦斯矿井煤层普遍属于低透气性特征，瓦斯抽采效率低、达标所需时间长，瓦斯治理难度较大。
随着水力压裂技术在地面煤层气开发储层增产改造中的成功应用，表明水力压裂增透技术是提高井下瓦斯抽采效率的一种增产技术措施，目前国内已经成功研制出了井下大功率、大排量小型压裂设备，将地面水力压裂方法应用于煤矿井下的瓦斯强化抽采，取得了一定的效果，但由于煤矿井下巷道空间的限制，水力压裂增透设备和工艺技术也暴露出来了许多问题。(1)井下压裂增透注入属于笼统注入，裂缝起裂具有随机性，无法确定裂缝的位置，无法实现对瓦斯精准抽采，瓦斯抽采不均匀、存在抽采死角；(2)压裂设备系统的功能无法与地面相提并论，井下压裂设备的最大注入排量小于1m3/min，一般为0.6m3/min左右，压裂注入排量相对偏小，难以压开煤层形成较长裂缝；(3)井下压裂增透无法实现水力加砂功能，即使有微小的裂缝也难以形成长久的有效支撑的裂缝，当钻孔压力释放以后裂缝也会很快闭合或者被煤粉充填，致使水力压裂增透范围和增透效果受到严重影响。(4)井下备水、储水困难，同时压裂注入排量小，井下撬装式设备挪动困难，在进行工作面综合治理时，施工周期长，无法实现快速、连续施工，施工效率低，施工难度大。
综上所述，目前井下水力压裂增透技术存在施工排量低、裂缝位置不确定、裂缝有效期短、影响半径小、抽采效率低、抽采效果差等特点，难以实现大范围、精准、快速降低采煤工作面的瓦斯压力和瓦斯含量，难以实现井下瓦斯强化抽采目标。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法，提高煤矿井下瓦斯强化抽采效率和效果，实现大范围、快速、精准降低采煤工作面的瓦斯压力和瓦斯含量，达到高效强化抽采井下瓦斯的目的。
为解决上述问题，本发明公开了一种地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：施工输送孔，在抽采工作面的中间巷道区域布置一口地面输送孔，实现地面与井下巷道的连通；
步骤二：在抽采工作面按照一定井距设计若干口瓦斯抽放孔；
步骤三：进行抽放孔的钻进施工，逐个对各抽放孔进行钻进施工，孔眼采用筛管完孔；
步骤四：设计分段压裂增透工艺，采用交错压裂增透工艺技术；
步骤五：下入增透施工管柱，输送孔中采用油管进行传输，抽放孔中采用水力喷射工具分段进行施工，采用高压压裂井口进行地面井口坐封，井下采用高压软管对抽放孔和油管进行连接；
步骤六：增透压裂施工，连接地面压裂注入系统与井口，将压裂液通过油管经输送孔传输至井下，对煤层各个抽放孔实施水力压裂增透施工，直到整个工作面改造完成；
步骤七：井下瓦斯抽采，在井下安装瓦斯抽采管路系统，对煤层各抽放孔瓦斯进行负压抽采，抽采的瓦斯经输送孔输送至地面进行利用，当工作面瓦斯抽采结束后，在地面输送孔的孔口安装抽采泵，继续进行采空区瓦斯抽采。
其中：在步骤一中，输送孔采用垂直井或定向井井型，采用二开的井身结构，一开采用Φ215.9mm钻头钻至基岩以下5-10m，下入φ177.8mm套管进行固井作业，二开采用Φ150.00mm钻头钻至煤层顶板上部5-10m完钻，下入Φ114.3mm套管进行固井完井，之后采用Φ95mm的钻头钻穿最后的5-10m顶板，再对5-10m顶板扩孔至Φ114.3mm完钻，使地面与井下巷道连通。
其中：在步骤三中，抽放孔一开采用Φ153mm钻头钻进至40m左右，然后扩孔至193mm下入Φ127mm钢套管，使用封孔水泥注浆固孔；二开钻进采用Φ110mm钻头，钻进至设计深度处终孔，下入Φ102mm的打孔筛管进行完孔，防止孔壁垮塌，降低后续增透施工风险。
其中：在步骤四中，采用交错压裂增透工艺技术，即第一孔和第三孔选择相同的增透压裂段，第二孔在第一孔和第三孔的压裂增透段之间选择增透施工段，使得第一孔、第二孔和第三孔的压裂裂缝成交错状分布，实现整体高效、无死角增透改造，达到工作面瓦斯综合治理功能。
其中：在步骤五中采用Φ73mm油管进行传输，提高施工排量、降低施工磨阻；采用油管悬挂井口装置，井口通径为65mm、耐压70MPa；水力喷射压裂工具连接依次包含导锥、下扶正器、水力锚、短接、喷射器、短接、上扶正器、液压丢手和油管，其中喷枪外径Φ80mm，喷嘴直径3.5mm，喷嘴6个，喷嘴呈螺旋分布，相位角为60°；水力锚锚定压差为3MPa、工作压力为50MPa，实现10段以上压裂的座卡和解卡；能够防止工具串在高压条件下的剧烈震动，保证射孔点位置不变，提高工具施工的稳定性。
其中：在步骤五中采用水力喷射压裂工艺进行分段施工，水力喷射过程中，压裂液从油管中注入，经喷嘴喷入煤层，在喷嘴出口区域由于射流速度的增加，在近井地带切割煤层，形成射流孔道，降低煤层破裂压力；当射流进入煤层以后，沿着射流方向，由于阻力的作用，此时射流速度迅速降低，动能转化为压力能，动能降低，压力能增加，在煤层射孔孔道内能形成一个增压区域，起到定点压裂作用，能实现对钻孔进行精准增透施工，当压裂施工结束后，拖动工具至下一段再次进行施工，直至完成全钻孔施工结束。
其中：在步骤六中采用地面水力压裂施工模式，采用2台2000型的压裂泵车、1台75桶的混砂车、1台仪表监控车和高压、低压管汇系统组成地面水力加砂注入系统实现连续不间断加砂压裂注入。
其中：在步骤七中采用排量为1.5-2.0m3/min、液量为200-300m3/段、砂量为8-10m3/段、砂比为4％-6％的活性水加砂压裂工艺依次对煤层各个抽放孔逐段实施水力压裂增透施工，活性水配方为：清水+KCl+杀菌剂，支撑剂选择20/40目中砂石英砂。
通过上述结构可知，本发明的地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法具有如下效果：
1、施工周期短，施工难度低，能实现快速、连续施工，施工效率高，施工成本低。
2、压裂增透施工排量大，能实现加砂压裂增透施工，裂缝有效期长、影响半径长、压裂增透效果好，瓦斯抽采效率高、效果好。
3、能实现定点增透压裂，实现大范围、精准、快速降低采煤工作面的瓦斯压力和瓦斯含量，实现井下瓦斯强化抽采目标。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法的示意图。
图2显示了本发明交错压裂增透的技术示意图。
附图标记：
1-压裂井口；2-输送孔；3-油管；4-地面压裂注入系统；5-锚定器；6-高压软管；7-抽放孔；8-煤层。
具体实施方式
参见图1和图2，显示了本发明的地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法，用于在碎软低渗煤层进行煤层气水平井开发。
所述地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法包括如下步骤：
步骤一：输送孔的施工，在抽采工作面的中间巷道区域施工一地面输送第二孔，所述输送第二孔可采用垂直井或定向井井型，其可采用二开的井身结构，其中，一开采用Φ215.9mm钻头钻至基岩以下5-10m，下入φ177.8mm套管(钢级J55)进行固井作业，二开采用Φ150.00mm钻头钻至煤层8顶板上部5-10m完钻，下入Φ114.3mm套管(钢级N80)进行固井完井，之后采用Φ95mm的钻头钻穿最后的5-10m顶板，再对5-10m顶板扩孔至Φ114.3mm完钻，使地面与井下巷道连通，提高输送孔的质量，延长输送孔的使用周期。
步骤二：在抽采工作面按照一定井距设计若干口瓦斯抽放孔7，其中，所述抽放孔依据煤层的瓦斯压力和透气性系数，结合水力喷砂压裂影响半径，孔间距一般设计60m左右(瓦斯压力大或透气性系数小的煤层，孔间距适当缩小，反之，孔间距适当增加)；按照整体高效强化抽采设计方法，在抽采工作面布置和施工若干口瓦斯抽放孔，抽放孔采用长钻孔、大孔径结构设计施工，提高孔壁的稳定性，提高瓦斯的抽采量和抽采范围。
步骤三：进行抽放孔的钻进施工，各抽放孔7可采用二开的孔眼结构，采用大孔径孔眼结构设计，一开采用Φ153mm钻头钻进至40m左右，然后扩孔至193mm下入Φ127mm钢套管，使用封孔水泥注浆固孔；二开钻进采用Φ110mm钻头，钻进至设计深度处终孔，下入Φ102mm的打孔筛管进行完孔，逐个对各抽放孔进行钻进施工。
步骤四：设计分段压裂增透工艺，在该步骤中，对施工抽放孔采用交错压裂增透工艺，即如图2所示，第一孔和第三孔选择相同的增透压裂段，第二孔在第一孔和第三孔的压裂增透段之间选择增透施工段，使得第一孔、第二孔和第三孔的压裂裂缝成交错状分布，实现整体高效、无死角增透改造，达到工作面瓦斯综合治理功能。
步骤五：下入增透施工管柱，输送第二孔中采用Φ73mm的油管3(钢级N80)进行传输；油管3采用锚定器5进行固定，抽放孔中采用水力喷射工具分段进行施工，采用高压压裂的井口1进行地面井口坐封，采用油管悬挂井口装置，井口通径为65mm、耐压70MPa；井下采用高压软管6对抽放孔7和油管3进行连接，管线耐压70MPa。
步骤六：增透压裂施工，连接地面压裂注入系统4与井口1，采用地面水力压裂施工模式，采用2台2000型的压裂泵车、1台75桶的混砂车、1台仪表监控车和地面高压(耐压70MPa)、低压管汇系统组成地面水力加砂注入系统4，同时在地面进行备液、备砂，在地面进行压裂注入施工，实现连续不间断加砂压裂注入，同时，将井下水力压裂增透施工场所移至地面，改变了井下因巷道空间的限制，解决了井下水力增透设备的排量小、无法实现水力加砂功能，同时井下备水、储水困难，在进行工作面综合治理时，施工周期长，无法实现快速、连续施工，施工效率低，施工难度大的技术问题。
在该步骤中，压裂液通过油管经输送孔传输至井下，采用大排量、大液量、小规模、低砂比的活性水喷砂压裂方式，对水平长钻孔实施分段压裂增透施工。按照上述施工程序，依次对煤层8各个抽放孔实施水力压裂增透施工，直到整个工作面改造完成。
步骤七：井下瓦斯抽采，在井下安装瓦斯抽采管路系统，对煤层8各抽放孔瓦斯进行负压抽采，抽采的瓦斯经输送孔输送至地面进行利用；当工作面瓦斯抽采结束后，在地面输送孔孔口安装抽采泵，继续进行采空区瓦斯抽采。
步骤八：重复上述步骤一至步骤七施工方法，实现对更多煤层的水力压裂增透和采空区抽采，实现对更多煤层的井-地联合瓦斯强化抽采，充分利用输送孔，实现一井多用功能。
由此，本申请在进行井下瓦斯抽采时，在抽采工作面的中间巷道区域布置一口输送孔，在抽采工作面布置和施工若干口瓦斯抽放孔，通过输送孔联合地面和井下对抽放孔实施增透改造，且采用地面水力压裂施工模式和交错压裂施工工艺，采用水力喷射压裂增透小型工具，采用大排量、大液量、小规模、低砂比的水力加砂压裂工艺依次对煤层各个抽放孔实施分段水力压裂增透施工。
其中，步骤五中采用了水力喷射工具进行分段施工，所述水力喷射工具连接依次包含导锥、下扶正器、水力锚、短接、喷射器、短接、上扶正器、液压丢手和油管，其中喷枪外径Φ80mm，喷嘴直径3.5mm，喷嘴6个，喷嘴呈螺旋分布，相位角为60°；水力锚锚定压差为3MPa、工作压力为50MPa，实现10段以上压裂的座卡和解卡；能够防止工具串在高压条件下的剧烈震动，保证射孔点位置不变，提高工具施工的稳定性。
而且，进行分段施工中，水力喷射过程中，压裂液从油管中注入，经喷嘴喷入煤层，在喷嘴出口区域由于射流速度的增加，在近井地带切割煤层，形成射流孔道，降低煤层破裂压力；当射流进入煤层以后，沿着射流方向，由于阻力的作用，此时射流速度迅速降低，动能转化为压力能，动能降低，压力能增加，在煤层射孔孔道内能形成一个增压区域，起到定点压裂作用，能实现对钻孔进行精准增透施工，当压裂施工结束后，拖动工具至下一段再次进行施工，直至完成全钻孔施工结束。
其中，在步骤七中采用大排量、大液量、小规模、低砂比的活性水加砂压裂工艺依次对煤层各个抽放孔逐段实施水力压裂增透施工。活性水配方为：清水+1％KCl+0.05％杀菌剂，支撑剂选择20/40目中砂(850～425μm)石英砂。采用大排量(1.5-2.0m3/min)、大液量(200-300m3/段)、小砂量(8-10m3/段)，低砂比(4％-6％)的活性水加砂压裂增透工艺进行施工。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (8)
1.一种地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：施工输送孔，在抽采工作面的中间巷道区域布置一口地面输送孔，实现地面与井下巷道的连通；
步骤二：在抽采工作面按照一定井距设计若干口瓦斯抽放孔；
步骤三：进行抽放孔的钻进施工，逐个对各抽放孔进行钻进施工，孔眼采用筛管完孔；
步骤四：设计分段压裂增透工艺，采用交错压裂增透工艺技术；
步骤五：下入增透施工管柱，输送孔中采用油管进行传输，抽放孔中采用水力喷射工具分段进行施工，采用高压压裂井口进行地面井口坐封，井下采用高压软管对抽放孔和油管进行连接；
步骤六：增透压裂施工，连接地面压裂注入系统与井口，将压裂液通过油管经输送孔传输至井下，对煤层各个抽放孔实施水力压裂增透施工，直到整个工作面改造完成；
步骤七：井下瓦斯抽采，在井下安装瓦斯抽采管路系统，对煤层各抽放孔瓦斯进行负压抽采，抽采的瓦斯经输送孔输送至地面进行利用，当工作面瓦斯抽采结束后，在地面输送孔的孔口安装抽采泵，继续进行采空区瓦斯抽采。
2.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤一中，输送孔采用垂直井或定向井井型，采用二开的井身结构，一开采用Φ215.9mm钻头钻至基岩以下5-10m，下入套管进行固井作业，二开采用Φ150.00mm钻头钻至煤层顶板上部5-10m完钻，下入Φ114.3mm套管进行固井完井，之后采用Φ95mm的钻头钻穿最后的5-10m顶板，再对5-10m顶板扩孔至Φ114.3mm完钻，使地面与井下巷道连通。
3.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤三中，抽放孔一开采用Φ153mm钻头钻进至40m左右，然后扩孔至193mm下入Φ127mm钢套管，使用封孔水泥注浆固孔；二开钻进采用Φ110mm钻头，钻进至设计深度处终孔，下入Φ102mm的打孔筛管进行完孔，防止孔壁垮塌，降低后续增透施工风险。
4.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤四中，采用交错压裂增透工艺技术，即第一孔和第三孔选择相同的增透压裂段，第二孔在第一孔和第三孔的压裂增透段之间选择增透施工段，使得第一孔、第二孔和第三孔的压裂裂缝成交错状分布，实现整体高效、无死角增透改造，达到工作面瓦斯综合治理功能。
5.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤五中采用Φ73mm油管进行传输，提高施工排量、降低施工磨阻；采用油管悬挂井口装置，井口通径为65mm、耐压70MPa；水力喷射压裂工具连接依次包含导锥、下扶正器、水力锚、短接、喷射器、短接、上扶正器、液压丢手和油管，其中喷枪外径Φ80mm，喷嘴直径3.5mm，喷嘴6个，喷嘴呈螺旋分布，相位角为60°；水力锚锚定压差为3MPa、工作压力为50MPa，实现10段以上压裂的座卡和解卡；能够防止工具串在高压条件下的剧烈震动，保证射孔点位置不变，提高工具施工的稳定性。
6.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤五中采用水力喷射压裂工艺进行分段施工，水力喷射过程中，压裂液从油管中注入，经喷嘴喷入煤层，在喷嘴出口区域由于射流速度的增加，在近井地带切割煤层，形成射流孔道，降低煤层破裂压力；当射流进入煤层以后，沿着射流方向，由于阻力的作用，此时射流速度迅速降低，动能转化为压力能，动能降低，压力能增加，在煤层射孔孔道内能形成一个增压区域，起到定点压裂作用，能实现对钻孔进行精准增透施工，当压裂施工结束后，拖动工具至下一段再次进行施工，直至完成全钻孔施工结束。
7.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤六中采用地面水力压裂施工模式，采用2台2000型的压裂泵车、1台75桶的混砂车、1台仪表监控车和高压、低压管汇系统组成地面水力加砂注入系统实现连续不间断加砂压裂注入。
8.如权利要求1所述的地面辅助井下钻孔瓦斯强化抽采方法，其特征在于：在步骤七中采用排量为1.5-2.0m3/min、液量为200-300m3/段、砂量为8-10m3/段、砂比为4％-6％的活性水加砂压裂工艺依次对煤层各个抽放孔逐段实施水力压裂增透施工，活性水配方为：清水+KCl+杀菌剂，支撑剂选择20/40目中砂石英砂。
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