CN109611056A - 一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统及方法，属于煤层气开采技术领域，包括：真空泵、地面抽采管路、排水口、采油树、抽油机和深井泵；通过安装井下抽采设备及地面集输设备对煤层气井进行排采集输，将井内的水通过井下抽采设备采出，降低井筒内压力进而降低煤储层压力使得煤层中的瓦斯气体解吸出来；当管内压力下降到低于本煤层瓦斯临界解吸压力，设置抽采负压并启动真空泵，将瓦斯从井下抽采出来，此时，抽油机与深井泵一直工作，将井内的水抽采出来，并通过排水口排出；本发明解决了由于地质构造带井下钻孔抽采瓦斯效果差、抽采达标时间长，而造成的复杂构造带煤巷掘进速度慢的问题。
Description
技术领域
本发明属于煤层气开采技术领域，具体涉及一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统及方法。
背景技术
目前对于复杂构造带的突出治理措施仅停留在加强预测预报、实施钻孔抽采、扩大措施实施范围、严格管理等方面。针对复杂地质构造带煤与瓦斯突出问题，波兰学者对地质构造带进行分级，对不同等级地质构造采用不同的管理措施。在国内，多采用释放钻孔结合水力冲孔等措施对复杂地质构造带内煤层瓦斯进行抽采。然而，主采煤层为低透气性煤层且处于复杂构造带时，煤层瓦斯抽采难度大，水力冲孔措施影响半径小，严重制约构造带煤层瓦斯的抽采效果。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统及方法，以解决复杂构造带煤巷掘进与突出短兵相接的局面及由于地质构造带井下钻孔抽采瓦斯效果差、抽采达标时间长而造成的复杂构造带煤巷掘进速度慢的问题。
一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统，包括：真空泵、地面抽采管路、排水口、采油树、抽油机和深井泵；
真空泵与地面抽采管路相连接，地面抽采管路与采油树相连接，采油树与排水口相连接，深井泵通过采油树与抽油机相连接；
真空泵：用于抽采瓦斯；
地面抽采管路：连接地面真空泵与压裂井口；
排水口：放置于采油树一端，用于将井下抽到地面的水排出；
采油树：连接地面抽油机与压裂井口；
抽油机：配合深井泵将井下的水抽到地面；
深井泵：被置于井中，用来抽水到地面；
一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突方法，采用一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统实现，具体流程如下：
步骤1：结合煤矿地质条件、煤层赋存规律和采煤工作面开采条件,综合采用矿山压力与岩层控制理论，使用离散元模拟软件ZSoil计算采煤工作面上覆岩层三带垮落带、裂隙带和弯曲下沉带发育高度，分析上覆岩层垮落、断裂和离层特征及其演化规律，确定上覆岩层中裂隙密集发育位置和瓦斯富集区域。
步骤2：使用离散元模拟软件ZSoil确定井身的技术参数：根据采煤工作面开采条件和瓦斯赋存规律，研究采煤工作面采场瓦斯运移规律，对比分析地面压裂直井的井身的技术参数对复杂构造带瓦斯运移的影响，初步确定井身的合理技术参数。
井身的技术参数包括：井身结构、钻头直径、套管程序、完钻层位、完钻井深、完钻方式；
所述完钻方式包括：裸眼完井、套管完井、混合完井、衬管完井；
步骤3：根据井身的技术参数，在处在复杂构造带煤层的地面上方施工打钻到目的煤层；
步骤4：在钻井完钻后进行两次测井，测井采用ClogPro处理软件：第一次测井包括：划分地层、判别岩性；解释煤层深度、厚度及结构；求取目的煤层的固定碳、灰分、水分的重量百分比含量；进行主要煤层及其围岩的含水性、渗透性分析；测量钻孔井径变化和井壁温度；第二次测井包括：检查固井质量，评价水泥环胶结情况，确定水泥返高、短管位置及人工井底。
步骤5：洗井：使用浓度为1-2％的KCL溶液，正洗井替出井内全部泥浆，循环洗井2周至进出口的相对密度一致，出口液体干净无杂质污染物为合格。洗井过程中，随时观察并记录泵压、排量、出口量及漏失量；若泵压升高，洗井不通时，应及时停泵，分析原因进行处理，不得强行憋泵；
步骤6：试压：采用清水试压，试压时间30-40min，压降小于0.5-1MPa为合格，否则必须查出原因，不得进行下步工序，直到压降小于0.5-1MPa，转到步骤7。
步骤7：安装压裂井口：安装压裂井口，压裂井口用绷绳固定。
步骤8：对地面直井进行水力压裂依次往主压泵车中注前置液、携砂液和顶替液，然后进行返排压裂液和冲砂；
步骤9：通过安装井下抽采设备及地面集输设备对煤层气井进行排采集输，其中，井下抽采设备为：深井泵；地面集输设备包括：真空泵、地面抽采管路、排水口、采油树、抽油机；将井内的水通过深井泵与抽油机采出，降低井筒内压力进而降低煤储层压力使得煤层中的瓦斯气体解吸出来；当管内压力下降到低于本煤层瓦斯临界解吸压力，设置抽采负压并启动真空泵，将瓦斯从井下抽采出来，此时，抽油机与深井泵不停止，需要一直工作，将井内的水抽采出来，并通过排水口排出；
步骤10：真空泵对压裂复杂构造带中的瓦斯进行抽采，深井泵与抽油机对井内的水进行抽采，直至采煤工作面回采结束，停止真空泵、深井泵及抽油机，并撤回深井泵；
步骤11：实测地面压裂抽采钻孔的瓦斯抽采流量、浓度,分析地面压裂抽采钻孔的井位、井身结构、抽采负压、抽采时间的技术参数与瓦斯抽采数据的对应关系,进一步采用fluent优化，确定优化后的抽采负压,并在下一复杂构造带的煤层瓦斯防突抽采工作中进行应用。
有益技术效果：
1.本发明提供一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突方法，以解决复杂构造带煤巷掘进时煤与瓦斯突出的局面。
2.本发明解决了由于地质构造带井下钻孔抽采瓦斯效果差、抽采达标时间长(而造成的复杂构造带煤巷掘进速度慢的问题，通过煤层压裂前后对比分析，压裂后煤层透气性系数平均值为9.86m2/(MPa2·d)，比压裂前提高了约518倍，压裂后瓦斯抽采量平均值为185.3m3/d，是压裂前的3.3倍，将难抽采煤层改造为易抽采煤层。
3.试验期间瓦斯抽采量最大达到4707m3/d，期间平均瓦斯抽采量达到4602m3/d，是抽油机抽采下平均日产瓦斯量的3.5倍；预计在压裂井抽采686天后，其累计产气量达到93.6万m3，届时裂缝延伸范围内的吨煤瓦斯含量将从13m3/t下降至8m3/t以下，显著降低了钻井压裂范围内的煤层突出危险性。
图1为本发明实施例的一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突方法流程图；
图2为本发明实施例的一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统示意图；
图中：1-真空泵，2-地面抽采管路，3-排水口，4-采油树，5-抽油机，6-井壁，7-水泥环，8-深井泵，9-煤层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：提供一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统及方法，在阳泉新景矿进行现场应用，应用效果明显，解决了由于地质构造带井下钻孔抽采瓦斯效果差、抽采达标时间长而造成的复杂构造带煤巷掘进速度慢的问题。
一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统，包括：真空泵1、地面抽采管路2、排水口3、采油树4、抽油机5和深井泵8，如图2所示；
真空泵1与地面抽采管路2相连接，地面抽采管路2与采油树4相连接，采油树4与排水口3相连接，深井泵8通过采油树4与抽油机5相连接；
真空泵1：用于抽采瓦斯；本实施例采用地面移动式水环真空泵2BE1-303型；
地面抽采管路2：连接地面真空泵1与压裂井口，直径为210mm；
排水口3：放置于采油树4一端，用于将井下抽到地面的水排出；
采油树4：连接地面抽油机5与压裂井口；
抽油机5：配合深井泵8将井下的水抽到地面；本实施例采用传统游梁式曲柄平衡抽油机CYJT-4-1.8-13HF型；
深井泵8：被置于井中，用来抽水到地面；本实施例采用管式泵25-175TH(XJ)型；
一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突方法，采用一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统实现，如图1所示，具体流程如下：
步骤1：结合煤矿地质条件、煤层赋存规律和采煤工作面开采条件,综合采用矿山压力与岩层控制理论，使用离散元模拟软件ZSoil计算采煤工作面上覆岩层三带垮落带、裂隙带和弯曲下沉带发育高度，分析上覆岩层垮落、断裂和离层特征及其演化规律，确定上覆岩层中裂隙密集发育位置和瓦斯富集区域。
步骤2：使用离散元模拟软件ZSoil确定井身的技术参数：根据采煤工作面开采条件和瓦斯赋存规律，研究采煤工作面采场瓦斯运移规律，对比分析地面压裂直井的井身的技术参数对复杂构造带瓦斯运移的影响，初步确定井身的合理技术参数。
井身的技术参数包括：井身结构、钻头直径、套管程序、完钻层位、完钻井深、完钻方式；
本实施例井身结构：二开井身结构；完钻层位：上石炭系上统太原组；完钻井深：722m；完钻方式：套管完井；套管程序：先安装表层套管，钢级J55，外径244.5mm，壁厚8.94mm，下放深度45.82m；再安装生产套管，钢级J55，外径139.7mm，壁厚7.72mm，下放深度720m；
所述完钻方式包括：裸眼完井、套管完井、混合完井、衬管完井；
步骤3：根据井身的技术参数，在处在复杂构造带煤层的地面上方施工打钻到目的煤层；
步骤4：在钻井完钻后进行两次测井，测井采用ClogPro处理软件：第一次测井包括：划分地层、判别岩，如表2所示；解释煤层深度、厚度及结构；求取目的煤层的固定碳、灰分、水分的重量百分比含量如表4所示；进行主要煤层及其围岩的含水性、渗透性分析，如表2所示；测量钻孔井径变化和井壁温度；第二次测井包括：检查固井质量，质量优良率为65.8％，评价水泥环胶结情况，胶结强度1.35-3.07MPa良好，确定水泥返高、短管位置及人工井底。
本实施例具体参数如下：
划分地层，如表1所示：
表1：划分地层
煤层深度，厚度，如表2所示：
表2：煤层深度，厚度
井壁温度，如表3所示，根据测温资料，本区属于正常地温，对煤矿生产不会造成影响；
表3：井壁温度
| 序号 | 深度(m) | 温度(℃) | 序号 | 深度(m) | 温度(℃) |
| 1 | 20.00 | 10.90 | 14 | 280.00 | 14.50 |
| 2 | 40.00 | 11.60 | 15 | 300.00 | 14.80 |
| 3 | 60.00 | 11.60 | 16 | 320.00 | 15.10 |
| 4 | 80.00 | 11.40 | 17 | 340.00 | 15.60 |
| 5 | 100.00 | 11.10 | 18 | 360.00 | 16.20 |
| 6 | 120.00 | 11.20 | 19 | 380.00 | 16.50 |
| 7 | 140.00 | 11.40 | 20 | 400.00 | 17.10 |
| 8 | 160.00 | 11.50 | 21 | 420.00 | 17.80 |
| 9 | 180.00 | 12.00 | 22 | 440.00 | 18.40 |
| 10 | 200.00 | 12.40 | 23 | 460.00 | 19.00 |
| 11 | 220.00 | 13.00 | 24 | 480.00 | 20.20 |
| 12 | 240.00 | 13.60 | 25 | 500.00 | 21.30 |
| 13 | 260.00 | 13.90 | 26 | 520.00 | 22.20 |
目的煤层的固定碳、灰分、水分的重量百分比含量，如表4所示；
表4：煤层的固定碳、灰分、水分的重量百分比含量
煤储层渗流特性参数：煤层原始瓦斯含量11.81cm3/g，瓦斯压力为0.76～0.88MPa，绝对瓦斯压力0.86～0.98MPa，原始煤层渗透系数为0.094，孔隙率4.49％，透气性系数为0.019021m2/(MPa2·d)，孔径为3.60nm。
测量钻孔井径变化，如表5所示：
表5：煤层井径数据表
水泥返高为384.00m，短管位置为642.46m，人工井底为717.85m；钻头直径为：一开：Φ311.15mm、二开：Φ215.9mm；
步骤5：洗井：使用浓度为1-2％的KCL溶液，正洗井替出井内全部泥浆，循环洗井2周至进出口的相对密度一致，出口液体干净无杂质污染物为合格。洗井过程中，随时观察并记录泵压、排量、出口量及漏失量；若泵压升高，洗井不通时，应及时停泵，分析原因进行处理，不得强行憋泵；
步骤6：试压：采用清水试压，试压时间30-40min，压降小于0.5-1MPa为合格，否则必须查出原因，不得进行下步工序，直到压降小于0.5-1MPa，转到步骤7。
步骤7：安装压裂井口：安装压裂井口，压裂井口用绷绳固定。
本实施例压裂井口：600型，采用PSJ-2型数字测井仪器测井；
步骤8：对地面直井进行水力压裂依次往200型主压泵车中注前置液、携砂液和顶替液，然后进行返排压裂液和冲砂；
步骤9：通过安装井下抽采设备及地面集输设备对煤层气井进行排采集输，其中，井下抽采设备为：深井泵；地面集输设备包括：真空泵、地面抽采管路、排水口、采油树、抽油机；将井内的水通过深井泵与抽油机采出，降低井筒内压力进而降低煤储层压力使得煤层中的瓦斯气体解吸出来；当管内压力下降到低于本煤层瓦斯临界解吸压力，设置抽采负压为-15KPa，并启动真空泵，将瓦斯从井下抽采出来，此时，抽油机与深井泵不停止，需要一直工作，将井内的水抽采出来，并通过排水口排出；
步骤10：真空泵对压裂复杂构造带中的瓦斯进行抽采，深井泵与抽油机对井内的水进行抽采，直至采煤工作面回采结束，停止真空泵、深井泵及抽油机，并撤回深井泵；
步骤11：实测地面压裂抽采钻孔的瓦斯抽采流量、浓度,分析地面压裂抽采钻孔的井位、井身结构、抽采负压、抽采时间的技术参数与瓦斯抽采数据的对应关系,进一步采用fluent优化瓦斯抽采参数，确定优化后的瓦斯抽采的技术参数为抽采负压-20KPa,并在下一复杂构造带的煤层瓦斯防突抽采工作中进行应用。
通过煤层压裂前后对比分析，压裂后煤层透气性系数平均值为9.86m2/(MPa2·d)，比压裂前提高了约518倍，压裂后瓦斯抽采量平均值为185.3m3/d，是压裂前的3.3倍，将难抽采煤层改造为易抽采煤层。
试验期间瓦斯抽采量最大达到4707m3/d，期间平均瓦斯抽采量达到4602m3/d，是抽油机抽采下平均日产瓦斯量的3.5倍；预计在压裂井抽采686天后，其累计产气量达到93.6万m3，届时裂缝延伸范围内的吨煤瓦斯含量将从13m3/t下降至8m3/t以下，显著降低了钻井压裂范围内的煤层突出危险性。
Claims (2)
1.一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统，其特征在于，包括：真空泵、地面抽采管路、排水口、采油树、抽油机和深井泵；
真空泵与地面抽采管路相连接，地面抽采管路与采油树相连接，采油树与排水口相连接，深井泵通过采油树与抽油机相连接；
真空泵：用于抽采瓦斯；
地面抽采管路：连接地面真空泵与压裂井口；
排水口：放置于采油树一端，用于将井下抽到地面的水排出；
采油树：连接地面抽油机与压裂井口；
抽油机：配合深井泵将井下的水抽到地面；
深井泵：被置于井中，用来抽水到地面。
2.一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突方法，采用一种基于复杂构造带瓦斯抽采立体防突系统实现，其特征在于，具体流程如下：
步骤1：使用离散元模拟软件ZSoil计算采煤工作面上覆岩层三带垮落带、裂隙带和弯曲下沉带发育高度，确定上覆岩层中裂隙密集发育位置和瓦斯富集区域；
步骤2：使用离散元模拟软件ZSoil初步确定井身的技术参数；
井身的技术参数包括：井身结构、钻头直径、套管程序、完钻层位、完钻井深、完钻方式；
所述完钻方式包括：裸眼完井、套管完井、混合完井、衬管完井；
步骤3：根据井身的技术参数，在处在复杂构造带煤层的地面上方施工打钻到目的煤层；
步骤4：在钻井完钻后进行两次测井，测井采用ClogPro处理软件：第一次测井包括：划分地层、判别岩性；解释煤层深度、厚度及结构；求取目的煤层的固定碳、灰分、水分的重量百分比含量；求取其它岩层的砂质、泥质和水分的体积百分比含量；进行主要煤层及其围岩的含水性、渗透性分析；测量钻孔井径变化和井壁温度；第二次测井包括：检查固井质量，评价水泥环胶结情况，确定水泥返高、短管位置及人工井底；
步骤5：洗井：使用浓度为1-2％的KCL溶液，正洗井替出井内全部泥浆，循环洗井2周至进出口的相对密度一致，出口液体干净无杂质污染物为合格；洗井过程中，随时观察并记录泵压、排量、出口量及漏失量；若泵压升高，洗井不通时，应及时停泵，分析原因进行处理，不得强行憋泵；
步骤6：试压：采用清水试压，试压时间30-40min，压降小于0.5-1MPa为合格，否则必须查出原因，不得进行下步工序，直到压降小于0.5-1MPa，转到步骤7；
步骤7：安装压裂井口，压裂井口用绷绳固定；
步骤8：对地面直井进行水力压裂依次往主压泵车中注前置液、携砂液和顶替液，然后进行返排压裂液和冲砂；
步骤9：通过安装井下抽采设备及地面集输设备对煤层气井进行排采集输，其中，井下抽采设备为：深井泵；地面集输设备包括：真空泵、地面抽采管路、排水口、采油树、抽油机；将井内的水通过深井泵与抽油机采出，降低井筒内压力进而降低煤储层压力使得煤层中的瓦斯气体解吸出来；当管内压力下降到低于本煤层瓦斯临界解吸压力，设置抽采负压并启动真空泵，将瓦斯从井下抽采出来，此时，抽油机与深井泵不停止，需要一直工作，将井内的水抽采出来，并通过排水口排出；
步骤10：真空泵对压裂复杂构造带中的瓦斯进行抽采，深井泵与抽油机对井内的水进行抽采，直至采煤工作面回采结束，停止真空泵、深井泵及抽油机，并撤回深井泵；
步骤11：实测地面压裂抽采钻孔的瓦斯抽采流量、浓度,进一步采用fluent优化，确定优化后的抽采负压,并在下一复杂构造带的煤层瓦斯防突抽采工作中进行应用。
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