CN111042791A - 低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法 - Google Patents

低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对低透气性瓦斯突出矿井，具有渗透性低、含气量低的特点的煤储层，通过开采保护层与地面瓦斯抽采相结合，使临近煤层快速卸压，地面高效快速抽采煤层气，提出一种井上下联合抽采煤层气，煤与煤层气边抽边采的共采技术体系。从而最大限度代替高抽巷和底抽巷，有效降低煤矿瓦斯治理成本，增加地面煤层气井产量，降低煤矿瓦斯突出风险和瓦斯超限事故出现频率，提高采煤效率，实现煤矿开采的安全高效。

Description

低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法
技术领域
本发明属于煤与煤层气共采技术领域，更具体的说是针对采用保护层开采技术的低透气性煤层群瓦斯突出矿井，一种井上下联合煤与煤层气共采方法。
背景技术
目前，大部分低透气性瓦斯突出矿井的瓦斯抽采方法采用的是“淮南模式”，即保护层开采模式。该模式在保护层开采后，形成采空区对临近煤层卸压，使临近煤层的透气性增加，瓦斯由吸附状态转为游离状态。被保护煤层开采前，仍需要提前3年甚至更长时间，通过底抽巷或者高抽巷与穿层钻孔等多种措施相结合的方式进行井下瓦斯预抽。在开采卸压煤层时，仍然存在瓦斯突出风险和瓦斯超限事故，瓦斯抽采成本较高。以晋煤集团寺河矿为例，井下瓦斯成本为12-15元/方，地面瓦斯抽采成本为2-5元/方。
对于低透气性瓦斯突出矿井，煤储层具有渗透性低、含气量低的特点。通过煤层气井地面预抽的方法，由于煤层渗透率低，气井产量低，成本高，往往抽采效果不理想，投资回收期较长。因此，需要一种开采保护层与地面瓦斯抽采相结合，井上下联合抽采煤层瓦斯，煤与煤层气共采技术。降低煤矿瓦斯治理成本，增加地面煤层气井产量。
发明内容
本发明为了有效降低低透气煤层煤层气抽采成本，增加地面煤层气井产量。
进而提供了一种低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，具体包括以下步骤：
1）开采保护层，开采保护层时，结合井下巷道通风系统，利用地面采动井进行煤层气负压抽采；
2）工作面回采形成采空区后，如果采动井井身结构未发生破坏，则利用采动井对采空区煤层气进行负压抽采，如果采动井井身结构因破坏严重不能继续抽采，则对采动井进行封堵，在采空区钻进采空区井；
3）保护层开采完后，利用穿越煤柱井和穿越采空区井，对临近卸压层进行地面瓦斯抽采；
4）选择煤层气含量最先降至8m3/t以下的临近卸压煤层进行煤炭开采，对穿越煤柱井和穿越采空区井进行封井；开采过程中继续采用采动井和采空井进行煤层气抽采。
进一步地，步骤1所述采动井布置在距离回风巷40-50m范围内，采动井之间的距离控制在80-200m范围内，根据煤层实际瓦斯含量和瓦斯超限频率合理设置采动井到回风巷的距离及井距。
进一步地，所述采动井钻井整体结构为三次钻进设计，一开钻井终孔位置钻过风化带岩层至基岩以下10m位置；二开钻井终孔位置为保护煤层位置；三开为通井，二开水泥候凝后三开扫孔至孔底，确保井筒内畅通。
进一步地，步骤2所述的采空区井井身结构为：一开钻入稳定基岩10m后，下入表层套管固井；二开钻至采空区落空止钻，如无较大含水层，则二开不固井；如地层涌水较大，则二开固井深度为采空区裂隙带之上最下一层含水层，三开钻至采空区落空止钻，如钻遇采空区且产气良好，则安装机器抽采，三开下入割缝套管护壁；如钻至煤柱，采用造斜或小型压裂以沟通采空区，如钻至积水区，可视积水量情况下泵排水或做报废封井处理。
进一步地，所述穿越煤柱井和穿越采空区井井型井身结构为：一开钻穿黄土及地表松散岩石层，至稳定基岩下10m终孔；下入钢级J55表层套管，采用常规密度水泥固井，水泥返高至地表；二开钻至采空区底板22m下，下入钢级N80的技术套管，封固套管底口，水泥返至采空区底板，如果未钻遇采空区，则钻过保护煤层，水泥返高到地面或者距离保护煤层顶板200m；三开钻过下伏煤层30m后完钻，下入钢级N80生产套管，水泥返高至距离下伏煤层顶板200米处。
进一步地，采动井钻井过程中，一开采用牙轮钻头，钻井终孔位置钻过风化带岩层至基岩以下10m位置，下入表层套管，封固地表疏松层，水泥返高至地面；二开钻头钻进至保护煤层下5m终孔，下套管至距离保护煤层顶板40m处，水泥返高至距离保护煤层顶板上300m；三开钻头扫孔。
进一步地，步骤2中，针对煤层气压力较大的区域，采用地面压裂井下抽放井，进行地面钻井，压裂保护层，释放区域内瓦斯压力，在井下进行煤层气抽放；地面压裂井下抽放井井身结构为：一开钻入稳定基岩10m后，下入表层套管固井；二开钻至保护煤层以下40m终孔，套管固井，对保护煤层进行地面压裂，安装密封井口。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明提供的一种低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，针对低透气性煤层群瓦斯突出矿井，煤储层具有渗透性低、含气量低的特点，通过开采保护层与地面煤层气抽采相结合，煤与煤层气边抽边采，实现煤与煤层气的高效共采。通过本发明，达到如下效果，最大限度代替高抽巷和底抽巷，降低煤层气突出风险，提高采煤效率，实现煤矿开采的安全高效。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为保护层开采卸压范围示意图。
图3为S’下和S’上与开采深度H和工作面长度L之间的关系表。
图4为保护层工作面始采线、采止线和煤柱的影响范围。
图中：1、采动井，2、采空区井，3、穿越采空区井，4、穿越煤柱井，5、上覆生产煤层，6、保护煤层，7、采空区，8、工作面回采方向，9、下伏煤层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，包括以下步骤：
（1）先开采保护层（安全层），开采保护层时，通过采动井进行煤层气负压抽采，采动井布置在距离回风巷40-50m范围内，采动井之间的井距控制在80-200m范围内，根据煤层实际瓦斯含量和瓦斯超限频率合理设置采动井到回风巷的距离及井距。针对煤层气压力较大的区域，采用地面压裂井下抽放井，进行地面钻井，压裂保护层，释放区域内煤层气压力，在井下进行煤层气抽放。采动井井身结构为三次钻进设计，一开钻井终孔位置为钻过风化带岩层至基岩以下10m位置，二开钻井终孔位置为保护煤层位置，三开为通井，二开水泥候凝后三开扫孔至孔底，确保井筒内畅通。其中：一开采用Φ480mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带下10m，下入Φ377.7mm*10mmJ55表层套管，封固地表疏松层，水泥返高至地面。二开采用Φ311.1mm钻头钻进至保护煤层下5m终孔，下Φ244.5mm*10.03mm N80套管，下至距离保护煤层顶板40m处，水泥返高至距离保护煤层顶板上300m。三开采用Φ215.9mm钻头扫孔。地面压裂井下抽放井井身结构为：一开：φ311.15mm钻头，钻入稳定基岩10m后，下入φ244.5mm表层套管固井；二开：φ215.9mm钻头，钻至保护煤层以下40m终孔，φ139.7mm套管固井，对保护煤层进行地面压裂，安装密封井口。
（2）工作面回采形成采空区后，如果采动井井身结构未发生破坏，利用采动井对采空区煤层气进行负压抽采，如果采动井井身结构因破坏严重不能继续抽采，对采动井进行封堵。在采空区合适位置钻进采空区井，井身结构为：一开：φ311.15mm钻头，钻入稳定基岩10m后，下入φ273.1mm表层套管固井；二开：φ241.3mm钻头，φ193.74mm套管固井。如无较大含水层，则二开不固井，φ241.3mm钻至采空区落空止钻。如地层涌水较大，则二开固井深度为采空区裂隙带之上最下一层含水层；三开：φ171.4mm钻头，继续钻至采空区落空止钻。如钻遇采空区且产气良好，则安装机器抽采，三开下入φ139.7mm割缝套管护壁；如钻至煤柱可考虑采用造斜或小型压裂以沟通采空区，如钻至积水区，可视积水量情况下泵排水或做报废封井处理。
（3）保护层开采完后，由于被保护煤层得到了卸压，煤层渗透率得到了很大改善，对临近卸压层进行地面煤层气抽采，利用穿越煤柱井和穿越采空区井井型，能够极大的缩短煤层气抽采时间。穿越煤柱井和穿越采空区井井型井身结构为：一开：采用D425mm钻头钻进，钻穿黄土及地表松散岩石层，至比较稳定的基岩下10m终孔。下入钢级J55 外径D377.7mm表层套管，采用常规密度水泥固井，水泥返高至地表。二开：采用D311.15mm钻头钻至采空区底板22m下，下入钢级N80外径D244.5的技术套管，封固套管底口，水泥返至采空区底板。如果未钻遇采空区，则钻过保护煤层，水泥返高到地面或者距离保护煤层顶板200m。三开：采用D215.9的钻头钻进，钻过下伏煤层30m后完钻，下入钢级N80外径D139.7的生产套管，水泥返高至距离下伏煤层顶板200米处。
（4）选择瓦斯含量最先降至8m3/t以下的临近卸压煤层进行煤炭开采，对穿越煤柱井和穿越采空区井进行封井。开采过程中继续采用采动井组和采空井进行瓦斯抽采。
本发明根据采矿理论，随着工作面的推进，煤层顶底板受采动影响在垂向上会出现典型的分带特征（如图2所示）。自上至下可分为弯曲下沉带、卸压裂隙带、冒落带、底鼓裂隙带、底鼓变形带。根据袁亮院士的卸压开采瓦斯抽采理论，在煤层群中选择保护层（安全层）首先开采，形成岩层移动、煤层膨胀卸压，使邻近煤层中80％以上的煤层气由吸附状态解吸为游离状态，上下卸压层距离保护层最大可达50倍采高。
根据《防治煤与瓦斯突出规定》，保护层的最大有效垂直卸压范围计算方法为：
下保护层的最大保护垂距：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
上保护层的最大保护垂距：
Figure 24456DEST_PATH_IMAGE002
(2)
式中：S’下、S’上为下保护层和上保护层的最大理论卸压垂距，m。与保护层工作面的开采深度H和长度L有关，见图3，当L＞0.3H时，则取L=0.3H，但L＜250m；
β1：影响系数，当M≤M0时，β1=M/M0，当M>M0时，β1=1；
M：开采保护层的厚度，m；
M0：保护层的最小有效厚度，m，M0可参照图4确定；
β2—层间硬岩(砂岩、石灰岩)含量系数，以η表示在层间岩石中硬岩所占的百分比，当η≥50%时，β2=1-0.4η/100，当η＜50%时，β2=1。
保护层开采完后，由于临近煤层得到了卸压，煤层渗透率得到了很大改善，利用地面煤层气井对临近卸压层进行煤层气抽采，能够极大的提高煤层气井产能，缩短瓦斯预采时间，提高后期采煤效率。

Claims (7)

1.一种低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）开采保护层，开采保护层时，结合井下巷道通风系统，利用地面采动井进行煤层气负压抽采；
2）工作面回采形成采空区后，如果采动井井身结构未发生破坏，则利用采动井对采空区煤层气进行负压抽采，如果采动井井身结构因破坏严重不能继续抽采，则对采动井进行封堵，在采空区钻进采空区井；
3）保护层开采完后，利用穿越煤柱井和穿越采空区井，对临近卸压层进行地面瓦斯抽采；
4）选择煤层气含量最先降至8m3/t以下的临近卸压煤层进行煤炭开采，对穿越煤柱井和穿越采空区井进行封井；开采过程中继续采用采动井和采空井进行煤层气抽采。
2.根据权利要求1所述的低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，步骤1所述采动井布置在距离回风巷40-50m范围内，采动井之间的距离控制在80-200m范围内，根据煤层实际瓦斯含量和瓦斯超限频率合理设置采动井到回风巷的距离及井距。
3.根据权利要求1所述的低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，所述采动井钻井整体结构为三次钻进设计，一开钻井终孔位置钻过风化带岩层至基岩以下10m位置；二开钻井终孔位置为保护煤层位置；三开为通井，二开水泥候凝后三开扫孔至孔底，确保井筒内畅通。
4.根据权利要求1所述的低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，步骤2所述的采空区井井身结构为：一开钻入稳定基岩10m后，下入表层套管固井；二开钻至采空区落空止钻，如无较大含水层，则二开不固井；如地层涌水较大，则二开固井深度为采空区裂隙带之上最下一层含水层，三开钻至采空区落空止钻，如钻遇采空区且产气良好，则安装机器抽采，三开下入割缝套管护壁；如钻至煤柱，采用造斜或小型压裂以沟通采空区，如钻至积水区，可视积水量情况下泵排水或做报废封井处理。
5.根据权利要求1所述的低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，所述穿越煤柱井和穿越采空区井井型井身结构为：一开钻穿黄土及地表松散岩石层，至稳定基岩下10m终孔；下入钢级J55表层套管，采用常规密度水泥固井，水泥返高至地表；二开钻至采空区底板22m下，下入钢级N80的技术套管，封固套管底口，水泥返至采空区底板，如果未钻遇采空区，则钻过保护煤层，水泥返高到地面或者距离保护煤层顶板200m；三开钻过下伏煤层30m后完钻，下入钢级N80生产套管，水泥返高至距离下伏煤层顶板200米处。
6.根据权利要求3所述的低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，采动井钻井过程中，一开采用牙轮钻头，钻井终孔位置钻过风化带岩层至基岩以下10m位置，下入表层套管，封固地表疏松层，水泥返高至地面；二开钻头钻进至保护煤层下5m终孔，下套管至距离保护煤层顶板40m处，水泥返高至距离保护煤层顶板上300m；三开钻头扫孔。
7.根据权利要求1所述的低透气煤层群井上下联合煤与煤层气共采方法，其特征在于，步骤2中，针对煤层气压力较大的区域，采用地面压裂井下抽放井，进行地面钻井，压裂保护层，释放区域内瓦斯压力，在井下进行煤层气抽放；地面压裂井下抽放井井身结构为：一开钻入稳定基岩10m后，下入表层套管固井；二开钻至保护煤层以下40m终孔，套管固井，对保护煤层进行地面压裂，安装密封井口。
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