CN112253070B - 厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法 - Google Patents
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Abstract
一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，采用L型的顶部水平井和底部水平井设置，通过带底封的油管拖动的定向水力射孔工具进行水力造缝，并对沟通的裂缝进行循环脉动洗井掏煤，且逐段完成全井段的造缝洗煤工作后分井进行排水降压采气；由此，本发明能降低厚煤层消突施工难度和施工工作量、缩短消突达标时间、降低综合治理成本，达到厚煤层快速、大范围条带化泄压消突目标。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全的技术领域，尤其涉及一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法。
背景技术
针对厚煤层巷道掘进过程中面临的煤与瓦斯突出问题，目前惯用的做法是先开拓一条底抽巷，然后采用穿层孔进行瓦斯抽采。这种方法存在如下局限性：(1)井下空间有限，施工难度大、施工时间长，需要提前很长时间进行规划部署，倔-抽矛盾十分突出；难以满足厚煤层矿井巷道的快速、安全、高效掘进需要；(2)井下施工条件差，穿层孔施工工艺受到限制，致使井下钻孔影响范围小，需要施工大量的穿层抽放孔才能达到巷道条带化卸压消突效果，施工成本高；(3) 厚煤层长钻孔施工容易塌孔、埋钻，成孔难度大，施工风险高，同时也影响后期瓦斯抽采效果。
综上所述，目前厚煤层底抽巷穿层抽放孔抽采存在施工工作量大、难度大、抽放时间长、抽采效率低、抽采成本高、时间和空间上倔-抽矛盾突出等问题，难以实现快速、大范围条带化消突目标，严重影响厚煤层巷道的安全高效掘进。
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，研究设计出一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，降低施工难度和施工工作量、缩短消突达标时间、降低综合治理成本，达到厚煤层快速、大范围条带化泄压消突目标。
为实现上述目的，本发明公开了一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：在煤层的顶部钻一口L型顶部水平井，所述顶部水平井三开并下入套管，进行全井段固井完井；
步骤2：在煤层的底部钻一口L型的底部水平井，所述底部水平井三开采用筛管完井，所述筛管悬挂于二开技术套管的末端；
步骤3：在煤层的顶部水平井下入带底封的油管拖动的定向水力射孔工具至第1段位置，进行锚定固定；
步骤4：采用向下定向水力喷射方式进行射孔；
步骤5：采用油管喷射诱导环空水流的方法进行水力造缝，实现煤层顶部水平井和底部水平井连通；
步骤6：对沟通的裂缝进行循环脉动洗井掏煤，增加裂缝的宽度和空间；
步骤7：第1段造缝洗煤结束后，采用后退的方式拖动定向射孔工具至下一段位置进行锚定坐封，对已造缝洗煤段进行封隔；
步骤8：重复步骤4、步骤5、步骤6、步骤7以逐段完成全井段的造缝洗煤工作；
步骤9：造缝洗煤结束后，分井进行排水降压采气。
其中：步骤1中L型的顶部水平井水平段位于煤层顶板的岩层以下0-0.5m范围内的煤层顶部，所述顶部水平井采用三开井身结构，所述顶部水平井三开下入的套管进行全井段固井。
其中：步骤2中所述底部水平井和顶部水平井的井口位置位于同一井场内，两口水平井的延伸方向一致，有利于造缝连通，所述L 型的底部水平井的水平段位于煤层底板的岩层以上0-0.5m范围内的煤层底部。
其中：底部水平井采用三开井身结构，底部水平井一开、二开下套管进行水泥固井，底部水平井三开下入壁厚6.2mm的筛管，筛管悬挂于技术套管上、不固井。所述的筛管上布置大直径、高密度的孔眼，孔眼的直径20mm，孔眼的密度为60孔/m，孔眼采用螺旋布置、相位角为60°。
其中：所述定向水力射孔工具的管柱结构为封隔器+水力锚+定向喷射工具+油管；定向水力射孔工具采用液压自定向方法、采用垂直向下和与垂直向下成30°的方位进行定向射孔，封隔器最大封隔压差为70MPa，水力锚的锚定压差为3MPa。
其中：步骤5中水力造缝的工艺中油管内采用高速射流排量＞ 2.0m3/min、油套环空水流排量＞3.0m3/min、射流诱导水流造缝总排量5-6m3/min，控制裂缝高度，保障裂缝充分在煤层中向下扩展延伸，实现与底部水平井的连通。
其中：步骤6中，当底部水平井井口压力快速上升后，打开底部水平井井口，通过顶部水平井注入洗井液，控制排量，进行0-2m3/min-4m3/min-2m3/min-0的脉动循环洗井掏煤，造成裂缝内压力激励作用，使得裂缝壁面上的煤层在水流的冲刷作用下脱落形成大量煤屑，煤屑通过底部水平井携带返出地面，增加裂缝的宽度和空间，从而增加煤层泄压空间、提高消突效果。
其中：步骤9中采用油水重力分异原理，水往底部水平井流动、瓦斯气往顶部水平井扩散，即在底部水平井进行排水，在顶部水平井进行采气生产，从而有效降低气-水流动干扰、提高排水降压采气效果。
通过上述内容可知，本发明的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法具有如下效果：
1、能克服目前井下厚煤层底抽巷穿层孔塌孔严重、抽采施工条件差、施工难度大等问题，具有抽采效果好、影响范围大、抽采效率高和抽采成本低的特点；
2、通过地面部署联动水平井能实现超前预抽消突功能，解决厚煤层巷道开拓过程中时间、空间上的掘-抽矛盾；
3、利用地面部署联动水平井分段造缝洗煤方法能实现对厚煤层进行网格化造缝，同时具有洗煤功能、增加煤层的泄压空间、缩短消突达标时间，达到区域条带化、快速超前消突目的。
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显示了本发明的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法的结构示意图。
图2显示了本发明的煤层底部L型水平井完井示意图。
图3显示了本发明的水力定向射孔管柱示意图。
图4显示了本发明的水力定向射孔方位示意图。
图5显示了本发明的顶底部联动水平井造缝洗煤示意图。
图6显示了本发明的顶底部联动水平井分段造缝洗煤示意图。
图7显示了本发明的顶底部联动水平井抽采结构示意图。
附图标记：
1煤层顶板；2煤层；3煤层底板；4顶部水平井；5套管；6底部水平井；7筛管；8定向水力射孔工具；9定向射孔孔眼；10裂缝； 11射孔方位；12采气；13排水
具体实施方式
参见图1-图7，显示了本发明的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，主要用于在厚煤层进行网格化消突。
其中，所述厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法可包括如下步骤：
步骤1：在煤层2的顶部钻一口L型顶部水平井4，所述顶部水平井4三开下入套管5，进行全井段固井完井(如图1)；
具体而言，L型的顶部水平井4水平段位于煤层顶板1的岩层以下0-0.5m范围内的煤层2顶部，所述顶部水平井4采用三开井身结构，所述顶部水平井4三开下入的套管5，进行全井段固井。
步骤2：在煤层2的底部钻一口L型的底部水平井6，所述底部水平井6三开采用筛管7完井，所述筛管7悬挂于二开技术套管的末端(如图2)；
具体而言，所述底部水平井6和顶部水平井4的井口位置位于同一井场内，两口水平井的延伸方向基本一致，有利于造缝连通。所述 L型的底部水平井6的水平段位于煤层底板3的岩层以上0-0.5m范围内的煤层2底部。底部水平井6采用三开井身结构，底部水平井6一开、二开下套管进行水泥固井，底部水平井6三开下入特别设计的壁厚6.2mm的筛管7，筛管7悬挂于技术套管上、不固井；筛管7上布置大直径、高密度的孔眼，孔眼的直径20mm，孔眼的密度为60孔/m，孔眼采用螺旋布置、相位角为60°，通过特别设置的筛管，采用大直径、高密度的孔眼能最大限度提高筛管7的过流通道，有效防止造缝洗煤过程中煤粉堵塞筛管7的孔眼，高效的建立洗煤循环通道，能更好的完成后续步骤。
步骤3：在煤层2的顶部水平井4下入带底封的油管拖动的定向水力射孔工具8至第1段位置，进行锚定固定(如图3)；
具体而言，在所述顶部水平段中下入带底封的油管拖动的定向水力射孔工具8，管柱结构为：封隔器+水力锚+定向喷射工具+油管；定向水力射孔工具8采用液压自定向原理实现定向射孔，定向射孔工具8打压8-10MPa能够带动喷射工具旋转进行水力定向，通过反复打压/泄压方式实现多次液压水力定向连续施工，且封隔器最大封隔压差为70MPa，水力锚的锚定压差为3MPa，能满足对顶部水平井4 已压裂造缝洗煤段的封隔。
步骤4：采用向下定向水力喷射方式进行射孔(如图4)；
具体而言，采用垂直向下和与垂直向下成30°的方位进行定向喷射，射孔的喷射流速＞220m/s，射流排量＞2m3/min，喷射的砂比 5％-8％左右，能提高射孔的穿透深度，诱导水力裂缝在水平方向和下部的煤层2方向充分延伸，提高造缝效果。
步骤5：采用油管喷射诱导环空水流的方法进行水力造缝，实现煤层顶部水平井4和底部水平井6连通(如图5)；
具体而言，水力造缝的工艺采用中等排量进行施工，即油管内采用高速射流排量＞2.0m3/min、油套环空水流排量＞3.0m3/min、射流诱导水流造缝总排量5-6m3/min，控制裂缝10高度，保障裂缝10充分在煤层2中向下扩展延伸，实现与底部水平井6的连通。
步骤6：对沟通的裂缝10进行循环脉动洗井掏煤，增加裂缝10 的宽度和空间(如图5)；
具体而言，当底部水平井井口压力快速上升后，打开底部水平井井口，通过顶部水平井4注入洗井液，控制排量，进行 0-2m3/min-4m3/min-2m3/min-0的脉动循环洗井掏煤，造成裂缝10内压力激励作用，使得裂缝10壁面上的煤层2在水流的冲刷作用下脱落形成大量煤屑，煤屑通过底部水平井6携带返出地面，增加裂缝 10的宽度和空间，从而增加煤层2泄压空间、提高消突效果。
同时，所述洗井液携带的大量煤粉经底部水平井的筛管返出后进入沉淀池，煤粉在沉淀池过滤后的洗井液能循环利用，降低水资源消耗和污染，降低施工成本。
步骤7：第1段造缝洗煤结束后，采用后退的方式拖动定向射孔工具8至下一段位置进行锚定坐封，对已造缝洗煤段进行封隔；
步骤8：重复步骤4、步骤5、步骤6、步骤7的程序逐段完成全井段的造缝洗煤工作(如图6)；具体而言，待第一段造缝洗煤施工完成后，拖动定向水力射孔工具8至下一段造缝洗煤点，在两段造缝洗煤点之间进行打压封隔器实现对已造缝洗煤段封隔，然后在第二个造缝洗煤点进行施工，实现分段造缝洗煤。一趟带底封的油管拖动定向水力射孔工具8能实现对水平井多段的造缝洗煤，提高施工效率。
步骤9：造缝洗煤结束后，分井进行排水13降压采气12(如图 7)。
具体而言，采用油水重力分异原理，水往底部水平井流动、瓦斯气往顶部水平井扩散，即在底部水平井6进行排水13，在顶部水平井4进行采气12生产，从而有效降低气-水流动干扰、提高排水降压采气效果。
通过上述发明实施的一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，具有如下优势：
1、本发明能克服目前井下厚煤层底抽巷穿层孔塌孔严重、抽采施工条件差、施工难度大等问题，具有工作量小、影响范围大、抽采效率高和抽采成本低的特点；
2、通过地面部署联动水平井能实现超前预抽消突功能，解决厚煤层巷道开拓过程中时间、空间上的掘-抽矛盾；
3、利用地面部署联动水平井分段造缝洗煤方法能实现对厚煤层进行网格化造缝，同时具有洗煤功能、增加煤层的泄压空间、缩短消突达标时间，达到区域条带化、快速超前消突目的。
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 (5)
1.一种厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：在煤层的顶部钻一口L型顶部水平井，所述顶部水平井三开并下入套管，进行全井段固井完井，其中L型顶部水平井的水平段位于煤层顶板的岩层以下0-0.5m范围内的煤层顶部，所述顶部水平井采用三开井身结构，所述顶部水平井三开下入ψ139.7mm的套管进行全井段固井；
步骤2：在煤层的底部钻一口L型的底部水平井，所述底部水平井三开采用筛管完井，所述筛管悬挂于二开技术套管的末端，其中所述底部水平井和顶部水平井的井口位置位于同一井场内，两口水平井的延伸方向一致，有利于造缝连通，所述L型的底部水平井的水平段位于煤层底板的岩层以上0-0.5m范围内的煤层底部，底部水平井采用三开井身结构，底部水平井一开、二开下套管进行水泥固井，底部水平井三开下入ψ139.7mm壁厚6.2mm的筛管，筛管悬挂于技术套管上、不固井，所述的筛管上布置大直径、高密度的孔眼，孔眼的直径20mm，孔眼的密度为60孔/m，孔眼采用螺旋布置、相位角为60°；
步骤3：在煤层的顶部水平井下入带底封的油管拖动的定向水力射孔工具至第1段位置，进行锚定固定；
步骤4：采用向下定向水力喷射方式进行射孔；
步骤5：采用油管喷射诱导环空水流的方法进行水力造缝，实现煤层顶部水平井和底部水平井连通；
步骤6：对沟通的裂缝进行循环脉动洗井掏煤，增加裂缝的宽度和空间；
步骤7：第1段造缝洗煤结束后，采用后退的方式拖动定向射孔工具至下一段位置进行锚定坐封，对已造缝洗煤段进行封隔；
步骤8：重复步骤4、步骤5、步骤6、步骤7以逐段完成全井段的造缝洗煤工作；
步骤9：造缝洗煤结束后，分井进行排水降压采气。
2.如权利要求1所述的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，其特征在于：所述定向水力射孔工具的管柱结构为封隔器+水力锚+定向喷射工具+油管；定向水力射孔工具采用液压自定向方法、采用垂直向下和与垂直向下成30°的方位进行定向射孔，封隔器最大封隔压差为70MPa，水力锚的锚定压差为3MPa。
3.如权利要求1所述的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，其特征在于：步骤5中水力造缝的工艺中油管内采用高速射流排量＞2.0m3/min、油套环空水流排量＞3.0m3/min、射流诱导水流造缝总排量5-6m3/min，控制裂缝高度，保障裂缝充分在煤层中向下扩展延伸，实现与底部水平井的连通。
4.如权利要求1所述的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，其特征在于：步骤6中，当底部水平井井口压力快速上升后，打开底部水平井井口，通过顶部水平井注入洗井液，控制排量，进行0-2m3/min-4m3/min-2m3/min-0的脉动循环洗井掏煤，造成裂缝内压力激励作用，使得裂缝壁面上的煤层在水流的冲刷作用下脱落形成大量煤屑，煤屑通过底部水平井携带返出地面，增加裂缝的宽度和空间，从而增加煤层泄压空间、提高消突效果。
5.如权利要求1所述的厚煤层顶底部联动水平井分段造缝洗煤消突方法，其特征在于：步骤9中采用油水重力分异原理，水往底部水平井流动、瓦斯气往顶部水平井扩散，即在底部水平井进行排水，在顶部水平井进行采气生产，从而有效降低气-水流动干扰、提高排水降压采气效果。
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