CN116084888A - 基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，包括确定沿工作面走向布设的U型远端对接水平井组中水平段的布设层位；施工排采直井，并完成与所述排采直井对接的定向水平井的一开钻井、二开钻井和固井；完成三开水平段随钻地质导向钻进，并在钻进过程中实时调整钻进轨迹；完成定向水平井的全井段固井完井；对水平段进行分段封隔、对目标煤层实施段间机械封隔及段内多簇化学暂堵分段压裂施工，形成三维体积裂缝网络；进行压后返排、通洗井作业，实现定向水平井与排采直井的沟通；完成工作面瓦斯全覆盖地面强化抽采超前预抽，达到通过单口水平井实现煤矿工作面瓦斯全覆盖及地面水平井强化抽采超前预抽的效果。

Description

基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法

技术领域

本发明涉及属于地面瓦斯抽采技术领域，涉及煤矿工作面瓦斯地面超前预抽，具体涉及一种基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法。

背景技术

我国高瓦斯突出矿井分布较为广泛、且瓦斯资源量丰富，抽采煤层中的瓦斯不仅可以有效治理煤矿瓦斯灾害、保障煤矿安全生产，而且可以获取大量瓦斯资源，同时，随着矿井开拓和开采规模的加大，瓦斯灾害问题严重影响矿井的采掘接替和安全生产。考虑到煤矿井下瓦斯抽采投入成本高、抽采时间长、施工风险大，采取传统井下穿层和顺层钻孔预抽区域煤层瓦斯措施已不能完全满足煤矿采掘接续和安全生产的需求。目前，地面瓦斯强化抽采超前预抽逐步成为治理矿井瓦斯灾害的有效途径，不仅降低了施工成本、保障了安全生产，还实现了矿井瓦斯的超前治理，为矿井工作面瓦斯快速预抽消突、保障煤矿采掘接续提供了技术保障。

地面抽采技术从最初的直井抽采逐步转向水平井强化抽采，同时，随着压裂增产改造技术的发展，压裂造缝机理逐步由长缝压裂理论向复杂网络裂缝的体积压裂技术转变。目前提出的地面水平井抽采方法主要存在以下缺陷：(1)水平井井位部署和煤矿工作面规划结合不紧密，不能有效解决煤矿工作面瓦斯抽采问题，严重影响工作面采掘规划；(2)水平井单井水平段长度较短，不能完全覆盖整个工作面的地面瓦斯抽采需求，往往需要设计2口以上的地面水平井来解决整个工作面的地面瓦斯抽采需求，增加了施工投入和后期管理成本；(3)水平井抽采井眼轨迹控制难度大，针对软煤层尤其碎软低渗煤层要求在煤层顶板0～2m之间钻井，井眼轨迹距离煤层较远不利于压裂裂缝穿层扩展沟通井筒与下部煤层；(4)水平井单段压裂裂缝控制范围有限，存在瓦斯抽采盲区，造成煤矿工作面采掘过程中存在瓦斯突出风险；(5)常规的机械桥塞分段压裂工具在压裂后需要下入磨铣管柱将桥塞进行统一钻铣，施工步骤复杂、周期长、成本高且存在一定施工风险；(6)地面抽采产量衰减快，稳产时间短，造成单井产气量少，地面瓦斯抽采率低等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，以解决现有技术中存在的无法通过单口水平井实现煤矿工作面瓦斯有效全覆盖及地面水平井强化抽采超前预抽的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，包括以下步骤：

步骤1、收集工作面瓦斯全覆盖抽采区域的勘探数据和矿井数据，并根据收集到的数据确定沿工作面走向布设的U型远端对接水平井组中水平段的布设层位；

其中，所述U型远端对接水平井组包括一口排采直井和一口定向水平井，所述排采直井与定向水平井之间的水平连通段为水平段；

步骤2、施工排采直井，并完成与所述排采直井对接的定向水平井的一开钻井、二开钻井和固井；

步骤3、完成三开水平段随钻地质导向钻进，并在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使水平井的井眼轨迹位于步骤1所述的布设层位中；

步骤4、完成定向水平井的全井段固井完井；

步骤5、对水平段进行分段封隔、对目标煤层实施段间机械封隔及段内多簇化学暂堵分段压裂施工，形成三维体积裂缝网络；

步骤6、进行压后返排、通洗井作业，实现定向水平井与排采直井的沟通；

步骤7、完成工作面瓦斯全覆盖地面强化抽采超前预抽。

本发明还具有以下技术特征：

步骤1所述的U型远端对接水平井组水平段的布设层位具体包括：

当煤层为软煤层时，水平段的布设层位为煤层顶板；

当煤层位硬煤层时，水平段的布设层位为煤层。

更进一步的，步骤3所述在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使钻进轨迹位于步骤1所述的布设层位中具体包括：

当水平段的布设层位为煤层时，根据随钻地质导向测井实时获取的钻进数据调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹在煤层中；

当水平段的布设层位为煤层顶板时，通过随钻地质导向测井和多点探煤实时获取钻进数据，然后计算探煤间距、见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，以及探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离，并根据得到的计算结果实时调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹与煤层顶界的垂直距离在0～2m。

更进一步的，所述探煤间距通过以下公式确定：

式中：

L为探煤间距，单位为m；

S_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

α_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

更进一步的，所述见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离通过下式计算：

式中：

H_B为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

S_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

α_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

更进一步的，所述探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离通过下式确定：

当煤层顶板为下倾煤层顶板时，

H_A＝H_B-Ltanβ

当煤层顶板为上倾煤层顶板时，

H_A＝H_B+Ltanβ

式中：

H_A为探煤侧钻点距离煤层顶界的垂直距离，单位为m；

H_B为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

L为探煤间距，单位为m；

β为煤层视倾角，单位为°。

更进一步的，步骤4中所述的定向水平井的三开全井段固井完井包括：当定向水平井的水平段为大位垂比长水平段时，在水平井中下入包括水平井旋转引鞋、防窜通管柱、漂浮节箍的组合固井管柱，进行水平井三开全井段固井完井。

更进一步的，步骤5所述的段间机械封隔分段压裂施工中采用能够承压70MPa，且能够在144小时内完全溶解的低温可溶压裂桥塞。

更进一步的，在步骤5所述的段内多簇化学暂堵压裂施工中，压裂裂缝缝口水溶性暂堵剂用量通过以下公式确定：

G＝0.0412×πH(d×Δd+Δd²)×ρ_视×(l+k)

式中：

G为压裂裂缝缝口水溶性暂堵剂用量，单位为kg；

H为射孔段长度，单位为m；

d为套管外径，单位为cm；

Δd为滤饼厚度，单位为cm；

ρ_视为缝口水溶性暂堵转向剂视密度，单位为g/cm³；

k为嵌入裂缝比例，单位为％。

更进一步的，步骤5所述的分段压裂施工中，压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为10～20m³/m，注入排量为10～16m³/min，平均砂比为10～15％，前置液比大于等于40％；

当水平段的布设层位为煤层时，压裂施工前的射孔选择在煤层中向水平方向实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为45°和135°水平方向；

当水平段的布设层位为煤层顶板时，压裂施工前的射孔选择在煤层顶板向煤层方向垂直向下实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为90°垂直向下。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明方法将水平井的布设井位与煤矿工作面的规划紧密结合，能够实现单口水平井组完全覆盖整个工作面的地面瓦斯抽采需求，保障水平井水平段眼轨迹精准控制，不仅有效解决煤矿工作面瓦斯灾害问题、保障了矿井的采掘接替和安全生产、降低了施工投入和后期管理成本，从而有效保障了水平井的高产、稳产以及高抽采率。

(2)本发明方法中，软煤层，尤其碎软低渗煤层内的水平段井眼轨迹控制在与煤层顶板距离0～2m之间，通过随钻地质导向测井和多点探煤井眼轨迹控制，确保井眼轨迹与煤层顶板距离的精准控制，有利于后期压裂裂缝穿层扩展沟通井筒与下部煤层。

(3)本发明方法在固井时采用的组合固井管柱结构，可有效保障水平井全井段固井质量，为后期压裂施工提供保障。

(4)本发明方法采用段间机械封隔结合段内多簇化学暂堵的分段压裂工艺，有利于实现水平井密集体积压裂改造效果，形成三维体积裂缝网络，从而实现煤矿工作面瓦斯抽采无盲区，保障煤矿工作面的安全采掘。

(5)本发明中采用煤层气低温可溶压裂桥塞，压后可减少钻铣工序，缩短施工周期、降低施工成本和风险。

附图说明

图1为本发明施工流程图；

图2为随钻地质导向测井+多点探煤井眼轨迹控制示意图；

图3为下倾煤层侧钻探煤位置关系示意图；

图4(a)为水平井多簇笼统压裂的裂缝展布图；

图4(b)为水平井多簇化学暂堵体积压裂的裂缝展布图；

图5为水平井多簇化学暂堵分段压裂效果图；

图6(a)为常规水平井压裂抽采覆盖范围示意图；

图6(b)为本发明暂堵压裂水平井强化抽采覆盖范围示意图；

图7为常规压裂水平井和本发明暂堵压裂水平井抽采效果对比图。

1-煤层顶板，2-煤层，3-定向水平井，4-排采直井，5-水平段，6-探煤分支孔，7-水平井井口，8-水平井着陆点，9-排采直井井口，10-工作面，11-巷道，12-桥塞，13-水力压裂裂缝，14-裂缝瓦斯抽采波及区域，15-瓦斯抽采盲区，16-暂堵压裂形成的次生裂缝；A-探煤侧钻点；B-见煤点。

具体实施方式

以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。

对本发明所涉及的技术术语解释如下:

U型远端对接水平井组：包括一口排采直井和一口定向水平井，排采直井与定向水平井之间的水平连通段为水平段。

软煤层：煤的坚固性系数小于1.0的煤层为软煤层；其中煤的坚固性系数为0.1～0.5、透气性系数为10^-3～10m²/MPa².d(相当于渗透率为2.5×10^-5～2.5×10^-1mD)的煤层为碎软低渗煤层。

硬煤层：煤的坚固性系数≥1.0的煤层为硬煤层。

工作面瓦斯全覆盖抽采：针对煤矿工作面瓦斯治理，通过地面水平井钻井以及密集体积压裂改造，实现基于煤矿工作面的瓦斯全覆盖强化抽采，以达到工作面内无瓦斯抽采盲区。

钻遇距离：钻头沿钻进方向到煤岩界面的距离。

垂直距离：钻头到煤岩界面的垂线距离。

水平井位垂比：水平井的水平投影长度与垂直深度的比值。

段间机械封隔：适用于套管固井完井方式，水平井水平段套管内通过机械隔离实现段内分段压裂，水平井机械隔离分段压裂即在水平井段上用桥塞坐封并隔离井筒，再实施射孔压裂，以形成多条人工裂缝，从而提高单井产能。

段内多簇化学暂堵压裂：水平井水平段套管内通过机械隔离实现段内封隔后，进行段内多簇射孔，先压裂压开应力最小处射孔段形成压裂裂缝，然后加入化学暂堵剂，堵住前期压开的缝，继续压裂憋开新的压裂裂缝，使压裂裂缝复杂化，形成体积压裂裂缝效果，增大泄流面积，提高储层改造程度。

侧钻探煤：在水平井水平段进行随钻地质导向钻进过程中，为了精准控制井眼轨迹位置，通过降井斜向下侧钻探测煤层位置。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例提供一种基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、收集工作面瓦斯全覆盖抽采区域的勘探数据和矿井数据，并根据收集到的数据确定沿工作面走向布设的U型远端对接水平井组中水平段的布设层位；将水平井的布设井位与煤矿工作面的规划紧密结合，能够实现单口水平井组完全覆盖整个工作面的地面瓦斯抽采需求；

本实施例中采集的勘探数据包括煤层及煤层顶板的岩性、厚度、埋深、自然伽马以及电阻率等。

其中，所述U型远端对接水平井组包括一口排采直井和一口定向水平井，所述排采直井与定向水平井之间的水平连通段为水平段；

当煤层为软煤层，尤其为碎软低渗煤层时，为保障水平段有效成孔，同时考虑后期排采过程中气水运移不受煤粉堵塞的影响，水平段的布设层位为煤层顶板，将水平段布置在煤层顶板内，压裂缝能够通过煤层与煤层顶板的界面实现穿层扩展，从而沟通下部的煤层，为煤层气进入井筒提供通道。

当煤层为硬煤层时，水平段的布设层位为煤层。

步骤2、施工排采直井，并完成与所述排采直井对接的水平井的一开钻井、二开钻井和固井；

步骤3、完成三开水平段随钻地质导向钻进，并在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使水平井的井眼轨迹位于步骤1所述的布设层位中；

如图2所示，本实施例中，在水平段钻进过程中采用随钻地质导向测井技术，实时监测水平段岩层的电阻率和自然伽马等参数，同时结合岩屑、钻时以及气测录井等信息以及前期建立的埋深、自然伽马以及电阻率等三维地质模型数据，最大程度确保水平段井眼轨迹的精确控制。

作为本实施例的一种优选方案，当水平段的布设层位为煤层时，根据随钻地质导向测井实时获取的钻进数据调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹在煤层中；

当水平段的布设层位为煤层顶板时，通过随钻地质导向测井和多点探煤实时获取钻进数据，然后计算探煤间距、见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，以及探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离，并根据得到的计算结果实时调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹与煤层顶界的垂直距离在0～2m。井眼轨迹与煤层顶界距离的精准控制有利于后期压裂裂缝穿层扩展沟通井筒与下部煤层。

本实施例中，当水平段的布设层位为煤层顶板时，在随钻地质导向测井的基础上，通过多次降井斜实探煤层顶界，计算探煤间距、见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，以及探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离，并根据得到的计算结果实时调整钻进轨迹，以实现精准控制水平井井眼轨迹的目的。

如图3所示，在下倾煤层顶板钻进过程中进行侧钻探煤控制井眼轨迹，自探煤侧钻点A处降井斜于见煤点B处钻遇煤层，确定探煤间距L和探煤侧钻点A距离煤层顶界的垂直距离H_A，根据探煤间距L和探煤侧钻点A距离煤层顶界的垂直距离H_A来实时调整水平井眼轨迹。

具体包括：

所述的探煤间距通过以下公式确定：

式中：

L为探煤间距，单位为m；

S_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

α_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

作为本实施例的一种优选方案，所述见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离通过下式计算：

式中：

H_B为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

S_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

α_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

作为本实施例的一种优选方案，所述探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离通过下式确定：

当煤层顶板为下倾煤层顶板时，

H_A＝H_B-Ltanβ

当煤层顶板为上倾煤层顶板时，

H_A＝H_B+Ltanβ

式中：

H_A为探煤侧钻点距离煤层顶界的垂直距离，单位为m；

H_B为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

L为探煤间距，单位为m；

β为煤层视倾角，单位为°。

当H_A在0～2m范围内，钻头回撤到侧钻点，沿原钻进方向继续向前正常定向钻进；

当H_A>2m时，钻头回撤到侧钻点前段距离煤层顶界0～2m水平段轨迹内，在原钻进轨迹基础上降井斜向前定向钻进，调整水平段轨迹控制在煤层顶界0～2m的垂直距离范围内。

步骤4、完成定向水平井的全井段固井完井；

作为本实施例的一种优选方案，在固井时，针对大位垂比长水平段，在定向水平井固井时应下入组合固井管柱，组合固井管柱串依次包括：旋转引鞋(可钻)+防窜通管柱(短套管+可钻盲堵器+管外封隔器+长套管+筛管+浮箍(可钻)+单流阀+关井阀)+套管串+漂浮节箍+套管串+联顶节，并将固井管柱最前端的旋转引鞋下入至旋转引鞋末端距离水平井与直井对接点0～0.5m处。采用的组合固井管柱结构，可有效保障水平井全井段固井质量，为后期压裂施工提供保障。

旋转引鞋通过旋转改变井底钻井液的流态，减小下套管摩阻，提高钻井液携屑能力，防止插入地层卡死，解决井眼缩径、地层坍塌等问题，可有效提高下套管效率；防窜通固井管柱串可以防止固井水泥浆进入直井洞穴。套管内设计可钻盲堵，可避免固井水泥浆从套管内进入直井洞穴；套管外设计有管外封隔器，封隔套管外环空，防止套管外环空固井水泥浆进入直井洞穴；漂浮接箍可保证大位垂比长水平段水平井套管的安全下入，通过在套管串结构中加入漂浮接箍，套管下入前段，利用漂浮接箍与套管鞋中间套管内封闭的空气或低密度钻井液的浮力作用，来减小套管下入过程中井壁对套管的摩阻，以达到套管安全下入的目的。套管下入后段，通过在漂浮接箍以上套管内灌满泥浆(加重泥浆)，使垂直段的套管尽可能重，增加套管自重对下部套管的推力，保证套管安全下到预定位置。可钻盲堵器用于封隔套管内与排采直井的通道，避免固井水泥浆从套管内进入直井洞穴；所述管外封隔器用于在下入至临近对接点位置后封隔套管外环空，防止套管外环空固井水泥浆与对接井窜通；所述套管短节，其两端分别连接可钻性的单流阀和关井阀，用于阻止固井液体通过单流阀和关井阀发生倒流；所述筛管用于作为套管内与外环空的水泥浆通道。

步骤5、对水平段进行分段封隔、对目标煤层实施段间机械封隔及段内多簇化学暂堵分段压裂施工，以实现水平井密集体积压裂改造，形成三维体积裂缝网络；

压裂施工过程中，对水平段进行分段封隔、向煤层方向实施段间机械封隔+段内多簇化学暂堵分段压裂施工，以实现水平井密集体积压裂改造效果，形成三维体积裂缝网络。

当水平段的布设层位为煤层时，压裂施工前的射孔选择在煤层中向水平方向实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为45°和135°水平方向；

当水平段的布设层位为煤层顶板时，压裂施工前的射孔选择在煤层顶板向煤层方向垂直向下实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为90°垂直向下。

压裂施工过程中压裂施工参数包括：压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为10～20m³/m，注入排量为10～16m³/min，平均砂比为10～15％，前置液比大于等于40％。

采用后撤式压裂方式，逐段完成水平井全井段体积压裂改造，直至完成全井段压裂施工。

作为本实施例的一种优选方案，段间机械封隔分段压裂施工中采用能够承压70MPa，且能够在144小时内完全溶解的低温可溶压裂桥塞。与常规水平井机械桥塞分段压裂相比，低温可溶桥塞主要采用可溶镁合金材料制备，在30°温度和1％KCL活性水压裂溶液条件下，可实现承压70MPa，144小时可实现完全溶解，具有压后可溶解，大通径，低残留，免钻塞的工艺特点。

如图4和图5所示，相对常规水平井压裂抽采技术，采用段间机械封隔+段内多簇化学暂堵分段压裂技术可以实现水平井密集体积压裂改造效果，有利于实现水平井密集体积压裂改造效果。

如图6所示，相对于常规水平井的压裂抽采覆盖范围，段内多簇化学暂堵分段压裂施工采用适用于煤层气低温低压(温度≤30°、压力≤25MPa)储层特征条件下的高强度可降解低温水溶性化学暂堵剂，通过化学暂堵剂实现缝口和缝内的裂缝暂堵，形成新的主裂缝和缝内分支裂缝，从而形成复杂网络裂缝，获得更大的改造体积，从而实现煤矿工作面瓦斯抽采无盲区，保障煤矿工作面的安全生产。

其中，缝口化学暂堵剂用量计算公式：

G＝0.0412×πH(d×Δd+Δd²)×p_视×(1+k)

式中：

G为缝口暂堵剂用量，单位为kg；

H为射孔段长度，单位为m；

d为套管外径，单位为cm；

Δd为滤饼厚度，单位为cm；

ρ_视为缝口水溶性暂堵转向剂视密度，单位为g/cm³；

k为嵌入裂缝比例，单位为％。

化学暂堵剂注入施工时的泵送排量计算公式：

式中：

V_s为暂堵剂泵送排量，单位为m³/min；

ρ_p为颗粒的密度，单位为g/cm³；

Ρ_f为体的密度，单位为g/cm³；

g为重力加速度，单位为m/s²；

μ为液体的粘度，单位为Pa·s；

d_p为颗粒的直径，单位为mm。

步骤6、进行压后返排、通洗井作业，实现定向水平井与排采直井的沟通；

具体包括：

完成分段压裂施工后，通井至直井段，正循环1.5倍水平井井筒容积的清水进行洗井作业，实现水平井与排采直井的沟通，保障后期排采期间气水运移的通道；

对水平井筒进行循环洗井作业，观察出口返出液情况至进出口水质一致，且出口液体干净无杂质污物，停止洗井作业。

步骤7、完成工作面瓦斯全覆盖地面强化抽采超前预抽，保障煤矿工作面的安全生产。

进行“慢、控、稳”的智能化精细化排水采气。本实施例中，采用智能化精细化排采技术，可实现实时监测、智能判识、数据采集、远端传输以及远程自动控制，有效保障了水平井的高产、稳产以及高抽采率，从而实现工作面瓦斯全覆盖地面强化抽采超前预抽，保障煤矿工作面的安全生产。

应用例1：

遵从上述技术方案，在本实施例中，应用目标矿区为淮北某矿区，淮北矿区发育石炭、二叠纪煤系，发育的煤层层数多，且多为中厚煤层。矿区属高瓦斯、双突矿井，矿区8号煤层普遍具有松软、强突、透气性差、瓦斯含量高以及瓦斯压力大的特点。井下瓦斯抽采投入成本高、抽采时间长、施工风险大，随着矿井开拓和开采规模的加大，瓦斯灾害严重影响矿井的采掘接替和安全生产，采取传统井下穿层钻孔预抽区域煤层瓦斯措施已不能完全满足煤矿安全生产的需要。

因此，采用基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，通过单口水平井实现煤矿工作面瓦斯有效全覆盖及地面水平井强化抽采超前预抽，从而保障煤矿安全生产。

步骤1、由于煤层坚固性系数在0.32左右，煤层渗透率为0.02～0.08mD，为典型的碎软低渗煤层，确定沿工作面走向布设的U型远端对接水平井组中水平段的布设层位为下倾煤层顶板，控制水平井井眼轨迹与下倾煤层顶界的垂直距离在0～2m；

采用U型远端对接水平井组，包括一口排采直井和一口定向水平井，所述排采直井与定向水平井之间的水平连通段为水平段。

步骤2、施工排采直井，本应用例中，排采直井采用二开井身结构，二开钻至煤层以下50m的位置完钻，完钻井深850m，完钻后下入Ф177.8mm的大口径生产套管并固井，在8煤层顶界处767.05～774.95m处下入玻璃钢套管，为便于与水平井对接，并在770～773.5m处进行扩孔造穴，造穴直径为0.5m；

步骤3、完成三开水平段随钻地质导向钻进，在水平井二开着陆前，先施工斜导眼井探测煤层位置，以实现水平井水平段钻进时着陆点的精确控制，确定导向层位后填埋导眼井，并在侧钻至着陆点后下Ф244.5mm套管固井，二开完钻井深930m；

8煤层埋深在770m位置，水平井布置覆盖整个工作面长度1500m，二开造斜半径280m，水平井三开完井深度2430m，水平井位垂比达到2.3：1。

水平井三开钻进过程中通过随钻地质导向测井+多点探煤井眼轨迹控制技术实时获取钻进数据实时调整水平井眼轨迹，当钻进轨迹在到达1300m处(A点)时进行侧钻探煤，侧钻分支于1380m处(B点)探到8煤顶板，根据随钻钻井数据计算得到本次探煤间距L为78m、H_B为5.9m，此时沿煤层下倾方向钻进煤层视倾角为2°，计算得到探煤侧钻点A到煤层顶界的垂直距离H_A为3.1m，调整钻头回撤到1250m处降井斜向前定向钻进，控制水平段轨迹在煤层顶界0～2m的垂直距离范围内。

步骤4、完成大位垂比长水平段定向水平井的三开全井段固井完井；

本应用例中，由于该水平井位垂比达到2.3：1，因此，针对大位垂比水平井下套管及全井段固井技术问题，通过优化固井组合管柱，下入水平井旋转引鞋+防窜通管柱+漂浮节箍组合固井管柱，进行水平井三开全井段固井完井。

步骤5、采用大规模大排量压裂技术；压裂施工过程中，对水平段进行分段封隔、向煤层方向实施段间机械封隔和段内多簇化学暂堵分段压裂施工；

水平井三开完井深度2430m，水平段长度为1500m，设置的压裂段间距为75m，每段内暂堵射孔簇为3簇，簇间距为20m左右。水平井水平段共计压裂20段60簇。

射孔参数选择：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为垂直向下；每段射孔3簇，每簇射孔2m。

压裂参数选择：压裂液为活性水压裂液，压裂液配方为：清水+1％KCl+0.05％杀菌剂，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为100m³/段，注入排量为14m³/min，平均砂比为12％左右，前置液比例为40％。

在分段压裂施工过程中，压裂段间封隔方式采用低温可溶压裂桥塞，在30°温度和1％KCL活性水压裂溶液条件下，可实现承压70MPa，144小时可实现完全溶解。采用后撤式压裂方式，逐段完成水平井全井段体积压裂改造，直至完成全井段压裂施工。

段内多簇化学暂堵压裂技术通过高强度可降解低温水溶性化学暂堵剂实现缝口和缝内的裂缝暂堵，形成新的主裂缝和缝内分支裂缝，从而形成复杂网络裂缝，获得更大的改造体积。

其中，缝口水溶性化学暂堵剂用量通过公式计算：H＝3m，d＝13.9cm，Δd＝13cm，ρ_视＝1.2g/cm³，k＝60％。选择30℃条件下的低温水溶性化学暂堵剂，缝口暂堵剂组合以1～3mm和3～5mm粒径为主，暂堵剂比例按照1:1，计算射孔每簇缝口暂堵剂用量为260kg。

缝内暂堵剂组合以20-60目和1-3mm粒径为主，暂堵剂比例按照1:2，缝内暂堵剂用量300kg，优化水溶性化学暂堵剂泵送排量在1.0-2.5m³/min之间。压裂后裂缝监测压裂主裂缝半长120m，并形成缝内分支裂缝，可达到工作面瓦斯全覆盖效果，见图6-b所示。

步骤6、分段压裂施工后进行返排、通洗井作业，实现水平井与排采直井的沟通，保障后期排采期间气水运移的通道；

步骤7、完成工作面瓦斯地面强化抽采超前预抽。

安装螺杆泵排采装置和智能化排采设备，进行“慢、控、稳”的智能化精细化排水采气，实现工作面瓦斯地面强化抽采超前预抽。

如图7所示，在本应用例的淮北矿区进行了常规地面水平井压裂抽采和应用本发明方法的地面水平井强化抽采工程实践，在同等工作面范围内进行了相同段数的压裂施工，结果显示：采用本发明方法的地面水平井单井最高产气量为常规压裂地面水平井单井最高产气量的2倍，取得了良好的抽采效果。

采用本发明方法不仅有效解决煤矿工作面瓦斯灾害问题、保障了矿井的采掘接替和安全生产、降低了施工投入和后期管理成本，还有效保障了水平井的高产、稳产以及高抽采率。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、收集工作面瓦斯全覆盖抽采区域的勘探数据和矿井数据，并根据收集到的数据确定沿工作面走向布设的U型远端对接水平井组中水平段的布设层位；

其中，所述U型远端对接水平井组包括一口排采直井和一口定向水平井，所述排采直井与定向水平井之间的水平连通段为水平段；

步骤2、施工排采直井，并完成与所述排采直井对接的定向水平井的一开钻井、二开钻井和固井；

步骤3、完成三开水平段随钻地质导向钻进，并在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使水平井的井眼轨迹位于步骤1所述的布设层位中；

步骤4、完成定向水平井的全井段固井完井；

步骤5、对水平段进行分段封隔、对目标煤层实施段间机械封隔及段内多簇化学暂堵分段压裂施工，形成三维体积裂缝网络；

步骤6、进行压后返排、通洗井作业，实现定向水平井与排采直井的沟通；

步骤7、完成工作面瓦斯全覆盖地面强化抽采超前预抽。

2.如权利要求1所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，步骤1所述的U型远端对接水平井组水平段的布设层位具体包括：

当煤层为软煤层时，水平段的布设层位为煤层顶板；

当煤层为硬煤层时，水平段的布设层位为煤层。

3.如权利要求1所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，步骤3所述在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使钻进轨迹位于步骤1所述的布设层位中具体包括：

当水平段的布设层位为煤层时，根据随钻地质导向测井实时获取的钻进数据调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹在煤层中；

当水平段的布设层位为煤层顶板时，通过随钻地质导向测井和多点探煤实时获取钻进数据，然后计算探煤间距、见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，以及探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离，并根据得到的计算结果实时调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹与煤层顶界的垂直距离在0～2m。

4.如权利要求3所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，所述的探煤间距通过以下公式确定：

式中：

L为探煤间距，单位为m；

S_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

α_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

5.如权利要求3所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，所述见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离通过下式计算：

式中：

H_B为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

S_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

α_i为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

6.如权利要求3所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，所述探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离通过下式确定：

当煤层顶板为下倾煤层顶板时，

H_A＝H_B-Ltanβ

当煤层顶板为上倾煤层顶板时，

H_A＝H_B+Ltanβ

式中：

H_A为探煤侧钻点距离煤层顶界的垂直距离，单位为m；

H_B为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

L为探煤间距，单位为m；

β为煤层视倾角，单位为°。

7.如权利要求1所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，步骤4中所述的定向水平井的三开全井段固井完井包括：当定向水平井的水平段为大位垂比长水平段时，在水平井中下入包括水平井旋转引鞋、防窜通管柱、漂浮节箍的组合固井管柱，进行水平井三开全井段固井完井。

8.如权利要求1所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，步骤5所述的段间机械封隔分段压裂施工中采用能够承压70MPa，且能够在144小时内完全溶解的低温可溶压裂桥塞。

9.如权利要求1所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，在步骤5所述的段内多簇化学暂堵压裂施工中，压裂裂缝缝口水溶性暂堵剂用量通过以下公式确定：

G＝0.0412×πH(d×Δd+Δd²)×ρ_视×(1+k)

式中：

G为压裂裂缝缝口水溶性暂堵剂用量，单位为kg；

H为射孔段长度，单位为m；

d为套管外径，单位为cm；

Δd为滤饼厚度，单位为cm；

ρ_视为缝口水溶性暂堵转向剂视密度，单位为g/cm³；

k为嵌入裂缝比例，单位为％。

10.如权利要求2所述的基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，其特征在于，步骤5所述的分段压裂施工中，压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为10～20m³/m，注入排量为10～16m³/min，平均砂比为10～15％，前置液比大于等于40％；

当水平段的布设层位为煤层时，压裂施工前的射孔选择在煤层中向水平方向实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为45°和135°水平方向；

当水平段的布设层位为煤层顶板时，压裂施工前的射孔选择在煤层顶板向煤层方向垂直向下实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为90°垂直向下。

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