一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法
【專利摘要】一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，在裂隙帶與彎曲下沉帶之間的過渡區(qū)域采用水平井和直井對接，水平井水平段適當靠近回采工作面回風巷一側；采用直徑200mm以上的大直徑抽采管，利用分段水力壓裂、分段密封和梯度負壓抽采技術，在煤炭開采不同階段，選用不同抽采井進行煤層氣抽采。該方法在煤炭回采后，時間上可實現不同區(qū)域的同步抽采，空間上可實現不同區(qū)域的立體式抽采，提高了煤層氣抽采效率，同時可抽采煤層頂板的圍巖氣，實現了不同類型氣體的聯合抽采和“一井多用”。
【專利說明】一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于一種煤層氣抽采的方法，尤其涉及一種煤層氣井上下立體聯合抽采的方法。

【背景技術】
[0002]煤層氣作為一種清潔能源，其開發(fā)利用有利于我國能源結構的調整。由于我國煤儲層具有“三低一高”(低飽和度、低滲透性、低儲層壓力，高變質程度)的特點(袁亮，2013)，要提高煤層氣開發(fā)效率，當務之急是克服以上煤儲層特點產生的難題。對于我國煤儲層的低滲透性，地面開采時，大多采用水力壓裂改造；井下抽采采用卸壓的方式，在煤層上方開采保護層或專用抽采巷道抽采煤層瓦斯。煤層氣地面開采，目前大都采用直井，且井筒常常穿過煤層，這給后期的煤炭開采帶來了潛在的危害。
[0003]煤炭開采后，采空區(qū)上方由下至上會形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶中，頂板垮落；裂隙帶中成段拆斷或產生許多裂隙，但不冒落仍整齊排列，其高度一般為煤層厚度的51倍，會形成離層裂隙和豎向破斷裂隙，豎向破斷裂隙溝通了上下層間煤層氣運移的通道(李超，2013);裂隙帶上方直到地表的巖層為彎曲下沉帶，這部分巖層不產生裂隙或僅產生極微小的裂隙。
[0004]比較而言，采空區(qū)抽采則具有明顯的優(yōu)勢，它既不需要大規(guī)模改造煤儲層，又能提高滲透率；同時，采空區(qū)煤層氣抽采還有利于井下瓦斯治理和煤炭開采。根據相關資料(袁亮，2013 ;郭亮，2013 ;秦躍平，2008)可知，煤層氣聯合抽采技術目前在采空區(qū)大多采用直井抽采，井筒終孔位置一般布置在裂隙帶下限的1/3處。由于直井的有效卸壓面積有限，井筒底部又接近冒落帶，煤炭開采后井筒的穩(wěn)定性也不易保持，最終難以達到“ 一井多用”的目的。目前煤層氣抽采管徑一般在200 mm以下，而澳大利亞常用的采空區(qū)地面鉆井內徑通常為200?250 mm，瓦斯抽采效果良好。袁亮等(2013)通過現場試驗也證明了大直徑地面鉆井比普通直徑地面鉆井更加穩(wěn)定，保證了出氣量。同時，袁亮等(2013)通過數值模擬和現場試驗證明，地面鉆孔靠近回風巷一側，抽采效果更好。
[0005]目前采用一種更優(yōu)越的抽采方法，十分重要的顯現出來。


【發(fā)明內容】

[0006]為了解決現有井上下聯合抽采方法的不足，本發(fā)明提供了一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，該一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法根據前人井上下聯合抽采的經驗、理論基礎及現場試驗，提出了三區(qū)，即未采區(qū)、開采區(qū)和采空區(qū)聯合抽采方案。該方案可實現三區(qū)立體式抽采，同時也提高了井下抽采效率，能夠實現井上下聯合抽采和“一井多用”的目標。
[0007]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:該一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，包括垂直井、水平井與垂直井對接、水平井水平段、冒落帶、彎曲下沉帶、水平井、裂隙帶、回風巷、進風巷、分隔處、煤層、密封裝置、井下抽采鉆孔、采空區(qū)，在地面施工直立的垂直井和沿煤層開采方向的水平井，垂直井井筒底部和水平井水平段均位于裂隙帶與彎曲下沉帶的過渡區(qū)，該區(qū)距煤層頂板的高度一般為煤層厚度的51倍，在垂直井底部擴徑，降低水平井與直井在此處的對接難度，該垂直井和水平井的抽采管徑均大于200 mm,該抽采井的水平井的水平段與煤層之間有頂板冒落和水力壓裂產生的裂縫相連通，將水平井水平段按煤炭設計的每次放頂長度分成若干段，按照設計的分隔長度，相鄰分隔段之間保留一定的寬度，水力壓裂時，避免將相鄰分隔段之間壓穿。直井I和水平井6抽采管的直立段端部與負壓抽采設備相密封連接進行負壓抽采。
[0008]該抽采井的設計位置為:在采空區(qū)上方形成的裂隙帶與彎曲下沉帶過渡區(qū)，該區(qū)距煤層頂板的高度一般為煤層厚度的51倍，平面圖中，該井布置位置應選在回風巷和進風巷之間，并靠近回風巷一側；其抽采井的布置密度應根據探測到的煤層被抽采范圍確定，根據水平井能達到的抽采效果范圍確定，經探測，根據其他地質情況，該抽采范圍應定在200 m?300 m半徑范圍內。
[0009]在本發(fā)明中，抽采煤層氣順序包括:①.工作面規(guī)劃和圈定階段抽采、②.工作面采前預抽、③.采空區(qū)形成后邊采邊抽三個階段。
[0010]①.工作面規(guī)劃和圈定階段抽采是利用壓裂裂縫及煤層部分卸壓對煤層及煤層上方圍巖中氣體進行抽采，在圖4中，水平井井口密閉，僅用直井抽采，抽采方式為負壓抽采，直到工作面開始回采；
②.工作面采前預抽階段是針對煤層及其上方圍巖中氣體進行井上下聯合負壓抽采，在圖5中，工作面圈定完畢，開始進行采前瓦斯抽采時，按之前設計的水平井水平段的分隔長度，將靠近工作面端的水平井水平段的第一段利用密封裝置密封起來，保證兩段的密封性，水平井井口仍然密閉，同時，從工作面及進風巷和回風巷向煤層打抽采鉆孔，利用垂直井和井下抽采鉆孔同時進行負壓抽采，直到達到抽采標準，工作面開始回采。井下抽采鉆孔將之前的壓裂裂縫貫穿起來，提高井下抽采效率，更快達到抽采標準；為防止封隔的兩段密封效果不佳，造成部分區(qū)域氣體停滯，不同區(qū)域之間采用梯度抽采負壓，從開采面向推進方向抽采負壓依次提高，即井下抽采鉆孔的抽采負壓小于直井井口的抽采負壓。
[0011]③.采空區(qū)形成后邊采邊抽階段是針對采空區(qū)和煤層及其上方圍巖中氣體進行井上下聯合負壓抽采；在圖6中，當工作面開始回采，采空區(qū)首次形成之后，將采空區(qū)密閉，同時將下次放頂所對應的水平井水平段也密封起來，水平井、垂直井和井下抽采鉆孔同時進行抽采，形成梯度負壓抽采的情況；當下一段采空區(qū)形成之后，在水平井水平段中，將與采空區(qū)對應的分隔段相互貫通，繼續(xù)抽采，之后按開采次序依次循環(huán)，直到工作面回采完畢。
[0012]本發(fā)明的有益效果是，該一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法可實現三區(qū)，即未采區(qū)、開采區(qū)和采空區(qū)立體式聯合抽采，可解決高瓦斯礦井的瓦斯抽采問題，從時間和空間上實現了煤層氣井上下立體聯合抽采。井下鉆孔抽采煤層氣時，井下抽采鉆孔將之前的壓裂裂縫貫穿起來，提高井下抽采效率，更快達到抽采標準，省時省力，又不影響后期煤炭的正常安全開采，同時還可以有效開發(fā)圍巖中的圍巖氣，一舉三得。能夠實現井上下立體聯合抽采和“一井多用”的目標。為立體化、層次化有效開發(fā)煤層氣提供了一種方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結合附圖對本發(fā)明實施方式進一步說明。
[0014]圖1:為本發(fā)明中井位布置方案示意圖。
[0015]圖2:為本發(fā)明中水平井平面示意圖。
[0016]圖3:為本發(fā)明中水平井剖面示意圖。
[0017]圖4:為本發(fā)明中工作面規(guī)劃和圈定階段抽氣示意圖。
[0018]圖5:為本發(fā)明中工作面采前預抽氣示意圖。
[0019]圖6:為本發(fā)明中采空區(qū)形成后聯合抽采示意圖。
[0020]圖1中:1.直井，2.水平井與直井對接處，3.水平井水平段，4.冒落帶，5.彎曲下沉帶，6.水平井，7.裂隙帶。
[0021]圖2中:3.水平井水平段，8.回風巷，9.進風巷，10.進風巷與回風巷風流流向。
[0022]圖3中:1.直井，2.水平井與直井對接處，6.水平井，11.分隔處，12.煤層。
[0023]圖4中:1.直井，2.水平井與直井對接處，6.水平井，12.煤層，13.氣體流向。
[0024]圖5中:1.直井，2.水平井與直井對接處，6.水平井，12.煤層，13.氣體流向，
14.密封裝置，15.井下抽采鉆孔。
[0025]圖6中:1.直井，2.水平井與直井對接處，6.水平井，12.煤層，13.氣體流向，
14.密封裝置，15.井下抽采鉆孔，16.采空區(qū)。

【具體實施方式】
[0026]在圖中該一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，包括垂直井1、水平井與垂直井對接處2、水平井水平段3、冒落帶4、彎曲下沉帶5、水平井6、裂隙帶7、回風巷8、進風巷9、分隔處11、煤層12、密封裝置14、井下抽采鉆孔15、采空區(qū)16，在地面施工直立的垂直井I和沿煤層開采方向的水平井6，垂直井I井筒底部和水平井水平段2均位于裂隙帶7與彎曲下沉帶5的過渡區(qū)，該區(qū)距煤層頂板的高度一般為煤層厚度的51倍，在垂直井I底部進行擴徑，降低水平井6與直井I的對接難度，該垂直井I和水平井6的抽采管直井均大于200mm,將水平井水平段2按煤炭設計的每次放頂長度分成若干段，并對水平井水平段3進行分段水力壓裂，避免壓穿相鄰分隔處11，該抽采井的水平井的水平段與煤層之間有頂板冒落和水力壓裂產生的裂縫相連通，直井I和水平井6抽采管的直立段端部與負壓抽采設備相密封連接進行負壓抽采。
[0027]圖1抽采井的設計位置為:在采空區(qū)上方形成的裂隙帶與彎曲下沉帶過渡區(qū)，該區(qū)距煤層頂板的高度一般為煤層厚度的51倍，平面圖中，該井布置位置應選在回風巷8和進風巷9之間，并靠近回風巷8的一側；其抽采井的布置密度應根據探測到的煤層被抽采范圍確定，根據水平井6能達到的抽采效果范圍確定，經探測，根據其他地質情況，該抽采范圍應定在200 πΓ300 m半徑范圍內。
[0028]在本發(fā)明中，抽采煤層氣順序包括:①.工作面規(guī)劃和圈定階段抽采、②.工作面采前預抽、③.采空區(qū)形成后邊采邊抽三個階段。
[0029]①.工作面規(guī)劃和圈定階段抽采是利用壓裂裂縫及煤層部分卸壓對煤層及煤層上方圍巖中氣體進行抽采。在圖4中，水平井6井口密閉，僅用直井I抽采，抽采方式為負壓抽采，直到工作面開始回采。
[0030]②.工作面采前預抽階段是針對煤層及其上方圍巖中氣體進行井上下聯合負壓抽采。在圖5中，工作面圈定完畢，開始進行采前瓦斯抽采時，按之前設計的水平井水平段2的分隔長度，將靠近工作面端的水平井水平段2的第一段利用密封裝置14密封起來，保證兩段的密封性，水平井6井口仍然密閉，同時，從工作面及進風巷9和回風巷8向煤層打抽采鉆孔，利用垂直井I和井下抽采鉆孔15同時進行負壓抽采，直到達到抽采標準，工作面開始回采。井下抽采鉆孔將之前的壓裂裂縫貫穿起來，提高井下抽采效率，更快達到抽采標準；為防止封隔的兩段密封效果不佳，造成部分區(qū)域氣體停滯，不同區(qū)域之間采用梯度抽采負壓，從開采面向推進方向抽采負壓依次提高，即井下抽采鉆孔(15)的抽采負壓小于直井(I)井口的抽采負壓。
[0031]③.采空區(qū)形成后邊采邊抽階段是針對采空區(qū)16和煤層12及其上方圍巖中氣體進行井上下聯合負壓抽采。在圖6中，當工作面開始回采，采空區(qū)16首次形成之后，將采空區(qū)密閉，同時將下次放頂所對應的水平井水平段用密封裝置14密封起來，水平井6、垂直井I和井下抽采鉆孔同時進行抽采，形成梯度負壓抽采的情況，即水平井(6)井口的抽采負壓小于井下抽采鉆孔(15)的抽采負壓，井下抽采鉆孔(15)的抽采負壓小于直井(I)井口的抽采負壓。當下一段采空區(qū)形成之后，在水平井水平段中，將與采空區(qū)對應的分隔段相互貫通，繼續(xù)抽采，之后按開采次序依次循環(huán)，直到工作面回采完畢。
【權利要求】
1.一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，包括垂直井(I)、水平井與垂直井對接處(2)、水平井水平段(3)、冒落帶(4)、彎曲下沉帶(5)、水平井(6)、裂隙帶(7)、回風巷(8)、進風巷(9)、分隔處(11)、煤層(12)、密封裝置(14)、井下抽采鉆孔(15)、采空區(qū)(16)，其特征是:在本發(fā)明中，抽采煤層氣順序包括①.工作面規(guī)劃和圈定階段抽采、②.工作面采前預抽、③.采空區(qū)形成后邊采邊抽三個階段； ①.工作面規(guī)劃和圈定階段抽采是利用壓裂裂縫及煤層部分卸壓對煤層(12)及煤層(12)上方圍巖中氣體進行抽；水平井(6)井口密閉，僅用直井(I)抽采，抽采方式為負壓抽采，直到工作面開始回采； ②.工作面采前預抽階段是針對煤層及其上方圍巖中氣體進行井上下聯合負壓抽采；工作面圈定完畢，開始進行采前瓦斯抽采時，按之前設計的水平井水平段2的分隔長度，將靠近工作面端的水平井水平段2的第一段利用密封裝置14密封起來，保證兩段的密封性，水平井6井口仍然密閉，同時，從工作面及進風巷9和回風巷8向煤層打抽采鉆孔，利用垂直井I和井下抽采鉆孔15同時進行負壓抽采，直到達到抽采標準，工作面開始回采；井下抽采鉆孔將之前的壓裂裂縫貫穿起來，提高井下抽采效率，更快達到抽采標準；為防止封隔的兩段密封效果不佳，造成部分區(qū)域氣體停滯，不同區(qū)域之間采用梯度抽采負壓，從開采面向推進方向抽采負壓依次提高，即井下抽采鉆孔(15)的抽采負壓小于直井(I)井口的抽采負壓； ③.采空區(qū)形成后邊采邊抽階段是針對采空區(qū)(16)和煤層(12)及其上方圍巖中氣體進行井上下聯合負壓抽采；當工作面開始回采，采空區(qū)(16)首次形成之后，將采空區(qū)(16)密閉，同時將下次放頂所對應的水平井水平段用密封裝置(14)密封起來，水平井(6)、垂直井(I)和井下抽采鉆孔同時進行抽采，形成梯度負壓抽采的情況，即水平井(6)井口的抽采負壓小于井下抽采鉆孔(15)的抽采負壓，井下抽采鉆孔(15)的抽采負壓小于直井(I)井口的抽采負壓；當下一段采空區(qū)形成之后，在水平井水平段中，將與采空區(qū)對應的分隔段相互貫通，繼續(xù)抽采，之后按開采次序依次循環(huán)，直到工作面回采完畢。
2.根據權利要求1所述的一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，其特征是:在地面施工直立的垂直井(I)和沿煤層開采方向的水平井(6)，在垂直井(I)底部進行擴徑，降低水平井(6 )和直井(I)的對接難度，該垂直井(I)和水平井(6 )抽采管徑均大于200 mm,該抽采井的水平井的水平段與煤層之間有頂板冒落和水力壓裂產生的裂縫相連通，直井(I)和水平井(6)抽采管的直立段端部與負壓抽采設備相密封連接進行負壓抽采。
3.根據權利要求1所述的一種煤層氣井上下立體聯合抽采方法，其特征是:抽采井的設計位置為:在采空區(qū)上方形成的裂隙帶與彎曲下沉帶過渡區(qū)，該區(qū)距煤層頂板的高度一般為煤層厚度的51倍，不排除有特殊的情況，平面圖中，該井布置位置應選在回風巷(8)和進風巷(9)之間，并靠近回風巷(8)的一側；其抽采井的布置密度應根據探測到的煤層被抽采范圍確定，根據水平井(6)能達到的抽采效果范圍確定，經探測，根據其他地質情況，該抽采范圍應定在200 πΓ300 m半徑范圍內。
【文檔編號】E21F7/00GK104131831SQ201410257662
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權日:2014年6月12日
【發(fā)明者】吳財芳, 劉小磊, 李騰, 周琦忠, 張曉陽, 霍戰(zhàn)波, 劉強, 王宇航 申請人:中國礦業(yè)大學