專利名稱：地面鉆井一井三用的瓦斯治理方法及地面鉆井的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦瓦斯的治理方法及鉆井，更具體地說是一種利用地面鉆井進(jìn)行礦井瓦斯 治理、實(shí)現(xiàn)煤礦開采安全生產(chǎn)的方法及鉆井結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
安徽省淮北礦區(qū)位于中國華東，是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，煤系地層為石炭、二疊紀(jì)， 一般含煤層8 36層?？刹擅簩又饕腥齻€煤組，上煤組指3、 4煤層，中煤組指7、 8、 9 煤層，下煤組指IO煤層，總厚度7 23m，可采厚度2.95 20.97m。礦區(qū)內(nèi)大多數(shù)是高瓦斯、 煤與瓦斯突出極為嚴(yán)重的礦井，煤層瓦斯含量達(dá)10 25m3/t，瓦斯壓力達(dá)3. 5 6. OMpa。如 蘆嶺煤礦中煤組的8煤層為特厚煤層，構(gòu)造煤發(fā)育、煤質(zhì)松軟、透氣性低、含瓦斯量大、壓 力高、屬難抽煤層，曾發(fā)生煤與瓦斯突出威脅。在井下穿層鉆孔等傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法中，瓦斯抽采率不足30%,特別是礦井采場向深 部延伸，瓦斯壓力增大，含量增高，下煤組(10煤層)、中煤組(8、 9煤層)均成為突出煤層, 傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法不足以保障深部煤層的安全生產(chǎn)。一般井下瓦斯抽采直接費(fèi)用約2元/m3，又由于井下空間的限制，井下一般只鋪設(shè)一路瓦 斯輸送主干管，井下各種抽采方式的瓦斯進(jìn)入同一條主干管，達(dá)到高濃度瓦斯比較困難，影 響瓦斯的利用；在井下鉆孔鉆進(jìn)過程中直接面對突出煤層，目前防鉆孔噴孔的措施還不完善， 不能完全避免噴孔現(xiàn)象的發(fā)生，威脅職工的人生安全；發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提供一種瓦斯抽采率高，費(fèi)效比好，抽采 的瓦斯?jié)舛雀?，容易加以利用，并且能避免井下瓦斯抽采方法中可能存在的瓦斯噴孔等不?全因素的地面鉆井一井三用的瓦斯治理方法及地面鉆井。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明地面鉆井一井三用的瓦斯治理方法的特點(diǎn)是在地面利用同一個地面鉆井按以下 階段進(jìn)行瓦斯抽采；第一階段超前于煤炭開采，設(shè)置壓裂井形式的地面鉆井，以壓裂法在煤層中形成人工 裂縫和產(chǎn)氣通道，利用瓦斯自然釋放的正壓進(jìn)行瓦斯收集，消除下煤組的煤與瓦斯突出性；第二階段開采下煤組，下煤組開采時對上煤組和中組煤造成采動卸壓及應(yīng)力釋放，利 用同一個地面鉆井，以負(fù)壓的方式抽采處于彎曲下沉帶內(nèi)上煤組和中煤組中的瓦斯；第三階段開采上煤組和中煤組的同時，再次利用所述同一個地面鉆井負(fù)壓抽采中煤組或上煤組本層工作面開采時的采空區(qū)瓦斯。 本發(fā)明方法的特點(diǎn)也在于在所述第一階段中，壓裂法中的壓砂強(qiáng)度不低于6-8m3/rn，通過排水降壓進(jìn)行瓦斯正壓 收集；對于下煤組，通過鉆井注入C02或N2氣體，置換出原生煤層中的瓦斯，并正壓收集。以300X300m正方形井網(wǎng)或200X300m的矩形井網(wǎng)在地面進(jìn)行地面鉆井的布置，地面鉆 井位置位于下煤組工作面走向每200 300m—口，并且位于下煤組工作面傾向的中部、距下 煤組工作面風(fēng)巷50 70m。應(yīng)用在所述地面鉆井一井多用的瓦斯治理方法中的地面鉆井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由表土套管和生產(chǎn)套管組成，生產(chǎn)套管處在煤層段中，在生產(chǎn)套管的管壁上，設(shè)置有向 煤層貫通的射孔。表土套管的孔徑為D244. 5mm，壁厚11. 05mm;生產(chǎn)套管的孔徑為D139. 7mm，壁厚9. 17mm; 射孔的密度16孔/m，孔徑為10mm，射孔在生產(chǎn)套管的管壁上形成網(wǎng)狀瓦斯抽采孔眼。本發(fā)明在第一階段中采用地面鉆井壓裂的方法改造煤層的裂隙與通道，壓裂預(yù)抽10年 左右。第二階段中利用同一只鉆井抽采被保護(hù)層即上煤組和下煤組的采動區(qū)卸壓瓦斯。實(shí)踐 證明，先開采保護(hù)層在突出危險煤層的對應(yīng)區(qū)域內(nèi)，突出煤層向開采層采空區(qū)方向移動和變 形，首先產(chǎn)生垂直層面的膨脹變形，使煤層和巖層內(nèi)的原有的層面和垂直裂隙擴(kuò)大，并產(chǎn)生 大小不同的新裂隙，促使煤層透氣性大幅度提高，從而使地應(yīng)力和瓦斯壓力降低，煤層強(qiáng)度 相對增高，導(dǎo)致瓦斯在煤層內(nèi)所造成的破壞力減少，如能及時隨采，隨抽煤層的卸壓瓦斯， 不但能消除被保護(hù)層瓦斯突出，而且在采掘工作中瓦斯涌出將大幅度減少。根據(jù)蘆嶺礦II 1048工作面10煤層開采時的試驗數(shù)據(jù)，上覆8、 9煤層卸壓后煤層滲透率比原始提高1930 倍，單井卸壓采氣量可以高達(dá)350萬r^以上。第三階段對于上煤組和中煤組的本層開采， 同一只鉆井即成為工作面采空區(qū)瓦斯抽采井。隨著工作面開采，煤層頂板垮落造成的"豎三 帶"和"橫三區(qū)"，即采空區(qū)沿頂板垂直方向，由下往上分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶， 而沿工作面推進(jìn)方向又可分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)。隨著工作面的推進(jìn)， 頂板和底板的"三帶"和沿走向的"三區(qū)"也向前移動。工作面中部逐漸壓實(shí)，但沿工作面 四周煤柱側(cè)，由于煤柱的支撐作用，使已形成的采動裂隙不易壓實(shí)閉合，而且上、下、左、 右相互貫通，形成了連通的環(huán)狀圈，又稱"O"形圈通道，為采空區(qū)瓦斯流動提供了空間和 通道，也為采空區(qū)井抽采提供了氣源。本發(fā)明地面鉆井安全性好，瓦斯?jié)舛雀?，利于采用各種方式利用，其"一井三用"的 方式能顯著提高瓦斯抽采率，確保煤礦的安全生產(chǎn)。與己有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體 現(xiàn)在-1、 本發(fā)明通過鉆井壓裂的瓦斯抽采，可以抽采下煤組瓦斯40%以上，使煤與瓦斯突出 煤層成為非突出煤層，從而能對下煤組進(jìn)行安全開拓、掘進(jìn)和工作面回采，解決了突出煤層 特別是深部的突出煤層開采時最棘手的防突技術(shù)難題。2、 本發(fā)明通過鉆井的"一井三用"，既抽采煤層原生瓦斯，又抽采卸壓瓦斯，還抽釆 采空區(qū)瓦斯，改變了傳統(tǒng)的由井下治理的方法，開創(chuàng)了一條完全由地面鉆井治理煤礦瓦斯的 新路子，做到一次打井，多次長期使用。3、 本發(fā)明方法由地面鉆井抽采治理瓦斯，可以減少井下大量瓦斯抽放鉆孔工程以及瓦 斯抽放巷道，相應(yīng)節(jié)省礦井瓦斯治理費(fèi)用，而且地面鉆井治理瓦斯，可以消除井下治理瓦斯 可能帶來的安全威脅，保障職工生命安全。4、 本發(fā)明方法中地面鉆井抽出的瓦斯均為高濃度瓦斯，有利于用管路輸送及利用，減 少向大氣排放，保護(hù)礦區(qū)環(huán)境，還可提高礦井經(jīng)濟(jì)效益。5、 根據(jù)試驗結(jié)果，通過地面鉆井"一井三用"抽采，抽采率預(yù)計可達(dá)50%以上， 一方 面實(shí)現(xiàn)了低透氣性高瓦斯軟厚煤層的安全回采，并為主采煤層使用綜采的高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條 件。


圖l為本發(fā)明方法示意圖。圖2為本發(fā)明方法第一階段煤層瓦斯流向示意圖。圖3為本發(fā)明方法第二階段煤層瓦斯流向示意圖。圖4為本發(fā)明方法第三階段煤層瓦斯流向示意圖。圖5為本發(fā)明鉆井結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號1地面鉆井、2下煤組、3中煤組、4上煤組、5表土套管、6生產(chǎn)套管、7 射孔、8瓦斯利用設(shè)備。以下通過具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明-具體實(shí)施方式
參見圖l，在地面布置多個地面鉆井l組成井網(wǎng)通過壓裂排釆，大面積降低水位，形成 煤層卸壓，釋放瓦斯，主要目標(biāo)是使10煤層即下煤組2的瓦斯采收率達(dá)到40%，基本實(shí)現(xiàn) 消突；然后在IO煤層工作面開采時，上覆7、 8、 9煤層即中煤組3及巖層造成卸壓膨脹， 大幅提高煤層透氣性，使用地面鉆井1負(fù)壓抽采卸壓瓦斯；當(dāng)中煤組3工作面開采時，再一 次使用地面鉆井1抽采工作面采空區(qū)瓦斯，最終實(shí)現(xiàn)"一井三用"反復(fù)抽采煤層瓦斯，達(dá)到 根治瓦斯的目的，抽采的瓦斯可以直接送入瓦斯利用設(shè)備8中進(jìn)入瓦斯利用。具體實(shí)施中，在地面利用同一個地面鉆井1按以下階段進(jìn)行瓦斯抽采；第一階段超前煤炭開采8 10年，設(shè)置壓裂井形式的地面鉆井l,以壓裂法在煤層中 形成人工裂縫和產(chǎn)氣通道，利用瓦斯自然釋放的正壓進(jìn)行瓦斯收集，消除下煤組2的煤與瓦斯突出性；在這一階段中，壓裂法壓砂強(qiáng)度不低于6-8m3/m，通過排水降壓進(jìn)行瓦斯正壓收 集；對于下煤組2，可以通過鉆井注入C02或N2氣體，置換出原生煤層中的瓦斯，并正壓收 集，圖2所示。第二階段開采下煤組2，下煤組2的開采對上煤組4和中組煤3造成采動卸壓及應(yīng)力 釋放，利用同一個地面鉆井l，以負(fù)壓的方式抽采處于彎曲下沉帶內(nèi)上煤組4和中煤組3中 的瓦斯，圖3所示。第三階段開采上煤組4和中煤組3的同時，再次利用同一個地面鉆井l負(fù)壓抽采中煤 組3和上煤組4本層工作面開采時的采空區(qū)瓦斯，圖4所示。具體實(shí)施中，以300X300m正方形井網(wǎng)或200X300m的矩形井網(wǎng)在地面進(jìn)鉆井的布置， 鉆井位置按孔位位于下煤組工作面走向每200 300米一口，并且位于工作面中部、距下組 煤工作面風(fēng)巷50 70m。參見圖5，本實(shí)施例中，地面鉆井由表土套管1和生產(chǎn)套管2組成，在煤層段4中，利 用射孔3與煤層連通；其中，表土套管1的孔徑為D244. 5mm，壁厚11.05mm;生產(chǎn)套管2的 孔徑為D139. 7m，壁厚9. 17mm;煤層段4的射孔密度16孔/m，孔徑為10mm，通過射孔3 在煤層段4的鉆井井壁上形成網(wǎng)狀瓦斯抽采孔眼。具體實(shí)施中，相關(guān)措施包括1、 對采區(qū)采用三維地震勘探技術(shù)，探明采區(qū)煤層情況，穩(wěn)定性及構(gòu)造發(fā)育情況等。2、 地面鉆井"一井三用"必須是井群壓裂，集中排采，工程實(shí)施中可先選擇一口井， 作單井排采試驗，根據(jù)排采資料的歷史擬合分析，通過計算機(jī)進(jìn)行儲層數(shù)值模擬，優(yōu)化井群 布置，合理壓裂工藝。3、 單井必須進(jìn)行分層排采試驗，以求得上、下煤組實(shí)際的產(chǎn)氣量，為日后效果評價提 供依據(jù)。4、 由于淮北礦區(qū)中組煤的7、 8、 9煤層一般為構(gòu)造煤，滲透性差，對壓裂排采不利， 壓裂層位也可選擇部分8煤頂板，即利用"虛擬產(chǎn)層"概念，通過頂板壓裂使煤層卸壓，釋 放瓦斯。
權(quán)利要求
1、地面鉆井一井多用的瓦斯治理方法，其特征是在地面利用同一個地面鉆井(1)按以下階段進(jìn)行瓦斯抽采；第一階段超前于煤炭開采，設(shè)置壓裂井形式的地面鉆井(1)，以壓裂法在煤層中形成人工裂縫和產(chǎn)氣通道，利用瓦斯自然釋放的正壓進(jìn)行瓦斯收集，消除下煤組(2)的煤與瓦斯突出性；第二階段開采下煤組(2)，下煤組(2)開采時對上煤組(4)和中組煤(3)造成采動卸壓及應(yīng)力釋放，利用同一個地面鉆井(1)，以負(fù)壓的方式抽采處于彎曲下沉帶內(nèi)上煤組(4)和中煤組(3)中的瓦斯；第三階段開采上煤組(4)和中煤組(3)的同時，再次利用所述同一個地面鉆井(1)負(fù)壓抽采中煤組(3)或上煤組(4)本層工作面開采時的采空區(qū)瓦斯。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面鉆井一井三用的瓦斯治理方法，其特征是在所述第一階 段中，壓裂法中的壓砂強(qiáng)度不低于6-8m3/m,通過排水降壓進(jìn)行瓦斯正壓收集；對于下煤組(2)，通過鉆井注入C02或N2氣體，置換出原生煤層中的瓦斯，并正壓收集。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面鉆井一井三用的瓦斯治理方法，其特征是以300X300m 正方形井網(wǎng)或200X300m的矩形井網(wǎng)在地面進(jìn)行地面鉆井(1)的布置，地面鉆井(1)位置 位于下煤組工作面走向每200 300m—口，并且位于下煤組工作面傾向的中部、距下煤組工 作面風(fēng)巷50 70m。
4、 一種應(yīng)用在權(quán)利要求1所述的瓦斯治理方法中的地面鉆井，其特征是由表土套管(5) 和生產(chǎn)套管(6)組成，所述生產(chǎn)套管(6)處在煤層段中，在生產(chǎn)套管(6)的管壁上，設(shè) 置有向煤層貫通的射孔(7)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的地面鉆井，其特征是所述表土套管(5)的孔徑為D244. 5mm, 壁厚11.05mm;所述生產(chǎn)套管(6)的孔徑為D139. 7隨，壁厚9. 17mm;所述射孔(7)的密 度16孔/m，孔徑為10mm，所述射孔(7)在生產(chǎn)套管(6)的管壁上形成網(wǎng)狀瓦斯抽采孔眼。
全文摘要
地面鉆井一井三用的瓦斯治理方法及地面鉆井，其特征是在地面利用同一個地面鉆井按以下階段進(jìn)行瓦斯抽采；首先超前于煤炭開采，設(shè)置壓裂井形式的地面鉆井，以壓裂法在煤層中形成人工裂縫和產(chǎn)氣通道，利用瓦斯自然釋放的正壓進(jìn)行瓦斯收集，消除下煤組的煤與瓦斯突出；其次開采下煤組，下煤組開采時對上煤組和中組煤造成采動卸壓及應(yīng)力釋放，利用同一個地面鉆井，以負(fù)壓的方式抽采處于彎曲下沉帶內(nèi)上煤組和中煤組中的瓦斯；最后，開采上煤組和中煤組的同時，再次利用所述同一個地面鉆井負(fù)壓抽采中煤組或上煤組本層工作面開采時的采空區(qū)瓦斯。本發(fā)明方法瓦斯抽采率高，費(fèi)效比好，抽采瓦斯?jié)舛雀摺?br> 文檔編號E21C41/00GK101240715SQ200810019549
公開日2008年8月13日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月24日
發(fā)明者劉華民, 吳建國, 宋慶堯, 偉 李, 陳家祥 申請人:淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司