一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法。該方法首先對(duì)礦井進(jìn)行勘測(cè)，由地面向老空區(qū)底板巖層以下5~20米處施工水平井，進(jìn)行煤層氣抽采；當(dāng)煤層氣抽采量下降到初始值Q1的20%~40%，循環(huán)停抽?降壓?抽采的過(guò)程，當(dāng)抽采量下降到Q1的20%以下時(shí)，壓裂煤巖層，并進(jìn)行水平井垂直段延伸，安設(shè)排采設(shè)備，進(jìn)行煤層氣抽采，記錄此時(shí)抽采量為Q2；當(dāng)抽采量下降到Q2的20%以下時(shí)，注入二氧化碳?xì)怏w驅(qū)替，再次抽采煤層氣，直至煤層氣抽采量下降到的8m3/min時(shí)停抽。該發(fā)明解決了原有抽采鉆井與老空區(qū)儲(chǔ)層接觸面積有限、抽采范圍小的難題，同時(shí)避免了鉆井施工到裂隙帶上方施工難度大、成孔率低的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法，屬于煤層氣開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于長(zhǎng)期的工業(yè)化開(kāi)采，我國(guó)存在著無(wú)數(shù)眾多、面積巨大的老空區(qū)。僅以山西省為例，截止2013年底，山西省共有4700余處廢棄礦井，老空區(qū)面積已達(dá)5000平方公里，這些老空區(qū)的開(kāi)挖多是采用的是采出率較低的舊式爆破采煤工藝，其煤炭采出率一般在50%?60%，甚至更低，因此上述老空區(qū)賦存著相當(dāng)可觀的煤層氣資源瓦斯儲(chǔ)量，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示僅以山西省為例老空區(qū)煤層氣資源量約30億立方米。瓦斯是一種清潔能源，對(duì)老空區(qū)殘留煤層氣的能源化利用，可有效緩解我國(guó)天然氣供應(yīng)不足的局面;同時(shí)瓦斯作為一種有害氣體，排放到大氣中所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，因此對(duì)這部分瓦斯的抽采利用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。
[0003]目前針對(duì)老空區(qū)瓦斯的抽采主要是針對(duì)單一工作面老空區(qū)瓦斯的抽采，其方法是由地面向老空區(qū)上部裂隙帶內(nèi)施工地面鉆井以抽采老空區(qū)瓦斯，此種方法鉆井施工過(guò)程中施工難度大、事故發(fā)生率高、成孔率低。而且一個(gè)地面井筒只能針對(duì)一個(gè)老空區(qū)進(jìn)行抽采，抽采的煤層氣產(chǎn)量低且成本高。中國(guó)專利CN105114038A公布了一種依靠超臨界CO2射流壓裂相鄰老空區(qū)間煤柱抽采同一水平兩個(gè)老空區(qū)瓦斯的方法；中國(guó)專利CN104696006A公布了一種穿透多層老空區(qū)殘留煤柱抽采多層老空區(qū)殘余煤層氣的方法;上述方法均為豎井抽采多個(gè)老空區(qū)瓦斯的情況;上述專利存在著地面垂直鉆井與煤層氣儲(chǔ)層接觸面小、抽采范圍有限等問(wèn)題，同時(shí)上述專利均為抽采老空區(qū)內(nèi)存留煤層氣資源，均未將老空區(qū)煤層氣與相鄰為開(kāi)采煤層氣資源統(tǒng)籌起來(lái)，考慮聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)同抽采。
[0004]事實(shí)上，煤田中煤層往往以多層煤相距一定距離的形式賦存在煤田中，針對(duì)上部是老空區(qū)下部是較薄煤層的組合地質(zhì)情況，目前從固體礦床開(kāi)挖開(kāi)采(傳統(tǒng)開(kāi)挖采煤)的角度往往對(duì)下部煤層厚度變化較大的薄煤層(O?1.5米)進(jìn)行棄采，棄采的原因多為采礦技術(shù)上不可行或技術(shù)上可行但從經(jīng)濟(jì)成本角度對(duì)其棄采，這就造成了相當(dāng)一大部分煤炭(煤層氣)資源的大量浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，從煤炭(煤層氣)資源協(xié)同利用、聯(lián)合開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，提供了一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法，包括以下步驟:
I)根據(jù)礦井采掘情況、煤層柱狀圖以及井上下對(duì)照?qǐng)D等已有地質(zhì)采掘資料并結(jié)合物理勘測(cè)手段確定井下上部煤層已開(kāi)挖的刀柱式開(kāi)采老空區(qū)參數(shù)以及下部煤層與上部老空區(qū)之間的距離D;所述老空區(qū)參數(shù)包括柱采區(qū)的范圍、數(shù)目以及煤柱數(shù)目、大小、分布大體位置；
2)由地面向刀柱式老空區(qū)底板以下5?20米巖層處施工水平井；
水平井由井下向地面延伸處依次分為水平井水平段、造斜段、水平井垂直段以及水平井地面端，其中水平井地面端設(shè)有密封裝置并連接抽采管，抽采管上設(shè)有閥門I，水平井近地面端進(jìn)行密封；
3)打開(kāi)閥門I由抽采管對(duì)水平井進(jìn)行第一次煤層氣抽采，記錄此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽米量Qi ；
4)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至Qi的20%?40%時(shí)，關(guān)閉閥門I，停抽12?36小時(shí)，之后再次打開(kāi)閥門I，同時(shí)降低抽采壓力繼續(xù)進(jìn)行煤層氣抽采;當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量再次下降至&的20%?40%時(shí)，再次關(guān)閉閥門I，停抽12?36小時(shí)，之后再次打開(kāi)閥門I，再次降低抽采壓力進(jìn)行煤層氣抽采;循環(huán)上述停抽-降壓抽采的過(guò)程，直至抽采壓力降低至比大氣壓低80?10kpa;
5)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至&的20%以下時(shí)，將抽采管拆卸，由井口下放分段壓裂設(shè)備，對(duì)水平井水平段與下部煤層之間以及水平井水平段與上部老空區(qū)之間的層間巖層實(shí)施定向壓裂；
6)將水平井垂直段進(jìn)行垂向延伸，直至延伸至下部煤層底板5?20米范圍處；
7)由水平井垂直段處安設(shè)排采設(shè)備，水平井垂直段中設(shè)置的排采設(shè)備由井下到地面部分依次設(shè)有抽油栗、抽油管，抽油管內(nèi)設(shè)有抽油桿，地面設(shè)置的抽油機(jī)通過(guò)抽油桿驅(qū)動(dòng)抽油栗對(duì)水平井垂直井段內(nèi)的水進(jìn)行排采;水平井垂直段地面端由四通分為三條支路:排水管、抽氣管、注氣管，排水管連接井下抽油管，地面端設(shè)有閥門π，抽氣管地面端連有閥門m，注氣管地面端連有閥門IV，注氣管的井下部分一直延伸到水平井水平段內(nèi)，且位于水平井水平段內(nèi)為篩眼段，水平井垂直井段近地面端進(jìn)行密封，地面有密封裝置；
打開(kāi)閥門π和閥門m，由抽油機(jī)通過(guò)抽油桿驅(qū)動(dòng)抽油栗對(duì)水平井垂直井段內(nèi)的水進(jìn)行抽采，同時(shí)由抽氣管進(jìn)行煤層氣抽采，記錄排采中單位時(shí)間內(nèi)煤層氣最大抽采量Q2;
8)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至出的20%以下時(shí)，關(guān)閉閥門π，閥門m，打開(kāi)閥門IV由注氣管向水平井內(nèi)注入壓力為4?30MPa的CO2氣體24?72小時(shí)，關(guān)閉閥門IV，靜待12-48小時(shí)；
9)再次打開(kāi)閥門π，閥門m，由排采設(shè)備再次進(jìn)行排水降壓以及煤層氣抽采；
10)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至8m3/min以下時(shí)，停止煤層氣抽采。
[0007]上述方法中，所述水平井垂直段從老空區(qū)邊界煤柱中穿過(guò)，與邊界煤柱端部的水平距離為10?60米，水平井造斜段造斜點(diǎn)選取則由已確定的水平段、垂直段層位以及現(xiàn)場(chǎng)鉆井工藝決定。
[0008]上述方法中，所述定向分段壓裂為套管限流壓裂、多級(jí)封隔器分段壓裂、定向水力噴射分段壓裂技術(shù)中的一種。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明從煤炭(煤層氣)資源最大化開(kāi)采的角度出發(fā)，同時(shí)將老空區(qū)殘留的大量煤層氣資源以及采用傳統(tǒng)采礦方法棄采的下煤層的煤層氣資源考慮在內(nèi)，提出了一種抽采煤層氣的創(chuàng)新方法。該方法可有效解決原有單純采用地面垂直鉆井時(shí)，抽采鉆井與老空區(qū)儲(chǔ)層有效接觸面積小、抽采范圍有限的難題，在抽采老空區(qū)煤層氣的同時(shí)將臨近薄煤層的煤層氣資源一并抽采上來(lái)，解決了棄采呆滯煤炭(煤層氣)資源的回收，可謂一舉兩得;同時(shí)本發(fā)明提出了老空區(qū)煤層氣抽采過(guò)程中停抽-降壓的循環(huán)抽采模式，在保證煤層氣抽采量的同時(shí)極大降低了能耗;二氧化碳?xì)怏w的注入同時(shí)提高了鉆井的抽采量和使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明前期階段施工水平井抽采過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明后期階段增設(shè)排采設(shè)備后抽采過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖中:1、抽采管，2、閥門I，3、密封裝置，4、密封段，5、水平井垂直段，6、邊界煤柱，
7、水平井造斜段，8、下部煤層，9、分段壓裂裂縫，1、分段壓裂段，11、壓裂間隔段，12、水平井水平段，13、閥門Π，14、排水管，15、抽氣管，16、閥門ΙΠ，17、閥門IV，18、注氣管，19、抽油機(jī)，20、四通，21、抽油管，22、抽油桿，23、抽油栗，24、刀柱式老空區(qū)，25、水平井。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
[0014]實(shí)施例:
下面以晉圣永安鴻泰煤礦某工作面為例，說(shuō)明該發(fā)明方法:晉圣永安鴻泰煤礦坐落在沁水煤田，該煤田范圍內(nèi)井田內(nèi)可采煤層為山西組的3號(hào)煤層和太原組的9號(hào)、15號(hào)煤層。其中主采煤層3號(hào)煤層平均煤厚6.34米，自上世紀(jì)六十年代起，由于開(kāi)采方法的落后以及小煤窯亂采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重，其主采煤層3號(hào)煤主要采煤方法為刀柱法采煤，其采出率低，遺留在井下大量煤，老空區(qū)煤層氣資源量相當(dāng)豐富。與之間距52米左右為薄煤層9號(hào)煤，其平均煤厚0.63米，為局部可采煤層，該薄煤層若用傳統(tǒng)采礦中的井工開(kāi)采則成本高昂，可采價(jià)值不大，但對(duì)這部分資源棄之可惜。為圓滿解決煤層氣資源的協(xié)同開(kāi)采，本發(fā)明提供的發(fā)明方法具體為:
1)根據(jù)礦井采掘情況、煤層柱狀圖以及井上下對(duì)照?qǐng)D等已有地質(zhì)采掘資料并結(jié)合三維激光掃描儀、瞬變電磁法等手段確定井下上部刀柱式老空區(qū)(24)參數(shù)以及下部煤層(8)與上部老空區(qū)之間的距離D=47米;所述老空區(qū)參數(shù)包括柱采區(qū)的范圍、數(shù)目以及煤柱數(shù)目、大小、分布大體位置；
2)由地面向刀柱式老空區(qū)(24)底板以下10米巖層處施工水平井(25);
水平井(25)由井下向地面延伸處依次分為水平井水平段(12)、水平井造斜段(7)、水平井垂直段(5)以及水平井地面端，其中水平井地面端設(shè)有密封裝置(3)并連接抽采管(1)，抽采管上設(shè)有閥門I (2)，水平井近地面端進(jìn)行密封，形成密封段(4);
3)打開(kāi)閥門1(2)由抽采管(I)對(duì)水平井(25)進(jìn)行第一次煤層氣抽采，記錄此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量Qi;
4)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至Qi的25%時(shí)，關(guān)閉閥門I(2)，停抽36小時(shí)，之后再次打開(kāi)閥門1(2)，同時(shí)降低抽采壓力繼續(xù)進(jìn)行煤層氣抽采；當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量再次下降至&的25%時(shí)，再次關(guān)閉閥門1(2)，停抽36小時(shí)，之后再次打開(kāi)閥門1(2)，再次降低抽采壓力進(jìn)行煤層氣抽采;循環(huán)上述停抽-降壓抽采的過(guò)程，直至抽采壓力降低至比大氣壓低85kpa；
5)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至&的20%以下時(shí)，將抽采管(I)拆卸，由井口下放分段壓裂設(shè)備，對(duì)水平井水平段(12)與下部煤層(8)之間以及水平井水平段(12)與上部刀柱式老空區(qū)(24)之間的層間巖層實(shí)施定向壓裂；
6)將水平井垂直段(5)進(jìn)行垂向延伸，直至延伸至下部煤層(8)底板10米范圍處；
7)由水平井垂直段(5)處安設(shè)排采設(shè)備，水平井垂直段中設(shè)置的排采設(shè)備由井下到地面部分依次設(shè)有抽油栗(23)、抽油管(21)，抽油管(21)內(nèi)設(shè)有抽油桿(22)，地面設(shè)置的抽油機(jī)(19)通過(guò)抽油桿(22)驅(qū)動(dòng)抽油栗(23)對(duì)水平井垂直井(5)段內(nèi)的水進(jìn)行排采;水平井垂直段地面端由四通(20)分為三條支路:排水管(14)、抽氣管(15)、注氣管(18)，排水管(14)連接井下抽油管(21)，地面端設(shè)有閥門Π (13)，抽氣管(15)地面端連有閥門ΠΚ16)，注氣管
(18)地面端連有閥門IV(17)，注氣管(18)井下延伸到水平井水平段內(nèi)，且位于水平井水平段內(nèi)為篩眼段，可使輸送來(lái)的超臨界二氧化碳與下部巖層充分接觸擴(kuò)散，水平井垂直井段近地面端用水泥砂漿進(jìn)行密封形成密封段，地面設(shè)有密封裝置。
[0015]打開(kāi)閥門Π (13)和閥門ΠΚ16)，由抽油機(jī)(19)通過(guò)抽油桿(22)驅(qū)動(dòng)抽油栗(23)對(duì)水平井垂直段(5)內(nèi)的水進(jìn)行抽采，同時(shí)由抽氣管(15)進(jìn)行煤層氣抽采，記錄排采中單位時(shí)間內(nèi)煤層氣最大抽采量Q2;
8 )當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至Q2的20%以下時(shí)，關(guān)閉閥門Π (13 )，閥門ΙΠ (16 )，打開(kāi)閥門IV由注氣管向水平井內(nèi)注入壓力為1MPa的CO2氣體32小時(shí)，關(guān)閉閥門IV，靜待48小時(shí)；
9)再次打開(kāi)閥門Π (13)，閥門ΙΠ (16)，由排采設(shè)備再次進(jìn)行排水降壓以及煤層氣抽采； 1 )當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降到8m3/min時(shí)，關(guān)閉閥門Π (13 )，閥門In (16 )停止煤層氣抽采。
[0016]所述水平井垂直段從老空區(qū)邊界煤柱中穿過(guò)，與邊界煤柱端部的水平距離20米，水平井造斜段造斜點(diǎn)選取則由已確定的水平段、垂直段層位以及現(xiàn)場(chǎng)鉆井工藝決定。
[0017]所述定向分段壓裂為套管限流壓裂、多級(jí)封隔器分段壓裂、定向水力噴射分段壓裂技術(shù)中的一種。本實(shí)施例采用了多級(jí)封隔器分段壓裂技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)根據(jù)礦井采掘情況、煤層柱狀圖以及井上下對(duì)照?qǐng)D等已有地質(zhì)采掘資料并結(jié)合物理勘測(cè)手段確定井下上部煤層已開(kāi)挖的刀柱式開(kāi)采老空區(qū)參數(shù)以及下部煤層與上部老空區(qū)之間的距離D;所述老空區(qū)參數(shù)包括柱采區(qū)的范圍、數(shù)目以及煤柱數(shù)目、大小、分布位置； 2)由地面向刀柱式老空區(qū)底板以下5?20米巖層處施工水平井； 水平井由井下向地面延伸處依次分為水平井水平段、造斜段、水平井垂直段以及水平井地面端，其中水平井地面端設(shè)有密封裝置并連接抽采管，抽采管上設(shè)有閥門I，水平井近地面端進(jìn)行密封； 3)打開(kāi)閥門I由抽采管對(duì)水平井進(jìn)行第一次煤層氣抽采，記錄此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽米量Qi ； 4)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至Qi的20%?40%時(shí)，關(guān)閉閥門I，停抽12?36小時(shí)，之后再次打開(kāi)閥門I，同時(shí)降低抽采壓力繼續(xù)進(jìn)行煤層氣抽采;當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量再次下降至&的20%?40%時(shí)，再次關(guān)閉閥門I，停抽12?36小時(shí)，之后再次打開(kāi)閥門I，再次降低抽采壓力進(jìn)行煤層氣抽采;循環(huán)上述停抽-降壓抽采的過(guò)程，直至抽采壓力降低至比大氣壓低80?10kpa; 5)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至&的20%以下時(shí)，將抽采管拆卸，由井口下放分段壓裂設(shè)備，對(duì)水平井水平段與下部煤層之間以及水平井水平段與上部老空區(qū)之間的層間巖層實(shí)施定向壓裂； 6)將水平井垂直段進(jìn)行垂向延伸，直至延伸至下部煤層底板5?20米范圍處； 7)由水平井垂直段處安設(shè)排采設(shè)備，排采設(shè)備由井下到地面部分依次設(shè)有抽油栗、抽油管，抽油管內(nèi)設(shè)有抽油桿，地面設(shè)置的抽油機(jī)通過(guò)抽油桿驅(qū)動(dòng)抽油栗對(duì)水平井垂直井段內(nèi)的水進(jìn)行排采;水平井垂直段地面端由四通分為三條支路:排水管、抽氣管、注氣管，排水管連接井下抽油管，地面端設(shè)有閥門π，抽氣管地面端連有閥門m，注氣管地面端連有閥門IV，注氣管的井下部分一直延伸到水平井水平段內(nèi)，且位于水平井水平段內(nèi)為篩眼段，水平井垂直井段近地面端進(jìn)行密封，地面設(shè)有密封裝置； 打開(kāi)閥門π和閥門m，由抽油機(jī)通過(guò)抽油桿驅(qū)動(dòng)抽油栗對(duì)水平井垂直井段內(nèi)的水進(jìn)行抽采，同時(shí)由抽氣管進(jìn)行煤層氣抽采，記錄排采中單位時(shí)間內(nèi)煤層氣最大抽采量Q2; 8)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至出的20%以下時(shí)，關(guān)閉閥門π，閥門m，打開(kāi)閥門IV由注氣管向水平井內(nèi)注入壓力為4?30MPa的CO2氣體24?72小時(shí)，關(guān)閉閥門IV，靜待12?48小時(shí)； 9)再次打開(kāi)閥門Π，閥門m，由排采設(shè)備再次進(jìn)行排水降壓以及煤層氣抽采； 10)當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)煤層氣抽采量下降至8m3/min以下時(shí)，停止煤層氣抽采。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法，其特征在于:所述水平井垂直段從老空區(qū)邊界煤柱中穿過(guò)，與邊界煤柱端部的水平距離為10?60米，水平井造斜段造斜點(diǎn)選取則由已確定的水平段、垂直段層位以及現(xiàn)場(chǎng)鉆井工藝決定。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀柱式老空區(qū)及下煤層煤層氣聯(lián)合開(kāi)采的方法，其特征在于:所述定向分段壓裂為套管限流壓裂、多級(jí)封隔器分段壓裂、定向水力噴射分段壓裂技術(shù)中的一種。
【文檔編號(hào)】E21B43/16GK105927191SQ201610446293
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】馮國(guó)瑞, 李振, 王鮮霞, 李典, 杜獻(xiàn)杰, 章敏, 戚庭野, 姜海納, 康立勛
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)