CN102817603B - 一种连通地面与地下开采煤层气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连通地面与地下开采煤层气的方法，包括以下步骤：1）从地面向煤层实施垂直钻井，直至钻穿所述煤层，形成一地面直井；从巷道煤层开采处实施水平钻孔，形成一地下水平井；2）在地面直井内进行地面压裂处理，产生一主裂缝并向着采煤处延伸；同时，在所述地下水平井内进行井下压裂处理产生一从裂缝并向着地面钻井方向延伸，所述主裂缝与从裂缝在延伸过程中形成对接，互相贯穿，压通煤层；3）利用形成的主裂缝及从裂缝在所述地面直井及地下水平井内对煤层气同时进行抽放。
Description
技术领域
本发明涉及一种连通地面与地下开采煤层气的方法。
背景技术
煤层气作为具有特定含义的专业术语已被广为认可。煤层气是以甲烷（CH4）为主要成分的可燃气体，以吸附状态赋存在沉积盆地的煤层之中，利用现代探采技术可以将煤层中的气体排采、储集和利用。煤层气是一种洁净的气态燃料和化工原料。煤层气的开发利用可以减少煤矿开采中的灾害，可以减少甲烷向大气中排放的温室效应所造成的环境污染，是可以变害为宝的新型能源矿种。
通常在地面开采叫煤层气；在井下抽放叫瓦斯。实际上是一种物质，而叫法不同。
目前世界许多国家都在积极开采、利用煤层气，主要采用地面、地下分别开采的方式进行。
（1）地面开采：是指煤层气公司，经过地质评价选区——主要是选择煤层含气量较高，煤层渗透性较好的地区煤层，在地面采用石油钻探、开采技术——钻探（直井、斜井、水平井、U型井）、下套管、固井、射孔、压裂、排采，使得埋深地下数百米至上千米的煤层中的气体（煤层气），排放到井口的过程。一方面这些气，可以作为对天然气的补充，用作城市燃气、用来发电、用来生产液化天然气等；另一方面，提前采出煤层中的气体，便于在今后采煤时，防止瓦斯突出，降低煤矿风险，提高矿工安全。
（2）井下开采：是指煤矿在采煤前或采煤过程中，在巷到内所采用的瓦斯抽放、机械破碎释放瓦斯、水射流释放瓦斯等。井下开采煤层气，以与煤炭开采同步为主，采煤前开采为辅。一方面，减少瓦斯突出，提高采煤安全；另一方面，所采出的瓦斯气体，汇聚起来，可以利用。
（3）存在的弊端
地面开采煤层气，主要靠压裂，其目的是产生人造裂缝增加煤层的渗透性，利于煤层气的采出。但受限于煤体的性质——大部分非刚性等，使得压裂效果有限。一般，沿着主裂缝方向，延伸150到200米左右，而另一方向则只延伸几十米，而且这只是动态缝。因为，当井口一停泵，根据加砂（颗粒）或陶粒的多少、大小，则大部分裂缝会闭合。这时，实际上主裂缝方向可能不到150米。由此，一口井排采，所涉及到的范围会很有限。
井下排放瓦斯，大多数只是在采煤时，由于煤体破裂而释放出的气体，才被抽放。采煤前，虽然采用了水力射流、机械破碎等一些方法，但是，由于所影响范围局限，只能起到一部分作用。同时，井下瓦斯事故仍时不时地发生。
另外，当前，煤层段下油层套管、注水泥、固井，然后射孔。油层套管通常为外径：139.7mm，壁厚6.2～10.0mm不等的钢管，加上套管与井壁之间的水泥环，还有钻井过程中泥浆对油层的冲洗、浸泡形成的泥浆过渡带。射孔弹都要穿越这些无用地带，然后碰着煤层，当然碰着煤层时能力已经不强了，射穿煤层的深度必然有限。
针对前面提到的问题，怎样才能提高射孔穿透能力，及时发现和顺利开采出煤层气，是摆在面前的现实问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连通地面与地下开采煤层气的方法，以达到充分、快速的开采煤层气，最大限度降低安全风险的目的。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：连通地面与地下开采煤层气的方法，包括以下步骤：
1）从地面向煤层实施垂直钻井，直至钻穿所述煤层，形成一地面直井；从巷道煤层开采处实施水平钻孔，形成一地下水平井；
2）在步骤1）中形成的所述地面直井内进行地面压裂处理，产生一主裂缝并向着采煤处延伸；同时，在所述地下水平井内进行井下压裂处理产生一从裂缝并向着地面钻井方向延伸，所述主裂缝与从裂缝在延伸过程中形成对接，互相贯穿，压通煤层；
上述步骤的效果是，达到全面改善煤层渗透性能，最大限度使得煤层所含吸附气（地面钻井开采叫煤层气、井下打井开采叫瓦斯气）得以快速解吸、排采出来。从而，极大程度地减少煤层中含有吸附气的量，达到安全采煤的目的。同时，先行开采出来的煤层气，可以用来发电、生活用气、或变为LNG、CNG等，弥补能源紧缺的问题。
3）利用步骤2）中形成的主裂缝及从裂缝，在所述地面直井及地下水平井内对煤层气同时进行抽放。
上述步骤的效果是，同时抽放煤层气，达到快速、高效的目的。一方面提高采气速率、效果，另一方面大大降低瓦斯事故。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在步骤1）中，所述进行垂直钻井前还包括井位选择步骤，所述井位选择在煤层前方150～200米的上方。
进一步，在步骤1）中，所述地面直井形成后，还包括对所述地面直井进行套管的步骤。
采用上述进一步方案的有益效果是，对所述地面直井进行套管，已达到使地面直井更加牢固的目的。
进一步，在步骤1）中，所述水平钻孔是采用长孔钻实施水平钻进；所述水平钻进的距离为10～25米。
进一步，在步骤2）中，所述产生的主裂缝长度为150～200米，所述产生的从裂缝长度为30～60米。
进一步，在步骤3）中，在所述地面直井内对煤层气进行抽放是利用油套环空产气的方式进行抽气。
所述油套环空是指，打完井后、压裂前要下一层油层套管——套管，通过水泥固井，将套管固定在井壁上；通过对套管射孔、压裂后，要从井口顺着套管里面下抽油管——油管，油管绑上抽油泵，下到煤层顶部或中部。当抽的时候，水就从油管里面抽到地表，而气则从套管与油管之间的空隙排到地表，而这之间的空隙就叫环空。
进一步，所述煤层到地面的距离为500～800米。
进一步，所述煤层的厚度为5～10米。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种连通地面与地下开采煤层气的方法，包括以下步骤：
1）钻探
（1）地面，井位选择在计划开采煤层前方150～200米的上方，垂直钻穿煤层，形成一地面直井，并下套管对地面直井进行固定。
（2）地下，从巷道煤层开采处，水平钻进10～25米的孔。
采用长孔钻实施水平钻进，终孔位置要钻开开采卸压区。
开采卸压区是指，在掘进采煤过程中，一部分煤破碎——采到的煤；另一部分煤松动——没有采到的煤，但是这一部分煤虽然没有采到，但是已经影响到了，由于压力释放，使其质点发生位移而产生变形、松动。如果不钻开这两部分——压力释放（卸压区），那么压裂时，压力就从这些部分释放，而进入不了原始的煤层中去，产生不了压裂的效果。
2）压裂
（1）地面直井
A、套管
射孔弹在三个阶段（套管、水泥环、冲洗带），所消耗的能量是不一样的，很显然，射穿钢管消耗的能量最大。那么，就从套管入手，减少射孔中无谓的消耗，提高进入煤层的深度，发现和开采更多的煤层气。
在进行地面煤层气井，由于其深度通常小于1000米。因此，在煤层段，可以采用薄型的钢管，其它段仍采用先前的套管。通常139.7mm油层套管，壁厚6.2～10.0mm。薄型套管，设计为2～3mm厚度。
因为，1000米以浅的井，它所在深度的地层压力、温度都要比2000～4000米深地层所经受的温、压要低许多。固井后，完全可以起到稳固煤层的作用。
（1）以正常温度场计算，地表温度20度，地温梯度每一百米3度，则1000米深度，所处温度通常小于50度。
（2）以正常压力场计算，往地下每增加100米深度，地层压力增加1个兆帕，那么1000米深度通常为10兆帕。
（3）设计薄型套管，壁厚2～3mm，可以保证承受1000米处的温度50度、压力10兆帕。
一方面，虽然油层套管壁厚降低，但仍能保持在1000米处抗温、压能力。壁厚降低，可以节约套管成本。
另一方面，更为重要的是大大提高射孔的穿透能力，使射孔弹更多地进入到煤层之中，更好地改善煤层的渗透性，提高煤层气的采出量。
Ｂ、射孔：选择102型枪装127弹聚能射孔，60°相位角螺旋布孔，孔密16孔/米，发射率不低于95%。
射孔前，套管、水泥环把地层——煤层是包起来的，只有射孔后，射孔弹先后把套管、水泥环身穿成孔，射到煤层，煤层才能够与井连通。压裂是从地表加压，通过射开的孔将压裂液、石英砂压入煤层。
C、压裂
采用清水作为压裂液，石英砂作为支撑剂，一定的排量、一定的砂比。
压裂设备选择1000型以上性能良好的压裂机组，压裂液选择活性水、清水（加1～3%KCL）。通常压裂液用量600～800方，石英砂40～50方，排量每分钟6～8方，压力加到25～30兆帕，砂比为15～20%。
加压使之达到或大于煤层破裂压力。煤层破裂即产生主裂缝，压裂液携带石英砂进入地层，顺着主裂缝方向可以达到150～200米范围，即产生150～200米的主裂缝。
（2）地下水平井
将压裂液和支撑剂压入煤层，使煤层中没有裂缝的地方，由于高压水力大于煤层破裂压力，而产生从裂缝；原来有裂缝的地方使其裂缝进一步增大，达到裂缝数量、长度、宽度、连通均增加的目的。实施掘进水力破裂作业，达到增加渗透性、快速解吸释放瓦斯气，在瓦斯气大量排除后，压裂所涉及的这一段煤层就可以安全掘进。
在地面、地下同时进行压裂施工。地面压裂顺着主裂缝方向，向着采煤处延伸；井下压裂使裂缝方向向着前方——即地面钻井方向延伸。从而，使两个方向的压裂所造成的煤层裂缝对接，互相贯穿，压通煤层。达到全面改善煤层渗透性能，最大限度使得煤层所含吸附气（地面钻井开采叫煤层气、井下打井开采叫瓦斯气）得以快速解吸、排采出来。从而，极大程度地减少煤层中含有吸附气的量，达到安全采煤的目的。同时，先行开采出来的煤层气，可以用来发电、生活用气、或变为LNG、CNG等，弥补能源紧缺的问题。
3）排采
（1）地面直井：采用抽油机+管式泵排水，煤层分层压裂后统一进行排水，利用油套环空产气的方式进行采气。
采用抽油机+管式泵排水，煤层分层压裂后统一进行排水，利用油套环空产气的方式进行采气，初期排采时间通常为3～6个月。
初期排水降压阶段，主要通过液面下降速度控制排采强度，正常产气后主要通过调整套压控制排采强度。
排水降压阶段原则上每天降液速度要小于10m，以防止井底的生产压差过大，造成吐砂和出煤粉。
见气后要控制液面基本稳定进行观察，产气稳定后，而且水质不浑浊，不含煤粉和固相颗粒进入稳定产气阶段。
正常连续产气阶段主要考察产气量增加速度，原则上每天产气量增加不超过100m3，还要控制液面下降速度小于5m/d。
煤层分层压裂，是指地面压裂，但是压裂的是地下500～800米之间的煤层，只不过操作实施都是在地面进行。
（2）地下水平井：井下排水、实施抽采，联合抽放瓦斯气（煤层气）。
井下压裂，压的也是地下500～800米的煤层，只不过是在地下——巷到里操作实施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种连通地面与地下开采煤层气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)从地面向煤层实施垂直钻井，直至钻穿所述煤层，形成一地面直井；从巷道煤层开采处实施水平钻孔，形成一地下水平井；其中，
所述进行垂直钻井前还包括井位选择步骤，所述井位选择在煤层前方150～200米的上方；
所述地面直井形成后，还包括对所述地面直井进行套管的步骤；
2)在步骤1)中形成的所述地面直井内进行地面压裂处理，产生一主裂缝并向着采煤处延伸；同时，在所述地下水平井内进行井下压裂处理产生一从裂缝并向着地面钻井方向延伸，所述主裂缝与从裂缝在延伸过程中形成对接，互相贯穿，压通煤层；
3)利用步骤2)中形成的主裂缝及从裂缝，在所述地面直井及地下水平井内对煤层气同时进行抽放；
在所述地面直井内对煤层气进行抽放是利用油套环空产气的方式进行抽气。
2.根据权利要求1所述的连通地面与地下开采煤层气的方法，其特征在于，在步骤1)中，所述水平钻孔是采用长孔钻实施水平钻进；所述水平钻进的距离为10～25米。
3.根据权利要求1所述的连通地面与地下开采煤层气的方法，其特征在于，在步骤2)中，所述产生的主裂缝长度为150～200米，所述产生的从裂缝长度为30～60米。
4.根据权利要求1至3任一项所述的连通地面与地下开采煤层气的方法，其特征在于，所述煤层到地面的距离为500～800米。
5.根据权利要求1至3任一项所述的连通地面与地下开采煤层气的方法，其特征在于，所述煤层的厚度为5～10米。
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