地面多分支水平钻井与井下钻孔对接预抽瓦斯技术.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 地面多分支水平钻井与井下钻孔对接预抽瓦斯技术 黎凤岐１ꎬ乔 炜２ꎬ牛国斌２ꎬ杨胜强３ꎬ４ꎬ蒋春林３ꎬ４ １􀆱 华晋煤层气综合利用有限责任公司ꎬ山西 吕梁 ０３３０００ꎻ２􀆱 宁夏回族自治区煤田地质局ꎬ宁夏 银川 ７５００１１ꎻ ３􀆱 煤炭资源与安全开采国家重点实验室ꎬ江苏 徐州 ２２１００８ꎻ４􀆱 中国矿业大学 安全工程学院ꎬ江苏 徐州 ２２１００８ 摘 要针对现有的地面水平定向钻井开采煤层气及煤矿井下钻孔预抽煤层瓦斯受时间和空间限制 的问题ꎬ提出了地面多分支水平钻井和井下钻孔对接预抽瓦斯技术ꎬ并在沙曲煤矿 ２４３０７ 工作面对多 分支水平钻井对接井下钻孔进行应用研究ꎬ对接后ꎬ瓦斯抽采钻孔 ＸＣ０１ 的产气量达 ６ ０００７ ０００ ｍ２/ ｄꎬ瓦斯体积分数达 ９５％ꎻＸＣ０２ 的产气量基本稳定在 １２ ０００ ｍ３/ ｄ 左右ꎬ平均瓦斯体积分数达到了 ９１􀆱 ０５％ꎻ大幅提高了单井产气量和瓦斯抽采效率ꎮ 关键词地面多分支水平钻井ꎻ羽状井ꎻ井下钻孔ꎻ瓦斯预抽 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００４８－０３ Ｇａｓ Ｐｒｅ－Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｂｒａｎｃｈ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｗｅｌｌ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｅ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ＬＩ Ｆｅｎｇ￣ｑｉ１ꎬＱＩＡＯ Ｗｅｉ２ꎬＮＩＵ Ｇｕｏ￣ｂｉｎ２ꎬＹＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ￣ｑｉａｎｇ３ꎬ４ꎬＪＩＡＮＧ Ｃｈｕｎ￣ｌｉｎ３ꎬ４ １.Ｈｕａｊｉｎ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇａｓ Ｌｔｄ.ꎬＬｙｕｌｉａｎｇ ０３３０００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｎｉｎｇｘｉａ Ｈｕｉ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｒｅｇｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙꎬ Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００１１ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅ ＭｉｎｉｎｇꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１００８ꎬＣｈｉｎａꎻ ４.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１００８ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｐａｃｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｗｈｅｎ ｇａｓ ｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｂｒａｎｃｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌꎬｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｂｒａｎｃｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄꎬａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ｂｒａｎｃｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗｅｌｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｎｏ􀆱 ２４３０７ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ Ｓｈａｑｕ Ｍｉｎｅ. Ａｆｔｅｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎꎬｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ＸＣ０１ ｗａｓ ６ ０００７ ０００ ｍ３/ ｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ９５％ꎻｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ＸＣ０２ ｗａｓ ａｒｏｕｎｄ １２ ０００ ｍ３/ ｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ９１􀆱 ０５％.Ｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｗｅｌｌ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｒａｔｉｏ ｇｒｅｗ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｒｏｕｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｂｒａｎｃｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌꎻｐｉｎｎａｔｅ ｗｅｌｌꎻｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｇａｓ ｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅ 收稿日期２０１４－０１－１９ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.０１３ 基金项目国家自然科学基金资助项目５１１７４１９８ꎻ煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主课题资助项目ＳＫＬＣＲＳＭ１１Ｘ０１ 作者简介黎凤岐１９６９ꎬ山西汾阳人ꎬ男ꎬ高级工程师ꎮ 通信作者蒋春林ꎬＴｅｌ１５９９６９４５６８３ꎬＥ－ｍａｉｌ０３２４０７１２３＠ １６３.ｃｏｍ 引用格式黎凤岐ꎬ乔 炜ꎬ牛国斌ꎬ等.地面多分支水平钻井与井下钻孔对接预抽瓦斯技术[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５４８－５０ꎬ５４. ＬＩ Ｆｅｎｇ￣ｑｉꎬＱＩＡＯ ＷｅｉꎬＮＩＵ Ｇｕｏ￣ｂｉｎꎬｅｔ ａｌ.Ｇａｓ Ｐｒｅ－Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｂｒａｎｃｈ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｗｅｌｌ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｅ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５４８－５０ꎬ５４. ０ 引 言 目前ꎬ煤层瓦斯预抽方式基本分为地面钻井 抽采和井下抽采两大类[１]ꎮ 其中地面钻井抽采 又可分为地面直井抽采和地面水平定向钻井抽 采ꎻ井下抽采包括钻孔抽采和巷道抽采等ꎮ 地面 直井抽采是从地面向地下施工竖直井ꎬ穿透煤层 后ꎬ采取压裂或者洞穴等增产工艺后抽采煤层瓦 斯ꎬ在地形平坦、渗透性较好的厚煤层或煤层群的 应用效果较好[２]ꎮ 地面水平定向钻井抽采ꎬ是利 用定向钻井技术[３－７]ꎬ使向地下竖着打的井眼逐渐 变斜ꎬ在入煤点进入煤层后ꎬ顺着煤层钻进并形成 近似水平井眼ꎬ抽采煤层瓦斯ꎮ 地面水平定向钻 井抽瓦斯的原理与地面直井抽采方法相同ꎬ区别 在于后者只用竖直井穿过煤层抽采瓦斯ꎬ而水平 定向井的井眼顺着煤层的走向延伸展布ꎬ主支和 多分支大幅增加了井眼与煤层的接触面积ꎬ从而 达到提高单井产量及采气效率的目的ꎮ 煤矿井下 ８４ 黎凤岐等地面多分支水平钻井与井下钻孔对接预抽瓦斯技术２０１４ 年第 ５ 期 钻孔抽采主要采用顺层钻孔或者穿层钻孔ꎬ将钻 孔接入煤矿瓦斯抽采管路ꎬ利用地面泵站的负压 抽采本煤层或者邻近煤层中的瓦斯ꎮ 因此ꎬ笔者 提出了采用地面多分支水平钻井与井下钻孔对接 预抽煤层瓦斯技术ꎬ可改善孔内流体流动环境ꎬ从 而增大孔内瓦斯供给范围ꎬ与井下瓦斯抽采钻孔 对接后ꎬ孔内瓦斯流量急剧增加ꎬ大幅提高井下瓦 斯预抽效率ꎬ减少围岩体内的残余瓦斯量ꎬ可大幅 减少井下瓦斯常规抽采钻孔的工程量ꎬ缩短瓦斯 抽采周期ꎬ解决煤矿巷道掘进和工作面回采时的 瓦斯突出问题ꎮ １ 地面水平定向钻井和井下钻孔抽采煤层 瓦斯技术对比分析 １􀆱 １ 地面水平定向钻井抽采瓦斯技术分析 地面水平定向钻井抽采瓦斯技术[８－１２]的最大特 点就是不受时间和空间的限制ꎬ可以提前很多年、不 需要形成井下任何煤层巷道的情况下进行瓦斯预 抽ꎬ有效解决了单一突出煤层瓦斯预抽和突出煤层 群首采煤层瓦斯预抽问题ꎬ为煤与瓦斯突出防治及 瓦斯预抽提供了一条新的技术途径ꎮ 地面水平定向钻井抽采瓦斯技术具有下列优 点①水平井可以覆盖很大面积ꎬ抽采井与煤层接触 面积大ꎬ一口羽状井一般可以覆盖 ０􀆱 ５０􀆱 ７ ｋｍ２ꎬ相 当于 ４７ 口直井的覆盖面积ꎻ②采出的瓦斯中甲烷 体积分数高ꎬ一般在 ９５％以上ꎻ③地面钻场的钻井 作业效率高ꎬ可以在煤层中施工出千米以上的多分 支、大口径井孔ꎬ瓦斯抽采量大ꎬ是普通垂直井的 ４ ８ 倍ꎻ④由于地面和地下煤层之间存在高度差ꎬ钻孔 井眼在钻井液柱压力的支撑保护下成型好ꎬ不易塌 孔ꎮ 缺点为①水平钻井对煤层条件ꎬ特别是煤体结 构和井区地质构造要求较高ꎬ在地质构造复杂区域 难以推广ꎻ②抽采作业场地、输气管线的埋设都需要 占用土地ꎮ １􀆱 ２ 煤矿井下钻孔预抽瓦斯技术分析 井下钻孔预抽瓦斯技术是煤矿井下最常用的瓦 斯预抽技术ꎬ不存在占用地面土地以及由此引发的 生态问题ꎮ 但是存在以下缺点①需要井下提前准 备有关钻场或巷道ꎬ准备工作量大ꎬ可以进行瓦斯抽 采的时间短ꎬ不利于煤层瓦斯预测和突出防治ꎻ②受 井下作业空间限制ꎬ钻井作业效率低ꎻ③井下钻孔通 常封孔质量差ꎬ瓦斯抽采浓度低ꎻ④孔径小、钻孔短ꎬ 单孔产气能力低ꎻ⑤易发生塌孔和卡钻ꎬ阻塞抽采通 道ꎮ 在分析地面水平定向钻井和井下钻孔抽采煤层 瓦斯优、缺点的基础上ꎬ提出了地面多分支水平钻井 与井下钻孔对接预抽煤层瓦斯方法[１３－１５]ꎮ ２ 地面多分支水平钻井与井下钻孔对接预 抽瓦斯 地面多分支水平钻井与井下钻孔对接施工方案 如图 １ 所示ꎮ 在煤矿井下准备巷道或者开拓巷 道中开掘 １ 个对接钻孔钻场ꎬ从该钻场向目标煤 层施工 １ 个适当长度的对接钻孔ꎬ在对接钻孔孔口 嵌入钢质套管并固孔ꎻ在设计抽采区域的远端ꎬ开辟 地面水平定向钻井钻场ꎬ向井下对接钻孔方向、沿目 标煤层施工长距离、大孔径水平定向钻孔ꎬ并与井下 对接钻孔对接ꎻ然后封闭地面孔口ꎬ在井下对接钻孔 的钢质套管头之上安装孔口控制阀门ꎬ并与煤矿井 下瓦斯抽采管网连接ꎬ利用煤矿瓦斯抽采泵进行瓦 斯抽采ꎮ １煤矿准备巷道ꎻ２井下对接钻孔钻场ꎻ３井下对接钻孔ꎻ ４对接点ꎻ５地面钻场ꎻ６水平定向钻孔主支ꎻ ７水平定向钻孔分支ꎻ８设计抽采区域 图 １ 地面多分支水平钻井与井下钻孔对接施工方案示意 ３ 应用实例 ３􀆱 １ 工作面概况 沙曲煤矿 ２４３０７ 工作面西以矿井轨道大巷为 界、北以龙花垣村庄保护煤柱为界、东与地方煤矿相 邻、南为本矿井 ２４３０６ 规划工作面ꎻ工作面东西倾 向长 １ ５００ ｍꎬ南北宽 ２２０ ｍꎬ规划 ２０１５ 年该工作 面回采巷道的掘进ꎮ 该工作面处于 ３、４ 号煤层合并 区ꎬ３＋４ 号煤层底板标高为＋４７０＋６００ ｍꎬ煤厚 ３􀆱 ２４􀆱 ５ ｍꎬ煤层瓦斯含量为 １０ ｍ３/ ｔꎬ钻孔瓦斯流 量衰减系数为 ０􀆱 ０２４ ０􀆱 ０２８ ｄ －１ ꎬ煤的普氏系数为 ０􀆱 ４ꎬ属软煤ꎮ 由于煤层松软ꎬ采取井下预抽钻孔时塌孔问题 严重ꎬ同时由于煤层透气性差ꎬ造成瓦斯抽采达不到 要求ꎬ另外ꎬ各可采煤层瓦斯含量高且层间距小ꎬ因 此工作面采掘时邻近层及围岩的瓦斯涌出量大ꎬ造 成回风流瓦斯浓度较高ꎮ ９４ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 虽然沙曲煤矿采用了多种瓦斯治理措施ꎬ但矿 井面临的瓦斯威胁和安全生产的压力依然较大ꎬ因 此如何高效抽采瓦斯以缩短瓦斯预抽期、并在保证 安全的前提下提高采掘速度是沙曲煤矿急需解决的 技术难题ꎮ 因此在 ２４３０７ 工作面实施地面多分支水平钻井 与井下瓦斯抽采钻孔对接ꎬ连接到井下抽采管路进 行集中抽采ꎮ 同时利用井下钻孔孔口相关装置测 试、分析取得的数据ꎬ研究该区块的瓦斯抽采规律ꎬ 进行抽采效果评价ꎬ并结合矿方的生产接续计划ꎬ提 出沙曲煤矿最佳的瓦斯综合治理方案ꎮ ３􀆱 ２ 工程布置 沙曲煤矿 ２４３０７ 工作面地面多分支水平对接井 工程布置如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ ２４３０７ 工作面地面多分支水平对接井工程布置 井下施工的 ＸＣ０１、ＸＣ０２ 两个对接瓦斯抽采钻 孔均布置在矿井 ２４３０７ 轨道大巷的右帮ꎬ长度分别 为 ５３、５４ ｍꎬ仰角均为 ２５ꎬ孔径为 １５３ ｍｍꎬ考虑到 瓦斯流量和压力较大ꎬ封孔长度预设计 ２０ ｍꎬ采用 １０８ ｍｍ 钢管封孔ꎬ水泥固井ꎮ 为增大与煤层的接触面积ꎬ地面多分支水平钻 井主水平段和水平分支段均在 ４ 号煤层中钻进ꎬ通 过强磁对穿仪器与井下抽采钻孔的对接ꎬ采用井下 集中抽采ꎬ工程施工 ２ 个主支ＤＳ０１、ＤＳ０２、４ 个侧 分支南１ 分支、南２ 分支、南３ 分支、北分支ꎬ水平 段孔径为 １５２􀆱 ４ ｍｍꎮ 其中ＤＳ０１ 主支位于工作面 瓦斯抽采巷与运输巷之间ꎬ入煤后水平段长度为 １ ０２７ ｍꎬ２０１２ 年 ４ 月 ２ 日与 ＸＣ０１ 实现对接连通ꎮ ＤＳ０２ 主支布置在工作面中轴位置ꎬ入煤后水平 段长 １ ０５６ ｍꎬ２０１２ 年 １１ 月 １４ 日与 ＸＣ０２ 实现对接 连通ꎻ南 １ 分支、南 ２ 分支、南 ３ 分支、北分支等 ４ 个 侧分支分布在 ＤＳ０２ 主支的两侧ꎬ井眼长度分别为 ２７２、２７２、２７３、７９７ ｍꎮ ＤＳ０２ 主、分支煤层段累计长 度 ２ ６７０ ｍꎮ ３􀆱 ３ ＸＣ０１、ＸＣ０２ 钻孔产气试验情况 ＸＣ０１ 钻孔于 ２０１２ 年 ４ 月 ２ 日与 ＤＳ０１ 主支对 接连通ꎬ２０１３ 年 ３ 月 １５ 日完成孔口控制设备安装 并开阀试气ꎬ开阀后没有气体产出ꎻ但关闭井下阀 门ꎬ开启地面井口球阀后ꎬ孔口有瓦斯溢出ꎬ体积分 数达 ９５％ꎬ目前 ＸＣ０１ 孔完成井下通井后ꎬ产气量达 到 ６ ０００７ ０００ ｍ３/ ｄꎮ ＸＣ０２ 钻孔于 ２０１２ 年 １２ 月 １７ 日完成孔口控制 设备安装并开始抽采ꎬ抽采负压为 ５􀆱 ３１０􀆱 ７ ｋＰａꎮ 截至 ２０１３ 年 ４ 月 ９ 日已连续抽采 １１４ ｄꎬ累计抽采 量达１ ４５９ ３２７ ｍ３、平均产气量为１２ ８０１ ｍ３/ ｄ、平均 瓦斯体积分数为 ９１􀆱 ０５％ꎮ 目前该主支产气效果良 好ꎬ产气量基本稳定在１２ ０００ ｍ３/ ｄ 左右ꎮ ＸＣ０２ 孔 实测日产气量、日产气浓度、累计产气量如图 ３ 所示ꎮ 图 ３ ＸＣ０２ 钻孔日产气量、日产气浓度、累计产气量曲线 ４ 结 语 多分支水平对接井 ＤＳ０２ 主支轨迹同储层的走 向基本一致ꎬ由于增加了井筒与储层的接触面积、降 低了流体在割理中的流动阻力、增加了储层的裂隙ꎬ 扩大了井内瓦斯供给范围ꎬ从而可大幅提高单井产 气量ꎮ 本次工程将 ＤＳ０１ 主支布置在规划工作面的 进、回风巷掘进轨迹上ꎬ可以有效解决将来巷道掘进 过程中掘进工作面的瓦斯涌出、瓦斯突出及瓦斯超 限问题ꎬ提高掘进效率ꎮ 依据矿区煤厚、渗透性以及 设计抽采区域的长度、宽度等具体情况ꎬ可以选择单 主支、两主支甚至多主支对接工程方案ꎻ还可在各个 主支上布置若干个侧分支ꎬ进一步增大抽采钻孔与 下转第 ５４ 页 ０５