專利名稱：一種連通地面與地下開采煤層氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連通地面與地下開采煤層氣的方法。
背景技術(shù)：
煤層氣作為具有特定含義的專業(yè)術(shù)語已被廣為認可。煤層氣是以甲烷(CH4)為主要成分的可燃氣體，以吸附狀態(tài)賦存在沉積盆地的煤層之中，利用現(xiàn)代探采技術(shù)可以將煤層中的氣體排采、儲集和利用。煤層氣是一種潔凈的氣態(tài)燃料和化工原料。煤層氣的開發(fā)利用可以減少煤礦開采中的災(zāi)害，可以減少甲烷向大氣中排放的溫室效應(yīng)所造成的環(huán)境污染，是可以變害為寶的新型能源礦種。
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通常在地面開采叫煤層氣；在井下抽放叫瓦斯。實際上是一種物質(zhì)，而叫法不同。目前世界許多國家都在積極開采、利用煤層氣，主要采用地面、地下分別開采的方式進行。(I)地面開采是指煤層氣公司，經(jīng)過地質(zhì)評價選區(qū)一主要是選擇煤層含氣量較高，煤層滲透性較好的地區(qū)煤層，在地面采用石油鉆探、開采技術(shù)——鉆探(直井、斜井、水平井、U型井)、下套管、固井、射孔、壓裂、排采，使得埋深地下數(shù)百米至上千米的煤層中的氣體(煤層氣)，排放到井口的過程。一方面這些氣，可以作為對天然氣的補充，用作城市燃氣、用來發(fā)電、用來生產(chǎn)液化天然氣等；另一方面，提前采出煤層中的氣體，便于在今后采煤時，防止瓦斯突出，降低煤礦風(fēng)險，提高礦工安全。(2)井下開采是指煤礦在采煤前或采煤過程中，在巷到內(nèi)所采用的瓦斯抽放、機械破碎釋放瓦斯、水射流釋放瓦斯等。井下開采煤層氣，以與煤炭開采同步為主，采煤前開采為輔。一方面，減少瓦斯突出，提高采煤安全；另一方面，所采出的瓦斯氣體，匯聚起來，可以利用。(3)存在的弊端地面開采煤層氣，主要靠壓裂，其目的是產(chǎn)生人造裂縫增加煤層的滲透性，利于煤層氣的采出。但受限于煤體的性質(zhì)——大部分非剛性等，使得壓裂效果有限。一般，沿著主裂縫方向，延伸150到200米左右，而另一方向則只延伸幾十米，而且這只是動態(tài)縫。因為，當(dāng)井口一停泵，根據(jù)加砂(顆粒)或陶粒的多少、大小，則大部分裂縫會閉合。這時，實際上主裂縫方向可能不到150米。由此，一口井排采，所涉及到的范圍會很有限。井下排放瓦斯，大多數(shù)只是在采煤時，由于煤體破裂而釋放出的氣體，才被抽放。采煤前，雖然采用了水力射流、機械破碎等一些方法，但是，由于所影響范圍局限，只能起到一部分作用。同時，井下瓦斯事故仍時不時地發(fā)生。另外，當(dāng)前，煤層段下油層套管、注水泥、固井，然后射孔。油層套管通常為外徑139. 7mm，壁厚6. 2 10. Omm不等的鋼管，加上套管與井壁之間的水泥環(huán)，還有鉆井過程中泥漿對油層的沖洗、浸泡形成的泥漿過渡帶。射孔彈都要穿越這些無用地帶，然后碰著煤層，當(dāng)然碰著煤層時能力已經(jīng)不強了，射穿煤層的深度必然有限。針對前面提到的問題，怎樣才能提高射孔穿透能力，及時發(fā)現(xiàn)和順利開采出煤層氣，是擺在面前的現(xiàn)實問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種連通地面與地下開采煤層氣的方法，以達到充分、快速的開采煤層氣，最大限度降低安全風(fēng)險的目的。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下連通地面與地下開采煤層氣的方法，包括以下步驟I)從地面向煤層實施垂直鉆井，直至鉆穿所述煤層，形成一地面直井；從巷道煤層開采處實施水平鉆孔，形成一地下水平井；2)在步驟I)中形成的所述地面直井內(nèi)進行地面壓裂處理，產(chǎn)生一主裂縫并向著采煤處延伸；同時，在所述地下水平井內(nèi)進行井下壓裂處理產(chǎn)生一從裂縫并向著地面鉆井方向延伸，所述主裂縫與從裂縫在延伸過程中形成對接，互相貫穿，壓通煤層；·上述步驟的效果是，達到全面改善煤層滲透性能，最大限度使得煤層所含吸附氣(地面鉆井開采叫煤層氣、井下打井開采叫瓦斯氣)得以快速解吸、排采出來。從而，極大程度地減少煤層中含有吸附氣的量，達到安全采煤的目的。同時，先行開采出來的煤層氣，可以用來發(fā)電、生活用氣、或變?yōu)長NG、CNG等，彌補能源緊缺的問題。3 )利用步驟2 )中形成的主裂縫及從裂縫，在所述地面直井及地下水平井內(nèi)對煤層氣同時進行抽放。上述步驟的效果是，同時抽放煤層氣，達到快速、高效的目的。一方面提高采氣速率、效果，另一方面大大降低瓦斯事故。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。進一步，在步驟I)中，所述進行垂直鉆井前還包括井位選擇步驟，所述井位選擇在煤層前方150 200米的上方。 進一步，在步驟I)中，所述地面直井形成后，還包括對所述地面直井進行套管的步驟。采用上述進一步方案的有益效果是，對所述地面直井進行套管，已達到使地面直井更加牢固的目的。進一步，在步驟I)中，所述水平鉆孔是采用長孔鉆實施水平鉆進；所述水平鉆進的距離為10 25米。進一步，在步驟2)中，所述產(chǎn)生的主裂縫長度為150 200米，所述產(chǎn)生的從裂縫長度為30 60米。進一步，在步驟3)中，在所述地面直井內(nèi)對煤層氣進行抽放是利用油套環(huán)空產(chǎn)氣的方式進行抽氣。所述油套環(huán)空是指，打完井后、壓裂前要下一層油層套管一套管，通過水泥固井，將套管固定在井壁上；通過對套管射孔、壓裂后，要從井口順著套管里面下抽油管——油管，油管綁上抽油泵，下到煤層頂部或中部。當(dāng)抽的時候，水就從油管里面抽到地表，而氣則從套管與油管之間的空隙排到地表，而這之間的空隙就叫環(huán)空。進一步，所述煤層到地面的距離為500 800米。進一步,所述煤層的厚度為5 10米。
具體實施例方式以下對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。一種連通地面與地下開采煤層氣的方法，包括以下步驟I)鉆探(I)地面，井位選擇在計劃開采煤層前方150 200米的上方，垂直鉆穿煤層，形成一地面直井，并下套管對地面直井進行固定。(2)地下，從巷道煤層開采處，水平鉆進10 25米的孔。采用長孔鉆實施水平鉆進，終孔位置要鉆開開采卸壓區(qū)。開采卸壓區(qū)是指，在掘進采煤過程中，一部分煤破碎一采到的煤；另一部分煤松動——沒有采到的煤，但是這一部分煤雖然沒有采到，但是已經(jīng)影響到了，由于壓力釋放，使其質(zhì)點發(fā)生位移而產(chǎn)生變形、松動。如果不鉆開這兩部分一壓力釋放(卸壓區(qū))，那么壓裂時，壓力就從這些部分釋放，而進入不了原始的煤層中去，產(chǎn)生不了壓裂的效果。2)壓裂(I)地面直井A、套管射孔彈在三個階段(套管、水泥環(huán)、沖洗帶)，所消耗的能量是不一樣的，很顯然，射穿鋼管消耗的能量最大。那么，就從套管入手，減少射孔中無謂的消耗，提高進入煤層的深度，發(fā)現(xiàn)和開采更多的煤層氣。在進行地面煤層氣井，由于其深度通常小于1000米。因此，在煤層段，可以采用薄型的鋼管，其它段仍采用先前的套管。通常139. 7_油層套管，壁厚6. 2 10.0mm。薄型套管，設(shè)計為2 3mm厚度。因為，1000米以淺的井，它所在深度的地層壓力、溫度都要比2000 4000米深地層所經(jīng)受的溫、壓要低許多。固井后，完全可以起到穩(wěn)固煤層的作用。(I)以正常溫度場計算，地表溫度20度，地溫梯度每一百米3度，則1000米深度，所處溫度通常小于50度。(2)以正常壓力場計算，往地下每增加100米深度，地層壓力增加I個兆帕，那么1000米深度通常為10兆帕。(3)設(shè)計薄型套管，壁厚2 3mm，可以保證承受1000米處的溫度50度、壓力10兆帕。一方面，雖然油層套管壁厚降低，但仍能保持在1000米處抗溫、壓能力。壁厚降低，可以節(jié)約套管成本。另一方面，更為重要的是大大提高射孔的穿透能力，使射孔彈更多地進入到煤層之中，更好地改善煤層的滲透性，提高煤層氣的采出量。B、射孔選擇102型槍裝127彈聚能射孔，60°相位角螺旋布孔，孔密16孔/米，發(fā)射率不低于95%。射孔前，套管、水泥環(huán)把地層一煤層是包起來的，只有射孔后，射孔彈先后把套 管、水泥環(huán)身穿成孔，射到煤層，煤層才能夠與井連通。壓裂是從地表加壓，通過射開的孔將壓裂液、石英砂壓入煤層。C、壓裂采用清水作為壓裂液，石英砂作為支撐劑，一定的排量、一定的砂比。壓裂設(shè)備選擇1000型以上性能良好的壓裂機組，壓裂液選擇活性水、清水(加I 3%KCL)0通常壓裂液用量600 800方,石英砂40 50方,排量每分鐘6 8方,壓力加到25 30兆帕，砂比為15 20%ο加壓使之達到或大于煤層破裂壓力。煤層破裂即產(chǎn)生主裂縫，壓裂液攜帶石英砂進入地層，順著主裂縫方向可以達到150 200米范圍，即產(chǎn)生150 200米的主裂縫。(2)地下水平井將壓裂液和支撐劑壓入煤層，使煤層中沒有裂縫的地方，由于高壓水力大于煤層破裂壓力，而產(chǎn)生從裂縫；原來有裂縫的地方使其裂縫進一步增大，達到裂縫數(shù)量、長度、寬度、連通均增加的目的。實施掘進水力破裂作業(yè)，達到增加滲透性、快速解吸釋放瓦斯氣，在瓦斯氣大量排除后，壓裂所涉及的這一段煤層就可以安全掘進。在地面、地下同時進行壓裂施工。地面壓裂順著主裂縫方向，向著采煤處延伸；井下壓裂使裂縫方向向著前方一即地面鉆井方向延伸。從而，使兩個方向的壓裂所造成的煤層裂縫對接，互相貫穿，壓通煤層。達到全面改善煤層滲透性能，最大限度使得煤層所含吸附氣(地面鉆井開采叫煤層氣、井下打井開采叫瓦斯氣)得以快速解吸、排采出來。從而，極大程度地減少煤層中含有吸附氣的量，達到安全采煤的目的。同時，先行開采出來的煤層氣，可以用來發(fā)電、生活用氣、或變?yōu)長NG、CNG等，彌補能源緊缺的問題。3)排采(I)地面直井采用抽油機+管式泵排水，煤層分層壓裂后統(tǒng)一進行排水，利用油套環(huán)空產(chǎn)氣的方式進行采氣。采用抽油機+管式泵排水，煤層分層壓裂后統(tǒng)一進行排水，利用油套環(huán)空產(chǎn)氣的方式進行采氣，初期排采時間通常為3 6個月。初期排水降壓階段，主要通過液面下降速度控制排采強度，正常產(chǎn)氣后主要通過調(diào)整套壓控制排采強度。排水降壓階段原則上每天降液速度要小于10m，以防止井底的生產(chǎn)壓差過大，造成吐砂和出煤粉。見氣后要控制液面基本穩(wěn)定進行觀察，產(chǎn)氣穩(wěn)定后，而且水質(zhì)不渾濁，不含煤粉和固相顆粒進入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段。正常連續(xù)產(chǎn)氣階段主要考察產(chǎn)氣量增加速度，原則上每天產(chǎn)氣量增加不超過100m3，還要控制液面下降速度小于5m/d。煤層分層壓裂，是指地面壓裂，但是壓裂的是地下500 800米之間的煤層，只不過操作實施都是在地面進行。(2)地下水平井井下排水、實施抽采，聯(lián)合抽放瓦斯氣(煤層氣)。井下壓裂，壓的也是地下500 800米的煤層，只不過是在地下——巷到里操作實施。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，包括以下步驟 I)從地面向煤層實施垂直鉆井，直至鉆穿所述煤層，形成一地面直井；從巷道煤層開采處實施水平鉆孔，形成一地下水平井； 2)在步驟I)中形成的所述地面直井內(nèi)進行地面壓裂處理，產(chǎn)生一主裂縫并向著采煤處延伸；同時，在所述地下水平井內(nèi)進行井下壓裂處理產(chǎn)生一從裂縫并向著地面鉆井方向延伸，所述主裂縫與從裂縫在延伸過程中形成對接，互相貫穿，壓通煤層； 3)利用步驟2 )中形成的主裂縫及從裂縫，在所述地面直井及地下水平井內(nèi)對煤層氣同時進行抽放。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，在步驟I)中，所述進行垂直鉆井前還包括井位選擇步驟，所述井位選擇在煤層前方150 200米的上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，在步驟I)中，所述地面直井形成后，還包括對所述地面直井進行套管的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，在步驟I)中，所述水平鉆孔是采用長孔鉆實施水平鉆進；所述水平鉆進的距離為10 25米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，在步驟2)中，所述產(chǎn)生的主裂縫長度為150 200米，所述產(chǎn)生的從裂縫長度為30 60米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，在步驟3)中，在所述地面直井內(nèi)對煤層氣進行抽放是利用油套環(huán)空產(chǎn)氣的方式進行抽氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，所述煤層到地面的距離為500 800米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項所述的連通地面與地下開采煤層氣的方法，其特征在于，所述煤層的厚度為5 10米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連通地面與地下開采煤層氣的方法，包括以下步驟1)從地面向煤層實施垂直鉆井，直至鉆穿所述煤層，形成一地面直井；從巷道煤層開采處實施水平鉆孔，形成一地下水平井；2)在地面直井內(nèi)進行地面壓裂處理，產(chǎn)生一主裂縫并向著采煤處延伸；同時，在所述地下水平井內(nèi)進行井下壓裂處理產(chǎn)生一從裂縫并向著地面鉆井方向延伸，所述主裂縫與從裂縫在延伸過程中形成對接，互相貫穿，壓通煤層；3)利用形成的主裂縫及從裂縫在所述地面直井及地下水平井內(nèi)對煤層氣同時進行抽放。
文檔編號E21B43/26GK102817603SQ201210290490
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者姚亞明, 楊梓琪 申請人:姚亞明