软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法

技术领域

本发明涉及一种瓦斯超前抽采方法，属于瓦斯抽采技术领域，具体是涉及一种软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法。

背景技术

软硬交互煤层是指软煤和硬煤交互存在的一类煤层，这类煤层在我国分布非常广泛、且瓦斯资源量巨大，抽采其中的瓦斯气有利于遏制煤矿瓦斯灾害、保障煤矿安全生产。目前，在软硬交互煤层发育的矿井治理瓦斯普遍采用井下钻孔瓦斯预抽的方法，这种方法存在工程量大、施工难、抽采量低、抽采不均衡、抽采达标时间长等问题，采掘接替矛盾十分突出，安全高效生产的压力大。若采煤前进行地面井预抽瓦斯，将大大缩短瓦斯预抽采时间，为巷道掘进、工作面准备提供足够的时间和空间，提高矿井的生产效率。

目前软硬交互煤层地面直井预抽总体呈现抽采效果差、效率低的特征，且采煤采气相互干扰影响，难以满足煤矿条带化、快速、高效降低瓦斯含量的需要。而软硬交互煤层的水平井分段压裂强化抽采鲜有成功案例。主要存在以下几方面困难：(1)水平井规划部署不合理，与采煤采气一体化设计理念不相符，严重影响后期采煤活动；(2)水平井抽采存在井眼轨迹控制难度大，软煤层中钻进井壁稳定性差、无法成孔，钻井施工风险高；(3)压裂施工难度大、软煤裂缝延伸困难、改造效果差，难以实现对软硬煤的同步改造；(4)排水采气事故多、停泵检修频繁，造成抽采成本高等问题。

综上所述，目前软硬交互煤层瓦斯超前抽采部署不合理，水平井钻井轨迹控制难度大、压裂、排采效果差，难以达到采煤采气一体化，难以实现大范围、快速降低软硬交互煤层的瓦斯含量、达到强化抽采瓦斯效果的目的。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法，提高瓦斯水平井产气量，实现强化抽采效果的地面瓦斯水平井抽采新技术。

为解决上述问题，本发明公开了一种软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：沿规划采煤工作面之间的保护煤柱方向部署U型远端对接水平井组，且水平段纵向位置位于软硬交互煤层的分布稳定、相对较厚的硬煤分层中；

步骤2：在保护煤柱的构造深部施工对接直井，采用下套管固井完井，同时获取A靶点煤层的埋深、煤心结构、以及测井参数；

步骤3：在保护煤柱构造浅部施工水平井导眼井，获取B靶点煤层的埋深和煤心结构信息；

步骤4：在硬煤分层中进行水平井眼精确钻进、并与直井成功对接；

步骤5：水平井下入防窜通固井管柱，进行全井段固井完井；

步骤6：对水平井进行分段射孔压裂施工，采用后撤式方法，逐段完成水平井全井段软硬煤同步压裂改造；

步骤7：下入磨洗工具对套管内的阻塞物进行磨洗，再次实现水平井与对接直井的沟通；

步骤8：对水平井进行瓦斯高效抽采。

其中，步骤1中所述的水平井部署，水平井应优先选择煤层埋深相对较深的保护煤柱，煤柱的三向地应力中应满足垂向应力＞水平应力，且煤柱的垂向与水平应力差＞4MPa，最大和最小水平应力差

＞2MPa、应力差异系数＞0.2,压裂时有利于形成一条垂直裂缝对软硬交互煤层进行同步改造。

其中，步骤3中所述的水平井导眼井施工，在水平井二开着陆之前，当水平井井斜角达到70°-75°左右、稳斜钻穿煤层进行导眼井钻进，既能保证水平井顺利向下钻进揭露煤层信息，又能确保钻遇的煤层位置接近水平井着陆点位置，确保着陆位置更准确、可靠。

其中，步骤4中所述的水平段施工，依据A、B靶点参数、结合水平井周边钻孔信息建立目标硬煤分层分布的预想地质剖面；采用随钻地质导向测井技术，实时监测水平井眼上下电阻率和自然伽马等参数，结合岩层、硬煤和软煤的岩屑和钻时录井信息实时调整，控制水平井眼在硬煤分层中精确钻进，提高硬煤分层的钻遇率。

其中，步骤5中所述的防窜通固井管柱包括依次连接的导引器、可钻盲堵器、封隔器、长套管、割缝套管、单流阀、套管短节、关井阀、套管串。所述的固井管柱下入水平井中，管柱最前端的导引器末端下入至距离水平井与直井对接点位置0-0.5m范围。

其中，步骤5中所述的防窜通固井管柱，固井管柱中设计有可钻盲堵器，主要封隔套管内与对接直井的通道，避免固井水泥浆从套管内进入直井洞穴。固井管柱中设计有管外封隔器，下入至临近对接点位置，封隔套管外环空，防止套管外环空固井水泥浆与对接井窜通。固井管柱中的套管短节两端分别连接可钻性的单流阀和关井阀，能有效阻止固井液体通过单流阀和关井阀发生倒流，发挥双重保险作用。固井管柱的单流阀下端连接的割缝套管，长度不低于2m，缝眼密度为20孔/m，缝眼长40mm、宽10mm，固井水泥浆通过割缝套管向水平井井口循环，作为套管内与外环空的水泥浆通道。

其中，步骤6中所述的水平井射孔施工，射孔方位依据软硬煤的位置关系进行射孔方位调整，上硬-下软煤层采用垂直向下和与向下成45°的方位进行定向射孔，上软-下硬煤层采用垂直向上和与向上成45°的方位进行定向射孔，上软-中硬-下软煤层采用相位角为60°螺旋布孔方式进行射孔。

其中，步骤6中所述的水平井分段射孔压裂施工，采用高速射流诱导水流的压裂方法，高速射流速度＞240m/s、射流击穿地层深度＞1m，高速射流可以击穿硬煤分层，诱导压裂液顺畅进入软煤分层，提高软煤分层的压裂改造效果，实现对软硬煤同步改造。同时射流诱导水流压裂排量＞7m

其中，步骤8中所述的水平井高效抽采，依据水平井所处的不同产气阶段进行排采方式调整，产气初期在直井进行排水，在水平井进行采气生产；随着产气段向直井不断推进，排采中后期在直井进行排水，在直井和水平井同时进行采气生产；采用智能控制系统实时监控井底流压、套压、产水量、产气量和煤粉产出浓度等排采动态参数，分阶段对排采参数作出自动调整，实现精细化排采管理，达到“连续、缓慢、平稳”降压采气目标。

通过上述步骤可知，本发明的软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法具有如下效果：

1、水平井规划部署兼顾后期采煤活动影响，做到采煤采气一体化设计，实现煤与煤层气协调开发的目的；

2、能避免软煤分层中井壁稳定性差、无法成孔、钻井施工风险高等问题，提高水平井在硬煤分层中钻遇率，提高软硬交互煤层水平井的钻井施工成功率和效果；

3、能克服软煤裂缝延伸困难、改造效果差等问题，实现对软硬煤的同步压裂改造，提高软硬交互煤层水平井增产改造效果，达到水平井强化抽采目的；

4、水平井具有排水采气效果好、单井产量和抽采效率高、生产运行成本低等特点，而且能够实现大范围、快速降低软硬交互煤层的气含量，保障煤矿安全生产。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1-1，1-2显示了本发明的水平井组规划部署示意图。

图2显示了本发明的水平井防窜通固井管柱结构示意图。

图3显示了本发明的硬煤分层中水平井完井示意图。

图4显示了本发明的硬煤分层中水平井射孔方位示意图。

图5显示了本发明的硬煤分层中水平井同步压裂改造效果图。

附图标记：

1-水平井；2-对接直井；3-导眼井；4-软煤分层；5-硬煤分层；6-水平井眼；7-套管内固井阻塞物；8-射孔方位；9-射孔工具；10-射孔孔眼；11-压裂缝；12-导引器；13-盲堵器；14-管外封隔器；15-长套管；16-割缝套管；17-单流阀；18-套管短节；19-关井阀；20-套管串；21-采煤工作面；22-保护煤柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

参见附图，显示了本发明的一种软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法，用于在软硬交互煤层的地面瓦斯超前强化抽采消突和区域瓦斯灾害治理。

所述的一种软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法包括如下步骤：

步骤1：沿规划采煤工作面21之间的保护煤柱22方向部署U型远端对接水平井组，且水平段纵向位置位于软硬交互煤层的分布稳定、相对较厚的硬煤分层5中；

具体而言，所述水平井1沿规划采煤工作面21之间的保护煤柱22方向部署，能避免在工作面21部署水平井1影响后期采煤活动，排采直井2位于保护煤柱构造深部，水平井1位于保护煤柱构造浅部，并与排采直井2进行对接，排采时能提高整个煤层水平段的降压面积，提高水平井的开发效果。水平段井眼轨迹部署在分布稳定、相对较厚的硬煤分层5中，水平井井壁稳定性相对较好，不容易出现垮孔埋钻，钻井风险低。

同时应优先选择埋深相对较深的保护煤柱，煤柱的三向地应力中应满足垂向应力＞水平应力，且煤柱的垂向与水平应力差＞4MPa，最大和最小水平应力差＞2MPa、应力差异系数＞0.2,压裂时有利于形成一条垂直裂缝对软硬交互煤层进行同步改造，提高瓦斯的强化抽采效果。

步骤2：在保护煤柱构造深部施工对接直井2，采用下套管固井完井，同时获取A靶点煤层的埋深、煤心结构、以及测井参数；

步骤3：在保护煤柱构造浅部施工水平井导眼井3，获取B靶点煤层的埋深和岩屑信息；

具体而言，水平井导眼井3施工时，当水平井1二开钻进至井斜角达到70°-75°左右、稳斜进行导眼井3钻进，既能保证水平井1安全向下钻进揭露煤层信息，又能确保钻遇的煤层位置接近水平井1着陆点位置，确保着陆位置更准确、可靠。

步骤4：在硬煤分层5中进行水平井眼6精确钻进、并与排采直井2成功对接；

具体而言，水平段施工依据A、B靶点参数、结合水平井1周边钻孔信息建立目标硬煤分层分布的预想地质剖面；采用随钻地质导向测井技术，实时监测水平井眼上下电阻率和自然伽马等参数，结合岩层、硬煤、软煤的岩屑和钻时录井信息实时调整，控制水平井眼在软硬交互煤层的硬煤分层5中精确钻进，提高硬煤分层5的钻遇率。

其中，软硬煤钻井中岩屑存在明显差异，硬煤分层5指以原生结构和碎裂结构为主的中硬煤分布的煤层段，软煤分层4指以碎粒结构和糜棱结构为主的碎软煤分布的煤层段，硬煤分层5钻进过程中形成煤屑以颗粒状、碎片状和碎块状为主，软煤分层4钻进过程中形成煤屑以碎粒状、粉末状为主，可以通过软硬煤的岩屑辨别水平井1的钻遇位置。

其中，软硬煤存在明显的测井响应特征，硬煤分层5具有高电阻率、低自然伽马特性，软煤分层4具有低电阻率、低自然伽马特性，顶底板岩石具有低电阻率、高自然伽马特性，采用随钻地质导向测井技术，钻进时实时监测井眼上下电阻率和自然伽马等参数，可以实时判断井眼轨迹的位置。

步骤5：水平井1下入防窜通固井管柱，进行全井段固井完井；

具体而言，防窜通固井管柱包括依次连接的导引器12、可钻盲堵器13、封隔器14、长套管15、割缝套管16、单流阀17、套管短节18、关井阀19、套管串20。所述的固井管柱下入水平井1中，管柱最前端的导引器12末端下入至距离水平井1与直井对接点位置0-0.5m范围。

其中，防窜通固井管柱中设计有可钻盲堵器13主要封隔套管内与对接直井2的通道，避免固井水泥浆从套管内进入直井洞穴。固井管柱中设计有管外封隔器14，下入至临近对接点位置，封隔套管外环空，防止套管外环空固井水泥浆与对接直井2窜通。固井管柱中的套管短节18两端分别连接可钻性的单流阀17和关井阀19，能有效阻止固井液体通过单流阀17和关井阀19发生倒流，发挥双重保险作用。固井管柱的单流阀17下端连接的割缝套管16，套管长度不低于2m，缝眼密度为20孔/m，缝眼长40mm、宽10mm，固井水泥浆通过割缝套管16向水平井1井口循环，作为套管内与外环空的水泥浆通道。同时套管串20中连接有刚性滚轮扶正器，扶正器设计间距为30m。目的减小套管与井壁之间的摩擦阻力，降低套管下入难度；同时提高水平井段套管居中度、提高水平段固井质量。

步骤6：对水平井1进行分段射孔压裂施工，采用后撤式方法，逐段完成水平井全井段软硬煤同步压裂改造；

具体而言，水平井射孔依据软硬煤的位置关系进行射孔方位8调整，上硬下软煤层采用垂直向下和与向下成45°的方位进行定向射孔，上软下硬煤层采用垂直向上和与向上成45°的方位进行定向射孔，上软-中硬-下软煤层采用相位角为60°螺旋布孔方式进行射孔。

其中，硬煤的弹性模量相对较高、泊松比偏小，软煤的弹性模量相对偏低、泊松比偏高，裂缝在硬煤分层5中扩展速率和效果要好于软煤分层4，同时由于软硬煤的界面存在，增加了裂缝向软煤层延伸的难度。因此，水平井压裂施工采用高速射流诱导水流的压裂方法，高速射流速度＞240m/s、射流击穿地层深度＞1m。高速射流可以击穿硬煤分层5，在高速射流的诱导下，压裂水流可以顺畅进入软煤分层4，提高软煤分层4的压裂改造效果，实现对软硬煤同步改造。同时射流诱导水流压裂排量＞7m

步骤7：下入磨洗工具对套管内的固井阻塞物7进行磨洗，再次实现水平井与对接直井的沟通；

步骤8：对水平井进行瓦斯高效抽采。

具体而言，水平井眼轨迹沿煤层下倾方向，在相同的解吸压力的条件下，水平井1先产气，产气段逐步向直井2推进，因此排采方式依据水平井1所处的不同产气阶段进行调整，让气体顺其自然产出，产气初期(刚开始产气阶段)在直井2进行排水，在水平井1进行采气生产；随着产气段向直井2不断推进，排采中后期(水平井继续产气、直井开始产气的后续排采阶段)在直井2进行排水，在直井2和水平井1同时进行采气生产；能够克服气体向直井2运移过程中的阻力，减少气体携带的煤粉和产气对排采设备运转的影响，提高排水采气的连续性和稳定性。同时采用智能控制系统实时监控井底流压、套压、产水量、产气量和煤粉产出浓度等排采动态参数，分阶段对排采参数作出自动调整，实现精细化排采管理，达到“连续、缓慢、平稳”降压采气目标。

通过上述步骤可知，本发明的软硬交互煤层水平井分段压裂瓦斯超前抽采方法具有如下效果：

1、水平井规划部署兼顾后期采煤活动影响，做到采煤采气一体化设计，实现煤与煤层气协调开发的目的；

2、能避免软煤分层中井壁稳定性差、无法成孔、钻井施工风险高等问题，提高水平井在硬煤分层中钻遇率，提高软硬交互煤层水平井的钻井施工成功率和效果；

3、能克服软煤裂缝延伸困难、改造效果差等问题，实现对软硬煤的同步压裂改造，提高软硬交互煤层水平井增产改造效果，达到水平井强化抽采目的；

4、水平井具有排水采气效果好、单井产量和抽采效率高、生产运行成本低等特点，而且能够实现大范围、快速降低软硬交互煤层的气含量，保障煤矿安全生产。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。