一种协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法技术

本发明专利技术公开了一种协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法。该方法首先对矿井进行勘测，由地面向老空区底板施工水平井，压入二氧化碳气体清洗，进行煤层气抽采；当煤层气单位时间抽采量下降到Q1的20%~40%，循环停抽‑降低抽采压力并再次抽采的过程；当抽采量下降到Q1的20%以下时，注入二氧化碳驱替并再次抽采；当抽采量再次下降到Q1的20%以下，压裂水平井与下煤层煤岩层，进行煤层气排采；当抽采量下降至Q2的20%以下时，进行超临界二氧化碳驱替；再次抽采直至抽采量下降到的Q2的10%时停抽。该方法实现了协同抽采垮落式老空区及临近薄煤层的煤层气，节约成本并最大限度抽采煤层气资源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，属于抽采煤层气

技术介绍
由于长期的工业化开采，我国存在着无数众多、面积巨大的老空区。仅以山西省为例，截止2013年底，山西省共有4700余处废弃矿井，老空区面积已达5000平方公里，这些老空区的开挖多是采用的是采出率较低旧式爆破采煤工艺，其煤炭采出率一般在50％～60％，甚至更低，因此上述老空区赋存着相当可观的煤层气资源瓦斯储量，相关数据显示仅以山西省为例老空区煤层气资源量约30亿立方米。瓦斯是一种清洁能源，对老空区残留煤层气的能源化利用，可有效缓解我国天然气供应不足的局面；同时瓦斯作为一种有害气体，排放到大气中所产生的温室效应是二氧化碳的21倍，因此对这部分瓦斯的抽采利用具有良好的经济效益及环境效益。目前针对老空区瓦斯的抽采主要是针对单一工作面老空区瓦斯的抽采，其方法是由地面向老空区上部裂隙带内施工地面钻井以抽采老空区瓦斯，此种方法钻井施工过程中施工难度大、事故发生率高、成孔率低。而且一个地面井筒只能针对一个老空区进行抽采，抽采的煤层气产量低且成本高。中国专利CN105114038A公布了一种依靠超临界CO2射流压裂相邻老空区间煤柱抽采同一水平两个老空区瓦斯的方法；中国专利CN104696006A公布了一种穿透多层老空区残留煤柱抽采多层老空区残余煤层气的方法；上述方法均为竖井抽采多个老空区瓦斯做出了重要探索；然而，上述专利存在着地面垂直钻井与煤层气储层接触面小、抽采范围有限等问题，同时上述专利均为抽采老空内存留煤层气资源，均未将老空区煤层气与相邻为开采煤层气资源统筹起来，考虑协同起来抽采。事实上，煤田中煤层往往以多层煤相距一定距离的形式赋存在煤田中，针对上部是老空区下部是较薄煤层的组合地质情况下，目前从固体矿床开挖开采(传统开挖采煤)的角度往往对下部煤层厚度起伏变化较大的薄煤层(0～1.5米)进行弃采，弃采的原因多为采矿技术上不可行或技术上可行但从经济成本角度对其弃采，这就造成了相当一大部分煤炭(煤层气)资源的大量浪费。为此针对上述问题，本专利技术从协同抽采、综合开发的角度出发，提出一种将上部垮落法开采形成老空区煤层气以及下部薄煤层煤层气同时抽采出的方法。
技术实现思路
针对上述煤炭(煤层气)资源弃采造成的大量资源浪费现象，本专利技术提出一种既能协同抽采上部老空区煤层气又能回收下部薄煤层煤层气资源的煤层气抽采方法。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：本专利技术提供了一种协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，包括以下步骤：1)根据矿井采掘情况、煤层柱状图以及井上下对照图等已有地质采掘资料，同时运用物理勘探手段对已开挖的老空区进行现场勘测，明确获得上部已开挖的老空区参数(包括老空区开挖范围，空洞、煤柱分布情况等)，下部煤层与上部老空区之间的距离D；2)获得由上部煤层垮落式老空区开挖引起的底板破坏深度d；3)若D≦d则由地面向上部老空区底板和下部煤层顶板之间的中间岩层处施工水平井，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内压入1～2MPa的二氧化碳气体30～60分钟，对水平井进行清洗；若D﹥d时，则由地面向上部老空区底板破坏深度处施工水平井，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内压入1～2MPa的二氧化碳气体30～60分钟，对水平井进行清洗；水平井由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段、造斜段、水平井垂直段以及水平井地面端，其中水平井地面端通过三通分两条支路：抽采管Ⅰ和注气管，其中抽采管Ⅰ上设有阀门Ⅰ，注气管上设有阀门Ⅱ，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅰ，地面设有密封装置Ⅰ；4)打开阀门Ⅰ由抽采管Ⅰ对水平井进行第一次煤层气抽采，记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q1；5)当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20％～40％时，关闭阀门Ⅰ，停抽12～36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，同时降低抽采压力继续进行煤层气抽采；当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q1的20％～40％时，再次关闭阀门Ⅰ，停抽12～36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，再次降低抽采压力进行煤层气抽采；循环上述停抽-降压抽采的过程，直至抽采压力降低至比大气压低80～100kpa；6)当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20％以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内注入5～20MPa的CO2气体8～36小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ，静待12～48小时，之后再次打开阀门Ⅰ进行煤层气抽采；7)当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q1的20％以下时，拆卸井口三通及密封装置Ⅰ，由井口下放分段压裂设备，对水平井水平段与下部煤层之间的层间岩层以及下部煤层实施定向压裂；8)将水平井垂直段进行垂向延伸，直至延伸至下部煤层底板5～20米范围处；9)由水平井垂直段处安设相关排采设备，排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵、抽油管，抽油管内设有抽油杆，地面设置的抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直段内的水进行排采；水平井垂直段地面端由四通分为三条支路：排水管、抽采管Ⅱ、注流管，排水管连接井下抽油管，地面端设有阀门Ⅳ，抽采管Ⅱ地面端连有阀门Ⅲ，注流管地面端连有阀门Ⅴ，注流管的井下部分一直延伸到水平井水平段内，且位于水平井水平段内为筛眼段，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅱ，地面设有密封装置Ⅱ；打开阀门Ⅲ和阀门Ⅳ，由抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直段内的水进行抽采，同时由抽采管Ⅱ进行煤层气抽采，记录排采中单位时间内煤层气最大抽采量Q2；10)当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的20％以下时，关闭阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，打开阀门Ⅴ由注流管向水平井内注入温度为32～50℃、压力为8～20MPa的超临界CO224～72小时，关闭阀门Ⅳ，静待12～48小时；11)再次打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，由排采设备再次进行排水降压以及煤层气抽采；12)当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的10％以下时，停止煤层气抽采。上述的协同抽采上部垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，所述上部老空区底板岩层破坏深度的确定，需要运用现场实测、保护层开采中底板卸压深度公式、基于塑形理论的底板岩层最大破坏深度公式以及实验室数值模拟、相似模拟的方式或是五种方法相互结合来确定，确定破坏深度时取上述方法获得的最小值作为参考值。上述的协同抽采上部垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，所述水平井垂直段从老空区边界煤柱中穿过，与边界煤柱端部的水平距离为10～60米，水平井水平段垂深由底板破坏深度以及上部老空区与下部煤层之间的层间距离所决定，水平井造斜段造斜点选取则由已确定的水平段、垂直段层位以及现场钻井工艺决定。上述的协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，所述定向分段压裂为套管限流压裂、多级封隔器分段压裂或定向水力喷射分段压裂技术中的一种。采用上述技术方案，本专利技术获得的有益效果是：该专利技术从煤炭(煤层气)资源协同开采(抽采)的角度出发，同时将老空区残留的大量煤层气资源以及采用传统采矿方法弃采的临近薄煤层的煤层气资源考虑在内，提出了一种协同抽采煤层气的创新方法。该方法可有效解决原有单纯采用地面垂直钻井抽采老空区时，抽采钻井与老空区储层有效接触面积小、抽采范围有限的难题；同时该方法避免了地面钻井施工至老空区裂隙带上方造成的钻井事故率高、成孔率低、施工难度大的难题；在抽采老空区煤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，其特征在于：包括以下步骤：1）根据矿井采掘情况、煤层柱状图以及井上下对照图等已有地质采掘资料，同时运用物理勘探手段对已开挖的老空区进行现场勘测，明确获得上部已开挖的老空区参数，下部煤层与上部老空区之间的距离D，老空区参数包括老空区开挖范围、空洞、煤柱分布情况；2）获得由上部煤层垮落式老空区开挖引起的底板破坏深度d；3）若D≦d则由地面向上部老空区底板和下部煤层顶板之间的中间岩层处施工水平井，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内压入1~2MPa的二氧化碳气体30~60分钟，对水平井进行清洗；若D﹥d时，则由地面向上部老空区底板破坏深度处施工水平井，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内压入1~2MPa的二氧化碳气体30~60分钟，对水平井进行清洗；水平井由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段、造斜段、水平井垂直段以及水平井地面端，其中水平井地面端通过三通分两条支路：抽采管Ⅰ和注气管，其中抽采管Ⅰ上设有阀门Ⅰ，注气管上设有阀门Ⅱ，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅰ，地面设有密封装置Ⅰ；4）打开阀门Ⅰ由抽采管Ⅰ对水平井进行第一次煤层气抽采，记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q1；5）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%~40%时，关闭阀门Ⅰ，停抽12~36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，同时降低抽采压力继续进行煤层气抽采；当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q1的20%~40%时，再次关闭阀门Ⅰ，停抽12~36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，再次降低抽采压力进行煤层气抽采；循环上述停抽‑降压抽采的过程，直至抽采压力降低至比大气压低80~100kpa；6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内注入5~20MPa的CO2气体8~36小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ，静待12~48小时，之后再次打开阀门Ⅰ进行煤层气抽采；7）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q1的20%以下时，拆卸井口三通及密封装置Ⅰ，由井口下放分段压裂设备，对水平井水平段与下部煤层之间的层间岩层以及下部煤层实施定向压裂；8）将水平井垂直段进行垂向延伸，直至延伸至下部煤层底板5~20米范围处；9）由水平井垂直段处安设相关排采设备，排采设备由井下到地面部分依次设有抽油泵、抽油管，抽油管内设有抽油杆，地面设置的抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直段内的水进行排采；水平井垂直段地面端由四通分为三条支路：排水管、抽采管Ⅱ、注流管，排水管连接井下抽油管，地面端设有阀门Ⅳ，抽采管Ⅱ地面端连有阀门Ⅲ，注流管地面端连有阀门Ⅴ，注流管的井下部分一直延伸到水平井水平段内，且位于水平井水平段内为筛眼段，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅱ，地面设有密封装置Ⅱ；打开阀门Ⅲ和阀门Ⅳ，由抽油机通过抽油杆驱动抽油泵对水平井垂直段内的水进行抽采，同时由抽采管Ⅱ进行煤层气抽采，记录排采中单位时间内煤层气最大抽采量Q2；10）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的20%以下时，关闭阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，打开阀门Ⅴ由注流管向水平井内注入温度为32~50℃、压力为8~20MPa的超临界CO2 24~72小时，关闭阀门Ⅳ，静待12~48小时；11）再次打开阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，由排采设备再次进行排水降压以及煤层气抽采；12）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q2的10%以下时，停止煤层气抽采。...

【技术特征摘要】
1.一种协同抽采垮落式老空区及下煤层煤层气的方法，其特征在于：包括以下步骤：1）根据矿井采掘情况、煤层柱状图以及井上下对照图等已有地质采掘资料，同时运用物理勘探手段对已开挖的老空区进行现场勘测，明确获得上部已开挖的老空区参数，下部煤层与上部老空区之间的距离D，老空区参数包括老空区开挖范围、空洞、煤柱分布情况；2）获得由上部煤层垮落式老空区开挖引起的底板破坏深度d；3）若D≦d则由地面向上部老空区底板和下部煤层顶板之间的中间岩层处施工水平井，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内压入1~2MPa的二氧化碳气体30~60分钟，对水平井进行清洗；若D﹥d时，则由地面向上部老空区底板破坏深度处施工水平井，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内压入1~2MPa的二氧化碳气体30~60分钟，对水平井进行清洗；水平井由井下向地面延伸处依次分为水平井水平段、造斜段、水平井垂直段以及水平井地面端，其中水平井地面端通过三通分两条支路：抽采管Ⅰ和注气管，其中抽采管Ⅰ上设有阀门Ⅰ，注气管上设有阀门Ⅱ，对水平井垂直段近地面端进行密封形成密封段Ⅰ，地面设有密封装置Ⅰ；4）打开阀门Ⅰ由抽采管Ⅰ对水平井进行第一次煤层气抽采，记录此时单位时间内煤层气抽采量为Q1；5）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%~40%时，关闭阀门Ⅰ，停抽12~36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，同时降低抽采压力继续进行煤层气抽采；当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q1的20%~40%时，再次关闭阀门Ⅰ，停抽12~36小时，之后再次打开阀门Ⅰ，再次降低抽采压力进行煤层气抽采；循环上述停抽-降压抽采的过程，直至抽采压力降低至比大气压低80~100kpa；6）当单位时间内煤层气抽采量下降至Q1的20%以下时，关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ由注气管向水平井内注入5~20MPa的CO2气体8~36小时，之后关闭地面上阀门Ⅱ，静待12~48小时，之后再次打开阀门Ⅰ进行煤层气抽采；7）当单位时间内煤层气抽采量再次下降至Q1的20%以下时，拆卸井口三通及密封装置Ⅰ，由井口下放分段压裂设备，对水平井水平段与下部煤层之间的层间岩层以及下部煤层实施定向压裂；8）将水平井垂直段进行垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，李振，张钰亭，高强，杜献杰，白锦文，郭军，张玉江，康立勋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14