CN102418549A - 构造煤发育区抽采煤层气工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，包括如下步骤：（1）从地面开直井钻到岩层，（2）岩层钻进，（3）岩层松动***，（4）再将直井钻进到煤层深度，进行煤层钻进，（5）煤层压力激动，（6）煤层开发生产；所述岩层区域位于煤层顶板之上,岩层钻进方向与煤层顶板平行且有间隔。本发明是一种可使煤层与外界压差增加，增加煤层本身透气性，使构造煤发育区瓦斯抽放效果大大改善的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法。

Description

构造煤发育区抽采煤层气工艺方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采领域，尤其是一种构造煤发育区抽采煤层气工艺方法。

背景技术

煤层瓦斯是一种洁净能源，但对煤矿生产而言更是一种灾害源。采取何种工艺手段既能把煤层中的瓦斯气体抽采出来，又能安全高效的采煤一直是煤炭生产者和瓦斯治理工作者研究的重点问题之一。目前，对煤与瓦斯突出发生机理，大家比较一致的看法是认为由煤体结构、瓦斯、地应力三者共同作用的结果。其中，煤的破坏程度从某种程度上决定了瓦斯突出的强度，同时，构造煤发育的区域，主要受到构造应力的作用，极易形成应力集中，同时，煤体结构遭受到一定程度的破坏，孔裂隙***得到改变，瓦斯更容易积聚；这些都增加了煤与瓦斯突出的危险性，不仅影响着煤炭生产速度，更重要的是可能危害人身安全。如何有效抽取构造煤发育区的瓦斯可大大降低煤与瓦斯突出的危险性。

瓦斯治理主要手段为抽采，抽采时煤层气的透气性和煤储层压力与外部压力之差是影响抽采效果的重要参数。水力挤出、水力割缝、水力压裂等是进行储层改造的重要手段。构造煤发育区，煤体松软，钻孔时很容易塌孔；同时，即使成孔，在这些煤层中进行改造时，因煤本身裂隙不发育，目前的各种工艺手段对构造煤的透气性改变不甚理想，即使有局部改变，但改变范围也非常有限。如何采取一种工艺，既能改变构造煤发育区构造煤的透气性，又能保证煤储层压力与外界空间的压力差，是改善构造煤发育区瓦斯抽采效果亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使煤层与外界压差增加，增加煤层本身透气性，使构造煤发育区瓦斯抽放效果大大改善的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）从地面开直井钻到岩层，（2）岩层钻进，（3）岩层松动***，（4）再将直井钻进到煤层深度，进行煤层钻进，（5）煤层压力激动，（6）煤层开发生产；所述岩层区域位于煤层顶板之上, 岩层钻进方向与煤层顶板平行且有间隔。

所述岩层钻进处在煤层顶板之上5～20m范围内，岩层的厚度≥4.5m，当煤层倾角<30°时，岩层向上或向下钻进均可；当煤层倾角≥30°时，岩层向上钻进，岩层钻进方向与煤层钻进走向一致；在岩层段钻孔长度≥700m, 岩层钻进与所开采煤层的钻进方向均为水平或者横向钻进且相互平行。

岩层通过岩层钻杆钻进后，***通过岩层钻杆送至岩层钻孔合适的位置，***分成适量多分，多次均匀进行放置，在直井井筒段采用常规撞针引爆，通过引爆井筒中的少量***，对岩层段的引线进行引爆，最后引爆***；***类型采用乳化***。

煤层钻进与煤层的压力激动均通过构造煤发育区钻进、增透一体化装置实现，构造煤发育区钻进、增透一体化装置包括后端与钻机连接的钻杆，钻杆前端设有钻头，钻杆杆身外圈间隔包覆有气囊，相邻两气囊之间的钻杆杆身上设有气体压裂孔，所述气囊和气体压裂孔分别通过气囊管路和气压管路与气泵连接，气泵和气罐连接，所述钻头的后端与钻杆之间连接有环绕钻杆杆身的切削片，切削片倾斜设置且尖端向后，所述切削片与钻头构成钻进方向为前后向的双向钻头，切削片的旋向与钻头旋向相反，钻头直径大于钻杆直径；

构造煤发育区钻进、增透一体化装置中的钻杆后端与钻机的转盘连接，转盘上对应气囊管路和气压管路分别开设有气囊管路孔、气压管路孔，气囊管路孔、气压管路孔分别连接有管状气囊钢制接头和气孔钢制接头，气囊管路为连接于气囊钢制接头和钻杆杆身上气囊孔之间的高压软管，气压管路为连接于气孔钢制接头和钻杆杆身上气体压裂孔之间的高压软管，气囊管路和气压管路均位于钻杆内，气囊钢制接头和气孔钢制接头又分别连通一中间高压软管与气泵连接；所述中间高压软管设有压力表和气阀，气罐至少串联两个并最终与气泵连接，每个气罐均带有气阀，所述气罐为内装氮气的氮气气罐；

还包括焊接于钻杆杆身内的环形体，并且环形体沿周圈表面开设气体压裂槽，气体压裂槽正对气体压裂孔，所述气压管路通过气体压裂槽与气体压裂孔连通；钻杆上共间隔设置两气囊；

      煤层停止钻进后，进行煤层压力激动时，启动气泵，通过气囊管路对两气囊进行通气加压，达到预定压力后，关闭气泵,连接好气压管路，启动压力气泵，开始进行压力激动，然后开启气阀阀门，使能量释放，如此反复；煤层压力激动时通过氮气压力激动。    

在煤层中钻进长度不超过100米，所述钻杆杆身长80-90米，钻杆上共间隔设置两气囊，两气囊的间距为50米，气囊的封孔压力不小于20Mpa。

所述构造煤发育区钻进、增透一体化装置还包括一端穿插过转盘进入钻杆内，另一端分别通过管道连接气泵和水泵的冷却水管，水泵出水口处连接水阀，水泵与水源连接，钻头设有冷却水孔，切削片下侧的杆身也设有冷却水孔。

岩层钻具即为构造煤发育区钻进、增透一体化装置。 

本发明针对构造煤发育区构造煤透气性差，储层压力与外界压差小，抽采效果差的难题，通过在煤层顶板砂岩层中打水平孔，通过松动***和空气造穴工艺，使砂岩层裂隙大大得到改善，煤层顶板压力得到释放；通过在煤层中利用自制钻头，对煤层进行切、削，使煤层的透气性增加，从而实现构造煤发育区煤层顶板充分卸压，煤层与外界压差增加，煤层本身透气性增加，使构造煤发育区瓦斯抽放效果大大改善的目的。

通过在岩层进行煤层气抽放有效解决了构造区成孔难的问题。

有效解决了构造区煤体难以强化的难题，使构造区煤体也可以进行有效的强化。

通过松动***和压力激动有效结合，可以使岩孔与煤体之间实现良好的贯通。

附图说明

图1是本发明的原理流程框图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是构造煤发育区钻进、增透一体化装置的结构示意图。

具体实施方式

由图1-图3所示的一种构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，包括如下步骤：

（1）从地面开直井钻到岩层钻进处，直井将先从地面经过上覆岩层34再到达顶板岩层33，顶板岩层33即所述要钻进的岩层区域，该区域位于煤层顶板之上，岩层钻进处在所开采煤层顶板之上5～20m范围内，钻进的岩层是比较坚硬的岩层，岩层的厚度≥4.5m；（岩层钻进处在所开采煤层顶板之上5～20m范围内，岩层的厚度≥4.5m，为本发明所述构造煤发育区抽采煤层气工艺方法的最佳条件，如果达不到该条件，工作人员也可根据情况采用其他方法抽采煤层气。）

（2）岩层钻进：当煤层倾角<30°时，岩层向上或向下钻进均可；当煤层倾角≥30°时，岩层向上钻进，岩层钻进方向与煤层钻进走向一致；在岩层段钻孔长度≥700m；岩层钻进方向与煤层顶板平行间隔设置，岩层钻进与所开采煤层的钻进方向均为水平或者横向钻进且相互平行；

（3）岩层松动***：岩层通过岩层钻具钻进后，***通过岩层钻杆送至岩层钻孔合适的位置，***分成适量多份，多次均匀进行放置，在直井井筒段采用常规撞针引爆，通过引爆井筒中的少量***，对岩层段的引线进行引爆，最后引爆***；***类型采用乳化***；

（4）再将直井钻进到煤层32的深度，进行煤层钻进；

（5）煤层压力激动；

（6）煤层开发生产。

所述煤层钻进与煤层的压力激动均通过构造煤发育区钻进、增透一体化装置31实现，构造煤发育区钻进、增透一体化装置31结构如下：

由图3所示的构造煤发育区钻进、增透一体化装置31包括后端与钻机的转盘8连接的钻杆10，转盘8由钻机的传动装置带动。（钻机及其转盘8、传动装置以及转盘8与钻杆10端部的连接方式均为现有技术，故不详细叙述。）

钻杆10前端设有钻头19，所述钻头19的后端与钻杆10之间连接有数个环绕钻杆10杆身的切削片18，切削片18倾斜设置且尖端向后，切削片18的旋向与钻头19旋向相反。钻头19的尖端朝前，切削片18与钻头19构成钻进方向为前后向的双向钻头。所述钻头19设有冷却水孔21，切削片18下侧的钻杆10杆身也设有冷却水孔22。

所述钻杆10杆身设有用于排出煤屑的外螺纹9。在钻杆10后端与钻头19之间的钻杆10中部杆身外圈间隔包覆有两环形气囊12，所述钻杆10杆身长80-90米，两气囊12的间距为50米，位于两气囊12之间的钻杆10杆身上设有气体压裂孔15，所述气囊12和气体压裂孔15分别通过气囊管路11和气压管路13与气泵25连接，即转盘8上对应气囊管路11和气压管路13分别开设有气囊管路孔、气压管路孔，气囊管路孔、气压管路孔分别连接有管状气囊钢制接头7和气孔钢制接头26，气囊管路11为连接于气囊钢制接头7和钻杆10杆身上气囊孔之间的高压软管，气囊孔为钻杆10杆身上连通气囊12的孔，由于气囊12为两个，所以气囊管路11也为两个，转盘8上对应两气囊管路11在两气囊管路孔设置两气囊钢制接头7；钻杆10杆身内焊接有环形体14，即环形体14周圈边沿焊接于钻杆10杆身内，（钻杆10为多段连接，为了便于制造，环形体14可先焊接在设置气体压裂孔15的那段钻杆10内，再与其他钻杆10合并连接。）并且环形体14沿周圈表面开设气体压裂槽16，气体压裂槽16开口正对气体压裂孔15，环形体14上设有连通气体压裂槽16的连接孔17，所述气压管路13为连接于气孔钢制接头26和钻杆10杆身上气体压裂孔15之间的高压软管，即所述气压管路13接入连接孔17通过气体压裂槽16与气体压裂孔15连通。所述气囊管路11和气压管路13均位于钻杆10内，环形体14后侧的气囊管路11可通过环形体14的内径孔穿插过去。

所述每个气囊钢制接头7和气孔钢制接头26又分别连通一中间高压软管4实现与气泵25连接，每个中间高压软管4均设有压力表5、气阀阀门6、流量计和压力计。气泵25和气罐1连接，气罐1至少串联两个并最终与气泵25连接，本实施例中通过高压软管3共串联四个气罐1，每个气罐1均带有气阀2。

还包括一端穿插过转盘8进入钻杆10内，另一端分别通过管道连接气泵25和水泵28的高压冷却水管27，水泵28的出水口处连接水阀，水泵28与水源29连接。水源29可以是水池或者水罐。

本发明所述的构造煤发育区钻进、增透一体化装置31，共构成了三个***，即压力***24、密封***23、钻进***20。

一.钻进***20

钻进***20包括钻机转盘8、钻杆10、双向钻头、冷却水孔21、22等，该***主要是进行煤层的钻进以及为钻具的拔出起到辅助作用。

该***在钻头19处安装双向钻头。为了简化操作工艺，在钻进过程中两者同时随钻杆10旋转，但是旋转方向相反，两者均焊接在钻杆10上。在向前钻进时由于前钻头19已经钻出较大的空间，因此后边钻体基本不起作用。在向外拔出钻具时，钻具难以拔出的主要原因就是在钻头19处被卡，这时可以启动钻机旋转，利用切削片18进行切削煤体，由于是二次钻进因此可以轻易拔出。如果还不能拔出，则可以启动压力激动装置进行松动。

钻出的煤屑通过钻杆10上的螺纹排出。排出动力就靠机械旋转，又靠含有少量水的风压作用。由于破碎煤体不易和水接触，在此主要靠风力排出煤屑，少量的水既可以提高风的携带能力，同时可以冷钻头19。冷却以后通过冷却水孔21、22排出。钻机转盘8上可在中心位置设置通冷却水的水孔。其中混有少量水的气体通过水泵28和高压气泵25泵入到高压高压冷却水管27，然后进入钻杆10。

二. 密封***23

密封***23包括高压软管、封闭胶囊等，鉴于气体压裂能力有限，该***主要是为进行分段压力激动提供一个较小的密闭空间；该***主要是起到密封的作用。

完成钻进以后，对于很破碎难以成孔的煤体没有必要再进行压力激动。对于能够成孔，煤体相对不是很破碎的钻孔。将钻具移至合适的位置。然后起动高压气泵25对封闭气囊12开始充气，直到达到预定压力，其中预定压力要大于最大激动压力。气囊12完全封闭以后关闭阀门，避免漏气。

封闭气囊12固定在钻杆10上，为了达到更好的强化效果，两封闭气囊12之间的距离以50m为宜，具体情况视现场实际情况而定。在钻进过程中，气囊12靠弹性紧紧贴在钻杆10上，不会影响煤屑从其上边流出。气囊12为环形，环绕在钻杆10上。

三. 压力***24

压力***24包括高压气泵25、高压软管、钢制接头、阀门、流量计、压力计等，该***主要为打钻成孔后进行储层压力激动提供所需压力该***主要是进行压力激动。

压力激动处安装一个环形体14，焊接在钻杆10上，环形体14的气体压裂槽16与煤体之间通过气体压裂孔15连通。进行压力激动时，高压气体通过气压管路13流到压力激动处，然后和煤体之间进行相互作用。高压气体通过高压气泵25进行加压获得。最大压力越大越好，最小不低于15Mpa。具体激动压力及激动次数根据实施情况而定。

本发明所述的构造煤发育区钻进、增透一体化装置31在使用时的具体步骤如下：

1. 将压力***24放置地表直井井口处，在井口处设置井口装置，构造煤发育区钻进、增透一体化装置31的高压软管以及其他管路均通过井口装置穿进，井口装置为现有技术，起到固定定位的作用，故不详细叙述。

2.备好气罐1的装置，检查装置气密性。

3.安装钻头19，进行煤层段钻进。

4.钻进结束以后，根据煤体情况决定是否进行压力激动。

5. 压力激动时，启动高压气泵25，通过气囊管路11对两气囊12进行加压，达到预定压力后，关闭气泵25。

6.连接好气压管路13，启动压力气泵25，开始进行压力激动，然后突然开启气阀阀门6，使能量释放，如此反复几次。两气囊12充涨后，可封堵两气囊12之间的煤屑，更利于气体压裂，提高煤的透气性。

7.直到每段都进行了储层改造。开启钻机，把钻进设备从煤孔中拔出。

8.把钻孔进行密封，接入抽放管路进行抽放。

9.整理装置。

在步骤（3）中所述岩层钻具即为构造煤发育区钻进、增透一体化装置31，具体使用过程同上，岩层钻进时不需要压力激动，所以该钻杆在钻进中只使用钻进功能即可。从直井到水平或者横向的岩层钻进以及直井到水平或者横向的煤层钻进均可通过斜向器实现，斜向器及其使用方法均为常用现有技术，故不详细叙述。

Claims (7)

1.一种构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）从地面开直井钻到岩层，（2）岩层钻进，（3）岩层松动***，（4）再将直井钻进到煤层深度，进行煤层钻进，（5）煤层压力激动，（6）煤层开发生产；所述岩层区域位于煤层顶板之上, 岩层钻进方向与煤层顶板平行且有间隔。

2.如权利要求1所述的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：所述岩层钻进处在煤层顶板之上5～20m范围内，岩层的厚度≥4.5m，当煤层倾角<30°时，岩层向上或向下钻进均可；当煤层倾角≥30°时，岩层向上钻进，岩层钻进方向与煤层钻进走向一致；在岩层段钻孔长度≥700m, 岩层钻进与所开采煤层的钻进方向均为水平或者横向钻进且相互平行。

3.如权利要求1或2所述的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：岩层通过岩层钻具钻进后，***通过岩层钻杆送至岩层钻孔合适的位置，***分成适量多份，多次均匀进行放置，在直井井筒段采用常规撞针引爆，通过引爆井筒中的少量***，对岩层段的引线进行引爆，最后引爆***；***类型采用乳化***。

4.如权利要求3所述的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：煤层钻进与煤层的压力激动均通过构造煤发育区钻进、增透一体化装置实现，构造煤发育区钻进、增透一体化装置包括后端与钻机连接的钻杆，钻杆前端设有钻头，钻杆杆身外圈间隔包覆有气囊，相邻两气囊之间的钻杆杆身上设有气体压裂孔，所述气囊和气体压裂孔分别通过气囊管路和气压管路与气泵连接，气泵和气罐连接，所述钻头的后端与钻杆之间连接有环绕钻杆杆身的切削片，切削片倾斜设置且尖端向后，所述切削片与钻头构成钻进方向为前后向的双向钻头，切削片的旋向与钻头旋向相反，钻头直径大于钻杆直径；

构造煤发育区钻进、增透一体化装置中的钻杆后端与钻机的转盘连接，转盘上对应气囊管路和气压管路分别开设有气囊管路孔、气压管路孔，气囊管路孔、气压管路孔分别连接有管状气囊钢制接头和气孔钢制接头，气囊管路为连接于气囊钢制接头和钻杆杆身上气囊孔之间的高压软管，气压管路为连接于气孔钢制接头和钻杆杆身上气体压裂孔之间的高压软管，气囊管路和气压管路均位于钻杆内，气囊钢制接头和气孔钢制接头又分别连通一中间高压软管与气泵连接；所述中间高压软管设有压力表和气阀，气罐至少串联两个并最终与气泵连接，每个气罐均带有气阀，所述气罐为内装氮气的氮气气罐；

还包括焊接于钻杆杆身内的环形体，并且环形体沿周圈表面开设气体压裂槽，气体压裂槽正对气体压裂孔，所述气压管路通过气体压裂槽与气体压裂孔连通；钻杆上共间隔设置两气囊；

      煤层停止钻进后，进行煤层压力激动时，启动气泵，通过气囊管路对两气囊进行通气加压，达到预定压力后，关闭气泵,连接好气压管路，启动压力气泵，开始进行压力激动，然后开启气阀阀门，使能量释放，如此反复；煤层压力激动时通过氮气压力激动。

5.如权利要求4所述的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：在煤层中钻进长度不超过100米，所述钻杆杆身长80-90米，钻杆上共间隔设置两气囊，两气囊的间距为50米，气囊的封孔压力不小于20Mpa。

6.如权利要求5所述的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：所述构造煤发育区钻进、增透一体化装置还包括一端穿插过转盘进入钻杆内，另一端分别通过管道连接气泵和水泵的冷却水管，水泵出水口处连接水阀，水泵与水源连接，钻头设有冷却水孔，切削片下侧的杆身也设有冷却水孔。

7.如权利要求6所述的构造煤发育区抽采煤层气工艺方法，其特征在于：所述岩层钻具即为构造煤发育区钻进、增透一体化装置。

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