L型钻井试验项目方案

1、焦煤集团屯兰矿12408 工作面“L”地面煤层气井抽采试验方案山西蓝焰煤层气工程争辩有限责任公司2015 3 月目录1 前言项目背景山西焦煤集团屯兰矿具有工作面瓦斯治理难度高、治理压力大的困惑，地面煤层气井能缓解煤矿的瓦斯治理压力；经过“十一五”国家科技重大专项对采动影响区井试验的摸索及“十二五”重大专项前期争辩成果，基本达到了利用采动影响区地面井治理采煤工作面上隅角瓦斯超限问题的目的。考虑到煤层气采动井直井地面抽采瓦斯范围有限，掩盖的采动区范围较小，为此有必要考虑在竖直地面井的基础上加一段水平孔，形成“L”地面井煤层气 抽采方式，通过合理的优化布置，对“L”采动影响区地面井进行争辩。针对当前

2、屯兰矿工作面瓦斯治理难度大和地面垂直预抽井不能短期解决工作面瓦斯大的现状，争辩试验“L”型井钻井工艺和瓦斯抽采技术，解决工 作面上的瓦斯问题是必要的。通过合理的优化布置，对“L”型采动影响区地 面井进行争辩。以实现掩盖范围广、抽采瓦斯效果优的目的，在竖直采动影响区井的成功试验的基础上，将取得较好的平安效益和经济效益。方案编制依据本方案编制依据：屯兰矿煤层气抽采数据及 2#煤层底板等高线图。屯兰矿区域地形图（1：10000。屯兰矿 12408 工作面掘进地质图。屯兰矿 12408 工作面掘进地质说明。屯兰矿采掘平面图。2地层 齐全（见表2-1质岩分布于西山煤田的西部及西北部；上元古界长城系霍山砂

3、岩不整合掩盖其上；寒武奥陶系碳酸盐岩构成煤田基底；石炭二叠系平行不整合于奥陶系灰岩剥蚀面之上；三叠系分布于煤田的中南部；第三系、第四系多分布于丘陵地区及近代沟谷中。界系统 全新统第四系2-1 区域地层简表组段代号Q4厚度(m)0-45出露面积(Km2)新生界(Kz)中生界(Mz)中上更新统上第三系上新统中统三叠系下统马离组保德组二马营组和尚沟组刘家沟组Q2+3N2Ter2Th1Tl10-1120-72325120-155432-500二叠系石千峰组上统上石盒上段子组下石盒下统子组山西组2Ps22Ps12Px21Px11Ps1119-247105-29622-6722-84古生界(Pz)上统石炭

4、系太原组Ct3中统本溪组峰峰组上马家Cb2二段2一段2三段2二段16-7057-9253-8599-170奥陶系沟组下马家沟组2一段2三段2二段2一段247-8532-6853-69寒武系亮甲山组下统冶里组凤山组上统长山组崮山组张夏组中统徐庄组Ol1Oy1f40-603c5-103g6-263z56-1402x2上元古界(Pt)震旦系长城系霍山群Z20-40ChZ384太古界Ar构造吕梁山群Ch1Ar1500 的古交掀斜地块，煤田西部边缘为狐堰山山字型褶皱带（见图2-1。古交掀斜地块以古交为中心，地块内地层展布南新北老，总体上由东、北、西三面对内缓倾斜，向 SSW 倾伏的不对称向斜构造。石千峰

5、一带出露三叠系下统， 产状平缓，倾角一般小于 10；西山中部及清徐、交城北部的地层以石炭二叠系为主，地层产状均较平缓；煤田北部及汾河河谷广泛出露奥陶系、寒武系，地层产状平缓。局部地段显示一些规模不大的断裂及褶皱，构造线方向大多呈NE向或NEE向（如古交、王封一带，少数呈近东西向或近南北向小型宽缓褶皱。东部受新华夏系把握，西部以经向构造为主。主要褶皱：西部有马兰向斜和东社向斜，中部有石千峰向斜，受 NW 向的土堂断层、西铭断层和NNENENENEE层为主，且多呈地垒形式消灭。 山块隆相邻。向西凸出的前弧与其两侧向东凸出的反射弧呈南北向展布，延长约 60km，脊柱在狐堰山主峰睦联坡之间，前弧由一系

6、列弧形褶皱和逆冲断层所构成，卷入的地层有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系。 层组成，白家滩逆断层为向东凸出的弧形断层；南侧反射弧主要由西社断裂和价家山向斜构成，二者均呈向东凸出的弧形，向斜的西翼陡，东翼缓，断裂西盘向东逆冲。 碱性二长岩所占据。前弧顶部的背斜也把握了一些二长岩体的分布。该山字型褶皱是由南北向构造带在不均衡的东西向挤压作用下形成的。1234567、上升泉、下降泉 8、火成岩2-1 西山煤田构造略图煤系发育状况-64.37m，平均厚度为 44.54m，含煤系数为%，太原组厚度为-125.22m，平均厚度为 104.80m，含煤系数%。含煤地层煤层编号煤层厚度（m） 煤层间距（m） 容

7、重t/m3稳定性02较稳定含煤地层煤层编号煤层厚度（m） 煤层间距（m） 容重t/m3稳定性02较稳定山西组03不稳定1不稳定22稳定3不稳定4不稳定5不稳定6不稳定7稳定太原组8稳定8a不稳定9稳定10不稳定水文地质特征本区受水动力条件、埋藏条件以及水化学条件的把握，地下水补给条件 较差，属于径流封闭区，岩溶水总体上由西北至东南流经本区。奥陶系岩溶 水主要赋存于峰峰组上段和上马家沟组中上段。峰峰组大部不含水；上马家 沟组富水性弱-中等;下马家沟组富水性极弱。本区隔水岩柱总体上为北高南低，东高西低，随着煤层埋深的增加，隔 水岩柱的厚度有不断加厚的趋势，但很不均匀，局部地段由于构造的作用影 响，

8、其厚度变化较为突出。本区出露山西组顶部及其以上地层，其余深埋地下，构造格外发育，主要构造线方向为 NE，且成组多呈地垒形式。地层形态为一由 NNE 向 SSW 倾伏的波浪状单斜构造，目前断层、陷落柱导水性较差，但随着采深的增加，受水压力、隔水层厚度以及采动等因素的影响，其导水性将会有所改善。本区地层中构造发育，有陷落柱、断层存在，为奥灰岩溶形成的塌陷所 致，对煤层气开发布井有较大影响。因此，在煤层气开发时，应对断层、陷 落柱的分布进行争辩。“L”型井设计方案选区原则地面状况：选择地形缓且交通便利的位置施工，便于施工，投运，集 输及利用。煤炭采掘连接：通过和矿方沟通，结合矿方采掘连接方案，“ L

9、”型井布置位于南四盘区12408工作面，靠近采区回风巷一侧，瓦斯抽采层位为2# 煤层顶板冒落带中，解决矿方巷道采掘工程中的瓦斯问题效果较好。地质方面：构造方面：对于地质构造简单，断层及陷落柱发育的地区，水平段 布置时应尽量避开或削减构造对其影响。布置在瓦斯富集区。水平段应垂直主裂隙方向，或者同主裂隙大角度斜交方向，使水平 井的生产影响范围最大。水平段与平面有肯定的交角，利于钻井施工。井场位置尽量靠近已施工的钻孔，以便后期供电及管网建设，节省投资。依据屯兰矿矿方要求，结合以上原则，在屯兰矿南四盘区 12408 工作面布置 “L1井位布置为了降低井下抽采的成本，减轻瓦斯对煤矿生产的危害，同时结合屯

10、兰矿 井下煤矿采掘规划需要，综合考虑各方面因素初步于屯兰矿南四盘区 12408 工作面布置 “L11240812412124061240295635,质构造相对简单，工作面穿过落差为 6-18 米断层，对掘进施工影响较大，同坐标井号位置造斜率/30m造斜点m水平段坐标井号位置造斜率/30m造斜点m水平段井斜井深mXST-井口X4195138YH1120893-1 12408XST-L-01图 3-2 12408XST-L-013-1 设计井位基本数据井 号井 号XST-L-01井 别“L井 位山西西山屯兰矿区完井层位240m设计井深938.65m设计垂深237.3m设计水平闭合方位358井 口

11、坐 标X：4195138海地面1120Y：拔着陆点坐标X：4195273X：4195902靶点坐标Y：Y：钻进方式含固相聚合物水基钻井液完井方式裸眼完井钻井目的治理、开发利用 12408 工作面瓦斯，降低采掘工作面的瓦斯含量。完井依据240m，630m，达到煤层气钻井工程作业规程钻井井场、设备、作业平安技术规程的规定。井眼轨迹设计依据试验地质条件，结合目前水平井钻井技术、设备及工具力量，接受“单弧剖面”（直-增-水平）三段制剖面形式，如下图所示。该剖面相对简洁，工具选择便利，施工易于把握；三段制剖面弯曲（高造斜率段）井段相对较短，利于降低管柱下入摩阻，确保套管能够平安顺当下入弯曲段，利于715

12、/30m25-60m图3-3XST-L-01井井眼轨迹剖面示意图L-01L-01着陆点4195273靶点41959023-2 设计井身轨迹基本数据井身结构设计“L 型”井接受三开井身构，目的层水平段接受裸眼完井的方式。具体井身结构如下所述：一开接受444.5mm 牙轮钻头，钻穿基岩风化带 10m 后，估计井深40.00（以实钻地层为准，下377.7mm钢级J55表层套管，封固地表疏松40m，注水泥全封固。二开接受 311.1mm 钻头钻进至煤层顶板 50 米，下入 244.5mm钢级J55215.9mm点并延长，完钻。井身质量要求3-4 “L”型井井身结构示意图煤层气钻井工程质量验收评级标准中

13、的优良级别，井深以转盘面为基准，校核钻具实长为准；每钻进100m应校核钻具长度。斜井段钻井眼轨迹要求平滑，水平段井眼轨迹位于要求的靶区内。水 LWD完钻后井队工程师必需将全井（不超过10m一个点）的井斜角、全角 变化率、井底水平位移等数据齐全、正确地填写在井史上。为了精确确定井眼在煤层中的相对位置，钻孔施工单位要使用 LWD 随钻测井仪器，测定井眼与煤层顶底板及夹矸的空间关系，为随后的压裂设计供应依据。钻井液设计“L 型”井水平段为生产层位，需要进行储层爱护，钻井液体系须既可以实现平安钻井的需要，又可以实现储层的最有效爱护。本井钻井液以稳定井壁和保证施工平安，通过 +和 NH+的晶格固定和离4

14、子交换作用来抑制泥页岩吸水水化膨胀，稳定井壁。直井段选用钾铵基聚合 物钻井液，造斜段至着陆点接受钾基聚合物钻井液，提高钻井液密度，并通 过封堵剂封堵地层的层理裂隙，有效防止地层垮塌，水平段接受钾铵基钻井 液体系，提高钻井液的稳定性，严格把握钻井液滤失量5ml。录井要求钻探过程中严格依据有关标准和设计进行录井作业，具体包括：岩屑录 井、钻时录井、简易水文观测、循环观看等。岩屑录井24m112m11m 捞取 1 包。现场整理、汇总岩屑录井表，并绘制 1:500 的随钻剖面，对地层做出初步的判定和划分。钻时录井钻时录井从见基岩开头每 1m 记录 1 个钻时点。以便于推断煤层埋深、厚度和确定夹矸位置。

15、简易水文观测全井钻进过程中均应做好简易水文观测记录工作。每钻进 2h 记录一次钻井液消耗量；进入山西组后每 1h 记录一次钻井液1h30min循环观看钻遇目的层特别时，马上停钻，循环观看，加密测量钻液密度、粘度， 观看气显示状况、钻井液池面和体积变化。固井设计一开结束后，下入表层套管，固井封固地表松散层，固井使用G级石 油水泥，水泥返高至地面。二开结束后，下入技术套管，固井封固地层，固井使用G级石油水泥， 水泥返高至地面。设计套管指标如表3-4所示：3-4 套管设计套管类别井径（mm）井深（m）套管规格（mm）钢级壁厚（mm）水泥等级水泥浆返高表层套管进入稳定基岩510mJ55/G地面技术套管

16、2#煤层顶板J55G地面60m固井注水泥浆技术要求表层套管固井使用G1.85g/cm3，固井水泥浆 返至地面。固井结束侯凝24h后，试压6MPa，30min内压降小于，视为合格。G固井结束侯凝 48h 试压，试压12MPa，30min 内压降小于，视为合格。技术要求见表3-5。套管水泥规格水泥浆密度套管水泥规格水泥浆密度（g/cm3）水泥返高试压（MPa）30min压降（MPa）备注表层套管G级至地面6技术套管G级至地面1215m2防爆轴流通风机台2保证泵房通风质量3矿用风电瓦斯闭锁装置FDZB-1套130%断电停抽4供水传感器KGL台1具有报警功能5开停传感器GT-L（A）台1具有报警功能6

17、瓦斯高浓度传感器GJG100H(C)台1瓦斯浓度15m型防爆轴流通风机：在使用较为密闭泵房的状况下轴流通风机能，保证泵房的通风质量。设备参数：全压：30Pa；552m3/h。FDZB-1停抽，其主要参数：防爆标志：Exdib；电源：AC660V/380V；开关量输入信号制式：触点式、电流型 0mA/5mA；检测误差：%；传输速率：600bps。KGL 1160mm140m/h518 VDC（断电7mA（ MPa PH 68；防爆型式：矿用本质平安型；防爆标志：Exib。GT-L（A）型开停传感器：电源电压：924V DC；工作方式：锁固1/5mA DC05V DC；5mA DC、无电位触点；显

18、示方式：绿色灯为电源指示、红色灯指示开停；真空泵特别停止工作时报警；防爆型式：矿用本质平安型；防爆标志：Exib。GJG100H30%时，进行报警。测量介质：空气、甲烷；测量范围： %CH4100%CH4；基本测量误差：相对误：30s；整机工作电压：；30%时报警；防爆型式：矿用本质平安型；防爆标志：Exib；KG9701A 型环境浓度传感器：环境气体中的瓦斯浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不行少的测量仪器。测量范围：0%CH；辨别4率：%CH4）测量精度：%CH4； %CH4真值的10%； %CH4%CH485d（声强 20（光强； DC；防爆型式：矿用本质平安型；防爆标志：Exib。水

19、封泄爆器FBQ-11150mm；800防爆管口直径：300mm；进、出管口直径：200mm；防爆器高度：1420 mm；防爆器宽度：1050mm；抽采基础设备表 4-2 抽采基础设备序号名称型号（建议）单位数量1矿用隔爆型真空电磁起动器QBZ2-120/660(380）台12潜水泵/台13无刷沟通同步发电机YTW-120-4台24沟通柴油发电机组HX120 GF台25水环真空泵2BE1253台16隔爆型三相异步电动机Y315M-8台17气水分别器/1ExdI；额定电压：660（380）V；额定电流：120A。水环真空泵：由于采动井没有达到集输的条件，设计接受真空泵抽 依据2BE1253 型直联

20、真空泵，该泵主要技术参数为：排量40.83/min，极限真空度 ，转速740r/min，配用电动机型号为Y315M-875kW。气水分别装置：由于各传感器的传感头对于水气都有很强的敏感性， 尤其是氧气传感器的显示精度受水气影响很大，因此必需在抽采管路系统上 安设气水分别装置。该装置由水环真空泵供应商配套供应。该设备与水环真 空泵配套使用。泄爆、防回火装置：泄爆防回火装置相当于连接地面抽采管路与井 下煤层气涌出源的平安保险，其主要作用是防止由于地面发生爆炸事故而导致火焰传到井下，对井下的生产系统产生威逼。该装置可以考虑使用水封式泄爆、防回火装置或者使用钢网防回火器结合分歧式防爆器来实现。该装置由

21、水环真空泵供应商配套供应。帮助设备：为了保证抽采系统的正常运行，还需要配备一些帮助设备，如循环水箱、循环水泵、发电机、分流管路系统等。循环水箱的作用是为真空泵供应冷却循环水，依据位置不同分为高位水箱和埋地水箱，大小需 4-5m3的运行供应循环水。水泵的功率大小依据循环管径确定；发电机为井场全部用电供应电力供应。在不集输的状况，要布置甲烷气放空器，考虑到采动井 抽采出的煤层气中甲烷浓度可能有较大幅度变化，很可能某时段处于爆炸危 险范围，因此建议对采出气接受放空处理。同时，由于本次抽采试验井运行 期间主要在 7、8爱护装置。抽采数据采集设备 的抽采数据监测装置。监测对象主要包括甲烷浓度、氧气浓度、

22、抽采负压、抽采流量、抽采气体成分等。甲烷浓度甲烷浓度的实时监测有三个方面的意义。首先，甲烷浓度是工作面漏风情 况的有效反映参数之一；其次可以反映出采空区甲烷聚集量的多少，对于后期的抽采效果评估起到主要作用；最终处于危急浓度范围的甲烷不能点火只能放空，否则会发生事故。因此甲烷浓度的实时监测对于工作面通风平安和地面抽出气体处理方式方面有重要的指导意义。氧气浓度氧气浓度实时监测的主要意义在于可以随时监控采空区煤层气的抽采是 否会造成接近工作面新颖风流的入侵。这主要是由于地面抽采系统运行时， 会在采空区内钻井四周产生低压区，可能造成接近回采工作面的新颖风流向采空区内部入侵，新颖风流入侵可能造成两方面的

23、不良影响，一方面，会导致接近工作面新颖风流不足，对井下生产造成影响；另一方面，会促进采空区内遗煤的缓慢氧化，造成采空区内部温度缓慢上升，假如得不到有效把握， 简洁使遗煤发生自燃。一氧化碳浓度 是由于采空区内遗煤发生自燃时，由于大部分为不完全燃烧，会产生大量的一氧化碳气体，使得采空区内一氧化碳气体浓度快速上升。抽采负压和流量 面与钻孔连通性的重要参数。因此在抽采过程中必需严密监测。抽采中负压值自然变小、排量自然增加，是工作面连通性变好的提示，也是工作面漏风量增加的提示。这时必需综合甲烷浓度的变化调整抽采强度。气体温度 度，因此，进行气体温度的监测意义重大。表 4-3 数据采集设备序号序号名称建议

24、型号单位数量说明1瓦斯抽放多参数传感器GD4套21用1备2U型压差计台13光干涉甲烷浓度便携式测定仪(带负压取样器)台1自动监测失效时进行人工监测4矿用氧气传感器GYH25台1监测氧气浓度GD 瓦斯抽放多参数传感器：依据需要监测抽采气甲烷成分以及抽采负压4和排量的需要，设计接受 GD4型瓦斯抽放多参数监测传感器。 GD4型瓦斯抽放多参数传感器接受四位数码管显示监测参数和流量计算值；发光管指示传感器工作状态，可以设定流量系数、参数量程等。同时还具有瓦斯纯流量、瓦斯浓度、管道负压信号输出功能，输出信号可接入矿用环境监测系统。传感器红外遥控调校机敏、牢靠。性能参数：甲烷浓度： 4100%；负压：01

25、00kPa；压差：05kPa；温度：050；信号输出：200-1000Hz；负载：0400；反应时间不大于 30s；工作电流：不大于 180mA；供电电压：9V24V本安 DC 电源；最大输入电压： ；最大输入电流： 360mA；取样方式：负压和差压适用于孔扳取样，浓度和温度适用于集中取样；信号显示：四位数码管按键选择显示某一个参数值。红绿发光管显示工作状态。绿色发光管为运GYH25 型矿用氧气传感器：氧气浓度， 025%；传输距离：在 1.5mm 铜 2km200Hz1000Hz1mAA20s；额定工作电流：80 mA；9V24V 本安 DC 电360mA。消防设备4-4 消防设备序号序号名

26、称建议型号单位数量说明1磷酸铵盐干粉灭火器MFZL8组22消防沙箱1m1m1m个1电源动力帮助设备表 4-5 电源动力帮助设备序号序号名称建议型号单位数量说明1矿用本安型分站KJ90-F16(D)台12矿用隔爆兼本安直流稳压电源KDW660/24B(B)台1用于自动喷粉抑爆装置的动力电源3矿用本安型分站KJ90-F16(A)台14矿用隔爆兼本安直流稳压电源660(A)台1GD4据监控设备的动力电源4-6 KJ90-F16(A)型矿用本安型分站技术性能参数监测参数监测参数甲烷、风速、风压、一氧化碳、温度等模拟量采集及显示功能分站与数字量信号传感器的传输速率：2400 bps信号输出200 Hz1

27、000 Hz，1mA5mA分站与数字量信号传感器的最大 传输距离2 km(使用 MHYVP 14 电缆，单芯截面积不小于 1.5 mm2)；传输信号工 作电压直流峰峰值不大于 15 V传输信号 工作电流峰峰值不超过 150 mA模拟量输入处理误差不大于 %累计量输入处理误差不大于 %供电电压9V24V 本安 DC 电源额定工作电流500 mA最高输入电压UiV最大输入电流 Ii500 mA注：分站与 660(A、B)型矿用隔爆兼本安直流稳压电源用 MHYVR 型电缆连接，长度2 m；分站与传感器用 MHYVR 14 型电缆连接，长度2km。地面抽采管路布置及设备安装依据目前采动井的实际状况，地

28、面没有建集输管路，采出的煤层气做放空处理。采动将会造成地面的不均匀沉降，以此全部管路将接受架空敷设， 管路均选用无缝钢管，管线除管件、闸门处用法兰接头，其余尽量接受焊接， 1.5m2m。在管路与井口连接处，接受金属波纹管连接，以防止沉陷造成管路断裂。为保证瓦斯抽放管路平安运行，在地面井口与抽放泵站、抽放泵站与放空出口之间均应设置防回火防爆装置，并进行牢靠接地。为防止雷击，需设置避雷针等装置，抽采设备安装如图 4-1 所示。抽出气体从井口经过阻燃装置被吸入真空泵，经过参数监测设备后通过 阻燃装置进入点火装置并被燃烧。为了调整抽放负压，在真空泵两端设计调 整分流管路。同时为了处理抽出气体，可以选取

29、气体的三种流向：一是对于 有利用价值的浓度范围的气体，可以考虑进入集气管路利用；二是对于浓度 范围处于爆炸或不行燃的气体直接放空；三是点燃后放空，本设计依据实际 状况选择放空处理。4-1 “L“地面井抽采及监控设备安装图抽采参数监测及记录要求运行期间亲密关注系统中各组件的工作性能，发觉工作不稳定组 件，应准时停机并上报进行修理。CH4浓度、O2浓度、温度、抽采负压及水阻式卸爆装置的水位。 3）应依据相关标准对以上监测传感器设置报警界限值，以杜绝平安事故的发生。若对抽采管道进行维护，需对管道进行注氮，置换管道中的 CH4CH4氮气的排放应防止大量氮气聚集造成人员的窒息，并且管道中氮气量过大 时应

30、考虑提前多点排放。60min作面通过钻孔前后 150m 范围内或者数据消灭猛烈波动时时应至少每30min压裂疏通施工由于“L 型”井水平段接受钾铵基钻井液体系，会对目的产层造成肯定的污染，为解除钻井泥浆污染，需要进行后期增产改造。压裂疏通改造 的目的在于通过实施压裂疏通，可以格外有效地将井筒与产层自然裂隙沟 通，提高了煤层至井筒的导流力量，扩大了目的层段影响范围，从而有效 地提高了瓦斯产量和采收率。由于“L 型”井水平段接受裸眼完井，不能接受常规的水平井分段加砂压裂施工方案，参照 SH-14-L-1 井压裂施工阅历，主要施工设计要求如下：应备液体数量及配方（3%KCL）4-1 备液数量分项分项清水（m3）KCL（kg）活性水6000压裂及帮助设备车辆名称及数量4-2 压裂设备型号及数量分项分项主压泵车（台）2主压泵车型号仪表车（台）1混砂车（台） 管汇（台）数量200011压裂层位：目的层裸眼水平段；压裂方式：套管注入；井口要求：350 型压裂井口；压裂泵注程序4-3 压裂施工泵注程序表程序程序排量m3/min砂比%支撑剂用量m3压裂液累积m3用量m3累积m3备注压裂液依据现场施工状况制定相应的压裂施工方案，压裂方案确定后由施工队伍编制具体的压裂专项设计，经会谈论证后执行。投资概算屯兰矿区采动区 L 型井瓦斯治理工程投资主要包括井场投资、钻井工程投资、压裂工程投资、地面抽采工