矿井瓦斯防治课件版 第6章 地面采前抽采瓦斯方法

第六讲地面采前抽采瓦斯方法一、地面采前抽采基本程序二、瓦斯资源评价三、地面钻井施工四、水力压裂储层强化技术五、瓦斯采排技术六、地面多分支水平井抽采瓦斯七、地面丛式井组抽采瓦斯地面井预抽煤层瓦斯地面井预抽煤层瓦斯区域防突措施示意图抽采的基本程序如图6-1所示：一、地面采前抽采基本程序二、瓦斯资源评价（一）瓦斯地质研究（二）瓦斯资源量计算（三）瓦斯资源开发前景评估（一）瓦斯地质研究瓦斯地质研究的内容主要包括瓦斯赋存的地质背景和煤层特征：煤层特征主要是指煤层瓦斯含量和煤种裂隙系统的发育情况；地质背景是指区域地质构造、煤系沉积特征、煤层赋存及几何形态、煤岩、煤质、煤级与水文地质条件等；可采用层序地层学、构造地质学、水文地质学等方法进行确定。（二）瓦斯资源量计算瓦斯资源量计算是在煤层瓦斯地质研究的基础上，合理确定瓦斯资源量的计算范围和计算单元，划分地质块段，然后选择适当的计算方法，确定对应参数，对瓦斯资源量进行计算。1）计算流程2）块段划分；瓦斯资源量计算应以某一煤层或煤层组为单位，将评价区域按照相应的标准划分为若干块段分别计算，必要时也可再将块段划分成更小的计算单元。3）计算方法主要有容积法、压降曲线法、气藏数值模拟法等，其中容积法是最常用的方法

（三）瓦斯资源开发前景评估

瓦斯资源开发前景评估是根据瓦斯赋存的地质条件和瓦斯资源状况，结合本区域能源供需状况、地区经济发展水平和瓦斯利用情况，并考虑已有的瓦斯资源开发活动，综合分析评价区域瓦斯资源的开发前景，并分析各种开发方式的适应性。三、地面钻井施工（一）钻井（二）取芯（三）测井（四）固井（五）完井1）钻机钻机用于施工钻井井筒，大多采用移动式车载钻机。具有模块化程度高、钻台高度可调、自动化程度高、配套能量强、操作环境友好等优点。石家庄煤矿机械有限责任公司生产的SMJ5510TZJ15/800Y地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机，该钻机使用直径114mm的钻杆，最大开孔直径711mm，钻井深度可达1500m。2）钻井液

钻井施工的过程需要钻井液来清洗井底、润滑冷却钻头、平衡地层压力、稳定井壁、有效地保护煤层不受伤害。钻井液主要有优质钻井液、无粘土钻井液、清水及空气泡沫钻井液等。我国一般采用优质钻井液或无粘土钻井液进行平衡或近平衡钻井，但在钻至目的煤层时必须采用无粘土钻井液或清水钻进至终井。（一）钻井3）钻井技术地面钻井的钻进方式一般有两种：普通回转钻进和冲击回转钻进。如图所示：浅煤层钻井地层压力较低（小于或等于正常压力），宜采用冲击回转钻进，用清水、空气或雾化空气作循环介质。深煤层钻井地层压力一般较高，井壁稳定性较差，可采用水基泥浆体系的普通回转钻进工艺，以实现平衡压力的目的。当使用泥浆钻进时，应特别注意尽量降低滤液进入煤层。（二）取芯

取芯方法主要有常规取芯、井壁取芯、绳索取芯和保压取芯等。绳索取芯技术是中国目前广泛采用的取芯技术。绳索取芯工具一般由取芯钻头、外管总成、内管总成、半合式岩心管、悬挂机构、弹卡定位机构、割卡心机构、单动机构、报警装置、差动机构、内外管扶正器、打捞器及绳索提升系统等组成。绳索取芯工具结构如图所示：取芯过程中应保持“四低”，即低钻压、低转速、低排量、低泵压。

（三）测井测井常常作为井深函数的一种或多种物理特性的测量，然后从这些物理特性中推断出岩石特性，从而获得井下地质信息。一些重要储层性质信息如表所示：套管固井是在钻进施工完成后，向井内下入一定尺寸的套管串，并在套管串外壁注入水泥浆等进行固井。目的是封隔易塌、易漏地层和不同压力体系的煤层、含水层，防止岩层间相互窜漏，形成煤层气排采的通道。总原则是要求能够保证隔离生产层，限制地层水涌入，封堵漏失层，并且尽可能降低水泥对煤层的伤害。可选用空心微珠低密度水泥浆固井技术、常规水泥控制返高固井、分级注水泥固井、绕煤层固井等四种固井方法，降低固井过程中对煤层的损害。我国煤层气固井从20世纪70年代开始，在现场施工方面，华北油田在山西晋城将水泥浆密度由1.84－1.91t/m3降为1.45－1.65t/m3，固井质量达到优质；中原油田在淮南和山西晋城使用密度1.91t/m3的速凝水泥浆固井40余口，实现了固井优良率74.2%，合格率100%。（四）固井地面钻井需要完井技术和强化措施，在井筒和煤层间建立有效的联络通道，使煤层内部吸附的瓦斯解吸、扩散、渗流进入井筒，以获取工业性产气量。目前，已用于煤层气井的完井方法可归纳为以下三类八种，如表所示：（1）裸眼完井；裸眼完井是最基本、最简单的煤层完井方法。根据洞穴的形成原理，可分为自然裸眼洞穴完井、动力学裸眼洞穴完井和水力切割裸眼洞穴完井三种方法。（五）完井自然裸眼洞穴完井是在较高生产压差作用下，利用井壁煤层的不稳定性，允许煤层垮落到井筒中，进而形成物理洞穴。动力学裸眼洞穴完井是采用关井闭压，然后迅速卸压，使井内产生剧烈的压力突变，使煤层向井筒塌落，产生洞穴；或者人工施加压力（从地面人工注气），使井壁煤层发生破坏，再清除井底煤粉进而形成物理洞穴。水力切割裸眼洞穴完井是采用高压水直接切割煤层产生洞穴的一种完井方法。洞穴完井仅适合于封盖条件好，煤层物性好，含气量大，含气饱和度高的高压、高渗透率地区；对于低渗透煤层，煤层封盖条件差，顶、底板泥页岩盖层薄、对水层封盖体条件差的煤层以及薄煤层不适宜裸眼洞穴完井。（五）完井（2）套管完井；近年来，煤层气井的完井普遍采用套管完井技术。根据地层进入方法不同，可将套管完井分为套管射孔完井和套管割缝完井两种。（3）套管-裸眼；套管-裸眼完井是指最深部煤层采用裸眼完井，其余煤层采用套管完井。对底部煤层裸眼采用套管泵入进行处理，放压后，对套管井段采用套管井所使用的方法进行完井。基本原理如图所示：水力压裂是应用地面高压泵车，以高于煤层吸收的速度，以较高的压力从钻井的套管或油管内向井下注入压裂液；液体压力升高至一定程度，煤层破裂，形成数条裂缝；为使裂缝系统维持开启状态，压裂时注入大颗粒的固体支撑剂，并使之留在裂缝中，起支撑裂缝及保持裂缝高渗透率的作用，最终达到提高煤层气产量的目的。（一）压裂液的选择（二）支撑剂的选择（三）压裂施工工艺四、水力压裂储层强化技术压裂液分为前置液、携砂液及顶替液。前置液是最初入井的压裂液，其作用是压开地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备携砂液进入；携砂液将支撑剂（砂子）带入裂缝，并将支撑剂放在固定位置上的作用；顶替液是在注入携砂液后，用顶替液将井筒中的携砂液顶入裂缝中。压裂液应满足以下几点要求：①具有合适的流变性能，具有较高的携砂能力；②对煤基质渗透率伤害较小；③在较低温度下破胶效果好，易于返排；④较低的流体滤失，低摩阻，与地层及地层流体有良好的配伍性。最常用的压裂液是清水中加入添加剂，添加剂的类型较多，如稠化剂、交联剂、粘土稳定剂、PH值调节剂、破胶剂、活化剂和杀菌剂等。（一）压裂液的选择（二）支撑剂的选择支撑剂的作用是使压裂产生的裂缝能够维持在开启状态，在裂缝中形成一条高导流能力的通道，以利于煤层瓦斯的解吸、流出。支撑剂要满足以下要求：①圆度、球度不低于0.7，在标准的粒径范围内所占比例大于80％；②初期选择小粒径支撑剂降滤，后期选择大粒径支撑剂尾追封口；③随煤层埋深的增加应考虑支撑剂的强度，要使闭合压力为30MPa时的破碎率低于20%。目前的支撑剂一般使用石英砂，其性能良好，特别适用于低温煤层瓦斯生产井。压裂施工过程分为打前置液、加支撑剂、打替置液等阶段。1）打前置液是在压裂施工开始时，向煤层压入具有一定排量的不携砂压裂液（前置液）。2）加支撑剂是当煤层裂缝被压开并扩展到一定范围后，应根据预先设计的裂缝面积范围及加砂量向压裂液内加砂，以便通过压裂液把砂带入到煤层裂缝内起到支撑裂缝的作用。3）打替置液是按预计的加砂量加完砂后，继续向钻井压入10m3以上的不携砂压裂液，以避免砂子沉淀于管线内或钻孔底部。4）关闭井口阀门，等待排水、排瓦斯。（三）压裂施工工艺五、瓦斯排采技术煤层气产出过程包括：从煤基质孔隙的表面解吸、通过基质和微孔隙分散到裂隙中、以达西流方式通过裂隙流向井筒运移三个阶段。目前，国内外煤层气排水开采的方法主要有有杆泵法、电潜泵法、螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、泡沫法、优选管柱法等。较适用于中国煤层气排采的举升方式依次是有杆泵和螺杆泵。煤层流体的运移可分为单相流阶段、非饱和单相流阶段及两相流阶段，如图6-9所示。图6-10为典型的煤层气生产井的气、水产量变化曲线，可分为如下三个阶段：(1)排水降压阶段Ⅰ。

(2)稳定生产阶段Ⅱ。

(3)气产量下降阶段Ⅲ。

芦岭矿地面压裂孔预抽瓦斯示意图抽油机第四系冲击层井壁水泥管套管油管泥岩砂岩泥岩泥岩泥岩砂岩砂岩砂岩沙袋压裂缝隙压裂缝隙压裂缝隙深井泵压裂缝隙8煤9煤10煤采油树排水口压裂井地表压裂

水流方向

瓦斯流动方向压裂液流动方向水位线六、地面多分支水平井抽采瓦斯（一）井身结构（二）施工工艺（三）抽采效果分析（一）井身结构多分支井水平井按水平段几何形态可分为：集束分支水平井、径向分支水平井、反向分支水平井、叠状分支水平井和羽状分支水平井，如图6-12所示。（二）施工工艺多分支井一般选择在各项异性较强、煤层厚度较大且相对稳定的煤层施工。先钻直井，然后造洞穴。为使工程井和采气井连通，首先对直井进行多点测量或陀螺测量，确定裸眼洞穴点的坐标和井深位置；然后在裸眼洞穴以下井段打水泥塞，将裸眼洞穴下部井眼封住，再进行连通操作，这样就可以使钻头通过裸眼洞穴时就不会因重力而进入下部井眼，如图所示：煤层内钻孔井眼轨迹控制难度大，主水平井眼造斜段一般使用“导向马达+随钻测斜仪”的常用定向钻具组合。煤层段的主水平井眼采用PDC钻头。（三）抽采效果分析多分支水平井是集钻井、完井与增产技术于一体的煤层气开发技术，它能够最大限度地沟通煤层割理（微裂隙）和裂缝系统，增加井眼在煤层中的波及面积和泄气面积，降低煤层裂隙内气液两相流的流动阻力，大幅度提高单井产量。七、地面丛式井组抽采瓦斯

丛式井是在一个井场上有计划地钻出两口及以上的定向井组，该技术是随着钻井技术和工艺的发展大规模应用于地面条件差，井场不便的地区。地面丛式井组布置示意图：

2007年1月27日山西晋城潘庄煤层气区块内的水平井组完工，该井组由6口3套井组成，率先在国内以井组的方式有效地改进和集中了丛式井和多分支水平井技术特点。单井煤层进尺3000m～5000m，实现了单井平均日产超过5万m3