用于含气且低渗透性的煤矿层的开采方法

文档序号:5392791阅读:246来源:国知局
用于含气且低渗透性的煤矿层的开采方法
【专利摘要】一种通过在邻近于煤矿层或两个不同煤矿层之间的岩石层中定向地钻进钻孔来对煤矿层进行脱气的方法。然后,加压钻孔来压裂(多个)邻近的煤矿层,以提高其渗透性且允许流体从煤矿层流至钻孔且从煤矿层抽出。
【专利说明】用于含气且低渗透性的煤矿层的开采方法
【背景技术】
[0001]煤的地下开采由于储存在其内的气体而复杂化。如果待开采的煤矿层(coalseam)为可充分渗透的,则气体从固体煤自由地释放到道路中,或释放到长壁开采操作的采掘面(face)中。这可引起通风问题,如果通风问题未被适当地管理,则将导致矿井空气内的过高气体浓度和存在爆炸性气体混合物的潜在可能。可渗透的煤大体上可通过在原煤中钻孔以在开采之前减少其气体来作为气体排放过程的一部分。这些孔通常使用定向钻进(directional drilling)技术来钻进矿层中。
[0002]在煤缺少渗透性的情况下,在开采煤时存在不同的问题集合。煤不会将气体自由地排放到开采面(mining face)之前,且在开采操作期间存在发生突出(outburst)的风险。突出是气体和煤从煤矿的工作面(working face)的突然喷出。突出的特征在于与气体释放一起的细碎煤释放。由于机械性损伤或窒息的风险,故这是潜在致命的。已经证明的是,如果可在开采之前从煤移除气体,则突出不再为风险。突出的发生不仅与气体含量有关,而且还取决于煤是否具有与其相关联的韧性。坚韧的煤趋于不会破碎成快速地释放气体且容易在突出时转移的细碎片。由于已破碎的煤(诸如具有断层泥(fault gouge)材料)已为成碎片的,故它们特别易于突出。对突出的猛烈程度有贡献的另一个因素为煤碎片释放或解吸气体的能力。这涉及煤材料的扩散性能。
[0003]除突出的问题之外,不可渗透的煤趋于保持它们的气体,直到它们被从采掘面切下,由此气体被释放,从而导致切头附近的过高局部气体水平。这可导致摩擦点燃问题。
[0004]煤渗透性中的差异的原因可在煤结构自身中和煤内的应力大小中找到。煤的渗透性趋于在增大的有效应力的情况下快速地减小。有效应力为存在于地层(formation)(在此情况下为煤)内的总应力与流体压力之间的差。
[0005]极不可渗透煤的开采已经在欧洲进行了很多年。其方法通过使用长壁技术开采邻近矿层来减小应力,以便引起应力松弛和待开采的矿层的渗透性方面的增大,从而允许气体释放。如此释放的气体大体上通过穿过松弛的矿层且在邻近岩层(stratum)中形成的钻孔来捕获。
[0006]使用该方法使煤脱气受安全地开采初始矿层的能力限制。然而,初始矿层需要是不易突出的矿层。这可由于其为可渗透的且可排放的,但更主要地由于煤为坚韧的且开采速率低。如果能够按照安全初始开采处理的矿层不存在,则整个煤层序可能不能开采。
[0007]最近,气体工业中已存在进展以从高度不可渗透的致密煤储层和其它类型的储层中获取气体,这迄今本应被认为是非经济可行的。从此类储层经济地获得气体的关键是在储层内使用定向钻进和主要但非排他地通过使用水力压裂来刺激这些孔。因此,储层的概念已经从具有气体和用于气体的足够渗透性两者以通过更常规的方式经济地开发,变成其中储层具有气体且渗透性的大部分通过刺激产生。页岩气储量的最近进展尤其是此方法的结果。
[0008]高度不可渗透的煤层通常显现出相比于地层强度高的应力。因此,在此类煤矿层中钻进的孔可经历坍塌,坍塌致使它们对于气体排放目的而言为无用的。通常,在煤中钻进的孔一般不能够按照刺激来处理,因为井眼由于煤的破裂或由于煤不具有支承封隔器的强度而受损。由于煤待开采,故非常不期望将套管粘合到随后可被穿孔和水力压裂的孔中。其原因在于套管不可被容易地挖出。

【发明内容】

[0009]本发明的原理使用新技术和现有技术的独特组合。其能够应用于如下情形,其中存在单个矿层或多个层序的含气煤矿层,且没有矿层是足够渗透性的以使用竖直的孔或矿层中的孔来常规地预排放。为了能够在煤矿层内形成坑道和巷道,关键在于对煤进行排放来避免突出、潜在的采掘面点燃或其它气体相关事项的问题。
[0010]可对煤进行排放的方法是钻进煤矿层中或优选地钻进邻近于矿层的更强的周围岩层中,以便井眼保持完整。该钻进优选地使用定向技术来进行。在钻进邻近于煤矿层的岩层中的情况下,与在矿层中连续地钻进的钻孔相比,该钻孔可以以稍少的偏差钻进,因为它不必精确地遵循矿层。钻进的钻孔通过使用水力压裂或其它技术而被刺激,以便允许排放。在钻进在邻近于矿层的岩层中完成的优选情况下,优选的刺激技术为通过从钻孔穿过钻孔所处的岩层来水力压裂至煤矿层。在水力压裂流体中使用支撑剂确保在煤矿层周围的岩石中和在煤自身中裂口均保持开启。因此,避免了煤中的钻孔坍塌问题。
[0011]通过使用本文所述的技术,煤将气体排放至可在矿层中安全地掘进道路的水平。这些方法还可用于对长壁块中的煤进行排放。在土地条件允许时,对长壁块进行脱气的优选技术在巷道之间的矿层中切出槽口。槽口必须足够高(通常为150mm),以实现矿层内的应力松弛。其单独使用或与矿层中或矿层周围的钻孔系统组合使用,钻孔系统用于在槽口的去应力效应发生时将气体吸离。产生槽口的优选方法为通过在巷道之间拖曳以无端环形式配备有切刀的链或线缆。如果链变得被卡住,则可能简单地将它解开,且将它留在煤中用于当在长壁采掘面开采过程期间达到时进行回收。切割过程不必由于此事件而被阻止。它可通过优选地使用定向控制钻进技术横过长壁块钻进孔来回收,并且将另一个切割链通过孔穿入。本发明的备选实施例为使用横过长壁块的钻孔,钻孔随后使用水喷射开槽以使煤矿层去应力。
[0012]在一个实施例中,开槽过程在长壁块的全长上执行。在另一个实施例中,开槽可仅需要对长壁的初始部分执行,以便使长壁剪切机能够在脱气环境中操作。一旦采煤在进行中,则在适合的地质条件下,煤矿层的充分破碎可在采掘面之前发生,其中长壁在开采之前释放其气体。在此种情况下,气体将有利地由矿层中或矿层周围的排放孔收集。
[0013]利用长壁采掘面的通路,应力在周围岩层和矿层中减少,且渗透性得到显著改善。通过将孔钻进该岩层中和通过使用真空将气体吸出到管路系统中来收集气体,以便它不进入坑道通风系统中。该层序中的其它矿层的开采在具有以下益处的情况下进行:其渗透性已提高且已通过优选为在真空条件下操作的排放孔而从它们收集气体。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1示出煤系岩石中的煤矿层I至6的层序。矿层5和6经由已经利用水力压裂刺激的钻孔来脱气。插图示出穿过钻孔的截面和通过水力压裂而到达的两个矿层。
[0015]图2示出横断图1的截面,其中用于长壁盘区的巷道随后已在来自在它们下方钻进的钻孔的水力压裂的影响下被掘进排放的区域中。
[0016]图3示出安装道路,其将被掘进在具有槽口的长壁的巷道之间,该槽口出于使矿层去应力和改善其渗透性的目的而切在长壁块中。
[0017]图4示出矿层5的长壁开采,其中孔被钻进用于从通过矿层的移除而瓦解的区域进行排放。
[0018]图5示出在矿层5被开采时的穿过层序的截面。其示出采空区排放孔,该排放孔从具有由开采导致的增强渗透性的地带吸气。
[0019]图6示出在矿层5被开采完之后的矿层4的长壁开采。气体穿过从巷道钻进的多个孔而被吸出。
【具体实施方式】
[0020]图1不出沉积岩层层序7中的煤矿层I至6的层序的截面。在两个下矿层5与6之间,已经钻进水平钻孔8。钻孔8已优选为使用定向钻进技术钻进,且可已在表面处或从地下位置开始。在此情况下,钻孔8已经在矿层之间钻进比煤矿层更强的水平岩石层中,且因此钻孔8将保持开启,水平岩石层。从钻孔8产生了一系列水力裂口 9,其在此情况下向上延伸到矿层5中且向下延伸到矿层6中。竖直的水力裂口 9产生通路用于从矿层5和6排放流体。通常情况时,仅一个矿层将是此类排放的目标,而非这里示出的两个矿层5和6。钻孔8可需要抽吸至较低水位,以允许气体从矿层预排放。这在本图中未示出。钻孔8在穿孔和水力压裂程序之前可衬有粘合套管。
[0021]图2示出穿过两个间隔开的钻孔8和10的截面,钻孔8和10已经被水力压裂9,且其中用于长壁开采的巷道11至14已掘进矿层5的排放地带中。通过使用孔和水力压裂而实现的预排放允许开采在没有高气体水平的情况下进行。
[0022]图3为在图2的巷道之间截取的截面。示出煤矿层5中的水平槽口 15从长壁安装道路16到待开采的长壁块17的产生。槽口 15的目的为引起矿层5的去应力,以便其可在开采之前放出气体。该气体优选为由钻孔来收集,该钻孔钻进矿层中或周围的岩层中且气体在真空条件下被从该钻孔吸出。这些钻孔在本图中未示出。槽口 15可通过使用齿链或线缆形成,该齿链或线缆构造成以便链或线缆的移动有效地在煤矿层中切出槽口 15。具有附接于其的切刀的切割链可构造有如下链环,该连环适于与由发动机或马达驱动的带齿驱动轮等接合。另一个带齿轮可位于巷道中的远处位置处,以允许链沿相反方向返回。远处地点处的带齿轮可为惰轮类型或从动的。具有附接于其的切刀的线缆可通过摩擦方式或通过使用驱动卷轴和从动卷轴来被驱动。
[0023]可预计槽口 15在应力的影响下在其被切割的位置后闭合。沿B-B截面的插图示出矿层5中的槽口 15。应当认识到的是,槽口 15可不需要切割长壁块17的全长,因为一旦长壁开采已移除合理量的块17,贝U可在良好土地条件下的支承应力(abutment stress)导致长壁采掘面前方的煤井的破坏,这导致提高的渗透性。此外,槽口 15可通过使用高压水喷射来从横过煤矿层的长壁块钻进的钻孔切割槽口 15来形成。
[0024]图4示出通过使用长壁技术(在此情况下为动力支架18和切割煤矿层5的采掘面20的剪切机19)从矿层5长壁开采长壁块17。在长壁后方为钻进的采空区排放孔21。这些排放孔21从巷道钻进,且通常将在真空下操作,以将气体从由剪切机19切割的采掘面吸离。在一些实例中,取决于去应力效应是否出现在长壁前,排放孔21可钻进煤矿层5的采掘面20前。
[0025]图5示出横过长壁块且刚好在图4中示出的采掘面20前的截面。示出由长壁开采和从外巷道14钻进的采空区排放孔21的位置导致的压裂。通过使用真空来将气体吸入这些钻孔21中。
[0026]图6示出位于采空矿层5上方的矿层4的长壁开采。这里示出的开采利用使用动力支架22和切割煤矿层4的采掘面24的剪切机23的长壁方法。形成为从采掘面24前方排放气体的钻孔25已从巷道钻进。其依靠通过开采矿层5而产生的破碎来产生渗透性。额外的钻孔26在长壁采掘面24后方钻进,以在长壁通路之后进一步进行排放。
[0027]尽管结合使用高压水压设备的煤矿层压碎来描述了前述煤矿层的脱气,但可使用高能气体压裂技术来执行地层的刺激,高能气体压裂技术由通过点燃填料而引起的气体生成来实现,该填料具有比爆炸物慢的燃烧特性。适用于此过程的填料的实例将类似于在如下固体推进火箭燃料中使用的那些,该固体推进火箭燃料具有可设计成适合该应用的燃烧速率和压力特性。填料通过将该燃料安装到管中且将该管推入接着被密封的孔中而位于煤矿层附近。此种管或导管然后可点燃来产生高压气体,高压气体从管中的削弱地带漏出。
[0028]本发明的原理和概念适用于如下情形,其中不可使用行进穿过矿层的孔或通过矿层中的孔对待排放的矿层进行预排放。使用这些技术对矿层进行排放为不实际的原因可为在没有刺激的情况下的煤缺乏渗透性、钻进煤中的孔的坍塌、不能在煤中设置封隔器以允许刺激以及/或者不能对孔装套管以允许来自矿层内的刺激。
[0029]本发明涉及在具有足够强度以在钻进过程期间支承钻孔的地层中的煤附近进行钻进。优选地,该孔然后配备有套管,其被粘合就位且然后被穿孔。如果地层中的小主应力(minor principal stress)近似地平行于煤矿层,则利用水力压裂过程将钻孔连接于矿层。这在单个钻孔的长度上且在足够数目的钻孔中重复多次,以使对矿层进行排放。水力压裂将延伸穿过套管中的穿孔,穿过在其中钻孔的地层且钻入煤矿层。由于大部分煤具有低于周围岩石的弹性模量,故煤中的应力较低,且水力压裂将优先地传播到矿层中。作为惯例,水力压裂流体通常将包含颗粒支撑剂,以防止裂口完全闭合,且以便允许流体在水力压裂过程完成之后沿裂缝流动。
[0030]在钻进钻孔的地层中的小应力(minor stress)不近似地平行于煤矿层的情况下,刺激方法不同。在此情况下,刺激流体压力必须足够高,使得其将引起裂口从钻孔沿全部方向放射,且从而连接于煤矿层。这通过使用高能气体压裂来实现,高能气体压裂涉及使用如下填料,该填料以比爆炸性填料慢的速率燃烧,且产生超过地层中的应力的高压下的气体,从而导致压裂。在一些情况下,可期望使水力破裂跟随高能气体压裂,以便重新打开由高能气体压裂产生的裂口,且将支撑剂留在裂缝内。
[0031]一旦钻孔与矿层之间的多个连接已通过所述两种刺激技术中的一者或其它技术实现,则钻孔中的压力降低以便反向流体流可从煤矿层流至钻孔以引起流体排放。
[0032]以上所述的系统和技术可用于在地下道路开采之前排放流体或使对整个长壁块进行排放。该方法还可出于商业目的用于气体的排放中。为此,尽管已经结合煤矿层的开采来描述了前述实施例,但本发明的许多或全部构想可用于在不可容易地支承钻孔的地层中(诸如,产生烃的砂岩地层、蓄水层和许多其它地层中)排放气态或液态类型二者的流体。钻孔可钻入将支承钻孔的完整性的类型的邻近地层中,且然后水平地钻入产生烃的地层中以将其压裂。实际上,以上所述的各种技术可用于回收除煤和烃流体之外的资源(包括水、矿物等)。因此,本文中用语“地层”或类似用语的使用不应被解释为限于煤矿层,而是意图包括以上所述的系统和技术可预想为能够适用的许多其它地层。
[0033]应当认识到的是,开采顺序可改变,以适合当地土地情况和经济情况,以便在初始矿层之后开采下矿层或上矿层,且气体排放孔可钻取成在开采矿层下方以及下方双方进行排放。
【权利要求】
1.一种允许开采地层中的低渗透性含气煤矿层的开采方法,包括: 在比所述煤矿层更好地支承钻孔的地层地点处,在邻近于待开采的所述矿层的所述地层中钻进所述钻孔;以及 穿过所述钻孔刺激所述地层来产生连接于所述矿层的裂口,且从而提高从所述矿层到所述钻孔的流体产出,以便所述矿层可排放所述流体。
2.根据权利要求1所述的开采方法,其特征在于,所述刺激包括形成大致平行于所述矿层的所述钻孔,以及在所述钻孔中执行水力压裂技术。
3.根据权利要求1所述的开采方法,其特征在于,所述地层的所述刺激使用高能气体压裂来执行,所述高能气体压裂通过由点燃填料而生成的气体的生成来实现,所述填料具有比爆炸物慢的燃烧特性。
4.一种开采含气煤矿层的方法,包括在已经根据权利要求1的方法进行了排放的所述煤矿层中形成地下矿层中道路。
5.一种开采长壁煤块的方法,所述长壁煤块已经根据权利要求1的方法进行了排放。
6.一种方法,通过所述方法,根据权利要求1、和2或3形成的道路用于形成长壁巷和安装道路的目的。
7.一种出于释放气体的目的而使煤矿层去应力的方法,通过所述方法,在长壁采掘面之前或巷道之间的煤矿层中切出槽口。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述槽口使用锯齿形链或线缆而切出。
9.根据权利要求7和8所述的方法,其特征在于,所述槽口在安装道路处开始。
10.根据权利要求7和8所述的方法,其特征在于,所述槽口从横过所述煤矿层的块而钻进的钻孔开始。
11.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述槽口通过高压水喷射而形成,从而从横过所述煤矿层的长壁块而钻进的钻孔切出。
12.一种方法,其中在煤或煤矿层的邻近岩层中钻进钻孔,以收集由根据权利要求7形成的所述槽口的作用而实现的气体释放。
13.一种方法,通过所述方法,在通过根据权利要求1至3和/或权利要求7至12的方法实现的所述矿层的脱气之后开采长壁块。
14.一种方法,通过所述方法,通过去应力来使矿层能够脱气,所述去应力通过邻近矿层的开采而实现,所述邻近矿层利用前述权利要求中的任一项所述的方法脱气且开采。
15.一种方法,通过所述方法,执行根据权利要求14进行了脱气的煤矿层的开采。
16.—种从低渗透性储集地层排放流体的方法,包括: 在邻近于待排放的所述储集地层的地点处将至少一个钻孔钻进地中; 通过加压所述流体地层来刺激所述含流体地层,以产生将所述储集地层连接于所述钻孔的裂口,且从而提高来自所述储集地层的流体产出。
17.根据权利要求16所述的排放方法,其特征在于,所述刺激包括使所述钻孔中的至少一部分装套管且穿透所述套管,以及在所述钻孔套管中执行水力压裂技术,且不将所述套管延伸到所述储集地层中。
18.根据权利要求16所述的排放方法,其特征在于,所述地层的所述刺激使用高能气体压裂来执行,所述高能气体压裂通过点燃所述钻孔中的填料而生成的气体的生成来实现,所述填料具有比爆炸物慢的燃烧特性。
19.一种开采含气煤矿层地层的方法,包括在已经使用权利要求16的方法排放了气体的煤中形成地下矿层中道路。
20.—种开米煤矿层的长壁块的方法,所述煤矿层已经使用权利要求16的方法排放了气体。
21.一种方法,通过该方法,用于形成长壁巷和安全道路的目的根据权利要求16、和17或18形成道路。`
【文档编号】E21B43/26GK103781993SQ201280031176
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年6月15日 优先权日:2011年6月24日
【发明者】伊安·格雷 申请人:伊安 · 格雷
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