井地联合掘进条带过巷道水平井分段压裂预抽瓦斯方法与流程

1.本发明涉及煤矿区瓦斯预抽采技术领域，具体涉及井地联合掘进条带过 巷道水平井分段压裂预抽瓦斯方法。


背景技术：

2.瓦斯作为影响煤矿安全采掘因素之一，尤其针对高瓦斯矿井，煤层掘进 之前，必须进行超前瓦斯预治理，以防止煤层掘进期间发生瓦斯突出或爆炸 等事故，造成严重生命与财产损失。煤层回采工作面正常掘进之前，需要形 成进风、回风及运输等巷道作为辅助，矿井在进行上述煤层巷道掘进条带施 工之前也需要针对掘进条带瓦斯超前治理。掘进条带瓦斯治理的速度与效果 对于煤层巷道掘进能否按计划正常施工至关重要，因此高效快速实现掘进条 带瓦斯治理尤为重要。现存有的煤矿瓦斯预抽采技术主要可分为两大类：地 面水平井与分段压裂技术组合和井下长钻孔与分段压裂技术组合的瓦斯抽采 技术。
3.地面水平井与分段压裂技术组合的瓦斯抽采技术：首先通过在地面钻取 一口水平段较长且穿越开采煤层或顶板的水平井，然后在地面进行大规模的 分段压裂施工，以此提高煤层所富含瓦斯的解吸量、增透范围及增加瓦斯扩 散进入水平井段的通道数量，最后在地面安装瓦斯抽采设备进行瓦斯抽采。 该方法的优势主要在于地面作业空间较大，能够进行大规模的分段压裂施工， 压裂施工在沿采煤工作面各个方向上增透范围较大，能够有效减少采煤工作 面或顶板钻孔的布设数量。然而，通过该技术进行瓦斯抽采需要长时间的排 水工作，才能进行瓦斯气体抽采工作。
4.井下长钻孔与分段压裂技术组合的瓦斯抽采技术：首先通过在井下钻取 一个较长顺煤层或顶板孔，然后在井下进行分段压裂施工，以此提高煤层所 富含瓦斯的解吸量、增透范围及增加瓦斯扩散进入长钻孔的通道数量，最后 在井下安装瓦斯抽采设备进行瓦斯抽采。该方法的优势主要在于压裂施工结 束后能够形成井下负压抽采条件，无需等候长时间排水工作，就能够进行瓦 斯抽采工作。然而，该技术受制于井下作业空间较小，难以实施大规模的分 段压裂技术，压裂施工在沿采煤工作面各个方向上增透范围较小，因此需要 在采煤工作面或顶板上适当增加钻孔的布设数量。
5.基于上述现有的两类煤矿瓦斯灾害超前治理方法不足，亟需研究一种能 够高效快速实现掘进条带瓦斯抽采的方法，以有效保障煤层巷道掘进按计划 正常施工。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供井地联合掘进条带过巷道水平井分段压裂预抽瓦 斯方法，以解决现有瓦斯抽采技术存在的需要长时间排水工作以及工作面各 方向增透范围小导致需要增加钻孔布设数量的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
8.一种井地联合掘进条带过巷道水平井分段压裂预抽瓦斯方法，具体步骤 如下：
9.步骤1，施工l型长水平井的一开井段，所述一开井段为垂直井段；
10.步骤2，施工l型长水平井的二开井段，二开井段为垂直、造斜、水平 三个井段，钻进至煤层顶板底部与已掘巷道于贯通点实现地面与井下连通， 下入二开技术套管与制作二开固井人工井底协同施工，利用纯水泥浆正循环 固井，水泥浆返至地面；
11.步骤3，制作三开人工井筒，施工l型长水平井的三开井段，三开井段 为上倾式井段；在已掘巷道内制作三开人工井筒，建立三开地面与井底正常 钻井泥浆循环，采用钻头钻取上倾式井眼，钻进至设计井深完钻，拆除已掘 巷道内三开人工井筒，下入三开生产套管与在已掘巷道内制作三开人工井口 协同施工，利用纯水泥浆正循环固井，水泥浆返至已掘巷道；
12.步骤4，对三开上倾式井段分段射孔压裂并安装瓦斯抽采头，包括如下 操作：三开上倾式井段分段射孔压裂，在地面下入连续油管串穿越已掘巷道， 进入三开上倾式井段，按照设计的射孔点进行分段射孔压裂；在井下已掘巷 道内三开上倾式井段孔口所预留的套管处安装抽采井头，抽采井头与负压瓦 斯抽采设备通过抽采管线连接。
13.进一步的，所述步骤1的具体操作如下：
14.一开垂直井段施工采用φ346.1mm气动潜孔锤钻进至基岩10～15m，下 入φ273.05mm表层套管，采用比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井纯水泥浆正 循环返至地面固井。
15.进一步的，所述步骤2包括如下子步骤：
16.步骤21，二开垂直井段施工采用φ241.3mm气动潜孔锤钻进至设计的二 开垂直井段2井深；
17.步骤22，二开造斜井段施工采用φ241.3mmpdc钻头及利用水基泥浆循 环体系钻进至煤层掘进条带顶板底部设计的着陆点，水平井轨迹位于着陆点 的井斜角为90
°
，并且方位角的延伸线与已掘巷道正交；
18.步骤23，二开水平井段施工采用φ241.3mm牙轮钻头及利用氮气循环体 系钻进至设计贯通点，实现地面与井下连通；然后在已掘巷道的贯通点对应 井深高度施工已掘巷道两侧巷帮的人工垂直壁；
19.步骤24，二开全井段下入φ193.7mm二开技术套管，下入井内的二开技 术套管特定位置连接分级箍，所述分级箍侧向孔打开；
20.步骤25，进行二开全井段下套管，期间在井下已掘巷道内进行制作二 开固井人工井底。
21.进一步的，所述步骤25中，所述二开固井人工井底制作过程：
22.a、在地面下入φ193.7mm二开技术套管，套管从贯通点一侧的人工垂 直壁穿越已掘巷道至另一端人工垂直壁，对于位于人工垂直壁之间的套管段 设计采用马丽散缠绕于该套管段外壁，所缠绕厚度不超过二开井眼的尺寸；
23.b、随后在地面利用钻机升降系统缓慢提起套管，与此同步进行，依次 从上到下触发套管外壁缠绕的马丽散，实现发泡膨胀密封功能，形成二开马 丽散充填段，套管串末端预留人工垂直壁以下20cm套管长度，从井下已掘 巷道的人工垂直壁所伸出20cm套管处绕着套管外壁均匀分布插入6个细管， 细管穿过二开马丽散充填段，通过6个细管同时进行注入纯水泥浆，形成15m 段长的二开风泵纯水泥充填段，然后将所述6个细管取出；二开固井人工井 底制作结束后纯水泥浆至少侯凝48小时，最后采用纯水泥浆正循环返至地面 固井。
24.进一步的，所述步骤3包括如下子步骤：
25.步骤31，在已掘巷道内制作三开人工井筒，所述三开人工井筒由多个高 压隔管之间通过其自带有螺孔的法兰盘、紧固螺钉与紧固螺栓密封连接，人 工井筒连接串两端通过锚杆密封锚固于人工垂直壁上，人工井筒两端连接的 高压隔管上安装有放喷阀；
26.步骤32，采用ф171.4mmpdc钻头及利用水基泥浆循环体系位于煤层掘 进条带顶板内钻进至设计井深完钻，三开上倾式井段的水平井轨迹距离煤层 掘进条带与煤层掘进条带顶板之间的交界面间距在2～3m范围内；三开钻进 及起钻结束后，打开三开人工井筒处的放喷阀，将储存在人工井筒两侧井眼 环空的泥浆释放出来，然后拆除人工井筒；
27.步骤33，三开全井段下入ф139.7mm三开生产套管，下入井内的套管特 定位置安装反扣装置，套管下至完钻井深以上5m，三开井底预留5m口袋， 已掘巷道内的三开上倾式井段孔口预留延伸50cm套管，用于安装后续压裂 的井口密封器、放喷器等以及抽采井头；进行三开全井段下套管期间在已掘 巷道内制作三开人工井口；
28.步骤34，三开上倾式井段采用比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井纯水泥 浆正循环固井，待固井纯水泥浆从6个细管返至已掘巷道，封堵6个细管出 口，泵入的纯水泥浆碰压后，固井结束，在地面关闭井口，侯凝至少72小时， 然后进行三开套管倒扣，起出未封固套管。
29.进一步的，所述步骤33中，所述三开人工井口制作过程如下：
30.三开套管下至完钻井深剩余15m时，在已掘巷道内对还未下入三开上倾 式井段井底的10m套管设计采用马丽散缠绕于该套管段外壁，所缠绕厚度不 能超过三开井眼的尺寸；随后位于地面利用钻机升降系统缓慢下放套管，与 此同步进行，依次从下到上触发套管外壁缠绕的马丽散，形成三开马丽散充 填段，然后借助风泵在井下已掘巷道绕着穿过人工垂直壁套管的外壁均匀分 布插入6个细管，细管穿过三开马丽散充填段，6个细管同时进行注入纯水 泥浆，形成15m段长的三开风泵纯水泥充填段，三开风泵注入纯水泥浆结束 后，所插入的6个细管作为三开上倾式井段纯水泥浆正循环固井过程的排气 孔。
31.相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
32.(1)利用地面水平井分段压裂，压裂规模大、压裂裂缝扩展范围广， 抽采效果有保障；
33.(2)能够有效减少采煤工作面或顶板钻孔的布设数量；
34.(3)凭借井下负压抽采系统进行抽采，抽采周期短，抽采效率高；
35.(4)位于已掘巷道内制作人工井筒，建立正常地面钻井循环系统；
36.(5)位于已掘巷道内制作人工井底与人工井口，建立固井纯水泥浆正循 环流动；
37.(6)采用井下巷道进行排水采气，节约地面抽采设备成本，且井下排 水效率高；
38.(7)修井作业(洗井)可充分利用井下巷道，地面无需作业机。
39.综上，该方法既能提高沿掘进工作面各个方向上瓦斯增透范围，减少掘 进工作面或顶板钻孔的布设数量，同时也能实现瓦斯负压抽采条件，高效快 速实现掘进条带瓦斯治理，有效保障煤层巷道掘进能够按计划正常施工。
附图说明
40.图1为掘进条带顶板水平井轨迹布设图；
41.图2为掘进条带顶板水平井钻进与分段压裂施工示意图；
42.图3为二开固井人工井底放大示意图；
43.图4为三开人工井筒放大示意图；
44.图5为安装放喷阀高压隔管示意图；
45.图6为未安装放喷阀高压隔管示意图；
46.图7为已掘巷道内三开人工井口放大示意图；
47.图8为钻进与压裂施工结束后负压瓦斯抽采示意图。
48.图中各个标号的含义为：
49.1.一开垂直井段，2.二开垂直井段，3.二开造斜井段，4.煤层掘进条带， 5.着陆点，6.分级箍，7.二开马丽散充填段，8.二开水平井段，9.二开风泵纯 水泥充填段，10.锚杆，11.已掘巷道，12.紧固螺钉，13.紧固螺栓，14.顶板， 15.三开马丽散充填段，16.人工垂直壁，17.三开风泵纯水泥充填段，18.三开 上倾式井段，19.压裂顶板裂缝，20.射孔点，21.穿层裂缝，22.高压隔管，23. 反扣装置，24.放喷阀，25.贯通点，26.法兰盘，27.螺孔，28.承压护帽，29. 抽采管线，30.负压抽采设备，31.抽采井头，32.煤层掘进条带顶板，33.煤层 预掘进工作面顶板，34.水平井井位，35.水平井轨迹。
具体实施方式
50.下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
51.本实施例给出了井地联合掘进条带过巷道水平井分段压裂预抽瓦斯方法， 该方法的总体思路是：通过在地面钻取一口l型长水平井，所述地面l型长 水平井设计为三开井身结构，该水平井轨迹位于煤层掘进条带的顶板内钻进， 水平钻进穿越矿井已掘巷道，过已掘巷道后钻取上倾式井段，钻进至设计井 深完钻。然后，在地面进行上倾式井段分段射孔压裂施工。分段射孔压裂施 工结束后，通过在矿井下的已掘巷道内卸压放喷，形成瓦斯负压快速抽采条 件，最后在矿井下的上倾式井段井口安装瓦斯抽采设备，以此实现井地联合 掘进条带过巷道顶板水平井分段压裂快速预抽瓦斯方法。根据煤矿开采计划 部署所设计的煤层掘进条带4以及煤层预掘进工作面，确定相应的煤层掘进 条带顶板32、煤层预掘进工作面顶板33、水平井井位34的区域范围部署， 然后沿煤层掘进条带顶板32进行水平井轨迹35的设计施工，具体如附图1 所示。本发明给出的一种井地联合掘进条带过巷道水平井分段压裂快速预抽 瓦斯方法，具体实现步骤如下：
52.步骤1，施工l型长水平井的一开井段，一开井段为垂直井段。具体操 作如下：
53.一开垂直井段1施工采用φ346.1mm气动潜孔锤优快保直钻进至基岩 10～15m，下入φ273.05mm表层套管，采用比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井 纯水泥浆正循环返至地面固井。
54.步骤2，施工l型长水平井的二开井段，二开井段为垂直、造斜、水平 三个井段，采用φ241.3mm钻头钻进至煤层顶板底部与已掘巷道于贯通点实 现地面与井下连通，下入φ193.7mm二开技术套管与制作二开固井人工井底 协同施工，利用纯水泥浆正循环固井，水泥浆返至地面。具体包括如下子步 骤：
55.步骤21，二开垂直井段2施工采用φ241.3mm气动潜孔锤优快保直钻进 至设计的二开垂直井段2井深；
56.步骤22，二开造斜井段3施工采用φ241.3mmpdc钻头及利用水基泥浆 循环体系钻进至煤层掘进条带顶板32底部设计的着陆点5，水平井轨迹35 位于着陆点5的井斜角为90
°
，并且方位角的延伸线与已掘巷道11正交；
57.步骤23，二开水平井段8施工采用φ241.3mm牙轮钻头及利用氮气循环 体系钻进至设计贯通点25，实现地面与井下连通。然后在已掘巷道11的贯 通点25对应井深高度施工已掘巷道11两侧巷帮的人工垂直壁16。
58.步骤24，二开全井段下入φ193.7mm二开技术套管，下入井内的二开技 术套管特定位置连接分级箍6，以实现固井纯水泥浆液泵入套管时，触发激 活分级箍6，使分级箍6于套管内特定位置承压密封套管内环空，分级箍6 侧向孔打开，进而有效建立固井纯水泥浆正循环流动，进而实现高效高质量 固井。
59.步骤25，进行二开全井段下套管期间在井下已掘巷道11内进行制作二 开固井人工井底。具体的，二开固井人工井底制作过程如图3所示，a、在 地面下入φ193.7mm二开技术套管，套管从贯通点25一侧的人工垂直壁16 穿越已掘巷道11至另一端人工垂直壁16，对于位于人工垂直壁16之间的套 管段设计采用马丽散缠绕于该套管段外壁，所缠绕厚度不能超过二开井眼的 尺寸。b、随后在地面利用钻机升降系统缓慢提起套管，与此同步进行，依 次从上到下触发套管外壁缠绕的马丽散，实现发泡膨胀密封功能，以实现密 封巷道贯通点25以上几米井段的井壁与套管之间环空间隙，形成二开马丽散 充填段7，套管串末端预留人工垂直壁以下20cm套管长度，用于安装承压护 帽28，借助风泵从井下已掘巷道11的人工垂直壁16所伸出20cm套管处绕 着套管外壁均匀分布插入6个细管，细管穿过二开马丽散充填段7，通过6 个细管同时进行注入比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井速凝型纯水泥浆，形成 15m段长的二开风泵纯水泥充填段9，然后在井下已掘巷道11内将插入二开 马丽散充填段7内的6个细管取出。二开固井人工井底制作结束后纯水泥浆 至少侯凝48小时，最后采用比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井纯水泥浆正循环 返至地面固井。
60.步骤3，制作三开人工井筒，施工l型长水平井的三开井段，三开井段 为上倾式井段。在已掘巷道内制作三开人工井筒，建立三开地面与井底正常 钻井泥浆循环，采用ф171.4mm钻头钻取上倾式井眼，钻进至设计井深完钻， 拆除已掘巷道内三开人工井筒，下入ф139.7mm三开生产套管与在已掘巷道 内制作三开人工井口协同施工，利用纯水泥浆正循环固井，水泥浆返至已掘 巷道。具体包括如下子步骤：
61.步骤31，三开上倾式井段18钻进施工之前，首先需要在已掘巷道11内 制作三开人工井筒，如图4所示，以此来建立三开正常钻井过程泥浆循环， 三开人工井筒由多个高压隔管22之间通过其自带有螺孔27的法兰盘26、紧 固螺钉12与紧固螺栓13密封连接，人工井筒连接串两端通过锚杆10密封锚 固于人工垂直壁16上，人工井筒两端连接的高压隔管22上安装有放喷阀24。
62.步骤32，然后采用ф171.4mmpdc钻头及利用水基泥浆循环体系位于煤 层掘进条带顶板32内钻进至设计井深完钻，三开上倾式井段18的水平井轨 迹35距离煤层掘进条带4与煤层掘进条带顶板32之间的交界面间距严格控 制在2～3m范围内。三开钻进及起钻结束后，打开三开人工井筒处的放喷阀 24，将储存在人工井筒两侧井眼环空的泥浆释放出来，然后拆除人工井筒。
63.步骤33，三开全井段下入ф139.7mm三开生产套管，下入井内的套管特 定位置安
装反扣装置23，套管下至完钻井深以上5m，三开井底预留5m口 袋，已掘巷道11内的三开上倾式井段18孔口预留延伸50cm套管，用于安 装后续压裂的井口密封器、放喷器等以及抽采井头31。进行三开全井段下套 管期间在已掘巷道11内制作三开人工井口，如图7所示，三开人工井口制作 过程，三开套管下至完钻井深剩余15m时，在已掘巷道内11对还未下入三 开上倾式井段18井底的10m套管设计采用马丽散缠绕于该套管段外壁，所 缠绕厚度不能超过三开井眼的尺寸。随后位于地面利用钻机升降系统缓慢下 放套管，与此同步进行，依次从下到上触发套管外壁缠绕的马丽散，实现发 泡膨胀密封功能，以实现密封已掘巷道11内三开上倾式井段18孔口10m范 围的井壁与套管之间环空间隙，形成三开马丽散充填段15，然后借助风泵在 井下已掘巷道11绕着穿过人工垂直壁16套管的外壁均匀分布插入6个细管， 细管穿过三开马丽散充填段15，6个细管同时进行注入比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井速凝型纯水泥浆，形成15m段长的三开风泵纯水泥充填段17， 三开风泵注入纯水泥浆结束后，所插入的6个细管不需要取出，需要保持畅 通，作为三开上倾式井段18纯水泥浆正循环固井过程的排气孔。
64.步骤34，三开上倾式井段采用比重为1.7～1.8g/cm3的g级油井纯水泥浆 正循环固井，待固井纯水泥浆从6个细管返至已掘巷道11，封堵6个细管出 口，泵入的纯水泥浆碰压后，固井结束，在地面关闭井口，侯凝至少72小时， 然后进行三开套管倒扣，起出未封固套管。
65.步骤4，对三开上倾式井段18分段射孔压裂并安装瓦斯抽采头。具体包 括如下操作：
66.三开上倾式井段18分段射孔压裂，在地面下入连续油管串穿越已掘巷道 11，进入三开上倾式井段18，在优选的压裂井段，按照设计的射孔点20，进 行分段射孔压裂，产生大规模复杂穿越顶板沟通煤层的穿层裂缝21，同时也 会产生小规模压裂顶板裂缝19。分段射孔压裂施工结束后，在井下已掘巷道 11内三开上倾式井段18孔口所预留的50cm套管处安装抽采井头31，抽采 井头31与负压瓦斯抽采设备30通过抽采管线29连接，如图8所示，最终实 现井地联合掘进条带顶板水平井分段压裂快速预抽瓦斯，有效保障煤层巷道 掘进能够按计划正常施工。
67.本发明通过地面水平井分段压裂抽采在煤层掘进条带范围形成裂缝网络， 地面井口压裂压裂规模大，地面压裂规模为8-14m3/min，而井下压裂规模仅 为1-2m3/min，所以地面压裂裂缝延伸远，抽采范围大，有利于煤层瓦斯抽 采。采用与水平井联通的巷道进行抽采，不需要钻进常规方式的对接直井， 不用安装排采设备，而且井下排采时由于水平井筒中存在液柱压力，仅需控 制排采阀门开度即可进行，便于实施，后期可连接井下的负压抽采系统进行 抽采，能够将储层压力降低4-35kpa，进一步促进煤层瓦斯解吸。本发明改 变了原有掘进条带瓦斯抽采方式，采用较为安全的地面施工方式，同时，能 够节省井下底板岩巷和底板穿层孔的施工费用，符合我们国家“以人为本， 生命至上的理念”的理念。