基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法与流程

本发明涉及属于地面瓦斯抽采，涉及煤矿工作面瓦斯地面超前预抽，具体涉及一种基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法。

背景技术：

1、我国高瓦斯突出矿井分布较为广泛、且瓦斯资源量丰富，抽采煤层中的瓦斯不仅可以有效治理煤矿瓦斯灾害、保障煤矿安全生产，而且可以获取大量瓦斯资源，同时，随着矿井开拓和开采规模的加大，瓦斯灾害问题严重影响矿井的采掘接替和安全生产。考虑到煤矿井下瓦斯抽采投入成本高、抽采时间长、施工风险大，采取传统井下穿层和顺层钻孔预抽区域煤层瓦斯措施已不能完全满足煤矿采掘接续和安全生产的需求。目前，地面瓦斯强化抽采超前预抽逐步成为治理矿井瓦斯灾害的有效途径，不仅降低了施工成本、保障了安全生产，还实现了矿井瓦斯的超前治理，为矿井工作面瓦斯快速预抽消突、保障煤矿采掘接续提供了技术保障。

2、地面抽采技术从最初的直井抽采逐步转向水平井强化抽采，同时，随着压裂增产改造技术的发展，压裂造缝机理逐步由长缝压裂理论向复杂网络裂缝的体积压裂技术转变。目前提出的地面水平井抽采方法主要存在以下缺陷：(1)水平井井位部署和煤矿工作面规划结合不紧密，不能有效解决煤矿工作面瓦斯抽采问题，严重影响工作面采掘规划；(2)水平井单井水平段长度较短，不能完全覆盖整个工作面的地面瓦斯抽采需求，往往需要设计2口以上的地面水平井来解决整个工作面的地面瓦斯抽采需求，增加了施工投入和后期管理成本；(3)水平井抽采井眼轨迹控制难度大，针对软煤层尤其碎软低渗煤层要求在煤层顶板0～2m之间钻井，井眼轨迹距离煤层较远不利于压裂裂缝穿层扩展沟通井筒与下部煤层；(4)水平井单段压裂裂缝控制范围有限，存在瓦斯抽采盲区，造成煤矿工作面采掘过程中存在瓦斯突出风险；(5)常规的机械桥塞分段压裂工具在压裂后需要下入磨铣管柱将桥塞进行统一钻铣，施工步骤复杂、周期长、成本高且存在一定施工风险；(6)地面抽采产量衰减快，稳产时间短，造成单井产气量少，地面瓦斯抽采率低等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，以解决现有技术中存在的无法通过单口水平井实现煤矿工作面瓦斯有效全覆盖及地面水平井强化抽采超前预抽的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

3、基于工作面瓦斯全覆盖地面水平井强化抽采超前预抽方法，包括以下步骤：

4、步骤1、收集工作面瓦斯全覆盖抽采区域的勘探数据和矿井数据，并根据收集到的数据确定沿工作面走向布设的u型远端对接水平井组中水平段的布设层位；

5、其中，所述u型远端对接水平井组包括一口排采直井和一口定向水平井，所述排采直井与定向水平井之间的水平连通段为水平段；

6、步骤2、施工排采直井，并完成与所述排采直井对接的定向水平井的一开钻井、二开钻井和固井；

7、步骤3、完成三开水平段随钻地质导向钻进，并在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使水平井的井眼轨迹位于步骤1所述的布设层位中；

8、步骤4、完成定向水平井的全井段固井完井；

9、步骤5、对水平段进行分段封隔、对目标煤层实施段间机械封隔及段内多簇化学暂堵分段压裂施工，形成三维体积裂缝网络；

10、步骤6、进行压后返排、通洗井作业，实现定向水平井与排采直井的沟通；

11、步骤7、完成工作面瓦斯全覆盖地面强化抽采超前预抽。

12、本发明还具有以下技术特征：

13、步骤1所述的u型远端对接水平井组水平段的布设层位具体包括：

14、当煤层为软煤层时，水平段的布设层位为煤层顶板；

15、当煤层位硬煤层时，水平段的布设层位为煤层。

16、更进一步的，步骤3所述在钻进过程中实时调整钻进轨迹，使钻进轨迹位于步骤1所述的布设层位中具体包括：

17、当水平段的布设层位为煤层时，根据随钻地质导向测井实时获取的钻进数据调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹在煤层中；

18、当水平段的布设层位为煤层顶板时，通过随钻地质导向测井和多点探煤实时获取钻进数据，然后计算探煤间距、见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，以及探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离，并根据得到的计算结果实时调整钻进轨迹，控制水平井井眼轨迹与煤层顶界的垂直距离在0～2m。

19、更进一步的，所述探煤间距通过以下公式确定：

20、

21、式中：

22、l为探煤间距，单位为m；

23、si为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

24、αi为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

25、n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

26、更进一步的，所述见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离通过下式计算：

27、

28、式中：

29、hb为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

30、si为侧钻探煤过程中第i个钻探点的钻井深度，单位为m，且i为正整数；

31、αi为侧钻探煤过程中第i个钻探点的井斜角，单位为°；

32、n为侧钻探煤过程中钻探点的数量，且n为大于1的正整数。

33、更进一步的，所述探煤侧钻点到煤层顶界的垂直距离通过下式确定：

34、当煤层顶板为下倾煤层顶板时，

35、ha＝hb-ltanβ

36、当煤层顶板为上倾煤层顶板时，

37、ha＝hb+ltanβ

38、式中：

39、ha为探煤侧钻点距离煤层顶界的垂直距离，单位为m；

40、hb为见煤点到探煤侧钻点所在水平平面的垂直距离，单位为m；

41、l为探煤间距，单位为m；

42、β为煤层视倾角，单位为°。

43、更进一步的，步骤4中所述的定向水平井的三开全井段固井完井包括：当定向水平井的水平段为大位垂比长水平段时，在水平井中下入包括水平井旋转引鞋、防窜通管柱、漂浮节箍的组合固井管柱，进行水平井三开全井段固井完井。

44、更进一步的，步骤5所述的段间机械封隔分段压裂施工中采用能够承压70mpa，且能够在144小时内完全溶解的低温可溶压裂桥塞。

45、更进一步的，在步骤5所述的段内多簇化学暂堵压裂施工中，压裂裂缝缝口水溶性暂堵剂用量通过以下公式确定：

46、g＝0.0412×πh(d×δd+δd2)×ρ视×(l+k)

47、式中：

48、g为压裂裂缝缝口水溶性暂堵剂用量，单位为kg；

49、h为射孔段长度，单位为m；

50、d为套管外径，单位为cm；

51、δd为滤饼厚度，单位为cm；

52、ρ视为缝口水溶性暂堵转向剂视密度，单位为g/cm3；

53、k为嵌入裂缝比例，单位为％。

54、更进一步的，步骤5所述的分段压裂施工中，压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为10～20m3/m，注入排量为10～16m3/min，平均砂比为10～15％，前置液比大于等于40％；

55、当水平段的布设层位为煤层时，压裂施工前的射孔选择在煤层中向水平方向实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为45°和135°水平方向；

56、当水平段的布设层位为煤层顶板时，压裂施工前的射孔选择在煤层顶板向煤层方向垂直向下实施多簇定向射孔，其施工参数包括：射孔枪89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10孔/米、射孔相位角为90°垂直向下。

57、本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

58、(1)本发明方法将水平井的布设井位与煤矿工作面的规划紧密结合，能够实现单口水平井组完全覆盖整个工作面的地面瓦斯抽采需求，保障水平井水平段眼轨迹精准控制，不仅有效解决煤矿工作面瓦斯灾害问题、保障了矿井的采掘接替和安全生产、降低了施工投入和后期管理成本，从而有效保障了水平井的高产、稳产以及高抽采率。

59、(2)本发明方法中，软煤层，尤其碎软低渗煤层内的水平段井眼轨迹控制在与煤层顶板距离0～2m之间，通过随钻地质导向测井和多点探煤井眼轨迹控制，确保井眼轨迹与煤层顶板距离的精准控制，有利于后期压裂裂缝穿层扩展沟通井筒与下部煤层。

60、(3)本发明方法在固井时采用的组合固井管柱结构，可有效保障水平井全井段固井质量，为后期压裂施工提供保障。

61、(4)本发明方法采用段间机械封隔结合段内多簇化学暂堵的分段压裂工艺，有利于实现水平井密集体积压裂改造效果，形成三维体积裂缝网络，从而实现煤矿工作面瓦斯抽采无盲区，保障煤矿工作面的安全采掘。

62、(5)本发明中采用煤层气低温可溶压裂桥塞，压后可减少钻铣工序，缩短施工周期、降低施工成本和风险。