煤层气地面立体排采方法.pdf

本发明涉及煤层气地面立体排采方法，采用主井排采煤层气，主要特点就是破坏天然煤储层系统，打破该系统的平衡状态，使其相对均质化，创建一个新的有利于排采的煤储层系统。在所述主井周围的煤层内，通过定向斜井建造洞穴，形成煤层应力集中区，在煤层应力均衡过程中使洞穴周围的煤层应力得到释放，并使煤层发生张性与剪切破坏，产生新的裂缝，形成洞穴之间的干扰，造成煤层内处于封闭、半封闭状态的煤层裂缝相互沟通，形成大面积气渗流通道。该方法具有工程风险低，应用范围广等特点，可实现高效瓦斯排放和提高煤层气井产能。

1、  煤层气地面立体排采方法，采用主井排采煤层气，其特征在于：该方法就是破坏天然煤储层系统，打破该系统的平衡状态，使其相对均质化，创建一个新的有利于排采的煤储层系统。

2、  根据权利要求1所述的煤层气地面立体排采方法，其特征是：所述破坏天然煤储层系统，打破该系统平衡状态的具体方法：
(a)、所述主井(1)还包括主井周围的洞穴(3)；
(b)、在所述主井周围的煤层(10)内，通过定向斜井至少三处建造洞穴(3)，形成煤层应力集中区，在煤层应力均衡过程中使洞穴周围的煤层应力得到释放，并使煤层发生张性与剪切破坏，产生新的裂缝，形成洞穴之间的干扰，造成煤层内处于封闭、半封闭状态的煤层裂缝相互沟通并形成大面积气渗流通道；
(c)、由主井(1)进行煤层气排采，主井周围的定向斜井(2)要封孔但保留洞穴(3)。

3、  根据权利要求2所述的煤层气地面立体排采方法，其特征是：还包括该排采方法的施工工艺为：主井钻井→定向斜井钻井→斜井建造洞穴→斜井封孔→直井完井及固井→射孔和压裂。

4、  根据权利要求2或3所述的煤层气地面立体排采方法，其特征是：所述建造洞穴，其洞穴分布型式：为三角形网、或为矩形网、或为菱形网、或为圆形网、或为椭圆形网、或为多边形网。

煤层气地面立体排采方法
技术领域
本发明属于煤层气(瓦斯)开采技术，是一种提高煤层气井产能的地面排采方法。
背景技术
煤层气是一种资源，我国煤储层具有低含气饱和度、低渗透率、低储层压力(储层能量)、低资源丰度，高地应力，强烈的非均质性(包括储集性和渗透性)等特点。与美国煤层气开发取得成功的黑勇士和圣胡安盆地相比，我国煤层气开发的主要难题是渗透率低，较美国低2～3个数量级；与常规油气藏储层相比，也有很大的区别：煤层的杨氏模量比一般的砂岩或石灰岩储层低，一般小于一个数量级，而且压缩系数高；气水共存；气藏压力低；气层易损害。
目前，国内煤层气地面排采技术是在国外煤层气和石油天然气排采工艺基础上发展起来的，主要有直井和水平井两种方式，辅助增产技术主要有压裂增产，多元气体驱替和羽状水平井排采技术。
压裂增产的目的主要提高煤储层渗透率，其适用条件是：煤层比较坚硬。机械强度较低的煤储层，易压缩，易产生煤粉，堵塞裂缝，并有可能在裂缝周围形成应力屏障区，如在沁水盆地潞安区块压裂效果很差。
注入CO₂增产成本较高，存在气源问题，并且产出气体浓度低，需要进一步提纯，也给周边煤层的开采带来困难，而且只适用于不可开采煤层，渗透率低的煤储层CO₂注入也同样存在渗透屏障。
低压、低渗、欠饱和、高地应力和较软的煤储层，大量生产直井之间由于井间距较大，很难形成井间干扰，不能释放煤层地应力，排采效果差。沁水盆地潞安区块，2008年及以前完工的几十口直井显示，绝大多数低于400m³/d，规模开发难度很大。
羽状分支水平井技术适用于较厚且分布稳定、结构完整的煤储层，需要煤阶较高、煤质较硬的地质条件，对技术设备要求也很高。水平井在机械强度较低的煤储层中施工困难，风险高，构造复杂的地区难以施工，甚至不能完井，后期维护成本比较大。重要地是水平井仅仅沟通部分裂隙系统，难以影响储层各个方向上尤其垂向上的非均质性。如果在煤层的顶底板内施工水平井，就可能沟通含水层或不利于将来煤炭开采的顶板管理，致使矿井规划的一些固定措施(如巷道、火药库、井底车场等)无法建设。仅仅治理瓦斯，却带来新的隐患，会造成安全管理“顾此失彼”的尴尬局面。
在现有煤层气(瓦斯)开采技术中，直井和单只水平井排采均为线状，是一维排采；直井造穴严格说来是一种介于一维和三维之间的排采方式，由于井间距较大，相邻井之间难以形成干扰，近似认为为一维排采；多分支水平井和“U”型为面状，是二维排采。造成我国目前煤层气田开发单井平均气产量低，总体效益差的原因除了地质条件复杂、储层渗透率低等客观因素外，现有煤层气排采技术，排采方法是影响煤层气井产能的一个决定性因素。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，并结合现有技术，提供一种施工简单，对技术设备要求低，可以提高煤层气井产能，扩大排采范围，降低工程风险和成本，促进煤炭开采和煤层气排采协调发展的煤层气地面排采技术。
本发明的技术方案是：
煤层气地面立体排采方法，采用主井排采煤层气，其特征在于：该方法是破坏天然煤储层系统，打破该系统的平衡状态，使其相对均质化，创建一个新的有利于排采的煤储层系统。该方法具体为：
(1)、所述主井还包括主井周围的洞穴；
(2)、在所述主井周围的煤层内，通过定向斜井至少建造三处洞穴，形成煤层应力集中区；在煤层应力均衡过程中使洞穴周围的煤层应力得到释放，并使煤层发生张性与剪切破坏，产生新的裂缝，形成洞穴之间的干扰，造成煤层内处于封闭、半封闭状态的煤层裂缝相互沟通，形成大面积气渗流通道；
(3)、由所述主井排采煤层气，该主井可以是直井，也可以是定向斜井。主井周围的定向斜井要封孔但保留洞穴。
所述定向斜井包括两类，一类是分支式，在主井的某井段分支造斜井；另一类是丛式，从地表开始造斜井。
该排采方法的施工工艺为：主井钻井→定向斜井钻井→建造洞穴→斜井封孔→直井完井及固井→射孔和压裂。
所述的建造洞穴，其洞穴分布型式：为三角形网、或为矩形网、或为菱形网、或为圆形网、或为椭圆形网、或为多边形网。
本发明方法与现有技术比较：由于采用多处建造洞穴，主井排采方法，能够破坏原有的储层系统，形成全方位有利于排采的新储层系统，是一种三维立体排采方法。它实现了煤储层的增渗、卸压、空间置换(水平转垂直)、促进煤层气解吸、破坏煤储层非均质性等功能，可促使煤层气高效开发。
本发明具有的突出的实质性特点和显著效果如下：
1、工程施工风险低。由于采用现有成熟工艺，使用常规设备，能大大降低工程风险(主要与水平井相比较)。
2、大量小间距直井造穴方法也能达到本发明的排采效果。而与大量直井和直井造穴相比，本发明方法单井有效“井眼半径”大得多，因而能大大减少排采井眼，降低钻前工程(如修路等)、占地面积，设备搬迁、地面管线，节约主井眼的重复钻进、下套管、固井，有利于环境保护，提高综合效益，且不受环境地形影响，能避开有地质问题的地层钻进，也便于后期管理。本发明方法造穴斜井要封闭煤层顶板以上的地层，不用排采，能避免煤层坍塌影响排采，可降低后期修井清理费用。由于单孔控制面积大，可以结合矿井的开拓规划来布置钻孔，以避开巷道和洞室，而且造穴斜井不用下套管，能大大降低煤层段下套管对后期煤炭开采的影响。
3、应用范围广，适合于煤层气远期生产排采，也适合于近期矿区瓦斯排放；适用于原生结构煤储层，也适用于一些构造改造煤储层，能用于不同机械强度的煤储层，更适合于高地应力煤储层；适用于强含水煤储层，也适用于弱含水煤储层；适合于煤炭开采企业应用，也适合于非煤炭开采企业应用，还可以用于改造一些已完工但产能比较低或不产气的直井。
附图说明
图1为地面立体排采示意图；
图2为洞穴分布型式示意图；
图3为洞穴空间要素和各分支井水平投影图；
图4为主井的井身结构设计示意图；
图5为各分支井设计轨道垂直投影图；
图6为各分支井设计轨道立体示意图。
其中附图标记为：主井1、定向斜井2、洞穴3、煤储层10，
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明。
图1所示，为本发明煤层气地面立体排采示意图。煤层气地面立体排采方法，就是破坏煤储层(10)这个亿万年来形成的，相对独立处于平衡状态的非常规天然气系统，打破该系统的平衡状态，使其相对均质化，建立一个新的有利于排采的煤储层系统，采用主井排采。在所述主井(1)周围的煤层内，通过定向斜井(2)建造多处洞穴(3)(建造洞穴以下又简称为“造穴”)，形成煤层应力集中区；在煤层应力均衡过程中，使煤层应力得到释放，有利于煤层气解吸、渗流，并使煤层发生张性与剪切破坏，产生新的裂缝，形成洞穴之间的干扰，造成煤层内一些处于封闭、半封闭状态的煤层裂隙(割理)相互沟通，增大煤层的天然裂隙网络和煤的比表面积，扩大有效“井眼半径”，在井眼周围形成大面积煤层气渗流通道。
本发明煤层气地面立体排采方法，主井(1)还包括主井周围的定向斜井(2)；所述定向斜井包括两类，一类是分支式，在主井的某井段分支造斜井；另一类是丛式，从地表开始造斜井。
分支式又可分为多分支和单分支，多分支又可分为侧向一边的和四面八方的，侧向四面八方的又称为集束式(本说明书中实例就是采用集束式)。
在所述的主井周围一定范围的煤层内，多处造穴，形成煤层应力集中区的施工工艺为：主井钻井→定向斜井钻井→建造洞穴→斜井封孔→直井完井及固井→射孔和压裂。其中：
主井钻井：常规钻进工艺。为保护煤储层，目前常采用清水或欠平衡空气钻进技术；
定向斜井钻井：根据洞穴分布型式和地层机械强度，设计造斜井段和曲率半径。原则上定向井选用集束式，若由于地层原因(如松散层较厚、存在破碎带等)导致造斜井段间距不够，可采用丛式钻进造穴，或者集束式和丛式混合使用，丛式井一般针对较大水平位移的洞穴。为准确命中靶区，可随钻测斜以控制井眼轨迹。造穴井不需要下套管、固井，可节约成本，采用小口径钻进，以放入造穴工具为准。造穴斜井钻进至煤储层底板；
建造洞穴：一般要求洞穴有一定体积；洞穴高度接近于煤层厚度；造穴施工工艺要简单、安全。目前造穴方式有负压造穴、水力造穴、机械工具造穴等几种，机械工具造穴技术相对来说工艺和设备比较简单，可辅助洞穴爆破松动煤层，增强煤层破裂效果，并可配合其它增产措施。在钻遇煤层底板后，也可以直接在煤层中爆破，冲孔，形成洞穴，这种方式最简单。造穴过程尽量保护煤层顶板；
斜井封孔：斜井封孔要求煤储层以上完全封闭，保留洞穴；
直井完井及固井：包括下套管和固井等，固井时应根据煤层的特点和压力情况，设计合理固井工艺及水泥浆体系；
射孔和压裂：射孔是必须的作业，压裂则根据造穴效果，确定是否需要以及合适的压裂规模、压裂材料等。
洞穴分布型式
有三角形网、矩形网、菱形网、圆形网、椭圆形网和多边形等，如图2所示。由于我国煤储层普遍地应力偏高，煤储层中存有一定的水平地应力，本发明更倾向于采用菱形或矩形或椭圆形方式。如果不能确定煤层水平地应力方向或水平地应力较弱，可采用正方形、三角形或圆形等方式。多个煤储层采用多空间造穴。
一般洞穴间距(相邻洞穴之间的距离)和洞穴水平位移在10～800米之间。不同的区域，应根据地质及煤层情况进行优化，确定最佳的洞穴型式、洞穴水平位移、洞穴间距和靶区范围。为扩大排采范围可增加洞穴个数及洞穴水平位移。
储层强化机理
煤层割理走向与最大地应力方向平行，张性破坏裂缝可以有效的沟通所通过的面割理，剪切破坏裂缝可以横切多组渗透率更高的面割理和节理系统，而煤层沿割理、节理系统的渗透性远高于其它方向，且裂缝具有自支撑的特点，短期内不会闭合，有利于煤层甲烷气的渗流；同时地应力得以释放有利于煤层气的解吸；多个洞穴的相互干扰更有利于煤层气的解吸和渗流。
现场工艺施工示例
一、地质概况
生产试验区位于山西省沁水煤田某地，根据有关资料：地表为松散黄土层，厚度为20～160米。目的层3^#煤层平均埋深630米，煤层气含量8～25m³/t，上覆地层可钻性为4～5级，少部分为6级，煤层厚度5～10米，大部分为6～8米，煤质为贫煤、瘦煤，原生结构，煤层机械强度较低。
二、井基本数据
井别：生产实验井
井名：MLS001
地理位置：山西省某地。
主井井口坐标：X：，Y：高程：m
磁偏角：-4.50°
目的煤层：二叠系山西组3^#煤
完井方法：地面立体排采法(本次造穴采用集束式分支井)
完钻垂深：设计完钻垂深670.0m。
三、施工目的：
1、获取有关洞穴型式、洞穴空间要素(包括洞穴体积、洞穴间距、洞穴水平位移)、靶区范围等有关数据和适应目标区煤层气勘探开发工程、工艺的技术参数。
2、进行排采试验，获取层气排采参数。
四、地质设计
根据有关资料，井眼附近煤层水平地应力方向为N70°W，采用菱形方式布置洞穴，共设计洞穴8个。
各洞穴的空间要素和各分支井的水平投影图见表1，如图3所示。洞穴技术主要目标如下：洞穴直径不小于1.6米；洞穴高度接近于煤层厚度；洞穴造穴施工工艺要简单、安全；靶区范围为直径6米的圆。
洞穴的空间要素  表一

五、钻井设计
(一)、主井的井身结构设计
1、主井的井身结构设计图，如图4所示。
2、主井的井身结构数据表，见表二。
主井井身结构  表二

(二)、分支井参数设计
分支井井身轨迹设计采用圆柱螺旋法；
分支井设计造斜段全角变化率小于5.0°/30m，最大顶角25°；
各分支井设计轨道水平投影，如图3所示。
各分支井设计轨道垂直投影，如图5所示。
各分支井立体垂直投影，如图6所示。
分支井施工顺序为按洞穴的空间要素表中编号：I、V、III、VII、IV、VIII、II、VI；
分支井轨道设计总长1758米。
表三为I号分支井设计轨道数据，其它分支井类似，各分支井设计轨道见附图5。
I号分支井设计轨道数据表三

六、钻井设备及参数
(一)、钻井设备
主要钻井设备表四

(二)、钻具组合
1、一开钻具组合
0～50.00m段φ311.1mm钻头×1+φ158.8mm钻铤×2+钻杆。
2、二开钻具组合
50.00～670.00m段 直井钻具组合(50.00-670.00m)，φ215.9mm钻头×1+φ158.8mm无磁钻铤×1+φ214mm螺旋扶正器×1+φ158.8mm钻铤×9+φ127mm钻杆。
直井备选钻具组合：Φ215.9mm钻头×1+Φ158.8mm无磁钻铤×1+Φ158.8mm钻铤×9+Φ127mm钻杆。
3、造斜段(360.00～464.00m)钻具组合
φ215.9mm钻头+φ165mm螺杆+φ214mm螺旋扶正器×1+φ158.8mm无磁钻铤×2+φ158.8mm钻铤×9+φ127mm钻杆。
(三)、钻进组合
1、一开
采用φ311.15mm牙轮钻头钻进。
2、二开
直井段采用φ215.90mm牙轮钻头钻进。
3、造斜段
从464米左右开始分支井定向作业，采用φ215.90mm牙轮钻头造斜。
4、增斜段
该井段采用φ215.90mm牙轮和PDC钻头交替使用的钻进方法。
5、稳斜段
钻具：φ215.9mm牙轮(PDC)钻头+φ214mm螺旋扶正器×1+φ158.8mm无磁钻铤×1+φ158.8mm钻铤×9+φ127mm钻杆+主动钻杆。
6、降斜段
本次设计降斜很少，若斜度超过设计要求，须降斜。降斜钻具：φ215.9mm牙轮(PDC)钻头+φ159mm无磁钻铤×1+φ158.8mm钻铤×9+φ127mm钻杆+主动钻杆。
七、人工孔底建造、造穴及封孔
I号分支井，先用木塞在474m处“架桥”。将191^#树脂∶水泥∶砂子∶固化剂∶催化剂按1∶2.5∶1∶0.6∶0.05的比例配成砂浆，并把该砂浆和成泥球，从井口投入，再用螺丝头的钻具捣实至464m处，静置10小时后达到预计强度即算人工孔底建造成功。V、III、VII、IV、VIII号分支井，造斜点分别间距10米，在I号分支井完工后，直接捣实到设计位置作为人工孔底。II号分支井须重新“架桥”建造人工孔底，VI号分支井在II号分支井的基础上，直接捣实，建造人工孔底。
造穴过程可采用普通造穴钻头或专利造穴工具(一种油气井裸眼造穴工具，专利申请号200620007271)，配合爆破冲孔成穴，或直接爆破冲孔成穴。造穴完成后，各分支井在煤层顶板以上“架桥”并封孔。封孔材料：普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥、细沙或岩粉。
八、钻井液
全井要求清水钻进，非煤系地层钻进液密度不得大于1.05g/cm³，煤系地层不得大于1.02g/cm³。
九、煤层气井控要求
二开井口装置由套管头、四通和单板防喷器至下而上的组成。
井控预案为：
1、施工队设备安装细节按井控要求，现场配备H₂S气体检测仪器及防护工具。
2、钻遇3^#煤层前40m开始坐岗观察，杜绝观察溢流的失职状况发生；出现溢流，组织人员准备加重钻井液，立即向项目部报告；在分公司和项目部人员组织下控制溢流、井涌、杜绝井喷及井喷失控。
3、井场储备方解石粉不少于15吨。
4、钻进中发现钻速突快、放空、井漏、泵压下降、钻井液返出流量加大、钻井液粘度增高、钻井液密度下降、钻井液有大量气泡侵入等，立即停钻循环观察、准备实施一次井控控制溢流。
5、每次起钻前均调整好钻井液性能，大排量循环，测量钻井液密度，确证钻井液密度均匀，才允许起钻。
6、起钻后，应尽量缩短停井时间，尽快下钻。
7、在钻井施工期中应自始至终有专人负责观察，泥浆池、泥浆槽液面变化，尤其在钻开煤层后，发现异常及时上报井队长，由井队长上报项目部。
8、钻开主力煤层后，起钻杆每3柱、钻铤每一柱向井内灌满钻井液一次，保持井眼内的液柱压力；同时严格控制起下钻速度，特别要注意防止拔活塞，发现拔活塞，立即下放钻具接方钻杆循环排除拔活塞现象。避免因压力激动造成井漏、抽吸使液柱压力降低引起井喷。起钻速度不得大于20m/min。
9、坚持干部值班制度。打开煤层后，井队干部24h值班。
10、井喷失控后的防火灾、疏散人员、组织抢险，依井控条例执行。
11、井场严禁烟火；钻开目的煤层动火报经项目部批准且有防范措施；井场按规范要求配齐防火器具。
12、如发生井喷失控，要立即停车、停炉，消除火灾隐患，防止着火，并立即疏散人员、上报、组织抢险。
13、若井喷事故比较严重，在不得不离开井场的情况下，井队人员要选择好逃生路线，并向井场逆风的方向撤离，以防止有害气体吸入体内引起中毒。
十、固井施工设计
1、表层套管固井，要求水泥返出地面，水泥浆密度控制在1.85±0.03g/cm³。替浆时要求计量准确，严防替空。
2、技术套管固井，水泥浆密度设计1.50-1.60g/cm³，水泥浆返至3^#煤层顶板以上400m。水泥浆体系要求：低失水、高早强、微膨胀、浆体稳定性好，过渡时间短。套管扶正器安放设计：大斜度段每2根套管一只；其余封固段3根套管一只。
3、水泥浆配方：G级油井水泥+减轻剂+降失水剂+早强剂+膨胀剂+调凝剂+消泡剂。水泥浆试验要求：水泥浆自由水控制量为0；失水量＜50ml；水泥浆作增压稠化试验，稠化时间≥注水泥总时间+1h；水泥石应满足强度要求，抗压强度：24h≥8MPa，48h≥14MPa。
十一、射孔和压裂：现有成熟技术，射孔是必须的作业。根据造穴效果确定是否需要压裂以及合适的压裂规模、压裂材料等。
十二、健康、安全与环境保护(HSE)要求
(一)、钻井作业前要达到以下要求：
1、配备废水、废物防渗池(100-150方)、放喷池(10-20方)和清污分流排水系统。
2、井场内设立明显的环境保护标识；
3、废水池、废物坑、放喷池都必须有防渗透措施；
4、井场内设备、设施和工艺管线无跑、冒、滴、漏现象，保持清洁干燥；
5、井场内施工用料的储存都要明确指定地点，落实防渗透、防流失、防扬散措施；严禁就地焚烧废油品或其他废物；
6、有毒、有害用料应设明显标示，指定专人管理，建立收发登记台帐；
7、注水泥等产生微粒性粉尘污染的作业，要求用密闭下料系统或清洁生产施工工艺，防止粉尘污染空气环境；
8、建立环保台帐。环保台帐内容主要包括：施工作业主要污染物名称、排放时间、排放数量(液位)、排放地点；施工作业中环保事故情况、落地油量、污染面积、废液漏失量等；
(二)、钻井过程中要达到以下要求：
1、钻井液要采用低毒材料，严禁使用铁铬盐等材料；
2、严格控制废水产生量，落实泥浆泵、水刹车的冷却水循环使用等清洁生产措施。严禁清水冲洗设备，若外排废水必须符合地方政府的环保要求；
3、严格控制固体废物量，配备完善的固控设备，落实固控措施。鼓励采用减量化、资源化的方式回收、转换利用废泥浆；
4、严格控制生活垃圾的产生量，垃圾应存放在专用容器中，集中回收处理；可降解与不可降解物质要分别存放，分别处理。
5、对施工设备的噪音采取降噪隔音措施，减少对周围环境的影响；
(三)、完井后井场环境保护应符合以下要求：
1、完井后的钻井液材料、废机油、洗件油以及其它油品必须全部回收，不得遗弃在井场；
2、废水应全部回收或达标排放。
3、固体废物应全部安全处置或综合利用，处置后应参照<一般工业固体废物储存处置场污染控制标准>(GB18599)和地方政府的环保要求。
4、对钻井液进行回收或进行地表固化、无害化处理，达到国家环保要求。
5、完井后要平整井场，恢复地貌，达到复垦要求。
(四)、本井HSE重点要求
1、井队饮用水水质必须符合国家标准要求，确保职工饮水健康。
2、施工单位应遵守国家有关健康、安全与环境保护法律、法规等相关文件的规定。
3、夏季注意做好防雷电、抗洪防汛、防暑降温工作。
4、为了达到国家节约能源目标，实现可持续发展，施工单位应采用先进的技术、工艺，提高钻井速度，缩短钻井周期，达到节能目的。
5、为保护地下水资源不受污染，钻井过程中产生的所有废水、废钻井液必须排入泥浆坑或放喷池，在地面进行固化或无害化处理，决不允许污染地下水资源。
6、如果钻井中由于某种原因弃井时，则井眼内外要封堵，必须把气层、水层封死，第一个水泥塞封固气层段及以上150m；在井口200-300m处打第二个水泥塞。井口焊井口帽，并做好地下工程资料档案。