多分枝地面垂直井瓦斯抽采技术研究.doc

多分枝地面垂直井瓦斯抽采技术研究 多分枝地面垂直井瓦斯抽采技术研究 周昀涵，罗新荣，吴丽丽** 作者简介周昀涵，（1982-），男，四川达州人，中国矿业大学安全技术及工程在读研究生，主要研究瓦 斯防治技术及矿井降温技术。 通信联系人罗欣荣，（1957-），男，教授，主要研究方向瓦斯治理以及降温技术. E-mail 作面为例，研究了多分枝地面垂直井的布置参数。 1 多分枝地面垂直井的可行性研究 多分枝井技术在国内外应用得比较多，大部分技术也只是在石油钻井和天然气钻井中应 45 用，但在有保护层开采的煤层群，受采动的影响，顶板上部产生大量的裂隙带、冒落带，要 想利用多分枝井来抽采卸压瓦斯是很难实现的。目前，分枝井主要是指多分枝水平井，多分 枝水平井有集束分支水平井、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[1]如下图1 所示;直接用多分枝水平井抽采卸压煤层瓦斯容易被竖向应力截断破坏， 如果把多分枝水平井变为多分枝垂直井就可以减少被破坏的程度。因此，结合地面钻井技术 50 与多分枝水平井技术来研究多分枝地面垂直井技术。 1、集束分支水平井2、径向分支水平井3、反向分支水平井4、叠状分支水平井5、羽状分支水平井 图1 多分枝水平井 Fig.1 multi-branch horizontal well 55 2 多分枝地面垂直井抽采效率影响因素 多分枝地面垂直井技术的成败，一般从两个方面来衡量，其一，抽采瓦斯的时间和瓦斯 抽采量；其二，垂直井与侧分支钻孔的稳定性。 2.1 抽采效率因素 影响抽采效率的因素主要有两类，一是地质构造，包括煤层透气性、煤层瓦斯含量、关 60 键层层数与关键层离采空区距离等。二是钻孔施工参数、采空区压实层度、采空区漏风情况 等；钻孔施工参数有钻孔终孔位置、钻孔布置间距及数量。 2.2 钻孔稳定性 多分枝地面瓦斯抽采钻井必然会经历回采工作面推过钻井，上覆岩层剧烈运动的应力调 整阶段，岩层的层间错动和离层，使得地面垂直钻井与侧井面临被切断和拉断的危险。破断 65 主要集中于以下几个部位①基岩面与松散层交界处；②分支井与垂直主井的连接处容易被 切断；③主关键层离层处套管容易破断；④技术套管与护壁套管的交界处，技术套管和护壁 套管都容易被破坏；⑤技术套管与生产套管交界处，生产套管与技术套管都容易破坏。 因此，在布置地面垂直井与侧分支井时，应避开客观因素的破坏，加强易破断位置的技 术设计。 70 3 多分枝地面垂直井的设计原理 3.1 设计原理 由于煤炭的采出，形成的采空区没有支撑物的情况下，直接顶将会断裂甚至垮落，直接 顶的上部就出现两类裂隙，离层裂隙和竖向破断裂隙。离层与采空区煤壁四周是瓦斯积聚的 地方。地面设计钻井要想最大化的抽采瓦斯，不仅要保证井孔，井壁不受破坏外，还要满足 75 卸压瓦斯抽放钻孔打到采动裂隙“O”型圈内[2]。设计侧分支井抽采上覆岩远距离煤层卸压 瓦斯和采空区瓦斯，侧井条数根据需要而定。 3.2 多分枝地面垂直井的构造 多分支地面垂直井是由垂直井，多条侧分支井组成，垂直井的布置位置前人研究了很多， 主要位置设置在靠近回风侧[3]，可以提高钻孔稳定性，终孔落在“O”形圈内；侧分支井一 80 般两条最佳，侧分支井的开窗位置是由岩层垮落的最大位移决定，垂直井与侧井的角度根据 采煤工作面上部破坏区边界与水平、倾向方向的夹角而定，侧井终孔位置根据冒落带、裂隙 带高度确定。多分枝地面垂直井示意图见图2。 图2 多分枝地面垂直井示意图 85 Fig.2 Diagram of branch-and-ground vertical well 3.3 多分枝地面垂直井的优缺点及关键技术 地面钻井抽采瓦斯虽然有诸多优点，但地面钻井在受采动影响，岩层移动后，容易变形 破坏，甚至地面钻井井孔会完全封堵，在此问题上，迫切需要研究一种不完全受采动影响的 90 瓦斯抽采钻井。根据地面钻井技术、石油钻井的侧井、水平羽状井的技术原理，设计出多分 枝地面垂直井技术。多分枝地面垂直井技术集成了地面钻井和多分枝水平井技术的优点，同 时也存在一些缺点。 1）多分枝地面垂直井技术的优点①对于新钻井不仅可以扩大瓦斯抽采范围，还可以 减少瓦斯抽采的时间，增加了瓦斯抽采率，同时也增加了瓦斯抽抽采量；②在多分枝地面垂 95 直钻井中，如果其中一个分支被覆岩移动破坏堵塞后，基本不会阻断其他分支的瓦斯抽采， 这样几个分支全部破坏的几率比只有一个井孔破坏的几率要小得多；③对于已破坏的井还可 以重新利用，在破坏端上部进行分支，这时的分支井基本不受覆岩的影响（采动过后，采空 区已成为压实区，不会产生很大的变形或移动）；④多分枝地面垂直井减少了地面钻孔的数 量。一个地面二分支钻井覆盖范围大概是一个垂直地面钻井覆盖范围大约1.5～2 倍，即覆 100 盖半径为300～400m。一个多分枝地面垂直井就可以抽采整个采空区瓦斯，不仅扩大了瓦斯 抽采范围，增加了瓦斯在单位时间的抽采率，节省了管理费用和大量的材料费。 2）多分枝地面垂直井技术的缺点①多分枝地面垂直井条数的增加，同时也就增加了 钻井液对煤层的浸泡损害煤体； ②完井风险大，可能丢失分支井眼； ③分支井可能在采动 过程中完全破坏阻断； ④多分枝地面垂直井技术复杂程度超过地面钻井技术，成功率比较 105 低。 3）多分枝地面垂直井的关键技术①分支井开窗技术参数的设计，包括开窗位置、角 度、开窗直径等；②分支井开窗口必须规则和一次成功，否则完井工具无法顺利通过[4]；③ 井眼轨迹和井壁稳定控制技术[5]。 4 多分枝地面垂直井设计 110 4.1 工作面概况 1311（1）工作面为丁集矿东翼首采工作面，走向长992m，面长214m。开采煤层为11-2 煤，保护上部13-1 煤层。该面煤层稳定，埋深-790～-825m，煤层局部变薄，煤层结构简单， 局部下部一般含一层泥岩夹矸，厚0.4～0.8m。受地质构造及沉积环境影响，煤层最薄0.2m, 最厚达3.0m，平均煤厚2.2m，煤呈黑色，粉末状～块状，属半暗型～半亮型煤。11-2 煤直 115 接顶为灰色泥岩，局部变薄或缺失，老顶为砂质泥岩；底板为灰色泥岩。工作面内地层较平 缓，总体倾向于西南，沿顺槽方向，地层自西向东逐渐上抬，倾角0～10，平均3，切 眼处倾角较大。 4.2 有效卸压参数计算 下保护层11-2 煤层的开采对13-1 被保护层的有效范围，根据走向、倾向的卸压角以及 120 采空区顶板的冒落高度与裂隙高度来描述；下面确定这些参数值。卸压范围与保护角的位置 图见图3。 1）沿走向、倾向方向的卸压角 走向方向的卸压角计算公式[6] 1 1 tan Φ h/L （1） 125 淮南矿区11-2 煤层与13-1 煤层法线距离为61.55～72.87m，平均值为66.7m；根据国内 外以及现场试验的结果表明沿走向的有效卸压范围为相对保护层内错大约32m。因此由式 （1）计算得1 Φ 64o 。 沿煤层倾斜方向的卸压角，用以下公式计算[6] 2 1 Φ h/L180o− aθ 10o ; （2） 3 Φ aθ −10o. 130 （3） 当a ≤ 45o 时，θ 90o−0.68a ； 由式（2）、（3）计算得Φ2 79o ， 3 Φ 88o 。即沿工作面倾斜方向的有效卸压保护 角下方为79。上方为88。 2）冒落带、裂隙带高度计算 135 根据“三下”采煤规程中的式[7] 100 M H a M b Σ Σ （4） 计算冒落带和裂隙带动高度。式（4）中的参数a 、b 及误差根据文献[8,9]确定。因此， 冒落带、裂隙带发育最大高度与采高的关系如下 100 2.2 4.7 19 mao M H M Σ Σ ； （5） 100 5.6 1.6 3.6 lie M H M Σ Σ 140 （6） 1311（3）工作面采高M 取2.2m，根据式（5）、（6）得冒落带范围为510m; 裂隙 带范围为2536m。 145 上图为沿走向的卸压范围；下图为沿倾向的卸压范围 图3 保护层与被保护层之间的卸压关系 Fig.3 The relation between released range and released angles 4.3 钻孔方位布置 150 在1311（1）工作面设计1 个多分枝地面垂直井，每个垂直井设计两个侧分支。考虑多 分枝地面垂直井的抽采效率及钻孔稳定性两方面的因素，将垂直井与分支井的终孔都设计在 偏离回风巷60～80m 处[10]。具体布置如下 根据1311（1）工作面顶板岩性及冒落带、裂隙带发育高度以及有关顶板钻孔抽采资料， 多分枝地面垂直井所有孔的终孔位置布置在距11-2 煤层顶板25～36m，即裂隙带内，终孔 155 不能落在冒落带内，因为容易堵塞孔口；在13111工作面上风巷距工作面开切眼500m 开 始施工地面垂直井钻场，侧分支井1 距13111工作面上风巷距工作面开切眼200m，侧分支 井2 距13111工作面上风巷距工作面开切眼700m. 分支井沿走向的倾角为64,沿倾向的 倾角为79～88。 5 结论 160 1 判断多分枝地面垂直井技术的成败因素是瓦斯抽采时间、抽采量及其钻井的稳定性； 分析了多分枝地面垂直井抽采卸压瓦斯技术的设计原理；垂直井与侧井终孔落在采动裂 隙“O”型圈内； 2 通过对1311（3）工作面的实例分析，将垂直井与分支井的终孔都设计在偏离回风 巷60～80m 处，分支井沿走向的倾角为64,沿倾向的倾角为79～88。多分枝地面垂直 165 井所有孔的终孔位置布置在距11-2 煤层顶板25～36m，即裂隙带内； 3 得出了一个多分枝地面垂直井的抽采半径可以达到400m,是一个地面钻井的1.5～2 倍，因此，多分枝地面垂直井增加了瓦斯抽采率，减少瓦斯抽采时间，提高了煤矿开采效率； 4 地面钻井存在的技术问题，多分枝地面垂直井同样存在，而且技术更复杂，但施工 多分枝地面垂直井时，必须先要计算好侧分支井的开窗位置、角度及侧分支井到裂隙带的长 170 度等，在有条件的情况下先模拟一样整个过程。 [参考文献] References [1] 鲜保安,高德利,王一兵等.分支水平井在煤层气开发中的应用机理分析[J].煤田地质与勘探,2005,33（6） 34-37. 175 [2] ]钱鸣高,缪协兴,徐家林等.岩层控制的关键层理论[M].徐州中国矿业大学出版社,2003. [3] 梁运培,胡千庭,郭华等. 地面采空区瓦斯抽放钻孔稳定性分析[J].煤矿安全，2007,3831-4. [4] 张发展.复杂钻井工艺技术[M].北京石油工业出版社,2006. [5] 饶孟余,杨陆武,张遂安.煤层气多分支水平井钻井关键技术研究[J].天然气工业,2007,271152-55. [6] 武杰,桑树勋,方良才等. 淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地质与勘 180 探,2010,38310-14. [7] 国家煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M] .北京煤炭工业出版社, 2000. [8] 许延春, 李俊成, 刘世奇等。综放开采覆岩“两带“高度的计算公式及适用性分析[J]. 煤矿开 采,2011,1624-11. 185 [9] 胡殿明.高位水平钻孔瓦斯抽放技术的应用[J].煤矿安全,2006,371126-33. [10] 李日富, 梁运培,欧聪等. 采空区瓦斯地面抽采钻井稳定性因素分析[J]. 矿业安全与环保， 2008,35311-17.