碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法

摘要

本发明公开一种碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法，包括：根据勘探数据和矿井数据确定水平井井型；根据勘探数据和矿井数据确定水平井井位；根据勘探数据和矿井数据确定水平井水平段在煤层顶板或底板的目标层位，以及水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离；根据目标矿区最小水平主应力方向确定水平井水平段的布设方位角；完成直井段钻井；利用方位伽玛地质导向方法进行水平井水平段地质导向钻进，实时调整水平井水平段的钻进轨迹；对水平井水平段进行分段封隔、向煤层方向实施定向射孔或多簇定向射孔，进行多簇暂堵转向分段压裂施工；完成多簇暂堵转向分段压裂施工后进行返排、通洗井、煤层气排水采气。

说明书

技术领域

本发明属于煤层气抽采技术领域，具体涉及一种碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法。

背景技术

煤层气主要以吸附的形式储集于煤层中。在煤层气的抽采过程中，煤层中吸附的气体经过解吸转换为游离态气体，之后通过煤层中微孔扩散、裂缝渗流运移至煤层气井中，从而实现煤层气的抽采。碎软低渗煤层具有孔隙度低、渗透率低、煤层碎软等特征，在我国石炭-二叠纪煤层中分布广泛，但是煤层气抽采效率低。目前常用的压裂直井产气量低，无法满足煤层气高效开发的要求，也无法达到地面预抽煤层气快速降低煤矿煤层气（瓦斯）含量和压力的目的。随着我国煤层气勘探开发技术的迅速发展以及对煤层气快速、高效抽采的技术需求，煤层气压裂技术也逐渐由直井压裂向水平井分段压裂技术方向发展，相比于直井压裂改造，水平井分段压裂可以大大提高单井泄流面积，有效提高煤层气单井的产气量。因此，亟需一种针对碎软低渗煤层的煤层气抽采方法，实现煤层气的高效抽采。

现有技术中所采用的煤层气分段压裂水平井强化抽采方法针对构造软煤煤层气开发问题，提出将水平井的井眼轨迹控制在煤层顶界以上0.5m~1.5m之间的泥岩或砂岩顶板中，通过在水平井段分段向下定向射孔和分段压裂，达到强化抽采构造软煤煤层气的目的。该方法对水平井井眼轨迹控制较为苛刻，不易控制，所需的边界探测技术成本高。此外，将水平井布置在泥岩层中，由于泥岩较强的塑性、起裂压力高、裂缝延伸困难，不利于裂缝跨界面穿层扩展沟通井筒与煤层，而且现有技术中采用的向下定向射孔分段压裂，为降低成本，往往设计的压裂段间距较大，从而导致压裂缝少、抽采效率低、不利于发挥长水平段优势。为提高压裂段数，目前也有采用段内多簇射孔压裂的手段，但是由于多簇射孔孔眼对压裂液的分流作用以及缝间应力干扰，致使部分射孔簇裂缝不能实现穿层扩展，形成无效裂缝。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法，以解决现有技术中碎软低渗煤层中煤层气抽采效率低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、收集目标矿区的勘探数据，并根据收集到的勘探数据和矿井数据确定水平井井型，所述水平井包括直井段和水平井水平段，所述水平井井型包括L型、U型和W型；

步骤2、根据收集到的勘探数据和矿井数据确定水平井井位；

步骤3、根据收集到的勘探数据和矿井数据确定水平井水平段在煤层顶板或底板中的目标层位，以及水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离；

步骤4、根据前期勘探或测试得到的目标矿区最小水平主应力方向确定水平井水平段的布设方位角；

步骤5、完成直井钻井，完成水平井一开、二开钻井和固井；

步骤6、利用方位伽玛地质导向方法进行水平井水平段地质导向钻进，实时调整水平井水平段的钻进轨迹，使钻头的钻进轨迹位于步骤3所述的目标层位中，并使水平井水平段与煤层顶/底面之间保持步骤3所确定的垂直距离；

当井型为L型井时，钻进至水平井水平段达到预设长度后下套管固井；

当井型为U型或W型时，钻进至水平井水平段与直井段对接后下套管固井；

步骤7、对水平井水平段进行分段封隔、向煤层方向实施定向射孔或多簇定向射孔，然后进行多簇暂堵转向分段压裂施工；

步骤8、完成多簇暂堵转向分段压裂施工后进行返排、通洗井作业，然后进行煤层气排水采气。

本发明还具有以下技术特征：

具体的，步骤3所述的水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离通过以下步骤确定：

步骤3.1、根据收集到的勘探数据和矿井数据，通过数值模拟确定水平井水平段在目标层位内的压裂缝延伸数据，所述压裂缝延伸数据包括压裂缝总高度、压裂缝半长、压裂缝上部裂缝高度、压裂缝下部裂缝高度；

步骤3.2、根据得到的压裂缝延伸数据，确定水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离。

更进一步的，所述的水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离为0.5~8米。

更进一步的，所述的水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离为1.5米。

更进一步的，所述测试得到的目标矿区最小水平主应力方向通过小型压裂测试、偶极子声波测井或应力解除法测得。

更进一步的，步骤4所述的水平井水平段布设方位角为-15°~15°。

更进一步的，步骤4所述的水平井水平段布设方位角为0°。

更进一步的，所述步骤5具体包括：

当井型为L型井时，完成直井钻井，然后水平井一开、二开钻井钻进至着陆点后下套管注水泥固井；

当井型为U型时，完成直井钻井后下套管注水泥固井，然后进行水平井一开、二开钻井，钻进至着陆点后再下套管注水泥固井；

当井型为W型时，完成直井钻井后下套管注水泥固井，然后分别完成两口水平井的一开、二开钻井，钻进至着陆点后下套管注水泥固井。

更进一步的，步骤6所述的进行水平井水平段地质导向钻进具体包括：

步骤6.1、建立目标矿区内地层吸收系数与伽马射线强度关系；

步骤6.2、建立目标矿区内煤层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系；

步骤6.3、根据步骤6.1建立的地层吸收系数与伽马射线强度关系和步骤6.2建立的层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系，确定目标矿区内不同数据采集扇区的伽马曲线幅值，所述伽马曲线幅值包括上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值；

步骤6.4、确定钻头到煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离；

步骤6.5、根据步骤6.4得到的煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离及步骤6.3得到的上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值，确定水平井水平段地质导向钻进轨迹，并进行水平井水平段地质导向钻进。

更进一步的，所述的步骤6.1中目标矿区内地层吸收系数与伽马射线强度关系为：

式中，J为伽马射线强度，单位为MeV，ac为地层吸收系数，η为位置参数，σ为尺度参数。

更进一步的，所述的步骤6.2的目标矿区内煤层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系为：

式中，J为伽马射线强度，单位为MeV，H为煤层顶板或底板厚度，单位为m，η

为位置参数，σ为尺度参数。

更进一步的，所述的步骤6.3计算不同数据采集扇区的伽马曲线幅值为：

式中，f为伽马曲线幅值，单位为API，Si为第i个数据采集扇区的伽马计数值，且i为取值范围为1~8的整数，N

其中，G

更进一步的，所述的步骤6.4确定钻头到煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离如下：

其中，

式中，L为钻头到煤岩界面的钻遇距离，单位为m；L

更进一步的，所述的步骤6.5具体包括：

当从煤层钻进到顶板岩层时，上下伽马曲线幅值均逐渐变大且上伽马曲线幅值先增大，并且钻遇距离逐渐增大，当钻遇距离小于5~8m或垂直距离为0.1~0.5m、上下伽马曲线幅值均超过70API时，调整钻头沿原钻进方向仪器工具面向角180°钻进；

当从煤层钻进到底板岩层时，上下伽马曲线幅值均逐渐变大且下伽马曲线幅值先增大，并且钻遇距离逐渐增大，当钻遇距离小于5~8m或垂直距离为0.1~0.5m、上下伽马曲线幅值均超过70API时，调整钻头沿原钻进方向仪器工具面向角180°钻进；

当顺煤层钻进时，若上下伽马曲线幅值均超过70API，则说明钻头进入煤层顶板/底板；若上下伽马曲线幅值均小于50API时，则说明钻头顺煤层钻进。

更进一步的，步骤7具体包括以下子步骤：

步骤7.1、确定水平井水平段的压裂段数及分簇射孔位置；

步骤7.2、对水平井水平段的第一段向煤层方向垂直向下/向上实施多簇定向射孔；

当井型为L型井时，对水平井水平段的第一段采用油管或连续油管输送方式实施多簇定向射孔；

当井型为U型或W型时，对水平井水平段的第一段采用电缆泵送桥塞射孔联作方式实施多簇定向射孔；

步骤7.3、采用桥塞分段压裂方式，对水平井水平段的第一段进行多簇暂堵转向分段压裂施工；

步骤7.4、重复步骤7.2和步骤7.3，对水平井水平段的剩余井段进行射孔压裂施工，直至完成全井段压裂施工；

步骤7.5、完成全井段压裂施工后，关井等待压力扩散至裂缝闭合压力以下时，进行放喷返排作业。

更进一步的，步骤7.2所述的向煤层方向垂直向下/向上实施多簇定向射孔的操作参数包括：射孔枪为95型或89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10~16孔/米、射孔相位角为垂直向下/向上。

更进一步的，步骤7.3所述的对水平井水平段的第一段进行多簇暂堵转向分段压裂施工操作参数包括：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8~15m

更进一步的，对于U型水平井或W型水平井，水平井水平段钻进的着陆点标高比水平井水平段与直井段对接处的标高高3~20m；对于L型水平井，水平井水平段钻进的着陆点标高比水平井水平段末端的标高低3~20m。

更进一步的，所述步骤8具体包括：

步骤8.1、放喷返排作业结束后，下入磨铣管柱将桥塞统一钻铣，将水平井水平段的所有桥塞全部磨铣结束后，继续下磨铣管柱至水平井人工井底，正循环1.5倍水平井井筒容积的清水，然后提出磨铣管柱；

步骤8.2、对水平井筒进行循环洗井作业，观察出口返出液情况至进出口水质一致，且出口液体干净无杂质污物，停止洗井作业；

步骤8.3、按照排采设计规范要求，安装水平井排采设备，对水平井进行排采作业。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

（1）本发明根据不同的地质条件以及煤层气抽采要求，选择不同的水平井井型，有利于因地制宜、节约成本、实现效益最大化。

（2）本发明方法设置了水平井着陆点标高与水平井末端的标高差值，有利于水平段内的积水在重力作用下流向直井井底，从而有利于快速排水采气。

（3）本发明方法通过水平井水平段布设方位角的设置可保证水力压裂时形成与水平段井筒垂直的横向缝，由于碎软煤层整体富气低渗，而横向缝能够保证水平井具有较高的产能，实现煤矿煤层气的高效抽采。

（4）本发明方法利用方位伽玛地质导向方法进行水平井水平段地质导向钻进，通过在钻进过程中实时调整钻进轨迹，有效解决了实际钻进轨迹不能实时监测，且钻进轨迹调整过程存在繁琐、不直观和有效性不足的问题，采用本发明方法，水平井水平段在目标层位的钻遇率达到95%以上。

（5）本发明方法通过多簇暂堵转向分段压裂工艺实现煤层气储层的改造，有利于实现对碎软煤层的密切割多簇分段压裂体积改造，从而形成复杂网络裂缝，获得更大的改造体积，提高单井产量。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为水平井钻进方向与裂缝延伸的关系示意图；

图3为水平井水平段以不同布设方位角设置的单裂缝延伸形态示意图；

其中，a为水平井水平段的布设方位角为0°，b为水平井水平段的布设方位角为15°，c为水平井水平段的布设方位角为45°，d为水平井水平段的布设方位角为60°；

图4为水平井水平段以不同布设方位角设置的双裂缝延伸形态示意图；

图5为本发明的地层吸收系数与伽马射线强度关系示意图；

图6为本发明的方位伽玛地质导向中钻头到界面的距离示意图；

图7为本发明的地质导向钻进轨迹示意图；

图8为实施例1中随钻方位测井仪到钻头的距离为1米时得到的上下伽马曲线幅值及钻进轨迹；

图9为实施例1中对水平井水平段进行多簇笼统压裂的效果图；

图10为实施例1中对水平井水平段进行多簇暂堵转向分段压裂的效果图。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明所设计的碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法，在碎软低渗煤层顶板或底板使用分段压裂水平井抽采煤层气，首要任务是明确目标矿区煤层顶底板界面、煤层构造及位置，其次是要获取煤层的含水量和含气量，以及煤层顶板或底板的岩性、厚度、煤层岩石力学参数和物性参数等数据；优选水平井方位与最小水平主应力方向平行布设；在采用随钻方位测井仪测量的过程中，利用设置在随钻方位测井仪上的探头实现方位测量，测量的方位数据分8个扇区记录，然后合成上下左右四个方位自然伽马强度测量值实时上传到地面，根据得到的数据实时调整水平井水平段的钻进轨迹，完成钻进；最后实施定向射孔或多簇定向射孔，进行多簇暂堵转向分段压裂施工、煤层气排水采气。

对本发明所涉及的技术术语解释如下：

U型水平井：由一口直井和一口水平对接井组成。

L型水平井：由单一水平井组成的水平井。

W型水平井：由一口直井和两口水平井对接组成。

压裂缝上部高度：指水平井水平段井筒下方的裂缝高度。

压裂缝下部高度：指水平井水平段井筒上方的裂缝高度。

钻遇距离：钻头沿钻进方向到煤岩界面的距离。

垂直距离：钻头到煤岩界面的垂线距离。

水平井水平段的布设方位角：水平井水平段的布设方向与最小水平主应力方向之间构成的锐角。

电缆泵送桥塞射孔联作：适用于套管固井完井方式，将电缆泵送射孔工艺与桥塞分段压裂工艺相结合，可实现电缆传输一趟完成桥塞坐封与射孔作业，可在带压情况下实现多段连续压裂施工。通过电缆泵送方式将连载一起的桥塞和射孔枪联作工具送至桥塞坐封位置后点火坐封，再上提射孔枪至射孔位置后进行射孔作业，射孔作业后起出电缆进行光套管压裂，压后再进行下一级泵送桥塞射孔联作以及压裂施工作业，重复以上步骤完成全井段的射孔压裂施工作业。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例给出了一种碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采方法，包括以下步骤：

步骤1、收集目标矿区的勘探数据和矿井数据，并根据收集到的勘探数据和矿井数据确定水平井井型，所述水平井包括直井段和水平井水平段，所述水平井井型包括L型、U型和W型；

其中，目标矿区的勘探数据和矿井数据具体包括：目标矿区的地形条件、地质条件、矿区煤炭采掘规划、井下巷道布置情况等。

收集地质条件数据可以了解煤层构造情况，指导水平井井型的选择。

收集矿区煤炭采掘规划、井下巷道布置情况能够初步了解煤矿井下开采情况，判断煤矿采掘区与目标抽采区域的距离，判断是否需要实现水平井水平段在工作面长度方向的全覆盖。

对于地处平原的矿区，如果目标矿区的前期研究程度低或地质构造复杂，优选U型水平井。U型水平井的优势在于，可通过直井探测煤层位置；在分段压裂作业后、排采作业前的通洗井作业方便；在直井中进行排采作业，大大降低了排采杆管偏磨以及煤粉产出对排采工序的影响。

如果目标矿区的前期研究程度高或地质构造简单，优选L型水平井。L型水平井的优势在于，可节约钻井成本、减少修路费用、减少占地面积。

为实现水平井水平段在工作面长度方向的全覆盖，优选W型水平井。W型水平井的优势在于：能够利用一口直井同时对两口水平井进行排采。对于W型水平井，在直井钻井结束后，分别从工作面的两端向直井方向钻进两口水平井，并将两口水平井与直井对接连通，在直井中进行排采作业。

步骤2、根据收集到的勘探数据和矿井数据确定水平井井位；

具体包括：根据收集到的目标矿区的地质与煤储层数据、目标矿区的煤炭采掘规划来确定水平井井位，所述目标矿区的煤储层数据包括煤层厚度、煤层气含量、煤层渗透率。首先，根据收集到的目标矿区的地质条件及煤层气勘探开发数据，编绘主采煤层底板等高线、煤层厚度等值线、煤层含气量等值线、煤层渗透率等值线等基础图件，综合评价井田地面煤层气抽采的地质条件，确定水平井的靶区及井位：将水平井布置在煤层厚度、煤层含气量、煤层渗透率均较高的区域。

步骤3、根据收集到的勘探数据和矿井数据确定水平井水平段在煤层顶板或底板中的目标层位，以及水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离；

步骤3.1、根据收集到的勘探数据和矿井数据，通过数值模拟确定水平井水平段在目标层位内的压裂缝延伸数据，所述压裂缝延伸数据包括压裂缝总高度、压裂缝半长、压裂缝上部裂缝高度、压裂缝下部裂缝高度；

具体包括：对于设置在煤层顶板中的水平井，根据水平井水平段井筒距离煤层顶面的距离d，计算得到煤层顶面以上裂缝高度H

H

H

对于设置在煤层底板中的水平井，根据水平井水平段井筒距离煤层底面的距离d，计算得到煤层底面以上裂缝高度H

H

H

步骤3.2、根据得到的压裂缝延伸数据，确定水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离。

作为一种优选方案，水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离为0.5~8米。

作为一种优选方案，所述的水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离为1.5米。

步骤4、根据前期勘探或测试得到的目标矿区最小水平主应力方向确定水平井水平段的布设方位角；

具体的，所述测试得到的目标矿区最小水平主应力方向通过小型压裂测试、偶极子声波测井或应力解除法测得。

更进一步的，所述水平井水平段布设方位角为-15°~15°，

作为本实施例的优选方案，水平井水平段布设方位角为0°。

如图2所示，在水平井水平段布设方位角为0°时，水力压裂后将形成与水平井水平段垂直的横向裂缝。当水平井水平段的走向与煤层最小水平主应力方向垂直，即水平井水平段布设方位角为90°时，水力压裂将形成与水平段井筒平行的纵向裂缝。

水平井水平段以不同布设方位角布设后生成的单裂缝的延伸情况如图3所示，当水平井与最小水平主应力方向夹角为0°~15°时，压裂时形成与井筒垂直的横向裂缝与地层具有较大的接触面积；随着夹角的增大（夹角达到45°~60°），裂缝起裂后发生转向，最终仍旧沿着最大水平主应力方向延伸，但裂缝发生转向，夹角越大，裂缝转向距离越大。裂缝转向处裂缝宽度小，不利于支撑剂在裂缝内的运移，并且裂缝起裂时近井弯曲摩阻较大，导致地面施工时的起裂压力升高，不利于压裂施工。

水平井水平段以不同布设方位角布设后生成的双裂缝的延伸情况如图4所示，当水平井水平段布设方位角为0°时，先压裂缝对后压裂缝的延伸并无明显影响，两条裂缝均能获得充分的延伸，从而有利于煤层气井产能的提高。而当水平井水平段布设方位角为45°时，后压裂缝由于受到先压裂缝的影响而在两翼出现不对称的情况，裂缝上翼延伸受限，压裂效果变差。

因此，水平井水平段方位与最小水平主应力方向夹角的范围为-15°~15°，优选的夹角为0°，设置水平井水平段布设方位角的主要目的是获得最佳裂缝延伸效果和产气效果。

步骤5、完成直井钻井，完成水平井一开、二开钻井；

当水平井井型为U型或W型时，首先在地面钻设直井至煤层，并对煤层取样测试、测井、试井，然后继续钻进至煤层下的预设位置，开展地应力测井获取直井地应力剖面，下套管固井；然后进行水平井直井段钻井，再施工导眼井、随钻测井、确定导向层位、填埋导眼井，并在侧钻至着陆点后下套管固井；

当井型为L型时，首先进行水平井直井段钻井，然后依次施工导眼井、随钻测井、确定导向层位、填埋导眼井，并在侧钻至着陆点后下套管固井。

对于U型水平井或W型水平井，水平井水平段钻进的着陆点标高比水平井水平段与直井段对接处的标高高3~20m；对于L型水平井，水平井水平段钻进的着陆点标高比水平井水平段末端的标高低3~20m。

步骤6、利用方位伽玛地质导向方法进行水平井水平段地质导向钻进，实时调整水平井水平段的钻进轨迹，使钻头的钻进轨迹位于步骤3所述的目标层位中，并使水平井水平段与煤层顶/底面之间保持步骤3所确定的垂直距离；

当井型为L型井时，钻进至水平井水平段达到预设长度后下套管固井；

当井型为U型或W型时，钻进至水平井水平段与直井段对接后下套管固井；

在煤层气的勘探开发中，随钻方位仪器随钻进设备顺着煤层钻进，煤层顶板/底板的天然放射性与煤层差异较大，当随钻方位仪钻遇到界面时，能够通过上下伽马的幅度变换顺序及测斜数据判别界面，并及时调整钻头方向，维持钻进设备顺煤层钻进。

具体包括：

步骤6.1、建立目标矿区内地层吸收系数与伽马射线强度关系；

随钻方位仪器在钻孔中测量，除受钻进层的伽马射线正常影响外，还受到煤层顶板或煤层底板围岩性质、煤层顶板/底板厚度和地层吸收系数的影响，当煤层顶板或煤层底板围岩性质、煤层顶板/底板厚度和地层吸收系数不同时，伽马射线的强度也不相同。如图5所示，当地层吸收系数分别为0.08、0.085、0.09、0.1时，伽马射线强度随吸收系数的减小而增大。

设钻孔中煤层顶板或底板厚度相同，吸收系数分别为0.08、0.085、0.09、0.1，通过模拟试验得到伽马射线强度的变化曲线，然后通过拟合得到目标矿区内地层吸收系数与伽马射线强度的关系：

式中，J为伽马射线强度，单位为MeV，H为煤层顶板或底板厚度，单位为m，η

为位置参数，σ为尺度参数。

步骤6.2、建立目标矿区内煤层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系；

设钻孔中介质的吸收系数相同，煤层、煤层顶板/底板和泥浆的吸收系数都为0.15，煤层顶板/底板围岩的吸收系数为0.08，煤层顶板/底板围岩厚度分别为1m、3m和6m，通过模拟试验获取数据后，拟合得到目标矿区内煤层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系为：

式中，f为伽马曲线幅值，单位为API，Si为第i个数据采集扇区的伽马计数值，且i为取值范围为1~8的整数，N

步骤6.3、根据步骤6.1建立的地层吸收系数与伽马射线强度关系和步骤6.2建立的层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系，确定目标矿区内不同数据采集扇区的伽马曲线幅值，所述伽马曲线幅值包括上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值；

式中，f为伽马曲线幅值，单位为API，Si为第i个数据采集扇区的伽马计数值，且i为取值范围为1~8的整数，N

若随钻方位测井仪的探头在初始时刻t

若θ大于2π，则将θ对2π取余，得到测井仪探头此时所处Si扇区的伽马计数值。

若随钻方位测井仪的采样间隔为L

将R和θ代入下式，即可求得随钻方位测井仪探头在数据采集扇区内的探测深度j的伽马射线强度计数值：

其中，G

步骤6.4、确定钻头到煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离如下：

其中，

式中，L为钻头到煤岩界面的钻遇距离，单位为m；L

由于随钻方位测井仪的直径与随钻方位测井仪的探测深度大小相近，所以在计算时不能忽略。根据钻井曲线的上升或下降沿来确定随钻方位测井仪与煤岩界面的距离，进而转换为计算钻头到界面沿钻进方向上的距离。

步骤6.5、根据步骤6.4得到的煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离及步骤6.3得到的上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值，确定水平井水平段地质导向钻进轨迹，并进行水平井水平段地质导向钻进。

当从煤层钻进到顶板岩层时，上下伽马曲线幅值均逐渐变大且上伽马曲线幅值先增大，并且钻遇距离逐渐增大，当钻遇距离小于5~8m或垂直距离为0.1~0.5m、上下伽马曲线幅值均超过70API时，调整钻头沿原钻进方向仪器工具面向角180°钻进；

当从煤层钻进到底板岩层时，上下伽马曲线幅值均逐渐变大且下伽马曲线幅值先增大，并且钻遇距离逐渐增大，当钻遇距离小于5~8m或垂直距离为0.1~0.5m、上下伽马曲线幅值均超过70API时，调整钻头沿原钻进方向仪器工具面向角180°钻进；

当顺煤层钻进时，若上下伽马曲线幅值均超过70API，则说明钻头进入煤层顶板/底板；若上下伽马曲线幅值均小于50API时，则说明钻头顺煤层钻进。

步骤7、对水平段进行分段封隔、向煤层方向实施定向射孔或多簇定向射孔，然后

进行分段压裂施工，具体包括：

步骤7.1、确定水平井水平段的压裂段数及分簇射孔位置；

步骤7.2、对水平井水平段的第一段向煤层方向垂直向下/向上实施多簇定向射孔；

当井型为L型井时，对水平井水平段的第一段采用油管或连续油管输送方式实施多簇定向射孔；

当井型为U型或W型时，对水平井水平段的第一段采用电缆泵送桥塞射孔联作方式实施多簇定向射孔；

向煤层方向垂直向下/向上实施多簇定向射孔的操作参数包括：射孔枪为95型或89型、射孔弹为102型、射孔孔密为10~16孔/米、射孔相位角为垂直向下/向上。

步骤7.3、采用桥塞分段压裂方式，对水平井水平段的第一段进行多簇暂堵转向分段压裂施工；

对水平井水平段的第一段进行多簇暂堵转向分段压裂施工操作参数包括：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8~15m

步骤7.4、重复步骤7.2和步骤7.3，对水平井水平段的剩余井段进行射孔压裂施工，直至完成全井段压裂施工；

步骤7.5、完成全井段压裂施工后，关井等待压力扩散至裂缝闭合压力以下时，进行放喷返排作业。

步骤8：完成多簇暂堵转向分段压裂施工后进行返排、通洗井作业，然后进行煤层气排水采气。

具体包括：

步骤8.1、放喷返排作业结束后，下入磨铣管柱将桥塞统一钻铣，将水平井水平段的所有桥塞全部磨铣结束后，继续下磨铣管柱至水平井人工井底，正循环1.5倍水平井井筒容积的清水，然后提出磨铣管柱；

步骤8.2、对水平井筒进行循环洗井作业，观察出口返出液情况至进出口水质一致，且出口液体干净无杂质污物，停止洗井作业；

步骤8.3、按照排采设计规范要求，安装水平井排采设备，对水平井进行排采作业。实施例1

遵从上述技术方案，在本实施例中，目标矿区为淮北某矿区，该矿区是我国典型的高瓦斯突出矿区，地质构造复杂，瓦斯灾害严重，曾发生过多起瓦斯突出和爆炸事故，因此，采煤前开展瓦斯预抽极为必要。通常井下常规采用底板岩巷穿层钻孔或煤巷顺层水平钻孔预抽瓦斯，由于煤层碎软低渗，单孔瓦斯抽采量低，抽采达标时间长，采掘接替矛盾十分突出。初期采用垂直压裂直井进行地面煤层气抽采，取得了一定的效果，但是该方式存在抽采时间长、单井控制面积小、外围工程量大等缺陷。

因此，对目标矿区前期的勘探井、煤层气开发井的数据进行了收集，选择8 年后的采煤区域施工顶板水平井。

按照以下步骤进行碎软低渗煤层顶板或底板分段压裂水平井煤层气抽采：

步骤1、由于目标矿区前期地质勘探数据较少，勘探孔平均井距为400~500m，并且无工作面全覆盖要求，因此，对于目标矿区，确定水平井井型为U型。

步骤2、根据收集到的勘探数据确定水平井井位；

保证水平井水平段所处的煤层顶板等高线应比直井井位所处的煤层顶板等高线高出5m，以利于后期排水采气。

步骤3、根据前期收集到的目标矿区的勘探数据，确定淮北矿的井田内二叠系含煤19~58层，可采及局部可采煤层共8层，其中，上部的3、4、5、6、7煤层为薄煤层，灰分高，煤层稳定性较差，仅可局部可采，平均可采总厚度为31.75m。8、9、10煤层为该矿区的主采煤层。8煤层与9煤层在纵向上距离较近，所以将8煤层和9煤层作为本次煤层气开发的目标煤层，水平井布置在8煤顶面以上的顶板岩层中。

在本实施例中，采用三维压裂数值模拟软件MFrac Suite进行了压裂模拟试验，将水平井水平段布置在煤层顶板中，以获取水平井水平段与煤层顶面距离为0.5m~8m时压裂缝的延伸数据，结果如下：

在水平井水平段与煤层顶面距离为0.5m时，压裂缝半长为：91.23米，压裂缝总高度为：55.297米，煤层顶面以上裂缝高度为：29.702米，煤层顶面以下压裂缝高度为：25.595米；

在水平井水平段与煤层顶面距离为1.0m时，压裂缝半长为：86.109米，压裂缝总高度为：58.964米，煤层顶面以上裂缝高度为：31.915米，煤层顶面以下压裂缝高度为：27.049米；

在水平井水平段与煤层顶面距离为2.0m时，压裂缝半长为：85.132米，压裂缝总高度为：61.068米，煤层顶面以上裂缝高度为：33.084米，煤层顶面以下压裂缝高度为：27.984米；

在水平井水平段与煤层顶面距离为4.0m时，压裂缝半长为：80.155米，压裂缝总高度为：66.728米，煤层顶面以上裂缝高度为：36.361米，煤层顶面以下压裂缝高度为：30.367米；

在水平井水平段与煤层顶面距离为8.0m时，压裂缝半长为：74.356米，压裂缝总高度为：74.621米，煤层顶面以上裂缝高度为：41.161米，煤层顶面以下压裂缝高度为：33.46米。

由上述数据可以看出，将水平井水平段布置在煤层顶板中，裂缝能够跨过煤层与煤层顶板的界面实现穿层扩展，从而沟通下部的煤层，为煤层气进入井筒提供通道。

当水平井水平段与煤层顶面的距离为0.5m向8m增加时，裂缝高度小幅度增加，并且煤层顶面以上的裂缝高度也逐渐增大，其对于煤层气渗流进入水平井水平段的井筒帮助不大。

当水平井水平段与煤层顶面的距离小于0.5m时，水平井水平段钻进时易钻入目标碎软煤层，一方面易发生埋钻、卡钻等井下事故，另一方面也易污染煤层。

当水平井水平段与煤层顶面的距离大于8m时，压裂时煤层顶面以上的无效裂缝长度将大幅度增加，会使压裂施工时的无效投入增加，另一方面距离越大，水平井水平段井筒与煤层间的地层情况也会更加复杂，地层间接触界面增多，增大水力压裂裂缝沟通煤层的难度。

此外，水平井水平段与煤层顶面的距离越小，裂缝从顶板起裂后越能快速穿层扩展进入下部煤层，裂缝穿层扩展时间越短，并且煤层顶面以上裂缝高度越小，即产生的无效裂缝的长度越小。

本实施例中预设煤层顶面以下裂缝高度H

根据表1中的结果，为使裂缝长度和煤层顶面以上裂缝高度达到预设值，水平井水平段与煤层顶面的距离应小于4.0m，并且为促进裂缝从煤层顶板向下部煤层中延伸。

因此，在本实施例中，水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离设定为0.5~2.0m。作为优选，水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离为1.5米。

步骤4、结合中国地应力分布图，根据交叉偶极子声波测井解释得到的矿区地应力方向，将水平井水平段布设方位角设置为0°。

步骤5、完成直井钻井，完成水平井一开、二开钻井；；

在本实施例中，直井属于煤层气参数井和生产井，也是后期水平井的排采井，直井的设计井深为816.00m，实际完钻井深806.00m。在钻井的过程中，需要获取煤层的埋深、厚度、结构等质参数，并完成煤层气含量和注入/压降试井测试。

直井采用二开井身结构。一开井深256.50m，二开钻至井深806.00m完钻。完钻后下入Ф177.8mm生产套管并固井。

为便于后期水平井对接和扩孔造穴作业，在724.9m~733.15m处采用玻璃钢套管完井，并且对726.65～731.15m处共计4.50m进行扩孔造穴，穴的直径为0.5m。

然后依次施工导眼井、进行随钻测井、确定导向层位、填埋导眼井，并在侧钻至着陆点后下套管固井；为保证水平井水平段与煤层顶/底面的垂直距离为1.5m左右，在施工过程中，先钻斜导眼井探测煤层的位置，以实现水平井水平段钻进时着陆点的精确控制。

步骤6、利用方位伽玛地质导向方法进行水平井水平段地质导向钻进，实时调整水平井水平段的钻进轨迹，使钻头的钻进轨迹位于步骤3所述的目标层位中，并使水平井水平段与煤层顶/底面之间保持步骤3所确定的垂直距离；

包括以下子步骤：

步骤6.1、建立目标矿区内地层吸收系数与伽马射线强度关系；

步骤6.2、建立目标矿区内煤层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系；

步骤6.3、根据步骤6.1建立的地层吸收系数与伽马射线强度关系和步骤6.2建立的层顶板或底板厚度与伽马射线强度关系，确定目标矿区内不同数据采集扇区的伽马曲线幅值，所述伽马曲线幅值包括上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值；

步骤6.4、确定钻头到煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离；

步骤6.5、根据步骤6.4得到的煤层与煤层顶板/煤层底板界面的钻遇距离和垂直距离及步骤6.3得到的上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值，确定水平井水平段地质导向钻进轨迹，并进行水平井水平段地质导向钻进。

在本实施例中，在使用随钻方位测井仪进行水平井水平段地质导向钻进时，将随钻方位测井仪设置在钻铤上，获得实时伽马曲线幅值，所述伽马曲线幅值包括上伽马曲线幅值和下伽马曲线幅值，具体结果参见图8，需要说明的是，在图8中深度单位为百米，

如图8所示，钻头首先顺煤层钻进，当钻进深度达到700米左右时，上下伽马曲线幅值均出现逐渐变大，且上伽马曲线幅值先于下伽马曲线幅值变大，在此过程中，钻遇距离先减小后增大，指示此时钻头钻遇煤岩界面，在上下伽马曲线幅值均达到约78API、钻进深度达到800米左右时，上下伽马曲线幅值不再发生变化，说明此时钻头已经穿出煤层并在煤层顶板岩层中钻进，此时需要对钻头的钻进轨迹进行调整，沿原钻进方向仪器工具面向角180°钻进。

当钻进深度为800~2850米时，上下伽马曲线幅值并未发生变化，指示此时钻头仍在煤层顶板围岩中钻进。

当钻进深度达到2850~2950米时，上下伽马曲线幅值从约78API逐渐变为小于20API，且下伽马曲线幅值先于上伽马曲线幅值变小，在此过程中，钻遇距离先减小后增大，上/下伽马曲线幅值出现明显降低，说明此时钻头进入了具有低放射性的煤层。

当钻进深度达到2950~3300米时，上下伽马曲线幅值保持不变，指示此时钻头仍在煤层中钻进。

当钻进深度超过3300米时，上下伽马曲线幅值再次出现逐渐变大且下伽马曲线幅值先于上伽马曲线幅值变大，指示此时钻头钻遇煤层底板，在上下伽马曲线幅值均达到120API左右，上下伽马曲线幅值不再发生变化，指示此时钻头在煤层底板围岩中钻进，需要对钻头的钻进轨迹进行调整。

实际施工中，根据经验，当顺煤层钻进时，若上下伽马曲线幅值均超过70API，则说明钻头进入煤层顶板/底板；若上下伽马曲线幅值均小于50API时，则说明钻头顺煤层钻进，或者当钻遇距离小于5~8m或垂直距离为0.1~0.5m时，需要调整钻头的钻进方向。

步骤7、对水平井水平段进行分段封隔、向煤层方向实施定向射孔或多簇定向射孔，然后进行多簇暂堵转向分段压裂施工；

在本实施例中，要布设的水平井水平段的长度约为800m，设置的压裂段间距为80m，每段内暂堵射孔簇为3簇，簇间距为20m，第一个桥塞下入位置距离直井井筒20m。

在分段压裂施工过程中，水平井水平段的第一段采用电缆泵送桥塞射孔联作方式进行射孔，桥塞到达设计井深后，打压测试5min，若压力未降低，则第一段射孔簇坐封完成；然后上提射孔枪点火射孔；继续上提射孔枪至第一段第二簇的射孔位置，点火射孔；继续上提射孔枪至第一段第三簇的射孔位置，点火射孔，共计射孔3簇，每段射孔1.5m，射孔密度为14孔/米。射孔成功后，泵注前置液、携砂液和顶替液，进行第一段的压裂施工，前置液比例为40%，压裂液配方为：清水+1%KCl+0.05%杀菌剂，支撑剂为兰州石英砂，压裂液注入排量为10m

完成所有压裂段的压裂施工后，水平井水平段共计压裂9段27簇。

为验证注入排量变化对压裂缝的影响，进行了对比实验，结果如图9和图10所示，其中，图9给出了以30mL/min的恒定排量注入时的裂缝形态，图10给出了初始排量为30ml/min，煤层破裂后30s立即切换到20ml/min时的裂缝形态。

从对比结果可以看出，相对于常规的多簇笼统压裂施工，在多簇暂堵转向分段压裂施工中，前置的液初始阶段注入排量11~15m

步骤8、完成多簇暂堵转向分段压裂施工后进行返排、通洗井作业，然后进行煤层气排水采气。

步骤8.1、放喷返排作业结束后，下入磨铣管柱将桥塞统一钻铣，将水平井水平段的所有桥塞全部磨铣结束后，继续下磨铣管柱至水平井人工井底，正循环1.5倍水平井井筒容积的清水，然后提出磨铣管柱；

步骤8.2、对水平井筒进行循环洗井作业，观察出口返出液情况至进出口水质一致，且出口液体干净无杂质污物，停止洗井作业；

步骤8.3、按照排采设计规范要求，安装水平井排采设备，对水平井进行排采作业。