采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井井位设计方法

摘要

本发明公开了一种采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井井位设计方法，包括以下步骤；步骤1、在采空区环形裂隙圈规划多口地面钻井的井位，并设定多口地面钻井中第一口地面钻井的井位距离开切眼之间的水平距离、相邻地面钻井的井位之间间距的具体数值；步骤2、获取煤层倾角、煤层厚度、煤层分层数、关键层的厚度，以及关键层岩体的单轴抗压强度；步骤3、根据不同的煤层倾角和关键层岩体的单轴抗压强度，通过煤层厚度、煤层分层数、第一口地面钻井的井位距离开切眼之间的水平距离、相邻地面钻井的的井位之间间距，计算得到每口地面钻井的井位距离上顺槽的水平距离。本发明为科学、高效抽采采空区环形裂隙圈煤层气提供了可靠的技术保障。

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气抽采地面钻井井位设计方法领域，具体是一种采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井井位设计方法。

背景技术

煤层气的开发方法主要有3类，一是采前预抽，二是采动区煤层气抽采，三是采空区瓦斯抽采。影响煤层气抽采效果的主要因素为煤层裂隙发育程度和渗透率大小，采前地面钻井预抽方法在美国圣胡安和黑勇士煤田取得了较好的效果，采用水力压裂等人工方法增加煤层的裂隙和渗透性。我国具有丰富的煤层气资源，总贮量预计达14万亿m

开采煤层瓦斯抽放技术已有较深入的研究，并在高瓦斯煤层开采时得到广泛应用，目前通常采用未卸压抽放和卸压抽放两类。未卸压瓦斯抽放对于松软、低透气煤层，由于顺层钻孔成孔率低，有时甚至无法施工，不便进行顺层抽放；而采用穿层钻孔预抽瓦斯，又因煤层透气性差，有效抽放半径小，瓦斯抽放率低、效果差。卸压抽放中如何将抽放钻孔布置在大量卸压解吸瓦斯富集区，是实现高效瓦斯抽放的关键。开采煤层工作面回风流中的瓦斯主要来源于该煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。若对采空区实施大面积抽放，工程难度大，而且抽不出高浓度瓦斯。

煤层开采后将引起围岩及煤层应力场和裂隙场变化，增加煤层裂隙和渗透性，为煤层气运移提供了通道。在采动区，由于煤岩层得到卸压，煤层气大量解吸、富集到这一区域，使得在采动区的煤层气抽采量和抽采效率显著高于其他区域。采动区煤层气的抽采可分为地面钻井抽采和井下钻孔抽采，而采动区地面钻井抽采则涉及到井位设计的问题，而这一问题又涉及到煤层气富集区。而煤层气通常富集在环形裂隙圈中。

煤层顶底板由若干层性质各异的煤岩层组成，当煤层被采出，顶板悬空到一定极限时，直接顶板岩层跨落，随着采面的推进，顶板较坚硬的岩层或称关键层跨落，称为初次来压。以后随着采面的推进，每隔一定周期关键层跨落一次，工作面也就形成了周期来压。根据开采沉陷学和顶板岩层控制的研究成果，采空区上覆岩层存在冒落、离层破断、弯曲下沉“三带”。冒落带经历了冒落、受压、压实过程。离层破断带又称裂隙带，经历裂隙发育、充分发育、压实的过程。当采出面积达一定值后，位于采空区中部的顶板岩层裂隙趋于压实，而在采空区四周存在连通的离层裂隙发育区，其形状与老顶岩板破断的“O-X”形类似，钱鸣高院士称其为“O”形圈，也就是“环形裂隙圈”，这一区域内是采动后的煤层气富集区，采动区地面钻井抽采的主要对象。

然而，环形裂隙圈的是一个立体结构，在垂直方向上具有一定的高度，同时在煤层倾向上具有一定的长度，采动区地面钻井处于环形裂隙圈的具体位置决定了卸压煤层气的抽采速率、抽采时间和抽采总量，这对于采动区地面钻井开采煤层气工程来说至关重要。

目前，采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井的井位是经验性的取值工作面倾向长度的三分之一。然而工作面的倾向长度不是一成不变，通常情况下，其数值为150-350m之间，因而误差非常大。同时，由于煤层倾角α、煤层厚度D

发明内容

本发明的目的是提供一种采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井井位设计方法，以解决现有技术采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井的井位依赖经验取值存在的误差大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井井位设计方法，包括以下步骤；

步骤1、在采空区环形裂隙圈规划多口地面钻井的井位，多口地面钻井的井位水平并行分布，相邻地面钻井的井位之间间距L

步骤2、获取煤层倾角α、煤层厚度D

步骤3、根据不同的煤层倾角α和关键层岩体的单轴抗压强度，通过煤层厚度D

当煤层倾角α为0-30°时：

(1)若关键层岩体的单轴抗压强度大于35MPa，则Ls的计算公式为：

(2)若关键层岩体的单轴抗压强度在20-35MPa之间，则Ls的计算公式为：

(3)若关键层岩体的单轴抗压强度小于20MPa，则Ls的计算公式为：

当煤层倾角α为31-55°时：

(4)若关键层岩体的单轴抗压强度大于或等于35MPa，则Ls的计算公式为：

(5)若关键层岩体的单轴抗压强度小于35MPa，则Ls的计算公式为：

上述公式(1)-(5)中，k为校正系数。

进一步的，步骤1中，设定第一口地面钻井的井位距离开切眼之间的水平距离L

进一步的，步骤1中，设定相邻地面钻井的井位之间间距L

进一步的，步骤3的公式(1)-公式(5)中，校正系数k的取值取决于关键层的厚度D

与现有技术相比，本发明的优点为：

本发明提供了采空区环形裂隙圈煤层气抽采地面钻井精确的井位计算公式，为科学、高效抽采采空区环形裂隙圈煤层气提供了可靠的技术保障。利用本发明方法设计地面钻井的井位时，能够使地面钻井的位置处于采空区环形裂隙体的内侧边缘处，从而一方面使得地面钻井能够利用环形裂隙体内的裂隙高效抽采煤层气资源，另一方面，使得环形裂隙体内围岩运移对地面钻井的挫断损坏作用降低到最小，从而使得地面钻井的抽采寿命长、抽采总量大。

附图说明

图1是本发明实施例地面钻井井位平面分布示意图。

图2是本发明实施例地面钻井井位剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

步骤1、如图1、图2所示，确定采空区环形裂隙圈中采煤工作面1的位置，并沿着采煤工作面1的上、下边分别施工上顺槽2、下顺槽3，以及沿着采煤工作面1的一侧侧边施工出开切眼4。

从地面5向在采煤工作面1规划多口地面钻井的井位6，多口地面钻井6的井位水平并行分布，相邻地面钻井6的井位之间间距L

其中，由于采动区环形裂隙圈地面钻井的有效抽采范围为100-120m，因而限定第一口地面钻井的井位距离开切眼之间的水平距离L

步骤2、获取煤层倾角α、煤层厚度D

煤层倾角α即为采煤工作面1与水平面之间的夹角，根据确定的采煤工作面1的位置即可获得。

煤层厚度D

煤层分层数n

关键层的厚度D

关键层岩体的岩性信息及对应的单轴抗压强度通过对关键层岩体采样并进行单轴抗压强度测试获得。

关键层岩体按岩性可分为石灰岩、石英岩、砾岩、砂砾岩、辉绿岩、页岩、泥质砂岩、泥质粘土岩、第四系、第三系松散岩，其中石灰岩、石英岩、砾岩、砂砾岩、辉绿岩这些岩性对应的单轴抗压强度大于35MPa，页岩、泥质砂岩对应的单轴抗压强度在20-35MPa之间，泥质粘土岩、第四系和第三系松散岩对应的单轴抗压强度小于20MPa。

步骤3、根据不同的煤层倾角α和关键层岩体的单轴抗压强度，通过煤层厚度D

当煤层倾角α为0-30°时：

(1)若关键层岩体为石灰岩、石英岩、砾岩、砂砾岩、辉绿岩中的任意一种或几种时，其单轴抗压强度大于35MPa，则Ls的计算公式为：

(2)若关键层岩体为页岩、泥质砂岩中的任意一种或几种时，其单轴抗压强度在20-35MPa之间，则Ls的计算公式为：

(3)若关键层岩体为泥质粘土岩、第四系、第三系松散岩中的任意一种或几种时，的单轴抗压强度小于20MPa，则Ls的计算方法为：

当煤层倾角α为31-55°时：

(4)若关键层岩体为石灰岩、石英岩、砾岩、砂砾岩、辉绿岩中的任意一种或几种时，其单轴抗压强度大于或等于35MPa，则Ls的计算方法为：

(5)若关键层岩体为页岩、泥质砂岩、泥质粘土岩、第四系、第三系松散岩中的任意一种或几种时，其单轴抗压强度小于35MPa，则Ls的计算方法为：

上述公式(1)-(5)中，k为校正系数，校正系数k的取值取决于关键层的厚度D

本发明中，α的取值范围小于或等于55度，原因是因为若煤层倾角α过大大于55度，环形裂隙圈形态无法量化，且不适合利用地面钻井技术抽采采空区煤层气。

通过上述公式(1)-公式(5)可以计算出采空区环形裂隙体的内侧边缘距采煤工作面上顺槽的距离，当地面钻井的位置处于采空区环形裂隙体的内侧边缘处时，从而一方面使得地面钻井能够利用环形裂隙体内的裂隙高效抽采煤层气资源，另一方面，使得环形裂隙体内围岩运移对地面钻井的挫断损坏作用降低到最小，从而使得地面钻井的抽采寿命长、抽采总量大。

本实施例中，通过公式(1)-(5)，可计算得到每口地面钻井的井位距离上顺槽的水平距离Ls，由此可确定每口地面钻井6在采空区环形裂隙圈中采煤工作面1的井位位置。然后按照确定的井位位置进行施工，即可得到理想的煤层气抽采地面钻井井位。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。