一种煤矿区原位煤层气井动态改造的方法与流程

本发明涉及一种煤矿区原位煤层气井动态改造的方法，尤其是一种适用于煤矿区利用原位煤层气井开发煤层气，并在工作面回采中改变原位煤层气井完井方式，实现“一井多用”及卸压、采空区煤层气抽采的方法，属于煤层气开发与煤矿瓦斯地面抽采防突、消突。

背景技术：

1、煤层气规模化开发能够缓解我国常规油气能源短缺形势，降低煤矿瓦斯事故发生风险，减少煤矿生产中温室气体排放量，可产生显著的经济、环境、安全及社会效益。

2、由于区内当前开采煤矿众多，因此实现煤矿区煤层气开发、瓦斯地面预测与消突，使解决煤层气开发投入高、经济效益差的根本途径。长期以来，煤层气抽采利用率低、井下瓦斯突出危险系数高是制约贵州煤与煤层气开采的关键因素，通过开展原位煤层气地面预抽与利用，同时进行卸压煤层气开发及采空区煤层气抽采，使提高煤矿区采收率，降低煤与瓦斯突出危险性的必由之路。长期以来，由于所施工的原位煤层气井、卸压煤层气井、采空区煤层气井井身结构及完井方式存在显著差异，因此无法在煤矿区实现“一井多用”，导致煤层气地面抽采的施工成本高、资金投入大，导致煤层气地面抽采工作难以大面积推广。为了解决上述问题，就需要在煤矿生产过程中通过对原位煤层气井动态改造，实现利用同一口井对原位区、卸压区、采空区煤层气资源抽采，达到“一井多用”的老井改造目标。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中存在的问题，提供一种煤矿区原位煤层气井动态改造的方法，利用同一口井实现原位区、卸压区及采空区煤层气抽采，解决传统原位煤层气井仅可开展原位区煤层气抽采工作，无法对卸压区、采空区内煤层气资源进行抽采的问题。

2、技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种煤矿区原位煤层气井动态改造的方法，包括以下步骤：

3、(a)在规划工作面走向中轴线与工作面回风巷围限区域的走向中轴线附近地面施工多口原位煤层气直井，所述多口原位煤层气直井深度穿过开采煤层，在施工的多口原位煤层气直井中下放生产套管和生产套管固井水泥环，在原位煤层气直井位于生产套管开采煤层段射孔完井并进行开采煤层压裂改造，然后开展不短于3年的煤层气地面预抽；

4、(b)煤层气地面预抽结束后，规划工作面转为回采工作面，当开采煤层回采至原位煤层气直井前方30m之前的地面井未产生应力集中时，从地面向原位煤层气直井中下放内部装有排水泵及筛管的排水管柱，排水管柱的底部装有丝堵，下入水力喷砂割缝工具对开采煤层上覆邻近煤层群附近位置的生产套管进行径向螺旋割缝，使生产套管形成套管壁垂直缝；

5、(c)待规划工作面回采至煤矿井下揭露原位煤层气直井的生产套管时，将位于开采煤层段的生产套管切除，并在保留的上段生产套管底部安装密封堵头，并从井口注水检查密封堵头的密封性；然后用螺旋千斤顶对上段生产套管进行支撑；

6、(d)在上段生产套管的密封及支撑工作完成后，在井口安装水环真空泵，对采动区范围内煤层气资源进行负压抽采，此时，原位煤层气直井动态改造为卸压煤层气直井；

7、(e)当规划工作面回采结束且采空区完全密闭后，从地面利用水力喷砂割缝工具密封堵头上方0.2～5.2m位置处对生产套管进行水平环形割缝，形成套管壁水平缝；

8、(f)从地面下入排水管柱、排采泵及筛管进行采空区排水聚气，排水管柱与生产套管之间为空气，启动水环真空泵进行采空区煤层气抽采，此时，卸压煤层气直井动态改造为采空区煤层气直井。

9、步骤(a)中，所述在规划工作面的中轴线与工作面回风巷的中间位置附近地面施工的多口原位煤层气直井，当规划工作面的设计采高小于2.5m，且开采煤层倾角小于15°时，施工多口原位煤层气直井的开孔位置偏向规划工作面的中轴线一侧；当所述的规划工作面的设计采高大于2.5m，且开采煤层倾角大于15°时，原位煤层气直井开孔位置偏向工作面回风巷一侧。

10、步骤(a)中，所述在原位煤层气直井位于生产套管开采煤层段射孔完井并进行开采煤层压裂改造时，当开采煤层的厚度超过2.5m时，原位煤层气直井生产套管射孔范围严格限定在开采煤层段，避免向开采煤层顶板位置扩射孔；当开采煤层的厚度低于2.5m时，向开采煤层底板扩射孔0.5～1.0m厚，并避免向开采煤层顶板位置扩射。

11、步骤(b)中，所述的开采煤层的上覆岩层以砂岩、灰岩等脆性围岩为主时，对开采煤层上方采高25倍范围内的上临近煤层进行垂直螺旋割缝，并使所形成的套管壁垂直缝分布于上临近煤层的顶板至顶板之上2.0m；当开采煤层上覆岩层以泥岩、粉砂岩等韧性围岩为主时，对开采煤层上方采高30倍范围内的上临近煤层进行垂直螺旋割缝，并使所形成的套管壁垂直缝分布于上临近煤层的顶板至顶板之上2.0m。

12、步骤(b)中，所述下入水力喷砂割缝工具对开采煤层上方的临近煤层附近位置的生产套管进行径向螺旋割缝，当水力喷砂割缝时，不仅需切割穿透生产套管，而且需切割穿透外部的生产套管固井水泥环，建立套管壁垂直缝与上临近煤层之间气流流动的通道；水力喷砂割缝后，在生产套管上所形成的套管壁垂直缝呈螺旋状排列组合，套管壁垂直缝密度为1条/6cm，单个套管壁垂直缝长度为0.5m，宽度为0.6～0.8cm。

13、步骤(c)中，所述的位于开采煤层段的生产套管切除时，生产套管的上切段点位应在开采煤层顶面之下10cm，下切段点位应在开采煤层底面之下30cm；待将原位煤层气直井正下方的软岩清理干净后，在开采煤层底板上铺设面积不小于1m2，厚度不小于10cm的正方形钢板，钢板之上用法兰固定产生小于100t支撑力的螺旋千斤顶，利用螺旋千斤顶自下而上对原位煤层气直井井筒进行支撑，以抵抗工作面上覆岩层在重力作用下的垂向岩移对原位煤层气直井井筒产生的拉应力，维持井筒在卸压、采空区煤层气抽采过程中的稳定性。

14、步骤(d)中，所述的在井口安装水环真空泵刚开启时以<0.5kpa的微低于大气压的负压进行抽采，并持续监测气体抽采速率及气体成分；随着抽采时间增加，水环真空泵抽采负压逐渐增大，当水环真空泵抽采负压达到-0.06mpa或产出气体中ch4体积分数低于40％时，稳定抽采负压生产。

15、步骤(e)中，所述的水平环形割缝的条数为6～8条，套管壁水平缝的垂向密度为60～80cm/条，单个套管壁水平缝的宽度为1.0～1.5cm。

16、步骤(f)中，所述的排采泵吸入口位于原位煤层气井直井套管壁的顶部水平缝之上2.5m；

17、当监测到采空区液面上升至排采泵吸入口之上3m时，启动排采泵排水，使采空区液面下降至吸入口位置停泵；

18、水环真空泵刚开启时以<0.5kpa的微低于大气压的负压进行抽采，并持续监测气体抽采速率及气体成分；随着抽采时间增加，水环真空泵抽采负压逐渐增大，当水环真空泵抽采负压达到-0.04mpa或产出气体中ch4体积分数低于50％时，稳定抽采负压生产。

19、有益效果：由于采用上述技术方案，本发明克服了传统原位煤层气井仅可开展原位区煤层气抽采工作，无法对卸压区、采空区内煤层气资源进行抽采的问题，提出一种煤矿区原位煤层气井动态改造，利用同一口井实现原位区、卸压区及采空区煤层气抽采的方法。首先，根据工作面规划位置合理布置原位煤层气直井(30)开孔位置，避免采动区、采空区覆岩移动水平方向移动导致原位煤层气直井(30)井筒错断；其次，开采煤层(5)上临近煤层(4)煤层段水力喷砂垂直螺旋割缝，形成卸压、采空区煤层气运移通道，并通过螺旋千斤顶支撑避免了采动区、采空区覆岩垂直方向运动导致原位煤层气直井(30)井筒被拉断；再次，利用水力喷砂割缝工具在密封堵头(18)上方进行水平环形割缝，为采空区积水进入井筒提供了通道，实现了采空区排水聚齐与煤层气负压抽采的协同。与现有技术相比的主要优点有：①通过井位优选与螺旋千斤顶支撑，实现了原位、卸压与采空区煤层气抽采过程中井筒的稳定性；②通过水力喷砂割缝工具垂直螺旋割缝、水平环形割缝，形成了卸压区、采空区气水流动的通道，保障了气、水的有序产出；③煤层气井动态改造工艺简单，工程实施成本低，经济、环境与社会效益好。