一种煤矿采动区“人”型地面井的设计方法及施工工艺
阅读说明：本技术 一种煤矿采动区“人”型地面井的设计方法及施工工艺 (Design method and construction process of man-shaped ground well in coal mining area ) 是由 孙海涛 付军辉 李日富 刘延保 马正恒 姚峰 王波 张玉明 孙锐 曹偈 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种煤矿采动区“人”型地面井的设计方法及施工工艺,属于煤矿瓦斯抽采技术领域,地面井包括垂直井段和水平井段,垂直井段和水平井段通过弧形井段连通；井位位于煤层区,靠近回风巷一侧,距停采线的距离为a；垂直井段的井深位于煤层底板以下且在裂隙带以上；在垂直井段距地面井口h3的深度位置设置侧向套管；水平井段位于裂隙带上部靠近弯曲下沉带的一侧；弧形井段通过侧向套管与垂直井段连通；施工时先施工垂直井段,再施工弧形井段,最后施工水平井段。本发明实现了在单个井场布置采动区L型地面井和垂直井两种井型的目的,提高了瓦斯资源的采出率,能有效保障采煤工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度不超限,利于瓦斯抽采的集中管理。(The invention relates to a design method and a construction process of a man-shaped ground well in a coal mine mining area, belonging to the technical field of coal mine gas extraction, wherein the ground well comprises a vertical well section and a horizontal well section, and the vertical well section is communicated with the horizontal well section through an arc well section; the well position is positioned on the coal seam area and close to one side of the return airway, and the distance from the well position to the mining stopping line is a; the well depth of the vertical well section is positioned below the coal seam floor and above the fracture zone; arranging a lateral casing at the depth position of the vertical well section from the ground well mouth h 3; the horizontal well section is positioned on one side of the upper part of the fractured zone, which is close to the bent subsidence zone; the arc well section is communicated with the vertical well section through a lateral casing; during construction, a vertical well section is constructed firstly, then an arc well section is constructed, and finally a horizontal well section is constructed. The invention realizes the purpose of arranging two well types of the L-shaped ground well and the vertical well in a single well field, improves the extraction rate of gas resources, can effectively ensure that the gas concentration of an upper corner and a return airway of a coal face is not over-limit, and is beneficial to the centralized management of gas extraction.)
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，涉及一种煤矿采动区“人”型地面井的设计方法及施工工艺，尤其涉及一种采动区地面井治理瓦斯的方法。
背景技术
煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4(甲烷)，与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，主要成分为甲烷。是很好的燃料。煤层气空气浓度达到一定值时，遇明火就会***，这是煤矿瓦斯***事故的根源。因此治理煤层气是降低事故的一个重要手段。煤层气直接排放到大气中，对大气有很强的破坏性。因此在采煤之前如果先开采煤层气，可有有效降低煤矿瓦斯***率，开采的煤层气可作为工农业的洁净能源。
煤层气的开采一般有两种方式：一是地面钻井开采；二是井下瓦斯抽放系统抽出，地面钻井开采的煤层气和抽放瓦斯都是可以利用的，通过地面开采和抽放后可以大大减少风排瓦斯的数量，降低了煤矿对通风的要求，改善了矿工的安全生产条件。而在实际生产中发现，在采动区施工直井抽采范围小、施工井数多、投资大、衔接要求严，无法实现煤层气的高效抽采。
现有技术中的地面井有地面直井和L型地面井，然而地面直井抽采的瓦斯区域小，L型地面井存在弧形井段抽采瓦斯的空白区。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种煤矿采动区“人”型地面井的设计方法及施工工艺，通过设计“人”型地面井，实现了在单个井场布置L型地面井和垂直井两种井型的目的，提高了瓦斯资源的采出率，有利于瓦斯抽采的集中管理。
为达到上述目的，本发明提供了一种煤矿采动区“人”型地面井设计方法，地面井包括垂直井段和水平井段，垂直井段和水平井段通过弧形井段连通；井位位于煤层区，靠近回风巷一侧，距离停采线的距离为a；垂直井段的井深位于煤层底板以下，且在裂隙带以上；在垂直井段距离地面井口h3的深度位置设置侧向套管；水平井段位于裂隙带上部靠近弯曲下沉带的一侧；弧形井段通过侧向套管与垂直井段连通。
可选地，井位距停采线的距离a为150m～200m。
可选地，井位距回风巷的距离b为1/5采煤工作面倾向长度。
可选地，井位位于覆岩关键层底部与覆岩裂隙椭抛带交叉处，其中关键层指覆岩强度≥60MPa，刚度≥25Gpa，厚度≥6m的岩层。
可选地，通过垂直井段的钻进获得的实际煤层埋深参数，用来矫正水平井段的层位，当实际煤层埋深大于预测煤层深度时，水平井段的层位下移。
可选地，通过垂直井段的钻进获得的实际煤层厚度参数，用来矫正水平井段的层位，当实际煤层厚度大于理论煤层厚度时，水平井段的层位上移。
可选地，通过垂直井段的钻进获得的煤层上方的实际岩层强度、刚度及厚度的分布参数，用来矫正水平井段的层位，当实际岩层的强度＞150MPa、刚度＞100GPa、厚度＞10m时，水平井段的层位上移。
可选地，所述垂直井段的井深与煤层的下部距离h6为煤层厚度的2～3倍。
本发明还提供了一种煤矿采动区“人”型地面井的施工工艺，先钻垂直井段，再钻弧形井段，后钻水平井段，包括以下步骤：
S1确定井位：根据停采线、回风巷和覆岩层确定井位；
S2钻垂直井段：
S2.1一开：钻至表土层以下，下一开套管固井；
S2.2二开：
S2.21钻至覆岩弯曲下沉带底部以上；
S2.22下二开套管固井，且在距离井口h3的深度设置侧向套管；
S2.3三开：
S2.31钻至煤层底板以下裂隙带以上；
S2.32下三开筛管，三开筛管悬挂于二开套管的内壁，位于煤层顶板以上；
S3钻弧形井段：
S3.1在侧向套管下部安设膨胀胶棒，以防止后续钻井液和固井水泥浆进入垂直井段的底部；
S3.2钻弧形井段，下弧形段套管固井；
S4钻水平井段：
S4.1钻水平井段，下水平段筛管；
S4.2下钻头将垂直井段内的膨胀胶棒钻通。
可选地，水平井段采取单斜向下施工，倾角为1°～2°。
本发明的有益效果在于：
1.本发明实现单个井场完成采动区L型地面井和采动区地面垂直井两种井型的目的，利于减少钻井成本；特别是对于山区地形，成本的降低更为显著。
2.本发明中的垂直井能解决L型弧形井段抽采瓦斯的空白区，解决了因采煤工作面上隅角瓦斯超限引起的安全问题。
3.本发明通过地面垂直井可以掌握煤层埋深、煤层厚度及煤层上方的岩层情况，有利于较准确地施工采动区L型地面井的水平井段。
4.本发明集成了采动区L型地面井和采动区地面垂直井的优势，不仅有效保障采煤工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度不超限，而且有效提高了瓦斯资源采出率，有利于瓦斯抽采的集中管理。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为“人”型地面井的井位示意图；
图2为“人”型地面井的井深示意图；
图3为“人”型地面井的垂直井段示意图。
附图标记：垂直井段1、弧形井段2、水平井段3、一开套管4、二开套管5、侧向套管6、固井水泥环7、悬挂器8、三开筛管9。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种煤矿采动区“人”型地面井的设计方法及施工工艺，可用于解决采煤工作面、上隅角和回风巷瓦斯超限问题。其主要内容为：
(1)采动区“人”型地面井井位确定；
(2)采动区“人”型地面井施工顺序确定；
(3)采动区“人”型地面井的垂直井段1的设计技术；
(4)采动区“人”型地面井的弧形井段2和水平井段3的设计技术；
因此，可形成完整的采动区“人”型地面井的设计方法，能有效地保障采煤工作面瓦斯安全和抽采采空区瓦斯资源。
本发明充分发挥了采动区“L”型地面井和采动区地面垂直井的优势，通过设计垂直井不仅可以解决L型地面井中的弧形井段抽采瓦斯的空白区，“人”型地面井中的垂直井段1的抽采区域见图2所示，而且通过垂直井段1的钻进可以掌握煤层埋深及煤层上方的岩层情况，有利于准确确定施工采动区的水平井段3。采动区“人”型地面井扩展了现有技术中一个井场所能抽采的瓦斯范围，提高了瓦斯资源采出率，有利于瓦斯抽采集中管理。
本发明的设计方法如下：
(1)采动区“人”型地面井的井位确定：
根据采动区垂直井和采动区L型地面井的井位选择特点，采动区“人”型地面井的井位，优选如图1所示。
①要求采动区“人”型地面井井位距停采线a取为150m～200m，保障采煤工作面正常回采结束时采煤工作面瓦斯安全；
②要求采动区“人”型地面井井位靠近回风巷侧(回风巷较进风巷海拔高)，位于覆岩某一关键层(覆岩强度、刚度均较大的岩层，此关键层应位于覆岩“竖三带”中的裂隙带内)底部与覆岩裂隙椭抛带交叉处。如无明显的关键层，一般的b取为1/5采煤工作面倾向长度左右。
(2)采动区“人”型地面井施工顺序：
①采动区“人”型地面井垂直井段1的施工；
②采动区“人”型地面井弧形井段2的施工
③采动区“人”型地面井水平井段3的施工；
(3)采动区“人”型地面井的垂直井段1的设计技术：
①一开位于表土层以下10m，下一开套管4固井。
②二开正常钻进，钻进覆岩弯曲下沉带底部以上5～10m，下二开套管5时，在设计的造斜点h3(弧形井段2的施工起始点)安设易于侧向钻透的侧向套管6，侧向套管6的两端与二开套管5连接；h3的深度位置根据覆岩岩性(最好为中硬岩层)和造斜要求综合确定，h3的深度位置一般在裂隙带以上，位于弯曲下沉带的底部岩层中。侧向套管6的长度为h7，需满足造斜钻杆、钻具等施工的要求。侧向套管6的强度、刚度与二开套管5近似，近似率不小于95％。
③三开钻进至煤层底下裂隙带以上，距离煤层底部h6为煤层厚度的2～3倍，三开筛管9采用筛管完井，通过悬挂器8悬挂于二开套管5的内壁，筛管底部下至煤层顶板h5为0.5m，如图3所示。钻井至煤层获取现场煤层厚度、深度等参数，为水平井段3提供现场依据。
(4)采动区“人”型地面井的弧形井段2和水平井段3的设计技术：
①确定水平井段3高度：根据煤层埋深、覆岩岩性及裂隙带高度等综合确定，宜选择在6-8倍煤层厚度且覆岩岩性强度、刚度、厚度均较大的区域；
②根据采动区“人”型地面井垂直井段1的侧向套管6的位置和水平井段3的起始位置设计弧形井段2，要求弧形井段2满正常的造斜施工要求，且便于安设弧形段套管；
③在施工采动区L型井段的弧形井段2之前，在采动区“人”型地面井的垂直井段1的侧向套管6的下部安设膨胀胶棒，防止弧形井段2钻井时钻井液和固井水泥浆等将向垂直井段内灌入影响瓦斯抽采；
④完成采动区L型井段的弧形井段2固井后，进行水平井段3钻井施工，为保证抽采瓦斯的效果，水平井段3采取单斜向下施工，倾角为1°～2°；施工完后下筛管；
⑤下钻头将垂直井段内的膨胀胶棒钻通，使其至钻井底部。
上述一开套管4、二开套管5和弧形段套管上均设有固井水泥环7。
实施例1
一种煤矿采动区“人”型地面井设计方法，地面井包括垂直井段1和水平井段3，垂直井段1和水平井段3通过弧形井段2连通；根据停采线、回风巷和覆岩层确定井位，井位距停采线的距离a为150m～200m，靠近回风巷一侧，位于覆岩关键层底部与覆岩裂隙椭抛带交叉处或距回风巷距离b为1/5采煤工作面倾向长度，其中关键层指覆岩强度≥60MPa，刚度≥25Gpa，厚度≥6m的岩层；垂直井段1的井深位于煤层底板以下且在裂隙带以上，在垂直井段距离地面井口h3的深度位置设置易于侧向钻透的侧向套管6；通过垂直井段1的钻进掌握实际煤层埋深、煤层厚度及煤层上方的岩层情况，为确定水平井段3的位置提供依据，水平井段3位于煤层上方的裂隙带的上部；根据煤层埋深、覆岩岩性及裂隙带高度确定水平井段3的起始位置，根据侧向套管6的位置和水平井段3的起始位置设计弧形井段2；弧形井段2通过侧向套管6与垂直井段1连通。
水平井段3位于裂隙带上部，且厚度、强度及刚度较大的岩层(即岩层强度为40～150MPa，岩层刚度为15～100GPa、岩层厚度≥5m)。
通过垂直井段1的钻进获得的实际煤层埋深参数、理论煤层厚度，以及实际岩层强度、刚度和厚度的分布参数，用来矫正水平井段3的层位，当实际煤层埋深大于理论煤层埋深时，水平井段3的层位下移；当实际煤层厚度大于理论煤层厚度时，水平井段3的层位上移；当实际岩层的强度＞150MPa、刚度＞100GPa、厚度＞10m时，即该岩层为难钻岩层时，水平井段3的层位上移。
进一步，垂直井段的井深与煤层的下部距离h6为煤层厚度的2～3倍。
实施例2
一种煤矿采动区“人”型地面井的施工工艺，先钻垂直井段1，再钻弧形井段2，后钻水平井段3，包括以下步骤：
S1确定井位：根据停采线、回风巷和覆岩层确定井位，井位位于覆岩关键层底部与覆岩裂隙椭抛带交叉处，且位于距离停采线a为150m～200m的区域内。
S2钻垂直井段1：
S2.1一开：钻至表土层以下10m，下一开套管4固井；
S2.2二开：
S2.21钻至覆岩弯曲下沉带底部以上5～10m；
S2.22下二开套管5固井，且在距离井口h3的深度位置设置易于侧向钻透的侧向套管6；
S2.3三开：
S2.31钻至煤层底板以下裂隙带以上；
S2.32下三开筛管9，三开筛管9悬挂于二开套管5的内壁，位于煤层顶板以上，三开筛管9底部距离煤层顶板h5为0.5m；
S3钻弧形井段2：
S3.1在侧向套管6下部安装膨胀胶棒，以防止后续钻井液和固井水泥浆进入垂直井段1的底部；
S3.2钻弧形井段2，下弧形段套管固井；
S4钻水平井段3：
S4.1钻水平井段3，下水平段筛管；
S4.2下钻头将垂直井段1内的膨胀胶棒钻通。
进一步，在煤层区域距离停采线a为150m～200m处为井位的横坐标，在煤层区域距离回风巷b为1/5采煤工作面的倾向长度为井位的纵坐标。
进一步，水平井段3采取单斜向下施工，倾角为1°～2°。
进一步，将从垂直井段1的钻进过程中得到的煤层厚度、煤层深度及煤层上方的岩层情况，用于确定水平井段3的位置。
本发明实施后，采用等采煤工作面采煤，水平型井段1通过负压抽采；等采煤工作面采至弧形井段2时，垂直井段1发挥作用，通过垂直井段1实现瓦斯的抽采，以保证采煤区的安全。
本发明集成了采动区地面直井和L型地面井瓦斯抽采的优势，扩展了地面井瓦斯抽采技术的应用范围，为采动区地面井抽采技术推广和专业服务提供了技术支撑。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。