L型钻井试验项目方案.docx
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L型钻井试验项目方案
焦煤集团屯兰矿
12408工作面“L”型地面煤层气井
抽采试验方案
山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司
2015年3月
1前言1
1前言
1.1项目背景
山西焦煤集团屯兰矿具有工作面瓦斯治理难度高、治理压力大的困惑，地面煤层气井能缓解煤矿的瓦斯治理压力；经过“十一五”国家科技重大专项对采动影响区井试验的摸索及“十二五”重大专项前期研究成果，基本达到了利用采动影响区地面井治理采煤工作面上隅角瓦斯超限问题的目的。
考虑到煤层气采动井直井地面抽采瓦斯范围有限，覆盖的采动区范围较小，为此有必要考虑在竖直地面井的基础上加一段水平孔，形成“L”地面井煤层气抽采方式，通过合理的优化布置，对“L”采动影响区地面井进行研究。
针对当前屯兰矿工作面瓦斯治理难度大和地面垂直预抽井不能短期解决工作面瓦斯大的现状，研究试验“L”型井钻井工艺和瓦斯抽采技术，解决工作面上的瓦斯问题是必要的。
通过合理的优化布置，对“L”型采动影响区地面井进行研究。
以实现覆盖范围广、抽采瓦斯效果优的目的，在竖直采动影响区井的成功试验的基础上，将取得较好的安全效益和经济效益。
1.2方案编制依据
本方案编制依据：
1）屯兰矿煤层气抽采数据及2#煤层底板等高线图。
2）屯兰矿区域地形图（1：
10000）。
3）屯兰矿12408工作面掘进地质图。
4）屯兰矿12408工作面掘进地质说明。
5）屯兰矿采掘平面图。
2地质概况
2.1地层
西山煤田位于吕梁—太行断块、五台山块隆的古交掀斜地块，地层出露较齐全（见表2-1）。
自西向东,由西北向东南地层由老到新依次分布，太古界变质岩分布于西山煤田的西部及西北部；上元古界长城系霍山砂岩不整合覆盖其上；寒武奥陶系碳酸盐岩构成煤田基底；石炭二叠系平行不整合于奥陶系灰岩剥蚀面之上；三叠系分布于煤田的中南部；第三系、第四系多分布于丘陵地区及近代沟谷中。
表2-1区域地层简表
界
系
统
组
段
代号
厚度（m）
出露面积
（Km2）
新生界
（Kz）
第四系
全新统
Q4
0-45
51.28
中上更新统
马离组
Q2+3
0-112
276.11
上第三系
上新统
保德组
N2
0-72
25.76
中生界
（Mz）
三叠系
中统
二马营组
T2er
>325
下统
和尚沟组
T1h
120-155
刘家沟组
T1l
432-500
21.78
古生界
（Pz）
二叠系
上统
石千峰组
P2sh
102-165.7
173.65
上石盒
子组
上段
P2s2
119-247
下段
P2s1
105-296
下统
下石盒
子组
上段
P1x2
22-67
下段
P1x1
22-84
山西组
P1s
20.9-85
石炭系
上统
太原组
C3t
58.26-136
中统
本溪组
C2b
8.5-55
奥陶系
中统
峰峰组
二段
O2f2
16-70
45.69
一段
O2f1
57-92
上马家
沟组
三段
O2s3
53-85
二段
O2s2
99-170
一段
O2s1
47-85
下马家
沟组
三段
O2x3
32-68
二段
O2x2
36.5-74
一段
O2x1
53-69
下统
亮甲山组
O1l
27.3-131.68
13.31
冶里组
O1y
14.6-102
寒武系
上统
凤山组
∈3f
40-60
14.50
长山组
∈3c
5-10
崮山组
∈3g
6-26
中统
张夏组
∈2z
56-140
徐庄组
∈2x
20-53.5
上元古界
（Pt）
震旦系
长城系
霍山群
ZCh
20-40
3.65
ZCh1
>384
太古界Ar
吕梁山群
Ar
>1500
17.05
2.2构造
根据断块学说，西山煤田位于我国华北断块吕梁—太行断块、五台山块隆的古交掀斜地块，煤田西部边缘为狐堰山山字型褶皱带（见图2-1）。
古交掀斜地块以古交为中心，地块内地层展布南新北老，总体上由东、北、西三面向内缓倾斜，向SSW倾伏的不对称向斜构造。
石千峰一带出露三叠系下统，产状平缓，倾角一般小于10°；西山中部及清徐、交城北部的地层以石炭二叠系为主，地层产状均较平缓；煤田北部及汾河河谷广泛出露奥陶系、寒武系，地层产状平缓。
局部地段显示一些规模不大的断裂及褶皱，构造线方向大多呈NE向或NEE向（如古交、王封一带），少数呈近东西向或近南北向小型宽缓褶皱。
东部受新华夏系控制，西部以经向构造为主。
主要褶皱：
西部有马兰向斜和东社向斜，中部有石千峰向斜，受NW向的土堂断层、西铭断层和NNE向的晋祠断层及NE向的清交大断裂控制，煤田内部以NE或NEE向地层为主，且多呈地垒形式出现。
狐堰山山字型褶皱带位于五台山块隆西南缘，其西侧以白家滩断裂与吕梁山块隆相邻。
向西凸出的前弧与其两侧向东凸出的反射弧呈南北向展布，延长约60km，脊柱在狐堰山主峰—睦联坡之间，前弧由一系列弧形褶皱和逆冲断层所构成，卷入的地层有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系。
北侧反射弧主要由白家滩逆断层和两侧的向斜以及营立西褶皱群、营立断层组成，白家滩逆断层为向东凸出的弧形断层；南侧反射弧主要由西社断裂和价家山向斜构成，二者均呈向东凸出的弧形，向斜的西翼陡，东翼缓，断裂西盘向东逆冲。
山字型脊柱部分由一系列东西向短轴褶皱组成。
这些褶皱中的背斜多被偏碱性二长岩所占据。
前弧顶部的背斜也控制了一些二长岩体的分布。
该山字型褶皱是由南北向构造带在不均衡的东西向挤压作用下形成的。
1、向斜2、背斜3、正断层4、逆断层5、平移断层6、推断断层7、上升泉、下降泉8、火成岩
图2-1西山煤田构造略图
2.3煤系发育状况
含煤地层为太原组和山西组，山西组厚度为24.67-64.37m，平均厚度为44.54m，含煤系数为13.99%，太原组厚度为81.51-125.22m，平均厚度为104.80m，含煤系数7.5%。
井田内可采煤层共10层，依次为02、03、2、3、4、6、7、8、9、10号煤层，其中02、2、8、9号煤层为主要可采煤层，稳定可采，03、6号煤层为较稳定可采煤层，其余为不稳定煤层气。
目前矿井的主采煤层气为2#和8#煤，具体见下表：
含煤地层
煤层编号
煤层厚度（m）
煤层间距（m）
容重t/m3
稳定性
山西组
02
0-2.32
0.74
1.33
较稳定
7.03
03
0.06-1.13
0.60
1.39
不稳定
2.95
1
0.28-1.13
0.53
1.40
不稳定
3.78
2
1.47-5.22
3.27
1.36
稳定
0.71
3
0.15-1.85
0.15
1.36
不稳定
7.12
4
0.05-3.54
1.24
1.42
不稳定
5.24
5
0.10-2.40
0.60
1.42
不稳定
21.88
太原组
6
0.10-1.91
1.94
1.40
不稳定
23.58
7
0.45-1.08
0.82
1.34
稳定
17.57
8
1.15-5.18
3.45
1.33
稳定
0.71
8a
0.10-1.30
0.59
1.38
不稳定
13.20
9
0.43-2.88
1.65
1.38
稳定
3.98
10
2.10-1.400.59
1.37
不稳定
2.4水文地质特征
本区受水动力条件、埋藏条件以及水化学条件的控制，地下水补给条件较差，属于径流封闭区，岩溶水总体上由西北至东南流经本区。
奥陶系岩溶水主要赋存于峰峰组上段和上马家沟组中上段。
峰峰组大部不含水；上马家沟组富水性弱-中等;下马家沟组富水性极弱。
本区隔水岩柱总体上为北高南低，东高西低，随着煤层埋深的增加，隔水岩柱的厚度有不断加厚的趋势，但很不均匀，局部地段由于构造的作用影响，其厚度变化较为突出。
本区出露山西组顶部及其以上地层，其余深埋地下，构造十分发育，主要构造线方向为NE，且成组多呈地垒形式。
地层形态为一由NNE向SSW倾伏的波浪状单斜构造，目前断层、陷落柱导水性较差，但随着采深的增加，受水压力、隔水层厚度以及采动等因素的影响，其导水性将会有所改善。
本区地层中构造发育，有陷落柱、断层存在，为奥灰岩溶形成的塌陷所致，对煤层气开发布井有较大影响。
因此，在煤层气开发时，应对断层、陷落柱的分布进行研究。
3“L”型井设计方案
3.1选区原则
1）地面情况：
选择地形缓且交通便利的位置施工，便于施工，投运，集输及利用。
2）煤炭采掘衔接：
通过和矿方沟通，结合矿方采掘衔接计划，“L”型井布置位于南四盘区12408工作面，靠近采区回风巷一侧，瓦斯抽采层位为2#煤层顶板冒落带中，解决矿方巷道采掘工程中的瓦斯问题效果较好。
3）地质方面：
（1）构造方面：
对于地质构造复杂，断层及陷落柱发育的地区，水平段布置时应尽量避免或减少构造对其影响。
（2）布置在瓦斯富集区。
（3）水平段应垂直主裂隙方向，或者同主裂隙大角度斜交方向，使水平井的生产影响范围最大。
4）水平段与平面有一定的交角，利于钻井施工。
5）井场位置尽量靠近已施工的钻孔，以便后期供电及管网建设，节省投资。
根据屯兰矿矿方要求，结合以上原则，在屯兰矿南四盘区12408工作面布置“L”型井1口。
3.2井位布置
为了降低井下抽采的成本，减轻瓦斯对煤矿生产的危害，同时结合屯兰矿井下煤矿采掘规划需要，综合考虑各方面因素初步于屯兰矿南四盘区12408工作面布置“L”型井1口。
设计井位如下所示：
12408工作面井下位于南四盘区，南接12412工作面，西北为12406、12402采空区，东北为大川河煤矿。
工作面南北走向，长度约956米。
工作面内未进行预抽。
工作面整体为单斜构造,向南西倾斜,煤层倾角3°—5°,该区地质构造相对复杂，工作面穿过落差为6-18米断层，对掘进施工影响较大，同时可能会存在伴生断层影响，巷道可能出现裂隙增多现象。
“L型”采动井布置过程中要靠近回风巷一侧；同时尽量减小陷落柱和正断层对钻井的影响，所以拟在图示位置布置工程井，沿采面方向延伸，投影长度约776米。
图3-112408工作面XST-L-01平面布置图
图3-212408工作面XST-L-01井上下对照图
表3-1设计井位基本数据
井号
XST-L-01
井别
“L型”井
井位
山西西山屯兰矿区
完井层位
2#煤层顶板上约40m
设计井深
938.65m
设计垂深
237.3m
设计水平闭合方位
358°
井口
坐标
X：
4195138
海
拔
地面
1120
Y：
37599848
着陆点坐标
X：
4195273
靶点坐标
X：
4195902
Y：
Y：
钻进方式
含固相聚合物水基钻井液
完井方式
裸眼完井
钻井目的
治理、开发利用12408工作面瓦斯，降低采掘工作面的瓦斯含量。
完井依据
水平段钻至2号煤层顶板40m，水平延伸630m，达到《煤层气钻井工程作业规程》、《钻井井场、设备、作业安全技术规程》的规定。
3.3井眼轨迹设计
根据试验地质条件，结合目前水平井钻井技术、设备及工具能力，采用“单弧剖面”（直-增-水平）三段制剖面形式，如下图所示。
该剖面相对简单，工具选择方便，施工易于控制；三段制剖面弯曲（高造斜率段）井段相对较短，利于降低管柱下入摩阻，确保套管能够安全顺利下入弯曲段，利于钻井成本控制，确定造斜率为7～15°/30m，水平段距煤层垂直距离为25-60m。
图3-3XST-L-01井井眼轨迹剖面示意图
井号
位置
坐标
造斜率
°/30m
造斜点
m
水平段
井斜°
井深
m
X
Y
H
XST-
L-01
井口
4195138
37599848
1120
11.54
77.32
89
938.65
着陆点
4195273
893.7
靶点
4195902
882.7
表3-2设计井身轨迹基本数据
3.4井身结构设计
“L型”井采用三开井身构，目的层水平段采用裸眼完井的方式。
具体井身结构如下所述：
（1）一开采用Ф444.5mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带10m后，预计井深40.00m（以实钻地层为准），下Ф377.7mm钢级J55表层套管，封固地表疏松层。
下入深度约40m，注水泥全封固。
（2）二开采用Ф311.1mm钻头钻进至煤层顶板50米，下入Ф244.5mm钢级J55技术套管，固井注水泥返至地面。
（3）三开采用Φ215.9mm的钻头进行钻进，从增斜段到水平段钻至靶点并延伸，完钻。
图3-4“L”型井井身结构示意图
3.5井身质量要求
1）钻井施工作业按《煤层气钻井作业规范》执行，钻井工程质量达到《煤层气钻井工程质量验收评级标准》中的优良级别，井深以转盘面为基准，校核钻具实长为准；每钻进100m应校核钻具长度。
2）斜井段钻井眼轨迹要求平滑，水平段井眼轨迹位于要求的靶区内。
水平井全井井眼轨迹控制质量以LWD数据为考核依据。
3）完钻后井队工程师必须将全井（不超过10m一个点）的井斜角、全角变化率、井底水平位移等数据齐全、正确地填写在井史上。
4）为了准确确定井眼在煤层中的相对位置，钻孔施工单位要使用LWD随钻测井仪器，测定井眼与煤层顶底板及夹矸的空间关系，为随后的压裂设计提供依据。
3.6钻井液设计
“L型”井水平段为生产层位，需要进行储层保护，钻井液体系须既可以实现安全钻井的需要，又可以实现储层的最有效保护。
本井钻井液以稳定井壁和保证施工安全，通过K+和NH4+的晶格固定和离子交换作用来抑制泥页岩吸水水化膨胀，稳定井壁。
直井段选用钾铵基聚合物钻井液，造斜段至着陆点采用钾基聚合物钻井液，提高钻井液密度，并通过封堵剂封堵地层的层理裂隙，有效防止地层垮塌，水平段采用钾铵基钻井液体系，提高钻井液的稳定性，严格控制钻井液滤失量≤5ml。
3.7录井要求
钻探过程中严格按照有关标准和设计进行录井作业，具体包括：
岩屑录井、钻时录井、简易水文观测、循环观察等。
1）岩屑录井
非含煤地层2～4m捞取1包，含煤地层1～2m捞取1包，目的层井段每1m捞取1包。
现场整理、汇总岩屑录井表，并绘制1:
500的随钻剖面，对地层做出初步的判定和划分。
2）钻时录井
钻时录井从见基岩开始每1m记录1个钻时点。
以便于判断煤层埋深、厚度和确定夹矸位置。
3）简易水文观测
全井钻进过程中均应做好简易水文观测记录工作。
每钻进2h记录一次钻井液消耗量；进入山西组后每1h记录一次钻井液消耗量，不足1h但大于30min时也应观察钻井液消耗量。
4）循环观察
钻遇目的层异常时，立即停钻，循环观察，加密测量钻液密度、粘度，观察气显示情况、钻井液池面和体积变化。
3.8固井设计
1）一开结束后，下入表层套管，固井封固地表松散层，固井使用G级石油水泥，水泥返高至地面。
2）二开结束后，下入技术套管，固井封固地层，固井使用G级石油水泥，水泥返高至地面。
设计套管指标如表3-4所示：
表3-4套管设计
套管类别
井径
（mm）
井深
（m）
套管规格
（mm）
钢级
壁厚
（mm）
水泥
等级
水泥浆
返高
表层套管
444.5
进入稳定基岩5~10m
377.7
J55
/
G级
地面
技术套管
311.15
下至2#煤层顶板60m
244.5
J55
8.94
G级
地面
3.9固井注水泥浆技术要求
表层套管固井使用G级油井水泥，水泥浆平均密度1.85g/cm3，固井水泥浆返至地面。
固井结束侯凝24h后，试压6MPa，30min内压降小于0.5MPa，视为合格。
技术套管固井使用G级油井水泥，水泥浆密度1.6~1.8g/cm3，固井水泥浆返至地面。
固井结束侯凝48h试压，试压12MPa，30min内压降小于0.5MPa，视为合格。
技术要求见表3-5。
表3-5固井注水泥浆技术要求
套管
水泥
规格
水泥浆密度
（g/cm3）
水泥返高
试压
（MPa）
30min压降（MPa）
备注
表层套管
G级
1.85±0.03
至地面
6
<0.5
技术套管
G级
1.6-1.8
至地面
12
<0.5
3.10安全要求
1、施工单位应对参与施工的人员、设备作好充分准备，精心组织施工，保证施工安全；
2、现场施工人员必须戴安全帽、穿防静电工作服、穿特制的劳保鞋、戴手套等安全生产的防护装备。
3、进出井场道路要能容纳大型车辆进出，满足特殊情形下人员的及时疏散和救援人员及车辆的及时到位；
4、井场及道路的维护工作要及时和有效，在道路出现堵塞和雨雪因素无法正常使用时，道路维护单位要迅速进行强修，保证车辆的正常通行。
5、安全存储和放置可燃物和易燃物。
钻台上下及井口周围不得堆放易燃易爆物品及其它杂物。
6、井场储存和使用易燃易爆物品的管理应符合国家有关危险化学品管理的规定；在施工过程中，对易燃易爆物质的泄漏或外溢物应迅速处理。
7、严禁携带烟草和点火物品进入井场、站场，严禁吸烟。
8、煤层气井钻井施工应按照有关规定安装井控装置，防止煤层气井施工过程中出现井喷、井涌，作好施工安全工作。
9、开钻前检查、一开钻进、二开钻进、接单根、起下钻、换钻头、钻水泥塞、煤层钻进等应符合现行标准关于常规钻进的安全技术要求。
10、其余未尽事宜，参照蓝焰煤层气公司《煤层气钻井安全规程》执行。
4地面抽采系统设计
4.1地面煤层气抽采管路管径的确定
根据“十二五”期间采动区地面钻井抽采数据并结合以往经验，地面煤层气抽采管的管径按单井最大混合流量22m3/min进行管路计算。
管径计算按以下公式d=0.1457（Q/V）0.5由此得：
d=0.185（m），故本设计地面抽采管路选用D200×7型的无缝钢管。
4.2地面煤层气抽采设备的选型
根据地面煤层试验的效果及目的，主要需要购置五类设备：
安全监控及控制设备、抽采基础设备、抽采数据采集设备、消防设备及电源动力辅助设备。
1）安全监控及控制设备
表4-1安全监控及控制设备
序号
名称
型号（建议）
单位
数量
说明
1
避雷针
ZG-09
套
1
高>15m
2
防爆轴流通风机
BT35-11NO2.8
台
2
保证泵房通风质量
3
矿用风电瓦斯闭锁装置
FDZB-1
套
1
管道瓦斯浓度低于30%断电停抽
4
供水传感器
KGL
台
1
具有报警功能
5
开停传感器
GT-L（A）
台
1
具有报警功能
6
瓦斯高浓度传感器
GJG100H（C）
台
1
瓦斯浓度<30%，报警
7
环境浓度传感器
KG9701A
台
3
具有报警功能
8
水封泄爆器
FBQ-1
台
2
9
煤矿抽放瓦斯防回火装置
FHQ-0
台
2
排联管直径150mm，检验压力300kPa
10
全量程甲烷检测报警仪
CJB100A
1
（1）ZG-09型直杆避雷针：
防止雨季雷电损坏井场设备及引起安全问题。
设备参数：
雷电通流流量（In）：
300（kA）；接地电阻要求：
≤10Ω；抗风强度：
≤40m/s；自身高度（h）：
>15m
（2）BT35-11NO2.8型防爆轴流通风机：
在使用较为密闭泵房的情况下，轴流通风机能保证泵房的通风质量。
设备参数：
全压：
30Pa；功率：
0.12kW；风量：
552m3/h。
（3）FDZB-1矿用风电甲烷闭锁装置：
管道瓦斯浓度低于一定值时断电停抽，其主要参数：
防爆标志：
Exd[ib]Ⅰ；电源：
AC660V/380V；开关量输入信号制式：
触点式、电流型0mA/5mA；检测误差：
≤0.5%；传输速率：
600bps。
（4）KGL型供水传感器：
当水封泄爆器的水过低时，供水传感器报警，提示加水。
适用管径：
15～160mm；工作范围：
1～40m3/h；输入电压：
5～18VDC；供水异常（断电）信号：
0.5～7mA；（适用水压：
0.15～0.4MPa；水介质PH值：
6～8；防爆型式：
矿用本质安全型；防爆标志：
ExibⅠ。
（5）GT-L（A）型开停传感器：
电源电压：
9～24VDC；工作方式：
锁固吊挂于被测电缆上、连续工作；输出信号：
1/5mADC、0～5VDC；±5mADC、无电位触点；显示方式：
绿色灯为电源指示、红色灯指示开停；真空泵异常停止工作时报警；防爆型式：
矿用本质安全型；防爆标志：
ExibⅠ。
（6）GJG100H型瓦斯高浓度传感器：
当瓦斯浓度低于30%时，进行报警。
测量介质：
空气、甲烷；测量范围：
0.00%CH4～100%CH4；基本测量误差：
相对误差≤5%；检测速度：
≤30s；整机工作电压：
9V.DC～24V.DC；瓦斯浓度＜30%时报警；防爆型式：
矿用本质安全型；防爆标志：
ExibⅠ；
（7）KG9701A型环境浓度传感器：
环境气体中的瓦斯浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的测量仪器。
测量范围：
0~4.00%CH4；分辨率：
0.01%CH4；）测量精度：
0.00~1.00%CH4≤±0.10%CH4；1.00~3.00%CH4真值的±10%；3.00~4.00%CH4≤±0.30%CH4；报警方式：
间歇式声光报警，≥85dB（声强），能见度>20m（光强）；报警点范围：
0.40～2.50%连续可调；断电点范围：
0.40～2.00%连续可调；整机工作电压：
+9~+24VDC；防爆型式：
矿用本质安全型；防爆标志：
ExibⅠ。
（8）水封泄爆器（FBQ-1）：
防爆筒高度：
1150mm；防爆筒直径：
800mm；防爆管口直径：
300mm；进、出管口直径：
200mm；防爆器高度：
1420mm；防爆器宽度：
1050mm；
2）抽采基础设备
表4-2抽采基础设备
序号
名称
型号（建议）
单位
数量
1
矿用隔爆型真空电磁起动器
QBZ2-120/660（380）
台
1
2
潜水泵
/
台
1
3
无刷交流同步发电机
YTW-120-4
台
2
4
交流柴油发电机组
HX120GF
台
2
5
水环真空泵
2BE1253
台
1
6
隔爆型三相异步电动机
Y315M-8
台
1
7
气水分离器
/
1
（1）矿用隔爆型真空电磁起动器：
防爆标志：
ExdI；额定电压：
660（380）V；额定电流：
120A。
（2）水环真空泵：
由于采动井没有达到集输的条件，设计采用真空泵抽采，真空泵是采动区抽采系统中的核心设备，直接影响抽采的强度和效率。
根据抽采流量设计采用：
2BE1253型直联真空泵，该泵主要技术参数为：
排量40.8m3/mi
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