CN103133028A - 井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，包括如下步骤：（一）钻进压裂钻孔以及导向钻孔，压裂钻孔为一个，导向钻孔为环绕压裂钻孔周圈间隔设置，对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行径向的水射流割缝，水射流割缝通过高压水射流割缝装置实现，（二）对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行封孔，（三）对压裂钻孔进行水力压裂。本发明提供了一种控制压裂裂缝在煤层中扩展的方法，避免了裂缝的无序扩展对煤层顶底板造成次生灾害，同时该方法能够降低压裂区域内有效应力，减缓裂缝的闭合、强化裂缝的导流能力，继而达到有效治理瓦斯、高效抽采瓦斯的目的。

Description

井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿安全控制方法，尤其涉及一种煤矿井下强化瓦斯抽采的高效水力压裂方法。

背景技术

“水力化”作为高效瓦斯抽采及瓦斯灾害治理技术近年来得到了广泛的推广应用，尤其对于现在高地应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量的复杂赋存条件，“水力化”技术具有广泛的应用前景。水力压裂具有卸压范围广、工艺操作简单等优点，大大减少了钻尺量，提高了效率。但随着煤层埋深的不断增加，地应力分布的复杂化，导致起裂压力不断增大，裂缝无序扩展，从而引起煤层顶底板原生裂隙贯通、形成次生裂隙，使顶底板破碎程度增大，支护难度加大。同时，高地应力加剧了压裂裂缝闭合，裂缝导流能力降低，现场试验表明实施水力压裂后，裂缝仅在1-2周内保持较高的导流能力，之后因裂缝的闭合恢复到原始水平。如何控制裂缝始终在煤层中扩展及强化裂缝导流能力尤为重要。

国内对于水力压裂的专利均专注于工艺及装置。如专利公开号为：CN101581231、名称为“穿层钻孔水力压裂疏松煤体瓦斯抽放方法”的专利，利用钻孔疏松煤体使裂缝始终在疏松煤体中扩展，但由于受钻孔直径的限制，只能疏松附近小范围内煤体，所以如果要保证方法的顺利实施，仍需较大钻孔工作量。专利公开号为：CN102071921A、名称为“井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺”的专利仅着重于水力压裂工艺，而没有考虑裂缝的扩展及闭合。专利公开号为：CN202023547U，专利“煤矿井下脉动水力压裂设备”的专利，采用脉动注水泵产生的脉动压力进行压裂，同样没有考虑裂缝的扩展及闭合。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供了一种控制压裂裂缝在煤层中扩展的方法，避免了裂缝的无序扩展对煤层顶底板造成次生灾害，同时该方法能够降低压裂区域内有效应力，减缓裂缝的闭合、强化裂缝的导流能力，继而达到有效治理瓦斯、高效抽采瓦斯的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，包括如下步骤：（一）钻进压裂钻孔以及导向钻孔，压裂钻孔为一个，导向钻孔为环绕压裂钻孔周圈间隔设置，对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行径向的水射流割缝，水射流割缝通过高压水射流割缝装置实现，（二）对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行封孔，（三）对压裂钻孔进行水力压裂。

步骤（一）中，水射流割缝时：首先确定水射流割缝深度R _s ：

上式中，R _s 为水射流割缝深度（单位mm），C _f 为水的动摩擦系数，d为高压水射流割缝装置的喷嘴直径（单位mm），为煤的抗压强度（单位MPa），P为高压水射流割缝装置的喷嘴出口压力（MPa），

为阻尼系数，u为高压水射流割缝装置的钻杆旋转速度（r/s）；d ₁ 为钻杆直径

根据水射流割缝深度计算塑性区半径R _p 的大小：

式中，R _p 为塑性区半径（单位m），P ₀ 为原岩应力（单位MPa），c为内聚力（单位MPa），

为内摩擦角（单位°）；

    确定压裂钻孔位置后，按照

确定压裂钻孔与导向钻孔的间距，在压裂钻孔周边呈环形布置导向钻孔，D为压裂钻孔与导向钻孔的中心间距。

在步骤（二）中，通过封孔装置对压裂钻孔以及导向钻孔进行封孔，封孔装置包括木塞、注浆管和注水管，注浆管和注水管均穿插在木塞上，注浆管后端设有球形第二截止阀，注水管前端口周圈固定有棉纱，注水管前端口与一根筛管的后端口对接，筛管的管壁设置筛孔，筛管的前端口内设堵头，封孔时，将注水管前端的筛管送至钻孔孔底处，木塞固定在钻孔孔口处，注浆管的前端口位于木塞与棉纱之间，注浆管后端连接注浆泵，通过注浆泵将水泥浆注入钻孔内，直至水泥浆浆液从注水管返出，停止注浆，水泥浆凝固后，再进行步骤（三）。

导向钻孔内的封孔装置注水管后端设有第二压力表和开关阀，开关阀位于第二压力表后侧。

所述高压水射流割缝装置包括钻机、钻机上设置的钻杆、与钻杆后端连接的第一输水管路、连接在钻杆前端的钻头以及设置在钻杆与钻头之间的割缝器，割缝器设有径向的喷嘴，第一输水管路设有密封输液器，第一输水管路通过密封输液器连接钻杆后端。

在步骤（三）中，对压裂钻孔进行水力压裂封孔时，将压裂钻孔内封孔装置的注水管连接水力压裂装置，水力压裂装置包括第二输水管路，并且第二输水管路的出水端连接注水管的后端。 

本发明所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其有益效果为：通过在煤层中实施定向缝、形成连续塑性区，能够实现降低煤层起裂压力、控制裂缝在煤层中有序扩展及减缓压裂裂缝闭合，从而达到有效压裂煤层、强化瓦斯抽采、有效治理瓦斯灾害的目的。

附图说明

图1是本发明的钻孔分布的结构示意图；

图2是高压水射流割缝装置的视图；

图3是封孔装置的结构示意图；

图4是水力压裂装置的结构示意图。

具体实施方式

由图1-图4所示的一种井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，包括如下步骤：

    （一）钻进压裂钻孔1以及导向钻孔4，压裂钻孔1为一个，导向钻孔4为数个，导向钻孔4为环绕压裂钻孔1周圈间隔设置，对压裂钻孔1以及每个导向钻孔4均分别进行径向的水射流割缝，水射流割缝通过高压水射流割缝装置实现，水射流割缝时：首先确定水射流割缝深度Rs：

上式中，R _s 为水射流割缝深度（单位mm），C _f 为水的动摩擦系数，d为高压水射流割缝装置的喷嘴直径（单位mm），为煤的抗压强度（单位MPa），P为高压水射流割缝装置的喷嘴出口压力（MPa），

为阻尼系数，u为高压水射流割缝装置的钻杆13旋转速度（r/s）；d ₁ 为钻杆直径。

根据水射流割缝深度计算塑性区3半径R _p 的大小：

式中，R _p 为塑性区3半径（单位m），P ₀ 为原岩应力（单位MPa），c为内聚力（单位MPa），为内摩擦角（单位°）；

       确定压裂钻孔1位置后，按照

确定压裂钻孔1与导向钻孔4的间距，在压裂钻孔1周边呈环形布置导向钻孔4，D为压裂钻孔1与导向钻孔4的中心间距。

       所述高压水射流割缝装置包括钻机12、钻机12上设置的钻杆13、与钻杆13后端连接的第一输水管路10、连接在钻杆13前端的钻头16以及设置在钻杆13与钻头16之间的割缝器18，割缝器18设有径向喷嘴14以及径向的截齿15，钻头16前端设有轴向喷嘴17。第一输水管路10上依次设有第一液体箱6、第一液压泵7、第一球形截止阀8、第一压力表9和密封输液器11，第一液压泵7与第一球形截止阀8之间的第一输水管路10上连接有第一管道19，第一管道19设有第一溢流阀20，第一管道19的另一端接入所述第一液体箱6。第一输水管路10通过所述密封输液器11连接钻杆13后端。第一液体箱6内设液体，一般液体为水。

      高压水射流割缝装置具体工作过程如下： 启动钻机12，控制第一液压泵7泵压在5MPa，关闭割缝器18的径向喷嘴14，打开钻头16的轴向喷嘴17，高压液体经过第一输水管路10进入密封输液器11，再通过钻杆13，高压液体经过钻头16的轴向喷嘴17冲击煤体进行辅助钻进，钻进至半煤段时升高泵压至30MPa，打开割缝器18的径向喷嘴14，关闭钻头16的轴向喷嘴17，对煤体进行割缝，割缝完成后，关闭第一液压泵7。 

    （二）通过封孔装置对压裂钻孔1以及每个导向钻孔4均分别进行封孔，所述封孔装置包括木塞28、注浆管21和注水管27，注浆管21和注水管27均穿插在木塞28上，并且注水管27的前、后两端分别伸出木塞28的两端外，注浆管21的前、后两端也分别伸出木塞28的两端外，注浆管21后端设有第二球形截止阀22，注水管27前端口周圈固定有棉纱26，注水管27前端口与一根筛管25的后端口对接，筛管25的管壁设置筛孔，筛管25的前端口内设堵头24。其中，导向钻孔4内的封孔装置注水管27后端设有第二压力表29和开关阀30，开关阀30位于第二压力表29后侧。封孔时，将注水管27前端的筛管25送至钻孔孔底处，木塞28固定在钻孔孔口处，注浆管21的前端口位于木塞28与棉纱26之间，注浆管21后端通过所述第二球形截止阀22连接注浆泵39，通过注浆泵39将水泥浆23注入钻孔内，直至水泥浆23浆液从注水管27返出，停止注浆，水泥浆23凝固后，再进行步骤（三）。棉纱26可起到阻止水泥浆23的大部分浆料进入筛管25部分，只允许水泥浆23中的水份向前流动并进入筛管25，以避免阻塞筛管25以及注水管27。当对压裂钻孔1进行封孔时，上述钻孔孔口以及注入水泥浆23的钻孔均指压裂钻孔1；当对导向钻孔4进行封孔时，上述钻孔孔口以及注入水泥浆23的钻孔均指导向钻孔4。封孔时，对压裂钻孔1以及每个导向钻孔4可依次逐个封孔也可同时封孔。

（三）对压裂钻孔1进行水力压裂：将压裂钻孔1内封孔装置的注水管27连接水力压裂装置，水力压裂装置包括第二输水管路35，第二输水管路35依次设有第二液体箱31、第二液压泵32、第三球形截止阀33、第三压力表34和涡轮流量计36，第二输水管路35的出水端连接压裂钻孔1内封孔装置的注水管27的后端。第二液压泵32与第三球形截止阀33之间的第二输水管路35连接第二管道37，第二管道37设有第二溢流阀38，第二管道37的另一端接入所述第二液体箱31。第二液体箱31盛满液体，一般液体为水。

    压力表和流量计用于监测水力压裂参数，水力压裂装置的工作过程如下：启动第二液压泵32，高压水经第三压力表34、涡轮流量计36、注水管27、筛管25至煤层40，对煤层40实施压裂。压裂过程中观测第三压力表34及涡轮流量计36，记录压裂压力及流量，通过导向钻孔4中封孔装置的第二压力表29读数判断压裂范围及煤层40中水力大小，当压裂范围达到预期目标，关闭第二液压泵32，打开导向钻孔4注水管27后端的开关阀30，待第二输水管路35的压力表读数为零，拆除压裂钻孔1外第二管道37，压裂完毕。

本发明所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，是利用水射流切割半径计算公式计算在特定煤层40赋存条件下煤层40的切割半径

的大小，由切割半径计算塑性区3半径

的大小，根据塑性区3半径确定压裂孔与导向钻孔4的间距

，两者之间满足

；利用高压水射流割缝装置在煤孔段进行割缝，形成平行于煤层走向、垂直于煤层倾向的定向缝2，导向压裂裂缝5的有序扩展；利用封孔装置及材料，调配完成后对压裂钻孔1和导向钻孔4进行快速高效封堵，满足压裂过程中高压力不泄露的要求；其中水力压裂装置中的压力表以及流量计构成了水力压裂监测系统，水力压裂监测系统监测压裂过程中压裂压力、流量及压裂范围，判断起裂压力、裂缝扩展方向及压裂效果；利用水力压裂装置对煤层40实施压裂。

本发明通过在水力压裂钻孔1周边合理布置导向钻孔4，并采用水射流割缝技术对水力压裂钻孔1及导向钻孔4均进行径向割缝，并因此在煤层40中形成圆盘状定向缝2，定向缝2形成改变了煤体应力分布状态，在定向缝2尖端出现剪切破坏区并在周边区域煤体内形成塑性区3。根据裂缝起裂最大主应力准则，定向缝2尖端剪切破坏区的形成促使裂缝在尖端处起裂，起裂后受塑性区3最大主应力控制能够保持原方向扩展而不发生偏转。通过合理布置导向孔及定向缝2，在压裂区域煤体内形成连续塑性区3，促使压裂裂缝5始终在塑性区3内扩展，同时塑性区3内应力降低，降低了煤体有效应力，减缓了裂缝闭合，使裂缝能够持续提供瓦斯运移通道，从而实现了导向裂缝的有序扩展及强化导流的目的。

Claims (6)

1.一种井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其特征在于：包括如下步骤：（一）钻进压裂钻孔以及导向钻孔，压裂钻孔为一个，导向钻孔为环绕压裂钻孔周圈间隔设置，对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行径向的水射流割缝，水射流割缝通过高压水射流割缝装置实现，（二）对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行封孔，（三）对压裂钻孔进行水力压裂。

2.如权利要求1所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其特征在于：步骤（一）中，水射流割缝时：首先确定水射流割缝深度R _s ：

上式中，R _s 为水射流割缝深度（单位mm），C _f 为水的动摩擦系数，d为高压水射流割缝装置的喷嘴直径（单位mm），

为煤的抗压强度（单位MPa），P为高压水射流割缝装置的喷嘴出口压力（MPa），

为阻尼系数，u为高压水射流割缝装置的钻杆旋转速度（r/s）；d ₁ 为钻杆直径

根据水射流割缝深度计算塑性区半径R _p 的大小：

式中，R _p 为塑性区半径（单位m），P ₀ 为原岩应力（单位MPa），c为内聚力（单位MPa），

为内摩擦角（单位°）；

    确定压裂钻孔位置后，按照

确定压裂钻孔与导向钻孔的间距，在压裂钻孔周边呈环形布置导向钻孔，D为压裂钻孔与导向钻孔的中心间距。

3.如权利要求1或2所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其特征在于：在步骤（二）中，通过封孔装置对压裂钻孔以及导向钻孔进行封孔，封孔装置包括木塞、注浆管和注水管，注浆管和注水管均穿插在木塞上，注浆管后端设有球形第二截止阀，注水管前端口周圈固定有棉纱，注水管前端口与一根筛管的后端口对接，筛管的管壁设置筛孔，筛管的前端口内设堵头，封孔时，将注水管前端的筛管送至钻孔孔底处，木塞固定在钻孔孔口处，注浆管的前端口位于木塞与棉纱之间，注浆管后端连接注浆泵，通过注浆泵将水泥浆注入钻孔内，直至水泥浆浆液从注水管返出，停止注浆，水泥浆凝固后，再进行步骤（三）。

4.如权利要求3所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其特征在于：导向钻孔内的封孔装置注水管后端设有第二压力表和开关阀，开关阀位于第二压力表后侧。

5.如权利要求4所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其特征在于：所述高压水射流割缝装置包括钻机、钻机上设置的钻杆、与钻杆后端连接的第一输水管路、连接在钻杆前端的钻头以及设置在钻杆与钻头之间的割缝器，割缝器设有径向的喷嘴，第一输水管路设有密封输液器，第一输水管路通过密封输液器连接钻杆后端。

6.如权利要求5所述的井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，其特征在于：在步骤（三）中，对压裂钻孔进行水力压裂封孔时，将压裂钻孔内封孔装置的注水管连接水力压裂装置，水力压裂装置包括第二输水管路，并且第二输水管路的出水端连接注水管的后端。

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