CN105239984A - 一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下水力压裂裂缝扩展控制方法，主要包括如下步骤：（一）钻进压裂钻孔及若干保压注水钻孔，保压注水钻孔位置按照人为预设的水压裂缝扩展方向布置，（二）对压裂钻孔及保压注水钻孔进行注浆封孔，（三）按照计算所得的保压孔注水压力和单孔保压注水时间对保压注水钻孔进行保压注水，（四）对压裂钻孔进行水力压裂。本发明通过在压裂钻孔两侧按照人为预想的水压裂缝扩展方向预设若干钻孔，并在正式压裂前对其进行保压注水，使得在压裂钻孔周围形成一个连续带状的高孔隙压力区域，可以诱导水压裂缝沿高孔隙压力区域扩展，增大有效压裂范围；同时减小压裂钻孔的起裂及扩展压力，降低对煤层顶底板岩层的破坏。

Description

一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法。

背景技术

水力压裂近年已被广泛应用到煤矿井下瓦斯强化抽采中，煤矿井下水力压裂对于增加煤层透气性、提高瓦斯预抽浓度和缩短瓦斯抽放时间等方面效果显著。但是，在深部复杂煤层中，煤层具有高地应力、节理裂隙发育等特点，造成井下水力压裂时起裂压力大幅增加，对煤层顶底板变形破坏、压裂相应配套设备成本及安全风险的大幅提高；同时水压裂缝在扩展过程中极易受到干扰，造成裂缝扩展无序，裂缝容易转向顶底板岩层扩展，致使增透范围有限和后续煤炭开采时顶底板支护困难，因此，必须对目前常规煤矿井下压裂方法及工艺进行革新，才能实现煤层气高效开发和安全抽采的目的。

国内对于水力压裂的研究大多专注于技术设备和工艺。如专利公开号为CN102720528A、名称为“煤矿井下重复水力压裂强化瓦斯抽采方法”的专利公开的技术是，通过在脉动水压力钻孔外侧设置一级导向控制钻孔和二级导向控制来延长脉动水力压裂区域裂隙闭合时间，提高瓦斯抽采率。但是受钻孔直径和脉动频率的限制，对煤层的增透范围有限，且随脉动频率的增加对封孔材料的耐压强度要求也更高。专利公开号为CN103133028A、名称为“井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法”的专利公开的技术是，通过在压裂钻孔周围间隔设置导向钻孔，并对各钻孔均分别进行水力割缝，来控制水力压裂裂缝扩展方向。该导向水压裂缝方法的效果受地应力分布影响较大。同时，单孔导向能力有限，导致钻孔间距较密，工程量较大。专利公开号为CN103362538A、名称为“煤层割缝致裂压抽交变抽采瓦斯方法”的专利公开的技术是，通过设计可实现抽采瓦斯和注水压裂功能切换的钻孔瓦斯抽采管进行钻孔压抽交变瓦斯抽采，来提高钻孔持续高效抽采瓦斯能力，提高钻孔瓦斯抽采影响范围。但没有考虑裂缝扩展方向和如何大幅度增加单压裂孔的影响范围问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，在煤层中控制水压裂缝扩展方向、减小压裂过程中所需泵压，已达到有效增加压裂范围，降低压裂过程中对煤层顶底板岩层的破坏，实现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：

一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，包括如下步骤：

1、钻进压裂钻孔及保压注水钻孔，压裂钻孔为一个，在压裂钻孔两侧，按照压裂煤层区域范围等间距布置保压注水钻孔。

2、对压裂钻孔和保压注水钻孔进行注浆封孔。

3、按照计算所得的保压孔注水钻孔注水压力和单孔保压注水时间对保压注水钻孔进行保压注水。

4、对压裂钻孔进行水力压裂。

步骤(1)中，首先根据压裂煤层区域以及施工巷道情况确定中心压裂钻孔的位置以及钻孔参数。在压裂钻孔两侧，按照压裂煤层区域范围等间距布置保压注水钻孔，钻孔终孔点与压裂钻孔处于同一标高。

步骤(3)中，对保压注水钻孔进行注水时：首先确定保压孔注水压力：

注水压力的取值需遵循大于煤层初始瓦斯压力而小于煤层的起裂压力，即：

p_g＜p_w＜p_b

上式中，p_w为注水压力；p_g为煤层初始瓦斯压力；p_b为煤层的起裂压力。

起裂压力根据计算如下：

p_b＝3σ_h-σ_H+S_t

上式中，σ_H和σ_h分别为煤层的最大和最小水平主地应力。

σ_H和σ_h的取值根据经验公式：

σ_H＝6.7+0.0444H(MPa)

σ_h＝0.8+0.0329H(MPa)

上式中，H为深度，单位为米。

根据注水压力和煤层初始瓦斯压力计算单孔保压注水时间：

$t=\frac{\mathrm{\φ}}{k(p_w-p_g)}\underset{r_w}{\overset{R}{\∫}}({\mathrm{\μ}}_g-{\mathrm{\μ}}_w){r_c}^2\ln r_c({\mathrm{\μ}}_w\ln r_c-{\mathrm{\μ}}_g\ln R){\mathrm{dr}}_c$

上式中，t为单孔保压注水时间，φ为孔隙率，k为渗透系数，p_w为注水压力；p_g为煤层初始瓦斯压力，R为保压注水钻孔间距的一半，r_w为钻孔半径，r_c为气液交界面的半径，μ_w为水的粘度系数，μ_g为瓦斯的粘度系数。

确定保压孔注水压力和单孔保压注水时间后，对保压注水钻孔进行注水。

对压裂钻孔进行水力压裂时，将压裂钻孔内预设的压裂管接入水力压裂系统，水力压裂系统主要装置为输水管路，输水管路的出水端连接压裂管的后端。

本发明提出的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其有益效果在于：通过对煤层中预设的导向钻孔进行其保压注水，可在压裂钻孔周围形成一个连续带状的高孔隙压力区域，诱导水压裂缝沿高孔隙压力区域扩展，增大有效压裂范围；同时降低压裂过程中所需泵压，减小压裂过程对煤层顶底板岩层的损伤。

附图说明

图1是本发明的钻孔布置示意图；

图2是本发明的钻孔布置剖面示意图；

图3是本发明的水力压裂系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例进行描述：

参见图1、图2和图3，本发明提出的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，首先是根据煤矿井下压裂裂缝扩展控制工艺参数的计算方法和步骤，并结合施工煤层17的物理力学性质，确定压裂钻孔1的位置，在压裂钻孔1两侧按照压裂煤层区域范围等间距布置保压注水钻孔2；然后安装封孔装置、调配封孔材料，利用注浆泵对压裂钻孔1和保压注水钻孔2进行注浆封孔，封孔效果应满足压裂过程中高压力不泄露的要求；而后通过煤层起裂压力计算公式计算在施工煤层17物理力学性质条件下煤层的起裂压力p_b，保压注水钻孔注水p_w压力介于煤层原始瓦斯压力p_g和煤层起裂压力p_b之间，保压注水压力p_w越大对水压裂缝扩展的控制效果越好，确定保压注水钻孔注水压力p_w后，再根据单孔保压注水时间计算公式计算单孔保压注水时间t；其中水力压裂系统中的压力表以及流量计构成了水力压裂监测系统，水力压裂检测系统监测水力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；最后利用水力压裂系统对煤层17实施压裂。

以上方法通过在水力压裂钻孔1两侧合理布置的保压注水钻孔2，通过对保压注水钻孔2保压注水，在压裂煤体周围区域形成水力压力梯度，孔隙压力可以减小煤体中的有效应力，降低水压裂缝扩展所需泵压，孔隙压力越大，水压裂缝扩展所需的能量越小；同时，孔隙压力梯度会直接影响水压裂缝扩展所需的能量，从而诱导水压裂缝沿高孔隙压力方向扩展。

采用本发明方法进行煤矿井下压裂裂缝扩展控制的具体实施步骤如下：

1、首先根据压裂煤层区域以及施工巷道情况确定中心压裂钻孔的位置以及钻孔参数。然后钻进压裂钻孔1以及保压注水钻孔2，压裂钻孔1为一个，压裂钻孔1直径为Φ94mm，位于中心位置，在压裂钻孔1两侧，按照压裂煤层区域范围等间距布置保压注水钻孔2，保压注水钻孔2为数个，钻孔直径均为Φ75mm，保压注水钻孔2钻孔终孔点与压裂钻孔1处于同一标高。

2、对压裂钻孔1和保压注水钻孔2进行注浆封孔，封孔应封至压裂煤层底板，压裂钻孔孔口1采用马丽散加棉纱封堵，长度不低于1.5m，马丽散必须混合均匀，且充分浇灌于棉纱上，待马丽散完全凝固后，方可进行注浆。一次注浆高度为5m，养护24小时后方可进行二次注浆，二次注浆高度至压裂煤层底板煤岩交界面，养护72小时后，再进行第三步骤。

3、对保压注水钻孔2进行保压注水，保压注水时：首先应确定保压注水孔2注水压力：

注水压力的取值需遵循大于煤层初始瓦斯压力而小于煤层的起裂压力，即：

p_g＜p_w＜p_b

上式中，p_w为注水压力；p_g为煤层初始瓦斯压力；p_b为煤层的起裂压力。

起裂压力计算如下：

p_b＝3σ_h-σ_H+S_t

上式中，σ_H和σ_h分别为煤层的最大和最小水平主地应力。

σ_H和σ_h的取值根据经验公式：

σ_H＝6.7+0.0444H(MPa)

σ_h＝0.8+0.0329H(MPa)

上式中，H为深度，单位为米。

确定保压注水钻孔2的注水压力之后，根据注水压力和煤层初始瓦斯压力计算单孔保压注水时间：

$t=\frac{\mathrm{\φ}}{k(p_w-p_g)}\underset{r_w}{\overset{R}{\∫}}({\mathrm{\μ}}_g-{\mathrm{\μ}}_w){r_c}^2\ln r_c({\mathrm{\μ}}_w\ln r_c-{\mathrm{\μ}}_g\ln R){\mathrm{dr}}_c$

上式中，t为单孔保压注水时间，φ为孔隙率，k为渗透系数，_pw为注水压力；p_g为煤层初始瓦斯压力，R为保压注水钻孔间距的一半，r_w为钻孔半径，r_c为气液交界面的半径，μ_w为水的粘度系数，μ_g为瓦斯的粘度系数。

根据上述计算公式确定的保压注水钻孔2注水压力和单孔保压注水时间后，对保压注水钻孔2进行注水，注水采用清水。

4、注水完成后，立即对压裂钻孔1实施水力压裂：将压裂钻孔1中预设的压裂管16连接到水力压裂系统，水力压裂系统主要为输水管路10，输水管路10中的连接装置依次为水箱6、乳化泵7、球型截止阀8、第一压力表9、涡轮流量计11、开关阀12和第二压力表13，输水管路10的出水端连接压裂钻孔1中预设的压裂管16的后端。液压泵7与球形截止阀8之间的输水管路与第二管道14的出水端相连，第二管道14中安装有溢流阀15，第二管道14的另一端接入水箱6。

工作时，压力表9和流量计11用于监测压裂过程中的水力压裂参数变化，水力压裂系统的工作过程如下：启动乳化泵7，高压水通过输水管道10依次流经第一压力表9、涡轮流量计11、开关阀12、第二压力表13和压裂管16至压裂管16前端，压裂管16前端煤孔段管壁预设有筛孔，高压水通过筛孔进入煤层17，对煤层17实施压裂。压裂过程中观测第一压力表9及涡轮流量计11，记录压裂压力及流量，当压裂范围达到预期目标，关闭乳化泵7，打开保压注水钻孔2压裂管16后端的开关阀12，待输水管路10的第一压力表9读数为零，拆除压裂钻孔1外第二管道12，压裂完毕。

Claims (6)

1.一种煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)钻进压裂钻孔及保压注水钻孔，压裂钻孔为一个，在压裂钻孔两侧，按照压裂煤层区域范围等间距布置多个保压注水钻孔，钻孔终孔点与压裂钻孔处于同一标高；

(2)对压裂钻孔及保压注水钻孔进行注浆封孔；

(3)按照计算所得的保压孔注水压力和单孔保压注水时间对保压注水钻孔进行注水；

(4)对压裂钻孔进行水力压裂。

2.如权利要求1所述的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其特征在于：步骤(1)中，对保压注水钻孔进行注水时，首先确定保压孔注水压力：

注水压力的取值需遵循大于煤层初始瓦斯压力而小于煤层的起裂压力，即：

p_g＜p_w＜p_b

上式中，p_w为注水压力；p_g为煤层初始瓦斯压力；p_b为煤层的起裂压力。

起裂压力计算如下：

p_b＝3σ_h-σ_H+S_t

上式中，σ_H和σ_h分别为煤层的最大和最小水平主地应力；

σ_H和σ_h的取值根据公式：

σ_H＝6.7+0.0444H(MPa)

σ_h＝0.8+0.0329H(MPa)

上式中，H为深度，单位为米。

3.如权利要求2所述的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其特征在于：步骤(3)中，根据注水压力和煤层初始瓦斯压力计算单孔保压注水时间：

$t=\frac{\mathrm{\φ}}{k(p_w-p_g)}\underset{r_w}{\overset{R}{\∫}}({\mathrm{\μ}}_g-{\mathrm{\μ}}_w){r_c}^2{\mathrm{lnr}}_c({\mathrm{\μ}}_w{\mathrm{lnr}}_c-{\mathrm{\μ}}_{g}lnR){\mathrm{dr}}_c$

上式中，t为单孔保压注水时间，φ为孔隙率，k为渗透系数，p_w为注水压力；p_g为煤层初始瓦斯压力，R为保压注水钻孔间距的一半，r_w为钻孔半径，r_c为气液交界面的半径，μ_w为水的粘度系数，μ_g为瓦斯的粘度系数。

4.如权利要求1-3之任一项所述的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其特征在于：在步骤(4)中，对压裂钻孔进行水力压裂封孔时，将压裂钻孔内预设的压裂管接入水力压裂系统，水力压裂系统主要装置为输水管路，输水管路的出水端连接压裂管的后端。

5.如权利要求4所述的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其特征在于：压裂钻孔中预设的压裂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。

6.如权利要求1-3之任一项所述的煤矿井下压裂裂缝扩展控制方法，其特征在于：步骤(2)中，对压裂钻孔和保压注水钻孔进行注浆封孔，一次注浆养护24小时后，进行二次注浆，二次注浆养护72小时后，再进行第三步骤。