CN105443098A - 一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置及方法，其中，方法主要包括1下煤矿井下分段定点压裂装置：在裸孔内下入分段定点压裂装置至预定压裂目的层；2注浆固孔：使用封堵塞封堵孔口环空后，用注浆泵向分段定点压裂装置内注入水泥浆经引鞋、分段定点压裂装置与孔壁环空返至孔口；3压顶替液：向套管内压入胶皮垫和顶替液，待胶皮垫压至逆止阀处碰压后进行保压待凝；4压裂：向套管内注入压裂液，压裂液冲开单向阀构造的水泥弱面后压裂目的层。本发明提供了一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔的装置和方法，解决了现有成孔和分段水力压裂技术步骤复杂工艺繁琐的问题，提高了固孔和分段压裂质量，实现了固孔和分段定点水力压裂一体化。

Description

一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔水力压裂领域，特别涉及一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置及方法。

背景技术

当前，矿井瓦斯治理主要依靠瓦斯抽采技术，而瓦斯抽采的直接手段是施工瓦斯抽采钻孔，通过负压抽出瓦斯。现有的钻孔抽采瓦斯方法主要有1、退钻裸眼瓦斯抽采方法，2、全程护孔的全孔段下放筛管瓦斯抽采，3、防止局部喷孔、塌孔、缩颈的拖动式下套管局部护孔瓦斯抽采方法。

一般而言，当煤层成孔性好、透气性高时退钻裸眼瓦斯抽采方法效果较好，但当地质构造复杂、煤质较软、埋深大、煤层成孔性和透气性差时极易出现孔壁变形或坍塌进而堵塞瓦斯抽采通道的现象，其成孔率和抽采效果往往不够理想。下放筛管抽采瓦斯时易发生煤块堵塞筛孔的现象，影响抽采效果，而且后两种方法水力压裂煤层时需要重新下入压裂管后射孔、压裂，工艺复杂、压力滤失大，煤层缝网改造效果不佳。因此，为保证后期瓦斯抽采通道畅通，改善抽采效果，亟需一种将高质量固孔和点式压裂结合起来的技术方法。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置及方法，提高了固孔质量和压裂效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置，包括一套管，套管外套接套管扶正器，逆止阀固定于套管内近终端，在逆止阀中间开有通孔，在套管终端设置有引鞋；靠近逆止阀处的套管壁上开有出水孔，出水孔中嵌入单向阀，套管外壁在出水孔周围增厚。

进一步的，所述的单向阀为圆台状的实心体，大底面在外，小底面在内，单向阀高度等于出水孔处套管壁厚度且不小于套管与孔壁之间的环形间隙厚度，在预紧力作用下，单向阀恰好嵌入出水孔内。

进一步的，所述的单向阀和出水孔在套管壁同一圆周上共有三对，且相互之间互成120°，在套管轴向上呈螺旋分布。

一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔方法，包括如下步骤：1、下煤矿井下分段定点压裂装置：在裸孔内下入分段定点水力压裂装置至预定压裂目的层；2注浆固孔：使用封堵塞封堵孔口环空后，用注浆泵向分段定点压裂装置内注入水泥浆经引鞋、分段定点压裂装置与孔壁环空返至孔口；3压顶替液：向套管内压入胶皮垫和顶替液，待胶皮垫压至逆止阀处碰压后进行保压待凝；4压裂：向套管内注入压裂液，压裂液冲开单向阀构造的水泥弱面后压裂目的层。

进一步的，对于单一煤层内的钻孔分段定点水力压裂与固孔，出水孔的数目和间距由具体分段压裂段的长度确定；对于多煤层穿层钻孔的分段定点水力压裂与固孔，出水孔的数目和间距由具体的煤层层数和煤层间距确定，最末一个出水孔的位置在逆止阀上游1.5m处。

进一步的，所述的下煤矿井下分段定点压裂装置在裸孔内下入煤矿井下分段定点压裂，使单向阀对准拟压裂目的层；套管上对单向阀所施加的预紧力可由由P＝P₁r²/R²确定，式中：P—单向阀预紧力，P₁—压裂时初始注液压力，r—单向阀小底面半径，R—单向阀大底面半径；在套管壁上用胶带缠绕单向阀防止注浆过程中的单向阀脱落。

进一步的，所述的注浆是用聚氨酯在孔口封堵一段长约5m的封堵塞后通过预埋在套管内的注浆管用注浆泵向套管内注入水泥浆，水泥浆流经逆止阀上的通孔和引鞋后返向孔口直至充满整个套管与孔壁之间的环形间隙，所注水泥浆量充满环形间隙。

进一步的，所述的注顶替液是指向套管内压入胶皮垫和顶替液，待胶皮垫遇到逆止阀发生碰压后立即停止注液并保压至水泥浆凝固，此时顶替液通过胶皮垫将套管内的水泥浆全部压入环形间隙内。

进一步的，所述的压裂是向套管内注入压裂液，随着压力的提高，压裂液将单向阀从套管出水孔中冲开并进入环形间隙内，从而压裂单向阀构造的固化水泥弱面和目的层。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明所注水泥浆渗透于孔壁煤岩体的裂隙和空隙之中，使其内表面粘合胶结，改变煤岩体的不均质性，提高其自身强度和承载能力。水泥浆把套管与钻孔的孔壁紧紧地固结在一起，成为一组全长锚固的柔性长锚杆，有效增加了钻孔周边的煤岩层强度，减少了孔内坍塌事故，极大地提高了成孔率。

利用单向阀周围套管壁的增厚使该部分固化的水泥厚度变薄，自行构造出弱面。压裂时单向阀从孔壁上冲开，压裂液从出水孔中进入环形间隙内，为压裂弱面和煤层提供方便。单向阀在同一圆周上互成120°的设置，可以使压力更加均匀的作用在套管上，而且扩大了压裂的范围。通过调整套管壁上的出水孔和单向阀数目及间距，既可适应单一煤层内钻孔分段定点水力压裂固孔，又可适用于多煤层穿层钻孔的分段定点水力压裂固孔，更好的适应了多元化要求。

与传统的水力压裂相比，本发明的点式压裂将整个钻孔分为数个压裂点，每次将压力集中在几个点上进行压裂，以较小的流量却有效的增大了抽放半径，使煤层的缝网改造有了很大改善，使设备的体积大大减小，降低了对压裂系统的要求，却获得了很好的压裂效果，可以更好地适应井下巷道条件。

附图说明

图1是煤矿井下分段定点压裂装置示意图。

图2是注浆施工前钻孔示意图。

图3是压裂施工后钻孔示意图。

图4是注浆施工前钻孔的A—A剖面图。

图5是压裂施工后钻孔的A—A剖面图。

其中，1—套管，2—套管扶正器，3—单向阀，4——出水孔

5—逆止阀，6—引鞋，7—封堵塞，8—环形间隙9—水泥浆，

10—胶皮垫，11—压裂液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

实施例1：

如图1-3所示，本发明提供一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔的装置，其煤矿井下分段定点压裂装置包括由套管1依次联接的套管扶正器2和逆止阀5，在逆止阀5中间开有通孔，在套管1终端联接有引鞋6，靠近逆止阀5处的套管壁上开有出水孔4，在预紧力作用下，出水孔4大小恰好能嵌入单向阀3。如图4、5所示，在下煤矿井下分段定点压裂装置的套管壁同一圆周上单向阀3和出水孔4共有三对，且相互之间互成120°，在套管1轴向上呈螺旋分布，相邻两个出水孔4相距5m。单向阀3的上底面直径30mm，下底面直径10mm，其高度为10mm，最近一个单向阀3的位置在逆止阀5上游1.5m处。为防止注浆过程中的单向阀脱落，在套管壁上用胶带缠绕单向阀。

在巷道钻场内，打顺煤层抽采钻孔深80m，最大孔径120mm，最小孔径100mm，平均孔径110mm，所用套管内径70mm，壁厚7mm，孔4附近最大壁厚为10mm，套管1管壁上出水孔4及相应的单向阀3共有15对。

钻孔分段定点水力压裂固孔具体步骤是：对单向阀3上底面施加0.9MPa的预紧力，使单向阀3紧紧嵌入套管壁上的出水孔4内。将煤矿井下分段定点压裂装置下入水平裸孔中，使单向阀3对准拟压裂目的层，套管扶正器2使套管1居中。用环形橡胶封堵塞7将孔口简易封堵，用注浆泵通过预埋在套管1内的注浆管向套管1内注入2.1m³密度为1.86g/cm³加有TS早强降失水剂的水泥浆9，注浆压力为2MPa。水泥浆9流经逆止阀5上的通孔和引鞋6后环空返液至孔口直至充满整个套管与孔壁之间的环形间隙8，环空返速为0.5m/s。通过套管1的管口向套管1内压入胶皮垫10和密度为1.3g/cm³的MS顶替液，待胶皮垫10遇到逆止阀5发生碰压后立即停止注液并保压至水泥浆凝固，此时顶替液通过胶皮垫10将套管1内逆止阀5上游的水泥浆9全部压入环形间隙8内。

压裂时向套管1内注入清水加2％kcl、混入细砂直径为0.2～1.2mm、混入量为5％的压裂液11，初始注液压力为8MPa，随着压力的提高，当达到10MPa时，压裂液11将单向阀3从套管壁上的出水孔4中冲开并进入环形间隙内8，当注液压力达到煤层起裂压力14MPa时，压裂液使单向阀3构造的固化水泥弱面和目的层开始出现新的裂隙，保持峰值压力16MPa，新生缝隙不断拓展、沟通原生裂隙，在煤层内形成裂隙发达且均匀分布的“缝网”。大幅度提高目的层的透气性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置，其特征在于，包括一套管，套管外套接套管扶正器，逆止阀固定于套管内近终端，在逆止阀中间开有通孔，在套管终端设置有引鞋；套管壁上开有出水孔，出水孔中嵌入单向阀，套管外壁在出水孔周围增厚。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单向阀为圆台状的实心体，大底面在外，小底面在内，单向阀高度等于出水孔处套管壁厚度且不小于套管与孔壁之间的环形间隙厚度，在预紧力作用下，单向阀恰好嵌入出水孔内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单向阀和出水孔在套管壁同一圆周上共有三对，且相互之间互成120°，在套管轴向上呈螺旋分布。

4.一种煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔方法，包括如下步骤：1、下煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置：在裸孔内下入煤矿井下钻孔分段定点水力压裂固孔装置至预定压裂目的层；2注浆固孔：使用封堵塞封堵孔口环空后，用注浆泵向分段定点压裂装置内注入水泥浆经引鞋、分段定点压裂装置与孔壁环空返至孔口；3压顶替液：向套管内压入胶皮垫和顶替液，待胶皮垫压至逆止阀处碰压后进行保压待凝；4压裂：向套管内注入压裂液，压裂液冲开单向阀构造的水泥弱面后压裂目的层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于单一煤层内的钻孔分段定点水力压裂与固孔，出水孔的数目和间距由具体分段压裂段的长度确定；对于多煤层穿层钻孔的分段定点水力压裂与固孔，出水孔的数目和间距由具体的煤层层数和煤层间距确定，最末一个出水孔的位置在逆止阀上游1.5m处。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，在裸孔内下入煤矿井下分段定点压裂，使单向阀对准拟压裂目的层；套管上对单向阀所施加的预紧力由P＝P₁r²/R²确定，式中：P—单向阀预紧力，P₁—压裂时初始注液压力，r—单向阀小底面半径，R—单向阀大底面半径；在套管壁上用胶带缠绕单向阀防止注浆过程中的单向阀脱落。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2注浆是用聚氨酯在孔口封堵一段封堵塞后，通过预埋在套管内的注浆管用注浆泵向套管内注入水泥浆，水泥浆流经逆止阀上的通孔和引鞋后返向孔口直至充满整个套管与孔壁之间的环形间隙，所注水泥浆量充满环形间隙。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中压顶替液是指等环空体积的水泥浆注入完成后向套管内压入胶皮垫和顶替液，待胶皮垫遇到逆止阀发生碰压后立即停止注液并保压至水泥浆凝固，此时顶替液通过胶皮垫将套管内的水泥浆全部压入环形间隙内，所注水泥浆充满环空。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤4压裂是向套管内注入压裂液，随着压力的提高，压裂液将单向阀从套管出水孔中冲开并进入环形间隙内，从而压裂单向阀构造的固化水泥弱面和目的层。