CN109339855B - 煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法 - Google Patents

煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法 Download PDF

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Abstract

一种煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，包含：步骤一：在煤矿井下从距碎软煤层顶界一定距离的泥岩或砂岩顶板或碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层中施工瓦斯抽采长钻孔；步骤二：下入引鞋和刚性套管；步骤三：对瓦斯抽采长钻孔和刚性套管之间的环形空间进行水泥浆封堵固孔；步骤四：采用连续管拖动封隔器方式进行封隔分段，喷射器进行喷砂射孔，连续管与套管的环空进行压裂；步骤五：起出压裂工具，进行压裂液统一放喷；本发明能克服目前瓦斯抽采钻孔成孔困难、压裂裂缝起裂位置不确定、压裂缝延伸不长、压裂改造效果不好、抽采影响范围小且不均匀、抽采持续时间短等问题，实现瓦斯抽采长钻孔成孔与多级精准分段压裂。

Description

煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法
技术领域
本发明涉及瓦斯治理的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法。
背景技术
在各种煤矿灾害中，瓦斯灾害是我国煤矿安全生产的最大灾害，因此，采煤前必须提前对煤层瓦斯进行预抽采，以保障煤矿安全高效生产。
目前，煤矿井下煤层瓦斯预抽采主要采取穿层钻孔和顺层钻孔等方式，为提高煤储层透气性，采用水力压裂措施，取得了一定效果，但仍存在以下问题：
(1)碎软煤层瓦斯抽采孔钻进成孔困难、钻孔深度浅；在碎软煤层中钻进瓦斯抽采孔易出现塌孔、卡钻等事故，导致成孔难度大，钻孔深度浅，施工风险高，且完钻后孔眼易垮塌；
(2)现行的煤矿井下压裂工艺一般采用裸眼钻孔全孔压裂。受煤矿井下巷道空间的限制，井下压裂设备的排量较小(最大注入排量一般小于1m3/min)，裸眼钻孔全孔压裂压裂液漏失大，裂缝起裂点具有很大的随机性，且易出现多点起裂现象，造成压裂液能量不集中，压裂裂缝扩展延伸不长甚至无法压开煤层，压裂效果不太好。
(3)碎软煤层脆性小甚至呈塑性，其弹性模量低、泊松比高，直接在煤层中进行水力压裂，裂缝扩展困难，很难形成长裂缝，往往形成短宽裂缝，造成泄压影响范围小，影响煤层压裂效果。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，以克服上述缺陷。本发明也适用于碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层进行顺煤层瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，其能克服目前煤矿井下瓦斯预抽采存在的碎软煤层顺煤层瓦斯抽采钻孔成孔困难、裸眼全孔压裂裂缝延伸不长、压裂裂缝位置不确定、抽采影响范围小且不均匀、抽采效果不太好、持续时间短等问题，实现瓦斯抽采长钻孔成孔以及多级精准分段压裂。
为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：在煤矿井下，从距碎软煤层顶界一定距离的泥岩或砂岩顶板或碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层中施工瓦斯抽采长钻孔；
步骤二：对瓦斯抽采长钻孔下入引鞋和刚性套管；
步骤三：对瓦斯抽采长钻孔和刚性套管之间的环形空间进行水泥浆封堵固孔；
步骤四：采用连续管拖动封隔器方式进行封隔分段，喷射器进行喷砂射孔，连续管与套管的环空进行压裂，逐段完成射孔压裂施工；
步骤五：起出压裂工具，进行压裂液统一放喷。
其中：步骤一的瓦斯抽采长钻孔的钻孔位置选择碎软煤层顶板岩层或碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层。
其中：步骤四包括以下步骤：
第一步：在瓦斯抽采长钻孔孔口安装压裂孔口，依次连接压裂工具串，自上而下为：连续管接头+丢手工具+扶正器+喷射器+扶正器+反循环阀+可重复坐封封隔器+锚定装置+接箍定位器+引鞋；
第二步：通过连续管与压裂工具串连接后，送入钻孔中，通过定位器进行精确定位、校深，待压裂工具串送至设计改造位置后，通过外拉-里推管柱实现封隔器坐封，打压进行验封；
第三步：采用喷砂射孔方式对目标段进行射孔，穿透套管、水泥环，沟通钻孔和岩层，射孔施工完成后采用连续管与套管的环空注入的方式对射孔段进行压裂施工；
第四步：封隔器解封，外拉压裂管柱至下一个设计压裂段，重复坐封、验封、射孔、压裂等施工过程，逐段完成全孔段压裂施工。
其中：对于在碎软煤层顶板岩层瓦斯抽采长钻孔中进行压裂，步骤四的喷射器进行喷砂射孔，优选向下定向射孔；对于瓦斯抽采钻孔布置在碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层中时，可以根据钻孔具体位置优选非定向射孔或定向射孔，优选原则是射孔方向应朝向预改造的煤层。
其中：步骤三和步骤四的射孔液和压裂液的介质选择水或者液氮或者超临界二氧化碳。
其中：步骤四的连续管与套管的环空进行压裂过程中加入或不加入支撑剂。
通过上述内容可知，本发明的煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法具有如下效果：
1、选择在碎软煤层顶板泥岩或砂岩中钻孔，避免了在碎软煤层中钻孔易出现塌孔、卡钻等问题，大大提高了钻孔深度、降低了施工风险；
2、采用钻孔与套管环形空间注浆封堵密封方式，确保了钻孔的稳定性，避免了瓦斯抽采过程中塌孔的风险，且为分段压裂工艺的实施提供了条件；
3、采用连续管带底封分段拖动压裂方式，实现了精准定位射孔和定点压裂，分段级数不受限制，且封隔器无需钻除，施工周期短，作业快捷；
4、采用喷砂射孔方式，解决了煤矿井下无法采用射孔弹以聚能爆破方式进行射穿套管和水泥环的问题，且不会产生压实污染带；
5、采用差别式套管强度设计，在设计射孔位置下入强度相对较弱的套管短节，确保喷砂射孔的成功率，提高施工的效率；
6、环空压裂相比连续管压裂施工摩阻小，施工排量大，可实现较大规模的改造；
7、通过碎软煤层顶板瓦斯抽采长钻孔进行压裂，会在煤层中形成远长于在煤层中直接压裂的压裂缝；
8、与现有技术相比，本发明技术提高了煤矿井下瓦斯抽采钻孔的成孔深度和成孔效率；压裂缝起裂位置可控、压裂缝扩展延伸长、压裂改造效果更好，可显著提高钻孔瓦斯抽采量和抽采效率，快速降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，降低瓦斯防治达标时间。同时，一趟管柱完成长钻孔的多级精准分段压裂，施工效率高、成本低。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的煤矿井下煤层顶板瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法的示意图。
图2显示了本发明的煤矿井下碎软煤层的硬分层或硬煤层中瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法的示意图。
图3显示了本发明中定位卡块的示意图。
附图标记：
1-碎软煤层；2-顶板；3-瓦斯抽采长钻孔；4-连续管；5-连续管接头；6-丢手工具；7-扶正器；8-喷射器；9-反循环阀；10-可重复坐封封隔器；11-锚定装置；12-接箍定位器；13-引鞋；14-压裂缝；15-套管；16-套管扶正器；17-套管接箍。
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的煤矿井下煤层顶板瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法。
所述煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法包括以下步骤：
步骤一：在煤矿井下，从距碎软煤层1顶界一定距离的泥岩或砂岩的顶板2中，钻出预设长度的瓦斯抽采长钻孔3；
具体而言，采用煤矿用坑道定向钻机，从底板岩巷或顶板岩巷进行瓦斯抽采长钻孔3的定向施工，瓦斯抽采长钻孔3的水平段位于距碎软煤层1顶界以上0.5m-2m之间的泥岩或砂岩的顶板2中，钻孔长度优选的大于200m，钻孔直径优选96/98/120mm；
除此之外，瓦斯抽采长钻孔3的钻孔位置也优选碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层。
其中，在考虑到在碎软煤层1中直接钻孔易出现塌孔、卡钻等问题，选择在碎软煤层1的泥岩或砂岩顶板2中钻孔，大大提高了钻孔深度、降低了施工风险；采用煤矿用坑道定向钻机进行定向钻进，可实现距碎软煤层1顶界以上0.5m-2m之间的泥岩或砂岩顶板2中钻孔的孔眼轨迹要求。
步骤二：在瓦斯抽采长钻孔3中下入引鞋13和套管15，并且在套管的外壁上预定位置安装套管扶正器16；
采用煤矿用坑道定向钻机在瓦斯抽采长钻孔3中下入设有单向阀的引鞋和套管，并且在套管的外壁上预定位置安装套管扶正器16；
优选的采用差别式套管强度设置，在设计射孔位置下入强度相对较弱的套管短节，利于后面射孔成功，其它位置采用强度较高的套管；
下入套管，起到支撑护孔的作用，且为分段压裂工艺的实施提供了有利条件；套管扶正器有效减少套管柱的偏心现象，保证了之后水泥封孔的质量；差别式套管强度设计，确保喷砂射孔的成功率，提高施工的效率。
步骤三：将瓦斯抽采长钻孔3和刚性的套管之间的环形空间通过水泥浆进行封堵固孔；
采用煤矿用注浆泵，对瓦斯抽采长钻孔3和刚性的套管之间的环形空间带压注入设定体积的水泥浆进行封堵密封，其中，本发明中注入水泥浆的体积计算公式为：
Figure BDA0001881099770000071
其中：V-注入水泥浆的体积，单位为m3；K1-水泥浆附加系数，按各地实际情况，由经验得出，一般取1.05-1.10；Rk-钻孔平均直径，单位为m；Rt-套管直径，单位为m；L-钻孔长度，单位为m；d-套管内径，单位为m；h-水泥塞高度，单位为m。
通过对钻孔与套管环形空间进行了注浆封堵密封，确保了钻孔的稳定性，避免了瓦斯抽采过程中塌孔的风险，且为分段压裂工艺的实施提供了条件。
步骤四：接箍定位器12进行定位、校深，可重复坐封封隔器10进行坐封、试压；
在瓦斯抽采长钻孔3的孔口安装压裂孔口，依次连接压裂工具串，自上而下为：连续管接头5+丢手工具6+扶正器7+喷射器8+扶正器7+反循环阀9+可重复坐封封隔器10+锚定装置11+接箍定位器12+引鞋13；通过连续管4与压裂工具串连接后，送入钻孔最底部，缓慢外拉连续管4，通过接箍定位器12产生的载荷指示变化结合连续管4自带计数器进行精确定位、校深，待压裂工具串送至设计改造位置后(射孔位置应避开套管接箍)，通过外拉-里推管柱实现封隔器坐封，打压进行验封；
其中，引鞋用于引导压裂工具串顺利地下入目的深度；
所述接箍定位器12是一种孔内定位装置，接箍定位器12包含本体，本体内分布着三个相位120度对称设置的定位卡块，各定位卡块布置在本体内的槽内，所述定位卡块的两端通过2个卡块压板进行限位，且定位卡块可以在径向上一定范围内伸缩，通过2个螺钉分别将2个卡块压板固定在本体上，本体与卡块内的圆孔内设置有弹簧，卡块进入套管接箍缝隙时，弹簧呈扩张状态，过套管时，卡块受挤压，弹簧收缩。参见图3，所述接箍定位器12的定位卡块的上端为大倒角101，而下端为小倒角102，采用这种结构，当连续管下入时，接箍定位器12平滑下入到短套管接箍位置以下，当缓慢外拉连续管，接箍定位器12的定位卡块遇到接箍缝隙时，会自动扩张进入到接箍缝隙内，因其上的卡块角度改变了摩擦阻力的方向，要增加大于非接箍处十几倍的摩擦力，才能使定位卡块压缩弹簧收缩变形，使定位卡块从套管接箍17脱出，所述各套管的一端是公扣，可直接车在管体上，一端为带母扣的套管接箍17，从而能将孔内的各套管一根一根连接起来。因此，通过接箍定位器经过套管接箍17时产生载荷指示变化可定位在套管接箍17处，用于确保封隔器和喷射器的工作位置准确；
扶正器使整个压裂工具串处于套管居中的位置，降低了压裂工具串与套管内壁的摩擦阻力；
可重复坐封封隔器10通过外拉-里推管柱方式实现封隔器坐封，封隔效果良好，避免了环空压力串通，压裂液进入已压裂段，影响压裂效果；
锚定装置主要包括活塞、卡瓦和弹簧，活塞上对称分布有对应于卡瓦的斜面，在液压作用下锚活塞向下运动，撑开卡瓦锚定在套管上；
采用了接箍定位器，实现了射孔的精准定位；采用连续管带底部封隔器，实现了分段级数不受限制，且封隔器无需钻除，施工周期短，作业快捷。
步骤五：采用连续管注入携砂液进行喷砂射孔作业；
建立液体循环，采用连续管注入携砂液进行喷砂射孔，穿透套管、水泥环，沟通钻孔和岩层，喷砂射孔完成后，连续管应继续注入一定量的顶替液，将连续管内和环空内的携砂液全部外排干净；
其中射孔液的介质可以选择水或者液氮或者超临界二氧化碳，以射孔液的介质选择水为例，喷砂射孔的施工排量为0.4-0.6m3/min，喷射液体配方：清水+1％KCL+0.05％杀菌剂，射孔磨料选择100目石英砂，砂浓度选择70-100kg/m3；
其中喷射器用于实现射孔作业，其利用伯努利原理，当携砂液流过喷射器的喷嘴，在喷嘴节流作用下，形成高速携砂射流，将液压力转化为动能，射开套管、固井水泥环以及地层。相关实验数据表明，当喷射速度达到142m/s时，具有短时间内射开套管的能力；
对于在碎软煤层顶板瓦斯抽采长钻孔中进行压裂，喷射器优选向下定向射孔；对于瓦斯抽采钻孔布置在煤体结构好的硬煤层或碎软煤层的硬分层中时，喷射器可以根据钻孔具体位置优选非定向射孔或定向射孔，优选原则是射孔方向应朝向预改造的煤层；
采用喷砂射孔方式，解决了煤矿井下无法采用射孔弹以聚能爆破方式进行射穿套管和水泥环的问题，且不会产生压实污染带。
步骤六：通过连续管与套管的环空注入的方式进行压裂施工，当注入压裂液的压力超过地层岩石的破裂压力时，地层将被压开并产生压裂缝14；
从连续管与套管的环空进行压裂，压裂的过程中为了保护连续管，应确保给连续管小排量泵入液体；
进行压裂过程中，可以选择加入或不加入支撑剂，支撑剂优选核桃壳等低密度支撑剂；
压裂液的介质可以选择水或者液氮或者超临界二氧化碳，以压裂液的介质选择水为例，注入排量一般0.6-1m3/min，压裂液配方：清水+1％KCL+0.05％杀菌剂，支撑剂主要考虑20-40目和16-20目，中砂和粗砂的比例在实际压裂中，可根据清水携砂的能力，适当进行调整，平均砂比控制在10％-12％；
由于采用连续管与套管的环空注入的方式进行压裂，相比连续管压裂施工摩阻小，施工排量大，可实现相对较大规模的改造。
步骤七：封隔器解封，外拉压裂管柱至下一个施工井段；
通过外拉-里推连续管实现封隔器的解封，将压裂管柱外拉至下一个压裂段。
当由于磨料或支撑剂的存在影响封隔器解封时，需进行钻孔反洗，具体步骤为：从连续管与套管的环空注入顶替液，通过反循环阀可实现不动管柱清洗井筒，确保封隔器顺利解封；
其中反循环阀为单流阀，流体可从连续管和套管环空进入连续管，不能从连续管进入连续管和套管环空，可实现不动管柱清洗井筒，确保封隔器顺利解封；
在紧急情况下，可通过向连续管内投球加压，剪断丢手工具上的丢手销钉，实现连续管与压裂工具串的分离，确保连续管顺利提出；
本方案中采用了钻孔反洗，对井筒进行清洗，从而有效减小了磨料或支撑剂对封隔器解封影响；紧急情况下可进行液压丢手，确保连续管安全提出；
步骤八：重复步骤四-步骤七的施工过程，依次压裂第二、第三、第四段，直至按设计要求完成全孔压裂。
本发明实现了一趟管柱完成长钻孔的多级精准分段压裂，具有施工效率高、成本低的优点。
步骤九：提出压裂管柱，进行压裂液统一放喷。
完成全孔压裂后，提出压裂管柱，进行压裂液统一放喷。
本发明中采用压裂结束后压裂液统一放喷，节省了作业时间，减小了对储层的扰动影响。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (4)

1.一种煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：在煤矿井下，从距碎软煤层顶界一定距离的泥岩或砂岩顶板或碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层中施工瓦斯抽采长钻孔，钻孔位置选择碎软煤层顶板岩层或碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层；
步骤二：对瓦斯抽采长钻孔下入引鞋和刚性套管；
步骤三：对瓦斯抽采长钻孔和刚性套管之间的环形空间进行水泥浆封堵固孔；
步骤四：采用连续管拖动封隔器方式进行封隔分段，喷射器进行喷砂射孔，连续管与套管的环空进行压裂，逐段完成射孔压裂施工；其中包括以下步骤：
第一步：在瓦斯抽采长钻孔孔口安装压裂孔口，依次连接压裂工具串，自上而下为：连续管接头+丢手工具+扶正器+喷射器+扶正器+反循环阀+可重复坐封封隔器+锚定装置+接箍定位器+引鞋；
第二步：通过连续管与压裂工具串连接后，送入钻孔中，通过定位器进行精确定位、校深，待压裂工具串送至设计改造位置后，通过外拉-里推管柱实现封隔器坐封，打压进行验封；
第三步：采用喷砂射孔方式对目标段进行射孔，穿透套管、水泥环，沟通钻孔和岩层，射孔施工完成后采用连续管与套管的环空注入的方式对射孔段进行压裂施工；
第四步：封隔器解封，外拉压裂管柱至下一个设计压裂段，重复坐封、验封、射孔、压裂的施工过程，逐段完成全孔段压裂施工；
步骤五：起出压裂工具，进行压裂液统一放喷。
2.如权利要求1所述的煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，其特征在于：对于在碎软煤层顶板岩层瓦斯抽采长钻孔中进行压裂，步骤四的喷射器进行喷砂射孔，采用向下定向射孔；对于瓦斯抽采钻孔布置在或碎软煤层的硬分层或煤体结构好的硬煤层中时，根据钻孔具体位置采用非定向射孔或定向射孔，原则是射孔方向应朝向预改造的煤层。
3.如权利要求1所述的煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，其特征在于：步骤三和步骤四的射孔液和压裂液的介质选择水或者液氮或者超临界二氧化碳。
4.如权利要求1所述的煤矿井下瓦斯抽采长钻孔套管内连续管射孔分段压裂方法，其特征在于：步骤四的连续管与套管的环空进行压裂过程中加入或不加入支撑剂。
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