CN109630085B - 一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤层开采领域，具体为一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，解决了现有技术中高能气体压裂装置产生的高压膨胀流体是同时作用于整个压裂孔的以及水力压裂法容易造成资源浪费的问题。通过本发明所述方法构造的装置可重复使用，不会造成水资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高，通过选取不同规格的破膜片以及计算得出气体压力发生器释放压力的时间和压力的大小能有效控制对不同状况的煤层进行压裂时间可控、压力值大小可调的可控压裂；通过本发明所述的方法能够根据裂隙发育程度对不同煤体结构环境下的煤层进行逐段可控的储层改造，改善了现有煤层压裂工艺。
Description
技术领域
本发明属于煤层开采领域，涉及煤层勘探和开发，具体为一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法。
背景技术
瓦斯是威胁煤矿生产安全的主要因素之一，在煤层开采的生产过程中，压裂及储层改造，是增加煤层的透气性，提高煤层的瓦斯抽采效率的关键技术环节。
我国煤层多数属于裂缝发育的多孔性储层。现有的高能气体压裂装置，通过将多个压裂器级联同时起爆，产生的高压膨胀流体作用于整个压裂孔中，达到压裂煤层的目的。由于煤层构造的复杂性，这一方法对原生多裂隙，多孔隙的预压裂段效果较好，但对原生裂隙发育程度较低的预压裂段进行改造时则会产生压裂裂缝小，裂隙深度浅等情况，造成同一压裂孔内压裂程度均一性较差的问题。而水力压裂法则伴有大量水资源的浪费与压裂液中的化学物质污染地下水层的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决解决现有技术中高能气体压裂装置产生的高压膨胀流体同时作用于整个压裂孔以及水力压裂法容易造成资源浪费的问题，提供了一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，该方法能利用外置的气体压力发生器产生高能脉冲（高压气体）对煤层深孔的裂缝进行压力值可调的位置可选的逐段压裂，每一预压裂段均有效密封，能对煤层深孔起到较好的压裂效果。
本发明解决其技术问题的技术方案是：
一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，该方法包括以下步骤：
①首先在未开采的煤层中钻深孔，对煤层样品进行采集评估，确定预压裂段的段数以及位置，计算出所取煤层构造所需的最小气压压裂值；
②然后构建该方法使用的装置，该装置包括气体压力发生器和压裂管体；所述压裂管体是由端部的筛管和至少一段导气管依次密封连接而成的，所述筛管的自由端封闭，导气管整体与筛管连接的一端密封连接有挡片，所述筛管两端分别套设有第一封隔器和第二封隔器，所述筛管的筛孔开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管侧壁上，所述第一封隔器和第二封隔器均由离导气管从近至远依次排列的固定卡环、弹性密封圈和压环构成，固定卡环与筛管侧壁固定连接，弹性密封圈和压环均套设在筛管侧壁上，两个压环与同一根拉绳连接，所述拉绳的数量至少为一根；
③将压裂管体筛管端朝内置于煤层深孔内，根据煤层深孔的第一预压裂段的位置调整导气管数量，将筛管上的第一封隔器和第二封隔器分别卡在第一预压裂段的首端和末端，弹性密封圈的外缘与煤层深孔的内壁抵紧配合；通过步骤①中得出的最小气压压裂值选取具有相应破膜压力值的破膜片，然后向导气管整体中注入压裂液，用所述破膜片将导气管整体封口；
④通过步骤①中得出的最小气压压裂值计算出气体压力发生器的需要的压力值和释放压力的时间，将气体压力发生器与导气管设有破膜片的一端密封连接，然后将拉绳的自由端均引出至煤层深孔外并收紧固定，气体压力发生器设置在煤层深孔外；使得弹性密封圈在压环的挤压下压缩发生形变，弹性密封圈的内缘挤压筛管的管壁且外缘挤压第一预压裂段的孔壁，开启气体压力发生器，高压气体压破破膜片并推动导气管内部的压裂液冲破挡片进入筛管，压裂液从筛管的筛孔中喷出并进入第一预压裂段的裂缝中；对第一预压裂段进行压裂，同时将压裂液携带的支撑剂颗粒推入第一预压裂段的裂缝与裂隙中，使第一预压裂段的煤层产生较深的裂缝与树状裂隙；
⑤当第一预压裂段压裂完毕后，松开拉绳，调整导气管的数量并重新安装破膜片和挡片，调整筛管的位置将其移至第二预压裂段，重复上述步骤依次完成剩余各预压裂段的改造，即可完成煤层深孔的压裂工作。
本发明所述方法构建的装置中导气管的数目能根据煤层深孔的深度和煤层深孔的预压裂区的深度灵活调整，从而起到了逐段压裂煤层深孔的作用，且对于的原生裂隙发育程度不同的预压裂段采用不同的压裂液，而且能较好的控制压裂液的用量，进而起到了节省资源作用，其中第一封隔器和第二封隔器的固定卡环起到固定弹性密封圈的作用，相应的压环通过拉绳的拉力作用对相应的弹性密封圈起到压迫作用，使第一封隔器和第二封隔器的弹性密封圈受挤压后密封效果更好，使得每一段预压裂段均能有效密封，能保证受高压气体冲击下的压裂液能顺利进入到预压裂区域的裂缝中，且在所述筛管的筛孔开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管侧壁上能保证高压气体不会从第一封隔器和第二封隔器之外的筛管测漏，起到更好的压裂效果，该方法中的装置的结构为可重复使用结构，不易损坏，不会造成水资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高。通过上述方法可根据裂隙发育程度对不同煤体结构环境下的煤层进行可控的储层改造，该方法构思巧妙，操作简单，有效增加裂缝延伸的可能性，本方法使用较少的压裂液就能起到很好的压裂效果，节约资源，节省生产成本，改善了现有煤层压裂工艺。
优选的，所述装置的气体压力发生器包括箱体，所述箱体内底部固定有电加热器，箱体上部设有可封闭式介质注入口，箱体侧壁上设有泄压口，所述泄压口14的底部与箱体11的底部在同一直线上。根据气体压力发生器的具体结构，相应方法中的步骤
优选为，所述导气管用破膜片封口的一端与气体压力发生器的泄压口密封连接，在气体压力发生器的下端支撑有使气体压力发生器和压裂管体保持水平的支撑架；从可封闭式介质注入口将压裂工作介质注入到箱体内部，所述压裂工作介质为加热可气化的无毒气体，所述压裂工作介质的注入量是通过步骤①中的中得出的最小气压压裂值计算出的，然后将可封闭式介质注入口完全封闭，接着开启电加热器，加热后的压裂工作介质受热气化升压。压裂工作介质为加热可气化的无毒气体，环保无污染，而且所述气体压力发生器的造价成本低，操作方便，通过压裂工作介质的用量能控制压裂时间和压力大小。
更优选的，所述箱体侧壁上设有入料口，所述入料口配合有堵头，所述堵头外侧撑有支撑杆，所述支撑杆上连接有旋转手持部，所述支撑杆的另一端螺纹配合有顶杆。根据气体压力发生器的更有选的具体结构，相应方法中的步骤
优选为，步骤
中打开气体压力发生器的堵头将支撑剂颗粒从入料口放入箱体内部，再紧固好堵头，然后将支撑杆和顶杆撑在巷道壁与堵头外侧之间，通过旋转支撑杆上的旋转手持部，调整所述支撑杆和顶杆之间的相对长度，进而抵紧堵头，步骤
中所述筛管的筛孔的孔径大于支撑剂颗粒，即筛孔的孔径保证支撑剂颗粒能穿过。
本发明的有益效果是：本发明所述方法中构建的装置可重复使用，不易损坏，不会造成水资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高，通过选取不同规格的破膜片以及压裂工作介质的注入量能有效控制对不同状况的煤层进行压裂时间可控、压力值大小可调的可控压裂；通过本发明所述的方法能够根据裂隙发育程度对不同煤体结构环境下的煤层进行可控的储层改造，该方法构思巧妙，操作简单，显著增加裂缝长度，本方法使用较少的压裂液就能起到很好的压裂效果，节约资源，节省生产成本，改善了现有煤层压裂工艺。
附图说明
图1为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法中构建的装置的结构示意图。
图2为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法中构建的装置的局部结构示意图。
图中：1-气体压力发生器；2-筛管；3-导气管；4-破膜片；5-挡片；6-筛孔；7-固定卡环；8-弹性密封圈；9-压环；10-拉绳；11-箱体；12-电加热器；13-可封闭式介质注入口；14-泄压口；15-堵头；16-支撑杆；17-旋转手持部；18-顶杆；19-压裂工作介质；20-支撑剂颗粒；21-煤层深孔；22-巷道；23-煤层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参见附图1、附图2，现对本发明提供的本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法进行说明。
一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，该方法包括以下步骤：
②然后构建该方法使用的装置，如图1所示，该装置包括气体压力发生器1和压裂管体；所述压裂管体是由端部的筛管2和至少一段导气管3依次密封连接而成的，所述筛管2的自由端封闭，导气管3整体与筛管2连接的一端密封连接有挡片5，所述筛管2（侧壁的）两端分别套设有第一封隔器和第二封隔器，所述筛管2的筛孔6开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管2侧壁上，所述第一封隔器和第二封隔器均由离导气管3从近至远依次排列的固定卡环7、弹性密封圈8（具体实施中，弹性密封圈8由橡胶制成。橡胶制品受挤压之后容易发生形变又有一定的可塑性，能起到较好的密封作用。）和压环9构成，固定卡环7与筛管2侧壁固定连接，弹性密封圈8和压环9均套设在筛管2侧壁上，两个压环9与同一根拉绳10连接，所述拉绳10的数量至少为一根；
③将压裂管体筛管2端朝内置于煤层深孔21内，根据煤层深孔21的第一预压裂段的位置调整导气管3数量，将筛管2上的第一封隔器和第二封隔器分别卡在第一预压裂段的首端和末端，弹性密封圈8的外缘与煤层深孔21的内壁抵紧配合；通过步骤①中得出的最小气压压裂值选取具有相应破膜压力值的破膜片4，然后向导气管3整体中注入压裂液，用所述破膜片4将导气管3整体封口；
④通过步骤①中得出的最小气压压裂值计算出气体压力发生器1的需要的压力值和释放压力的时间，将气体发生器与导气管3设有破膜片4的一端密封连接，然后将拉绳10的自由端引出至煤层深孔21外并收紧固定（具体实施中，拉绳10先和靠里的压环9连接，然后拉绳10的自由端穿过第一封隔器的弹性密封圈8和固定卡环7后在张紧状态下又与靠外的压环9连接，拉绳10的自由端再穿过第二封隔器的弹性密封圈8和固定卡环7，之后引出至煤层深孔21外，具体如图2所示），气体压力发生器1设置在煤层深孔21外；使得弹性密封圈8在压环9的挤压下压缩发生形变，弹性密封圈8的内缘挤压筛管2的管壁且外缘挤压第一预压裂段的孔壁，开启气体压力发生器1，高压气体压破破膜片4并推动导气管3内部的压裂液冲破挡片5进入筛管2，压裂液从筛管2的筛孔6中喷出并进入第一预压裂段的裂缝中；
⑤当第一预压裂段压裂完毕后，松开拉绳10，调整导气管3的数量并重新安装破膜片3和挡片5，调整筛管2的位置将其移至第二预压裂段，重复上述步骤依次完成剩余各预压裂段的改造，即可完成煤层深孔21的压裂工作。
本发明所述方法构建的装置中导气管3的数目能根据煤层深孔21的深度和煤层深孔21的预压裂区的深度灵活调整，从而起到了逐段压裂煤层深孔21的作用，且对于的原生裂隙发育程度不同的预压裂段采用不同的压裂液，而且能较好的控制压裂液的用量，进而起到了节省资源作用，导气管3中的支撑剂颗粒20能随压裂液进入到预压裂段的裂缝和裂隙中，增加了裂缝延伸的可能性，且能有效防止裂缝回缩。其中第一封隔器和第二封隔器的固定卡环7起到固定相应弹性密封圈8的作用，压环9通过拉绳10的拉力作用对弹性密封圈8起到压迫作用，使第一封隔器和第二封隔器的弹性密封圈8受挤压后密封效果更好，能保证受高压气体冲击下的压裂液能顺利进入到预压裂区域的裂缝中，起到更好的压裂效果，该方法中的装置的结构为可重复使用结构，不易损坏，不会造成水资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高。通过上述方法可根据裂隙发育程度对不同煤体结构环境下的煤层进行可控的储层改造，该方法构思巧妙，操作简单，有效增加裂缝延伸的可能性，本方法使用较少的压裂液就能起到很好的压裂效果，节约资源，节省生产成本，改善了现有煤层压裂工艺。
进一步的，作为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法的具体实施方式，所述装置的气体压力发生器1包括箱体11，所述箱体11内底部固定有电加热器12，箱体11上部设有可封闭式介质注入口12，箱体11侧壁上设有泄压口14，所述泄压口14的底部与箱体11的底部在同一直线上。更进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述箱体11侧壁上设有入料口，所述入料口配合有堵头15，所述堵头15外侧撑有支撑杆16，所述支撑杆16上连接有旋转手持部17，所述支撑杆16的另一端螺纹配合有顶杆18。
进一步的，根据气体压力发生器1的具体结构，相应方法中的步骤④的具体实施方式为，所述导气管3用破膜片4封口的一端与气体压力发生器1的泄压口14密封连接，在气体压力发生器1的下端支撑有使气体压力发生器1和压裂管体保持水平的支撑架；打开气体压力发生器1的堵头15将支撑剂颗粒20从入料口放入箱体11内部，再紧固好堵头15，然后将支撑杆16和顶杆18撑在巷道22壁与堵头15外侧之间，通过旋转支撑杆16上的旋转手持部17，调整所述支撑杆16和顶杆18之间的相对长度，进而抵紧堵头15；步骤
中所述筛管2的筛孔6的孔径大于支撑剂颗粒20，即筛孔6的孔径保证支撑剂颗粒20能穿过。从可封闭式介质注入口12将压裂工作介质19注入到箱体11内部，所述压裂工作介质19为加热可气化的无毒气体，所述压裂工作介质19的注入量是通过步骤①中的中得出的最小气压压裂值计算出的，然后将可封闭式介质注入口12完全封闭，接着开启电加热器12，加热后的压裂工作介质19受热气化升压。所述泄压口14与箱体11的底部在同一直线上能保证气体压力发生器1达到一定的压力时，箱体11内部的支撑剂颗粒20能随着高压气体全部从泄压口14进入冲破破膜片4然后混着压裂液进到预压裂段的裂缝中，增加了裂缝延伸的可能性，且能有效防止裂缝回缩，压裂工作介质19为加热可气化的无毒气体，环保无污染，而且所述气体压力发生器1的造价成本低，操作方便，通过压裂工作介质19的用量能控制压裂时间和压力大小。
进一步的，作为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法的具体实施方式，所述压裂工作介质19为液态二氧化碳，液态氮气或水。所述压裂工作介质19为清洁无污染易挥发的介质，十分环保。
进一步的，作为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法的具体实施方式，步骤③中所述压裂液为水基压裂液或油基压裂液。
进一步的，作为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法的具体实施方式，步骤③中导气管3注入的压裂液中混有支撑剂颗粒20。支撑剂颗粒20能随压裂液进入到预压裂段的裂缝中，增加了裂缝延伸的可能性，且能有效防止裂缝回缩。
进一步的，作为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法的具体实施方式，所述支撑剂颗粒20为石英砂、陶粒、玻璃球、核桃壳或铝球。支撑剂颗粒20在高压气体的冲击下会随着压裂液进入到当前预压裂段的裂缝中，增加了裂缝延伸的可能性。
进一步的，作为本发明所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法的具体实施方式，所述破膜片4和挡片5均通过环形卡扣卡设至导气管3中。且所述破膜片4和挡片5均为厚度可选的金属片。环形卡扣方便安装，既能很好的固定破膜片4和挡片5，而且节省施工时间。破膜片4和挡板太厚不利于被压裂流体冲破，挡板太薄不能起到很好的密封作用，所述破膜片4和挡片5的厚度根据实际工作需求确定。
具体实施中，所述气体压力发生器1与导气管3之间、导气管3与筛管2之间均为螺纹连接。所述拉绳10的数量为两根。螺纹连接既能起到较好的紧固作用，又方便拆卸，在调整预压裂段的位置时方便拆卸导气管3，以调整压裂管体的长度。拉绳10的数目为两根更能保证压环9对弹性密封圈8压力均匀，增强第一封隔器和第二封隔器的密封效果。
通过上述方法可根据裂隙发育程度对不同煤体结构环境下的煤层进行可控的储层改造，该方法构思巧妙，操作简单，增加裂缝延伸的可能性，本方法使用较少的压裂液就能起到很好的压裂效果，节约资源，节省生产成本，改善了现有煤层压裂工艺。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
⑤当第一预压裂段压裂完毕后，松开拉绳（10），调整导气管（3）的数量并重新安装破膜片（4）和挡片（5），调整筛管（2）的位置将其移至第二预压裂段，重复上述步骤依次完成剩余各预压裂段的改造，即可完成煤层深孔（21）的压裂工作。
2.根据权利要求1所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：步骤
所述装置的气体压力发生器（1）包括箱体（11），所述箱体（11）内底部固定有电加热器（12），箱体（11）上部设有可封闭式介质注入口（13），箱体（11）侧壁上设有泄压口（14），所述泄压口（14）的底部与箱体（11）的底部在同一直线上。
3.根据权利要求2所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：步骤
中所述导气管（3）用破膜片（4）封口的一端与气体压力发生器（1）的泄压口（14）密封连接，在气体压力发生器（1）的下端支撑有使气体压力发生器（1）和压裂管体保持水平的支撑架；从可封闭式介质注入口（13）将压裂工作介质（19）注入到箱体（11）内部，所述压裂工作介质（19）的注入量是通过步骤①中的中得出的最小气压压裂值计算出的，然后将可封闭式介质注入口（13）完全封闭，接着开启电加热器（12），加热后的压裂工作介质（19）受热气化升压。
4.根据权利要求2所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：所述箱体（11）侧壁上设有入料口，所述入料口配合有堵头（15），所述堵头（15）外侧撑有支撑杆（16），所述支撑杆（16）上连接有旋转手持部（17），所述支撑杆（16）的另一端螺纹配合有顶杆（18）。
5.根据权利要求4所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：步骤
中打开气体压力发生器（1）的堵头（15）将支撑剂颗粒（20）从入料口放入箱体（11）内部，再紧固好堵头（15），然后将支撑杆（16）和顶杆（18）撑在巷道（22）壁与堵头（15）外侧之间，通过旋转支撑杆（16）上的旋转手持部（17），调整所述支撑杆（16）和顶杆（18）之间的相对长度，进而抵紧堵头（15）；步骤
中所述筛管（2）的筛孔（6）的孔径大于支撑剂颗粒（20），即筛孔（6）的孔径保证支撑剂颗粒（20）能穿过。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：所述压裂工作介质（19）为液态二氧化碳、液态氮气、或水。
7.根据权利要求6所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：步骤
中所述压裂液为水基压裂液或油基压裂液。
8.根据权利要求7所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：步骤
中导气管（3）注入的压裂液中混有支撑剂颗粒（20）。
9.根据权利要求8所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于：所述支撑剂颗粒（20）为石英砂、陶粒、玻璃球、核桃壳或铝球。
10.根据权利要求9所述的一种煤层深孔高能脉冲逐段分步压裂的方法，其特征在于，所述破膜片（4）和挡片（5）分别通过环形卡扣卡设在导气管（3）中。
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