CN110953015A - 一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，该方法首先通过千米钻机由煤层底板岩巷穿过煤层向顶板岩层钻设水平压裂孔，并控制水平压裂孔在距煤层顶界0.5~1米的岩层中；然后，在水平压裂孔段分段向下定向射孔沟通下部目标煤层，并采用水力喷射分段压裂技术对目标煤层进行逐级压裂；水平压裂孔压裂完成后，排液过程中再在目标煤层中钻设排水采气孔，且采用全套管护孔技术，边钻进边下套管护孔；最后，对水平压裂孔和排水采气孔进行封孔、排液，待液位降低后，排水采气孔作为抽采孔抽采瓦斯。本发明可有效克服松软低渗煤层瓦斯抽采钻孔成孔难、压裂增透效果差、压裂液堵塞裂缝等问题，实现对松软低渗煤层的高效瓦斯抽采。

Description

一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法

技术领域

本发明属于煤矿井下瓦斯抽采技术领域，具体是一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法。

背景技术

在煤矿开采中，矿井瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。松软低透气性煤层的瓦斯抽采是制约我国煤矿安全、高效生产的主要因素，也是制约我国煤层气高效开采的主要因素。我国煤层普遍地质赋存条件差、硬度低、瓦斯含量高、透气性低，且随着煤矿开采深度的增加，深部煤层高地应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量、低透气性、煤质松软的特性将更加显著，这就导致深部松软低渗煤层的瓦斯治理和安全高效生产面临巨大的挑战。松软低渗煤层因煤质松软、煤层的透气性也很差，且煤层瓦斯吸附能力高，导致很难从煤层中抽出瓦斯，这一特点给煤层的安全高效开采和煤层瓦斯抽采带来了极大困难。因此，松软低渗煤层的煤层气高效抽采一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈。

目前，矿井瓦斯治理最普遍、最有效的技术手段为煤层瓦斯预抽，通过向煤层中布置大量的瓦斯抽采钻孔，将赋存于煤层中的瓦斯提前抽采出来，以满足煤矿的安全高效开采。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，但对于深部松软低渗煤层，由于煤质松软、透气性极低，想要将瓦斯从煤层中高效抽采出来，必须首先对煤层进行增透，提高其透气性。然而，在松软低渗煤层中钻孔很难成孔，钻孔深度也会受到很大限制，且易出现卡钻、钻孔坍塌堵塞、下套管难等问题，施工风险高。针对上述问题，目前较好的解决办法是在煤层顶板岩层中布置水平长钻孔，然后再定向水力压裂对煤层进行增透，高效抽采煤层瓦斯，但该方法面临压裂液排出困难的问题，煤层压裂后压裂液很难有效从煤层中排出，导致压裂液滞留在煤层裂缝中，使得煤层中的瓦斯不能从裂缝中顺利进入瓦斯抽采钻孔，这就造成虽然对松软低渗煤层进行了水力压裂增透，但由于压裂液不能有效排出堵塞裂缝，大大降低了煤层的增透效果和瓦斯抽采效率。因此，针对目前松软低渗煤层瓦斯抽采钻孔成孔难、压裂增透效果差、压裂液不能有效排出、瓦斯抽采效率低等难题，研发一种可靠、有效的松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法是十分迫切需要的。

发明内容

本发明为了实现对松软低渗煤层的定向分段压裂增透、有效排放压裂液和高效抽放瓦斯，从而有效保障松软低渗煤层的瓦斯抽采效率和矿井的安全高效开采的问题，提供一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法。

本发明采取以下技术方案：一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，包括以下步骤。

S100～在松软低渗煤层底板岩层中开掘底板岩巷，从底板岩巷穿过煤层向顶板岩层钻设水平压裂孔，并控制水平压裂孔在距煤层顶界0.5~1.0米的岩层中。

S200～水平压裂孔钻设完成后，退出钻具，清水冲洗水平压裂孔，然后下入壁厚大于4mm刚性套管至水平压裂孔底部，每2根刚性套管连接一组扶正器，保证刚性套管居中和封固质量。

S300～向水平压裂孔和刚性套管之间的环形空间注入石油G级水泥浆，加入速凝剂，返浆至孔口并侯凝，对水平压裂孔进行水泥浆封堵固孔。

S400～侯凝24h后进行二开钻进，然后进行原钻头通钻孔，用3个钻孔容积以上清水循环冲洗钻孔，钻孔冲洗完成后起出钻具，配合下入完孔工具，试验合格后撤出钻孔设备。

S500～下入水力喷射分段压裂管柱，在水平压裂孔段分段向下定向射孔沟通下部目标煤层，并对目标煤层进行逐级压裂增透。

S600～水平压裂孔压裂完成后，管内泄压，所有封隔器自动解封，完成所有层段的施工；排液过程中再向目标煤层中钻设排水采气孔，一边钻进一边下护孔花管护孔，便于保持排水采气孔畅通及后续的瓦斯抽采。

S700～对水平压裂孔和排水采气孔进行封孔和排液，将压裂后滞留在目标煤层裂缝中的压裂液通过排水采气孔进行排放，防止压裂完成后大量压裂液不能及时从目标煤层裂缝中排出，出现“水压气”的现象，从而大大降低水力压裂对煤层的增透效果；待液位降低后，排水采气孔作为抽采孔抽采瓦斯，增大抽采面积和效率，同时将水平压裂孔内的压裂工具和油管作为抽采管抽采瓦斯。

S800～进行井下瓦斯抽采，在底板岩巷内安装瓦斯抽采管路系统，并将压裂孔瓦斯抽采孔管路接头和排水采气孔瓦斯抽采管路接头连接于瓦斯抽采管路系统中，对松软低渗煤层各抽采孔瓦斯进行负压抽采。

步骤S100中，底板岩巷沿煤层倾向方向，其布置层位为距离目标煤层底板10~15米的底板岩层中；水平压裂孔沿煤层走向方向，与底板岩巷方向垂直，且水平压裂孔的空间层位高于底板岩巷。

步骤S500中，水力喷射分段压裂管柱由前向后依次连接压裂工具串：浮鞋→定位器→扶正器→筛管→坐封球座→导压喷砂器→油管短接→接球座→扶正器→封隔器→水力锚→扶正器→导压喷砂器→油管短接；然后将水力喷射分段压裂管柱与连续管连接，并将水力喷射分段压裂管柱推送至水平压裂孔内预设压裂位置，对目标煤层进行定向水力喷砂射孔，射孔方向朝下部目标煤层，穿透套管、护孔水泥层、岩层与下部目标煤层贯通，接着关闭套管环空，同时提高油管、环空套管压裂液量的注入，压开目标煤层，形成裂缝，并使裂缝扩展延伸。

步骤S500中，对目标煤层进行逐级压裂增透，水力喷射分段压裂技术采用投球滑套实现分级压裂施工，通过投入大小尺寸不同的球实现滑套的逐级开启，逐级实现所有层段的分层压裂；水力喷射分段压裂管柱滑套连接方案为2-7/8"的3m短油管+分层滑套+2-7/8"油管+分层滑套+2-7/8"的3m短油管+滑套组合；分段压裂时，投第1级球，打开第1级滑套，进行第1级压裂；投第2级球，打开第2级分层滑套，实现第2级压裂；依次类推，逐级实现对所有层的分层压裂；其中，分级压裂的级数N需根据水平压裂孔的长度L和每级压裂的具体增透影响范围D来确定，首先通过现场取芯和内窥钻孔孔壁等方法现场确定每级压裂所增透的影响范围D，然后得到级压裂的级数N=L/D。

步骤S600中，排水采气孔位于目标煤层中，与水平压裂孔之间平行交错布置，且排水采气孔的轨迹位于水平压裂孔的轨迹之下，以便水力压裂目标煤层后压裂液能够快速顺利从煤层中排放出来。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过在松软低渗煤层顶板岩层中钻设水平长钻孔，有效解决了松软低渗煤层中瓦斯抽采钻孔成孔难、易卡钻、孔壁易坍塌堵塞钻孔等问题，且可以提高钻孔深度。

2、水力压裂钻孔和排水采气钻孔均在井下施工，与传统的地面井水力压裂技术相比，大大减少了施工量和占地面积，降低了成本。

3、采用定向分段压裂，多点增透煤层，可实现大范围、精准、快速改造煤层透气性，增大煤层压裂范围，显著提高松软低渗煤层瓦斯抽采效率。

4、在水平压裂孔的下部煤层中钻设排水采气孔，可有效解决煤层压裂后压裂液不能有效排出，滞留在煤层裂缝中堵塞瓦斯抽采通道的问题，大大提高水力压裂增透煤层的效果；待煤层中排液完成后，排水采气孔还可作为抽采孔增大抽采面积和效率。

附图说明

图1是本发明松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法的示意图；

图2是本发明松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法的A-A剖面图；

图中：1—松软低渗煤层；2—顶板岩层；3—底板岩层；4—水平压裂孔；5—浮鞋；6—定位器；7—筛管；8—坐封球座；9—接球座；10—封隔器；11—油管短接；12—扶正器；13—水力锚；14—导压喷砂器；15—排水采气孔；16—护孔花管；17—排水采气孔瓦斯抽采管路接头；18—底板岩巷；19—压裂孔瓦斯抽采管路接头。

具体实施方式

下面结合附图1和图2，进一步详细说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，

本发明提供的一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，包含如下步骤：

S100～在松软低渗煤层1底板岩层3中开掘底板岩巷18，利用千米定向钻机从底板岩巷18穿过煤层1向顶板岩层2钻设水平压裂孔4，并采用边界探测技术控制水平压裂孔4在距煤层1顶界0.5~1.0米的顶板岩层2中，钻孔长度为500-1000米。

S200～水平压裂孔4钻设完成后，退出钻具，清水冲洗水平压裂孔4，然后下入壁厚大于4mm无缝耐压钢管至水平压裂孔4底部，每2根套管连接一组扶正器12，保证套管居中和封固质量；

S300～向水平压裂孔4和刚性套管之间的环形空间注入石油G级水泥浆，加入速凝剂，返浆至孔口并侯凝，对水平压裂孔4进行水泥浆封堵固孔；

S400～侯凝24h后进行二开钻进，然后进行原钻头通钻孔，用3个钻孔容积以上清水循环冲洗钻孔，钻孔冲洗完成后起出钻具，配合下入完孔工具，试验合格后撤出钻孔设备；

S500～下入水力喷射分段压裂管柱，在水平压裂孔段分段向下定向射孔沟通下部目标煤层1，并对目标煤层1进行逐级压裂增透；

S600～水平压裂孔4压裂完成后，进行管内泄压，所有封隔器自动解封，完成所有层段的施工；排液过程中再向目标煤层1中钻设排水采气孔15，且采用全套管护孔技术，边钻进边下护孔花管16护孔，便于保持排水采气孔畅通及后续的瓦斯抽采；

S700～对水平压裂孔4和排水采气孔15进行封孔、排液，待液位降低后，排水采气孔15作为抽采孔抽采瓦斯，同时，将水平压裂孔4内的压裂工具和油管作为抽采管抽采瓦斯；

S800～进行井下瓦斯抽采，在底板岩巷18内安装瓦斯抽采管路系统，并将压裂孔瓦斯抽采管路接头19和排水采气孔瓦斯抽采管路接头17连接于瓦斯抽采管路系统中，对松软低渗煤层1各抽采孔瓦斯进行负压抽采。

步骤S100中，底板岩巷18沿煤层倾向方向，其布置层位为距离目标煤层1底板10~15米的底板岩层3中；水平压裂孔4沿煤层走向方向，与底板岩巷18方向垂直，且水平压裂孔4的空间层位高于底板岩巷18。

步骤S500中，水力喷射分段压裂管柱由前向后依次连接压裂工具串：浮鞋5→定位器6→扶正器12→筛管7→坐封球座8→导压喷砂器14→油管短接11→接球座9→扶正器12→封隔器10→水力锚13→扶正器12→导压喷砂器14→油管短接11；然后将水力喷射分段压裂管柱与连续管连接，并将水力喷射分段压裂管柱推送至水平压裂孔4内预设压裂位置，对目标煤层1进行定向水力喷砂射孔，射孔方向朝下部目标煤层1，穿透套管、护孔水泥层、岩层，与下部目标煤层1贯通，接着关闭套管环空，同时提高油管、环空套管压裂液量的注入，压开目标煤层1，形成裂缝，并使裂缝扩展延伸。

步骤S500中，采用投球滑套实现分级压裂施工，通过投入大小尺寸不同的球实现滑套的逐级开启，逐级实现所有层段的分层压裂；水力喷射分段压裂管柱滑套连接方案为2-7/8"的3m短油管+分层滑套+2-7/8"油管+分层滑套+2-7/8"的3m短油管+滑套组合；分段压裂时，投第1级球，打开第1级滑套，进行第1级压裂；投第2级球，打开第2级分层滑套，实现第2级压裂；依次类推，逐级实现对所有层的分层压裂；其中，分级压裂的级数N需根据水平压裂孔的长度L和每级压裂的具体增透影响范围D来确定，首先通过现场取芯和内窥钻孔孔壁等方法现场确定每级压裂所增透的影响范围D，然后得到级压裂的级数N=L/D。

步骤S500中，采用的压裂液为复合压裂液体系：前置液为活性水，携砂液为清洁压裂液，顶替液为活性水；选择兰州石英砂作为支撑剂，支撑剂采用40-70目中细砂和20-40目中砂。

步骤S600中，排水采气孔15位于目标煤层1中，与水平压裂孔4之间平行布置，且排水采气孔15的轨迹位于水平压裂孔4的轨迹之下；排水采气孔15用于解决排水问题，避免目标煤层1压裂完成后，大量压裂液不能及时从目标煤层1裂缝中排出，出现“水压气”的现象，从而大大降低水力压裂对煤层的增透效果；排水采气孔15在排水结束后作为瓦斯抽采钻孔，增大瓦斯抽采面积和抽采效率。

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 (5)

1.一种松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，其特征在于：包括以下步骤，

S100～在松软低渗煤层（1）底板岩层（3）中开掘底板岩巷（18），从底板岩巷（3）穿过煤层向顶板岩层（2）钻设水平压裂孔（4），并控制水平压裂孔（4）在距煤层顶界0.5~1.0米的岩层中；

S200～水平压裂孔（4）钻设完成后，退出钻具，清水冲洗水平压裂孔（4），然后下入壁厚大于4mm刚性套管至水平压裂孔（4）底部，每2根刚性套管连接一组扶正器，保证刚性套管居中和封固质量；

S300～向水平压裂孔（4）和刚性套管之间的环形空间注入石油G级水泥浆，加入速凝剂，返浆至孔口并侯凝，对水平压裂孔（4）进行水泥浆封堵固孔；

S400～侯凝24h后进行二开钻进，然后进行原钻头通钻孔，用3个钻孔容积以上清水循环冲洗钻孔，钻孔冲洗完成后起出钻具，配合下入完孔工具，试验合格后撤出钻孔设备；

S500～下入水力喷射分段压裂管柱，在水平压裂孔（4）段分段向下定向射孔沟通下部目标煤层（1），并对目标煤层（1）进行逐级压裂增透；

S600～水平压裂孔（4）压裂完成后，管内泄压，所有封隔器自动解封，完成所有层段的施工；排液过程中再向目标煤层（1）中钻设排水采气孔（15），一边钻进一边下护孔花管（16）护孔，便于保持排水采气孔畅通及后续的瓦斯抽采；

S700～对水平压裂孔（4）和排水采气孔（15）进行封孔和排液，将压裂后滞留在目标煤层（1）裂缝中的压裂液通过排水采气孔（15）进行排放；待液位降低后，排水采气孔（15）作为抽采孔抽采瓦斯，增大抽采面积和效率，同时将水平压裂孔内的压裂工具和油管作为抽采管抽采瓦斯；

S800～进行井下瓦斯抽采，在底板岩巷（18）内安装瓦斯抽采管路系统，并将压裂孔瓦斯抽采孔管路接头和排水采气孔瓦斯抽采管路接头（19）连接于瓦斯抽采管路系统中，对松软低渗煤层各抽采孔瓦斯进行负压抽采。

2.根据权利要求1所述的松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，其特征在于：所述的步骤S100中，底板岩巷（18）沿煤层倾向方向，其布置层位为距离目标煤层（1）底板10~15米的底板岩层（3）中；水平压裂孔（4）沿煤层走向方向，与底板岩巷（18）方向垂直，且水平压裂孔（4）的空间层位高于底板岩巷（18）。

3.根据权利要求1所述的松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，其特征在于：所述的步骤S500中，水力喷射分段压裂管柱由前向后依次连接压裂工具串：浮鞋（5）→定位器（6）→扶正器（12）→筛管（7）→坐封球座（8）→导压喷砂器（14）→油管短接（11）→接球座（9）→扶正器（12）→封隔器（10）→水力锚（13）→扶正器（12）→导压喷砂器（14）→油管短接（11）；然后将水力喷射分段压裂管柱与连续管连接，并将水力喷射分段压裂管柱推送至水平压裂孔（4）内预设压裂位置，对目标煤层（1）进行定向水力喷砂射孔，射孔方向朝下部目标煤层（1），穿透套管、护孔水泥层、岩层与下部目标煤层（1）贯通，接着关闭套管环空，同时提高油管、环空套管压裂液量的注入，压开目标煤层，形成裂缝，并使裂缝扩展延伸。

4.根据权利要求3所述的松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，其特征在于：所述步骤S500中，水力喷射分段压裂技术采用投球滑套实现分级压裂施工，通过投入大小尺寸不同的球实现滑套的逐级开启，逐级实现所有层段的分层压裂；其中，分级压裂的级数N需根据水平压裂孔的长度L和每级压裂的具体增透影响范围D来确定，首先通过现场取芯和内窥钻孔孔壁等方法现场确定每级压裂所增透的影响范围D，然后得到级压裂的级数N=L/D。

5.根据权利要求1所述的松软低渗煤层长钻孔定向分段压裂高效瓦斯抽采方法，其特征在于：所述的步骤S600中，排水采气孔（15）位于目标煤层（1）中，与水平压裂孔（4）之间平行交错布置，且排水采气孔（15）的轨迹位于水平压裂孔（4）的轨迹之下。

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