CN110985109A - 一种高压力注水压裂系统及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压力注水压裂系统及操作方法，涉及一种坚硬顶板高压水预裂技术，具体为一种使用高压注水泵向钻孔内煤岩层压入高压水，用高压水冲压孔内煤岩孔壁，以压裂煤体、岩体结构，使煤岩层内产生裂缝或者使原来的闭合裂缝被压开形成新裂缝的技术方法。利用该方法，通过在钻孔中封孔、高压注水压裂等过程，破坏顶板的完整性，以及整体强度，将厚度大、完整岩层分为多层，达到弱化顶板岩层的目的。最终解决煤炭开采过程中遇到的坚硬厚煤岩层采动引起的一系列动力灾害等问题，为进一步在煤矿现场安全生产中冲击地压防治工作提供有利技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于采矿安全技术领域，涉及冲击地压防治技术，具体涉及一种高压力注水压裂系统及操作方法。
背景技术
冲击地压灾害是严重威胁我国矿山安全生产的煤岩动力灾害之一，具有突发性强、过程短暂、破坏力强等特点。利用高压水力预裂技术开展煤层的冲击地压防治工作是当前防冲技术的一个热门方向。但该技术在矿山领域的应用尚处于初步阶段。在采矿安全技术领域，水力压裂技术是防治冲击地压、瓦斯防治等问题的重要技术手段，具有弱化岩体强度、增加煤储层渗透性的作用。其中，该技术应用于冲击地压防治的原理是：利用高压水流冲压煤体，导致煤体起裂形成裂缝，从而弱化煤体强度；同时水流自身也可以软化煤体，达到减小煤层应力集中程度的目的。
近年来，煤矿回采工作面坚硬难垮落顶板、冲击矿压巷道顶板的卸压主要以传统的深孔爆破为主，注水软化和裸孔卸压为辅的方法。但顶板深孔爆破使用的乳化炸药用量大，批量有限，且深孔爆破的实施安全性难保障，注水软化和裸孔卸压的效果又不明显。因此，急需一种工艺技术弥补深孔爆破技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压力注水压裂系统及操作方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明在已打好的巷道顶板钻孔中连续打入高压水，破坏坚硬顶板岩石的完整性，削弱顶板结构及自身强度，起到顶板卸压目的，以便保障回采巷道安全，遏制矿井动力现象及灾害事故的发生，提高高质量矿井建设水平。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高压力注水压裂系统，包括手压泵，手压泵的输出端连接至储能器，储能器依次连接有第一封孔连接公头、第一封孔三通、第二封孔连接公头及第二封孔三通，第一封孔三通通过第一封孔截止阀连接至进水管，第二封孔三通通过封隔导液管连接至设置在煤岩层中的封隔器，且第二封孔三通上设置有第二封孔截止阀；
还包括储水箱，储水箱通过水箱-水泵连接水管连接至高压泵，且储水箱和高压泵之间还设置有水泵自带回水管，高压泵的出口端通过管线依次连接至配套的丝扣-公头、第一压裂三通、公头、第二压裂三通及压裂杆丝扣，压裂杆丝扣通过推拉杆连接至封隔器，第一压裂三通上连接有压力流量监测仪，第二压裂三通上设置有压裂截止阀。
进一步地，所述封隔器为两个，且两个封隔器之间通过压裂杆件连接，压裂杆件上设置有若干压裂出水口。
进一步地，手压泵和高压泵上均连接有压力表。
一种高压力注水压裂系统的操作方法，包括以下步骤：
步骤一、试压阶段：给高压水力压裂系统加压并持续试压检查密封情况，无明显异常发生，完成压裂前准备工作；
步骤二、压前封孔阶段：打开第一封孔截止阀，关闭第二封孔截止阀，然后将封隔器推送至压裂位置，用手压泵给封隔器的胶筒与中心管间隙加压，密封岩孔压裂段；
步骤三、压裂阶段：待封孔后，关闭第一封孔截止阀；然后对压裂孔进行高压注水压裂，具体为打开高压泵使得储水箱中矿井水注入高压泵中，后经高压泵持续注入压裂孔，压裂孔中压裂段形成预裂缝；
步骤四、保压阶段：预裂缝起裂后水压下降，继而进入保压阶段，在这个阶段，裂缝扩展的同时伴随着新裂缝的产生，利用压力流量监测仪监测流量及注入的水量，保证顶板岩层充分弱化和软化，压裂过程中及时观测压裂孔周围顶板出水情况，并及时观测相邻孔出水情况，直至相邻孔出水量增大，进而停泵；
步骤五、停泵排水阶段：压裂后，先打开压裂截止阀进行放水，完成后，进行手压泵卸压，再打开第二封孔截止阀泄压，然后进行退撤推拉杆和封隔器。
进一步地，步骤一中加压到2～5MPa，并持续试压5min。
进一步地，步骤二中用手压泵给封隔器的胶筒与中心管间隙加压至封孔压力为12～16Mpa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明是一种高效的冲击地压矿井煤层顶板卸压、软化，降低冲击危害的方法。该方法将矿井水经高压泵连续注入煤层顶板钻孔内，经顶板钻孔岩壁预裂起缝-裂缝延伸，破坏坚硬顶板岩石的完整性，削弱顶板结构及自身强度，达到顶板卸压目的。该方法所需仪器设备结构简单，操作安全、高效、绿色，为冲击地压矿井防冲工作提供了科学支撑。
2、本发明系统的设计与操作方法遵从煤矿井底冲击地压防治工作的根本性目的，是一种安全、高效、绿色环保的工艺技术。
3、该发明中设计的高压注水压裂系统占地小，尽可能的不影响井下生产工作，设计合理。
4、作为反复验证后的工艺，该技术实施简单，适用于多数矿井煤层顶板卸压、软化，等冲击矿压防治工作。
5、本发明在实验室进行科学压裂效果评估和预测，并在多个冲击地压矿井得到成功应用，有力验证该法在冲积地方防治方面的合理性、高效性及稳定性。
附图说明
图1为封孔工艺示意图；
图2为高压水预裂示意图；
图3为高压水预裂封孔工艺连接示意图；
图4为高压水预裂系统连接示意图。
其中，1—KJ25三通-10+截止阀；2—水箱-水泵连接水管；3—水泵自带回水管；4—变径头+(ZG1寸-19胶管)；5—配套的19丝扣-13公头；6—第一KJ13三通；7—直径13公头；8-第二KJ13三通；9-KJ19-13直通变径； 10—KJ13截止阀；11—13-压裂杆丝扣(配套)；12—2m长直径10mm细管； 13—第一KJ10连接公头；14—第一KJ10三通；15—第二KJ10连接公头；16—第二KJ10三通；17—第一KJ10截止阀；18—第二KJ10截止阀；19—进水管；20—储水箱；21—压力流量监测仪；22—推拉杆；23—封隔器；24 —手压泵；25—储能器；26—封隔导液管；27—高压泵；28—压裂杆件；29 —压裂出水口。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
参阅图1至图4，本发明设计了一种高压力注水压裂系统，该系统是在已打好的巷道顶板钻孔中连续打入高压水，破坏坚硬顶板岩石的完整性，削弱顶板结构及自身强度，起到顶板卸压目的，该系统作为绿色、经济、安全、环保的方法，弥补了深孔爆破、注水软化和裸孔卸压技术的不足。本发明系统具体包括手压泵24，手压泵24的输出端通过2m长直径10mm细管12连接至储能器25，储能器25依次连接有第一封孔连接公头(具体为第一KJ10 连接公头13)、第一封孔三通(具体为第一KJ10三通14)、第二封孔连接公头(具体为第二KJ10连接公头15)及第二封孔三通(具体为第二KJ10三通 16)，第一封孔三通通过第一封孔截止阀(具体为第一KJ10截止阀17)连接至进水管19，第二封孔三通通过封隔导液管26连接至设置在煤岩层中的封隔器23，且第二封孔三通上设置有第二封孔截止阀(第二KJ10截止阀18)，进水管19上设置有KJ25三通-10+截止阀1；
还包括储水箱20，储水箱20通过水箱-水泵连接水管2连接至高压泵27，且储水箱20和高压泵27之间还设置有水泵自带回水管3，高压泵27的出口端安装变径头+(ZG1寸-19胶管)4，胶管依次连接至配套的丝扣-公头(具体为配套的19丝扣-13公头5)、第一压裂三通(具体为第一KJ13三通6)、公头(具体为直径13公头7)、第二压裂三通(具体为第二KJ13三通8)及压裂杆丝扣(具体为13-压裂杆丝扣(配套)11)，压裂杆丝扣通过推拉杆22 连接至封隔器23，第一压裂三通上连接有压力流量监测仪21，第二压裂三通上设置有压裂截止阀；
所述封隔器23为两个，且两个封隔器23之间通过压裂杆件28连接，压裂杆件28上设置有若干压裂出水口29；手压泵24和高压泵27上均连接有压力表。
一种高压力注水压裂系统的操作方法，包括以下步骤：
步骤一、试压阶段：注水压裂系统加压到2～5MPa，并持续试压5min，检查密封情况，无明显异常发生，完成压裂前准备工作；
步骤二、压前封孔阶段：打开第一封孔截止阀，关闭第二封孔截止阀，然后将封隔器23推送至压裂位置，用手压泵24给封隔器23的胶筒与中心管间隙加压，封孔压力为12～16Mpa，密封岩孔压裂段；
步骤三、压裂阶段：待封孔后，关闭第一封孔截止阀；然后对压裂孔进行高压注水压裂，具体为打开高压泵27使得储水箱20中矿井水注入高压泵 27中，后经高压泵27持续注入压裂孔，压裂孔中压裂段形成预裂缝；
步骤四、保压阶段：预裂缝起裂后水压下降，继而进入保压阶段，在这个阶段，裂缝扩展的同时伴随着新裂缝的产生，利用压力流量监测仪21监测流量及注入的水量，保证顶板岩层充分弱化和软化，压裂过程中及时观测压裂孔周围顶板出水情况，并及时观测相邻孔出水情况，直至相邻孔出水量增大，进而停泵；
步骤五、停泵排水阶段：压裂后，先打开压裂截止阀进行放水，完成后，进行手压泵卸压，再打开第二封孔截止阀泄压，然后进行退撤推拉杆22和封隔器23。
下面结合附图1至图4对高压力注水压裂系统及操作方法的具体实施步骤作进一步说明：
一种高压力注水压裂系统及操作方法，该系统是在已打好的巷道顶板钻孔中连续打入高压水，破坏坚硬顶板岩石的完整性，削弱顶板结构及自身强度，起到顶板卸压目的。以便保障回采巷道安全，遏制矿井动力现象及灾害事故的发生，提高高质量矿井建设水平。该系统主要由以下几部分组成：静压水进水管、高压泵、注水管、蓄存压裂介质水和油的储能器、手压泵、高压注水胶管、高压封隔器、压力流量监测仪，矿井水。该水力压裂系统主要包括：封孔、高压水压裂、保压注水、压裂监测等主要工序。例如：某矿为典型的冲积矿压矿井。该煤矿工作面煤层埋深586～800m，煤层厚度 16.0～23.9m，平均煤厚19.95m。401101工作面为矿井401采区布置的首个综放工作面，工作面可采走向长度2090m。该工作面范围内煤层顶板为以砂质泥岩、细粒砂岩、粗砂岩为主的复合型顶板，底板以遇水易膨胀的铝质泥岩为主。该工作面附近构造发育有B2背斜、DF29断层、X1向斜及DF28断层构造贯穿该工作面。工作面底煤均厚约10m，底煤的留设会对冲击地压起到促进作用。工作面回采时，回顺和措施巷间的煤柱将承受极高的集中应力，尤其在断层和褶曲附近，易发生冲击地压。地层最大水平主应力方位角集中在145～171°之间，与工作面顺槽轴向夹角为65～81°。经鉴定，煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性。
因此，对此类具强冲击地压煤层安全生产，进行煤层顶板坚硬岩层弱化、卸压等冲击地压防治研究成了首当其冲要解决的问题。本发明方法在已打好的巷道顶板钻孔中连续打入高压水，破坏坚硬顶板岩石的完整性，削弱顶板结构及自身强度，起到顶板弱化、卸压目的，为实现冲击地压防治及现场煤矿安全生产提供科技支撑。
具体包括以下阶段：
准备阶段。首先检查压裂泵体、各管路、闸阀等连接问题：
一、将手压泵24、储能器25经
高压胶管(即2m长直径10mm 细管12)连接，同时储能器25外接第一KJ10连接公头13，第一KJ10连接公头13连接第一KJ10三通14，其三通连接第一KJ10截止阀17，又与第二 KJ10连接公头15连接，该公头经第二KJ10三通16连接第二KJ截止阀18 与树脂胶管，再连接封隔器23，并通过连杆(压裂杆件28)将第二支封隔器相连。其中，第一KJ10截止阀17又与进水管19相连接。
二、1m3储水箱3连接水管、水泵，并与高压泵27(型号：3ZSB80/62-90，参数为：油泵流量80L/min，额定压力62Mpa，功率90KW，电压660/1140v) 相连，且高压泵设置水泵自带回水管3；高压泵出水口安装变径头，与ZG1 寸-19胶管相连，该胶管与配套的19丝扣-13公头5、KJ19-13直通变径9相连，并于第一KJ13三通6连接，该三通连压力流量监测仪21：采用KJ327-F 水压致裂数据采集仪实时监控压裂过程，实时记录流量和压力变化曲线，可将采集结果传送给计算机进行处理计算，同时该三通连接直径13公头7，该公头与第二KJ13三通8连接；第二KJ13三通8与KJ13截止阀10及13-压裂杆丝扣(配套)11相连；13-压裂杆丝扣(配套)11与推拉杆22(注水管连接处用“O”型圈密封，螺纹扣连接，每根长度为1.5m)相连。
严格按照连接要求将上述一、二项中设备、管路进行连接，并保证连接处密封完好。
试压阶段。管件连接并确认完备无误后进行试压，试压时加压到2～5MPa，并持续试压5min，检查密封情况，无明显异常发生，完成压裂前准备工作。
压前封孔阶段。试验时，先要打开第一KJ10截止阀17，关闭第二KJ10 截止阀18，后将封隔器推送至压裂位置，用手压泵通过高压胶管给封隔器胶筒与中心管间隙加压，封孔压力为12～16MPa，密封岩孔压裂段，不使压裂段高压水外泄，封隔器连杆拉住两只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器与岩孔没有相对位移。
压裂阶段。待封孔后，检查第一KJ10截止阀17是否关闭；对压裂孔进行高压注水压裂，具体为打开高压泵使得储水箱中矿井水注入高压泵中，后经高压泵持续注入压裂孔，开泵后泵注压力缓慢上升，压裂孔中压裂段形成预裂缝。
保压阶段。预裂缝起裂后水压会有所下降，继而进入保压阶段，压力达到40MPa左右。在这个阶段，裂缝扩展的同时伴随着新裂缝的产生，利用流量计监测流量及注入的水量，保证顶板岩层充分弱化和软化，压裂过程中及时观测压裂孔周围顶板出水情况，并及时观测相邻孔出水情况，直至此孔出水量增大，进而停泵。整个压裂过程时间一般不少于30min。
停泵排水阶段。压裂后，先打开KJ13截止阀10进行放水，完成后，进行手压泵卸压，再打开第二KJ10截止阀18卸压，然后进行退撤推拉杆和封隔器。
本发明是一种高效的冲击地压矿井煤层顶板卸压、软化，降低冲击危害的方法。该方法将矿井水经高压泵连续注入煤层顶板钻孔内，经顶板钻孔岩壁预裂起缝-裂缝延伸，破坏坚硬顶板岩石的完整性，削弱顶板结构及自身强度，达到顶板卸压目的。该方法所需仪器设备结构简单，操作安全、高效、绿色，为冲击地压矿井防冲工作提供了科学支撑。所述系统的设计与操作方法遵从煤矿井底冲击地压防治工作的根本性目的，是一种安全、高效、绿色环保的工艺技术。该发明中设计的高压注水压裂系统占地小，尽可能的不影响井下生产工作，设计合理。作为反复验证后的工艺，该技术实施简单，适用于多数矿井煤层顶板卸压、软化，等冲击矿压防治工作。本发明在实验室进行科学压裂效果评估和预测，并在多个冲击地压矿井得到成功应用，有力验证该法在冲积地方防治方面的合理性、高效性及稳定性。
以上所述，仅是本发明取样效果较佳的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种高压力注水压裂系统，其特征在于，包括手压泵(24)，手压泵(24)的输出端连接至储能器(25)，储能器(25)依次连接有第一封孔连接公头、第一封孔三通、第二封孔连接公头及第二封孔三通，第一封孔三通通过第一封孔截止阀连接至进水管(19)，第二封孔三通通过封隔导液管(26)连接至设置在煤岩层中的封隔器(23)，且第二封孔三通上设置有第二封孔截止阀；
还包括储水箱(20)，储水箱(20)通过水箱-水泵连接水管(2)连接至高压泵(27)，且储水箱(20)和高压泵(27)之间还设置有水泵自带回水管(3)，高压泵(27)的出口端通过管线依次连接至配套的丝扣-公头、第一压裂三通、公头、第二压裂三通及压裂杆丝扣，压裂杆丝扣通过推拉杆(22)连接至封隔器(23)，第一压裂三通上连接有压力流量监测仪(21)，第二压裂三通上设置有压裂截止阀。
2.根据权利要求1所述的一种高压力注水压裂系统，其特征在于，所述封隔器(23)为两个，且两个封隔器(23)之间通过压裂杆件(28)连接，压裂杆件(28)上设置有若干压裂出水口(29)。
3.根据权利要求1所述的一种高压力注水压裂系统，其特征在于，手压泵(24)和高压泵(27)上均连接有压力表。
4.一种权利要求1所述的高压力注水压裂系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、试压阶段：给高压水力压裂系统加压并持续试压检查密封情况，无明显异常发生，完成压裂前准备工作；
步骤二、压前封孔阶段：打开第一封孔截止阀，关闭第二封孔截止阀，然后将封隔器(23)推送至压裂位置，用手压泵(24)给封隔器(23)的胶筒与中心管间隙加压，密封岩孔压裂段；
步骤三、压裂阶段：待封孔后，关闭第一封孔截止阀；然后对压裂孔进行高压注水压裂，具体为打开高压泵(27)使得储水箱(20)中矿井水注入高压泵(27)中，后经高压泵(27)持续注入压裂孔，压裂孔中压裂段形成预裂缝；
步骤四、保压阶段：预裂缝起裂后水压下降，继而进入保压阶段，在这个阶段，裂缝扩展的同时伴随着新裂缝的产生，利用压力流量监测仪(21)监测流量及注入的水量，保证顶板岩层充分弱化和软化，压裂过程中及时观测压裂孔周围顶板出水情况，并及时观测相邻孔出水情况，直至相邻孔出水量增大，进而停泵；
步骤五、停泵排水阶段：压裂后，先打开压裂截止阀进行放水，完成后，进行手压泵卸压，再打开第二封孔截止阀泄压，然后进行退撤推拉杆(22)和封隔器(23)。
5.根据权利要求4所述的一种高压力注水压裂系统的操作方法，其特征在于，步骤一中加压到2～5MPa，并持续试压5min。
6.根据权利要求4所述的一种高压力注水压裂系统的操作方法，其特征在于，步骤二中用手压泵(24)给封隔器(23)的胶筒与中心管间隙加压至封孔压力为12～16Mpa。
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