CN111441817A - 煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，根据煤矿井下巷道开挖和回采工作面回采过程中造成的采动压力时空分布规律，确定工作面进风巷和回风巷侧的垂直于回采工作面的预抽采瓦斯钻孔合理位置；再根据工作面前方采动压力时空分布规律和压裂参数设计确定垂直于回采工作面方向的压裂抽采一体化钻孔位置、分组压裂长度和分段压裂间距等技术参数，利用水力喷射压裂技术，对煤层进行后退式分组分段压裂。在压裂效应和采动压力协同耦合作用下，压裂裂缝进一步扩展，实现了大范围区域煤层精准、均匀、全覆盖双重卸压增透效果；利用预抽采瓦斯钻孔和压裂抽采一体化钻孔实现煤层压裂与瓦斯高效安全抽采。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法。
背景技术
随着煤矿采深和开采强度的不断增加，矿井瓦斯灾害日益突出，并制约着煤炭安全生产，严重影响着矿井生产效益。瓦斯灾害防治受到越来越多的重视。同时，煤层瓦斯(煤层气)也是一种高效的清洁能源，理论研究和现场实践表明，在煤炭开采前对煤层瓦斯进行抽采是防治矿井瓦斯灾害的根本性措施；同时，抽采的瓦斯也能够作为清洁能源进行发电、供热等。近十年来，水力压裂技术在煤矿瓦斯动力灾害防治、煤层卸压增透与瓦斯抽采等方面得到了较为广泛的应用，并取得了一些较好的效果。目前最常用的煤层水力压裂技术是底板巷穿层钻孔整段压裂和本煤层钻孔整段压裂技术；该类方法都是向煤层中施工钻孔，对钻孔进行封孔后直接进行整段压裂，并没有进行更为精准的分段压裂。传统的整段压裂技术对实际压裂位置、方向不能准确的控制，裂隙分布不均匀，裂隙影响范围较小，瓦斯抽采率低且难以持续、高效的进行。随着煤矿用千米钻机和煤矿井下压裂泵站等相关技术的发展，一些学者和现场工程师开始在煤矿井下探索长钻孔分段压裂技术，例如中国专利申请CN106907175A公开了一种底板顺层长钻孔分段压裂高效抽放煤巷条带瓦斯及区域消突方法，中国专利申请CN102704905A公开了一种分段水力压裂煤层卸压装置及卸压方法，中国专利CN205063929U公开了一种煤矿井下封压一体化分段水力压裂装置，上述公开的一类煤层或煤岩层分段压裂方法均使用胶囊密封，对封孔和密封施工要求很高且难度很大，很容易发生密封失效导致分段压裂失败。中国专利申请CN103233768A公开了一种井下煤层水平钻孔分段压裂卸压方法，利用单弯螺杆在主水平孔上钻多个分支钻孔，再密封主水平孔，整段憋压压裂，不仅分段压裂设备、管路及封孔器等装置安装工艺流程复杂，而且压裂段数和压裂位置较难控制。中国专利申请CN109236261A公开了一种油气井大排量水力喷射分层压裂管柱及压裂方法，中国专利申请CN102877824A公开了一种水平井水力喷射分段多簇压裂的方法，上述文献介绍了水力喷射压裂技术在油气井下的应用，但油气领域射孔压裂等设备体积较大，工序复杂，成本太高，往往不适用于煤矿井下，致使煤层压裂效果不理想。更为重要的是现有的各类压裂技术都没有考虑与采掘造成的采动压力影响之间的时空关系。巷道开挖和采煤工作面回采过程中，会在巷道围岩和采场空间中形成采动压力，改变原有的原始地应力分布，而采掘引起的采动压力也能够在一定范围和一定程度上起到破碎煤岩体和卸压的作用，水力压裂，特别是超长钻孔的分段压裂应该充分考虑与采动压力的协同作用，共同提高煤岩体的破碎、卸压和增透效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，该方法包括以下步骤：
a.根据矿山采动压力确定受工作面进风巷和回风巷开挖、相邻工作面采动和邻近采空区造成的侧方采动压力P1随距离巷帮的空间分布规律，确定进风巷和回风巷巷道围岩卸压带深度；根据矿山采动压力确定回采工作面前方支承压力P2的时空分布规律；
b.在靠近工作面进风巷和回风巷侧的回采煤层中各钻进一个垂直于回采工作面方向的预抽采瓦斯钻孔，所述预抽采瓦斯钻孔的位置由侧方采动压力P1确定；所述预抽采瓦斯钻孔施工完毕后进行封孔，之后除孔口封孔段外其余孔段全部下入PVC筛管，并将PVC筛管与瓦斯抽采系统连接；
c.在回采煤层中已钻进的两个预抽采瓦斯钻孔之间钻进若干个垂直于回采工作面方向的煤层压裂抽采一体化钻孔，压裂抽采一体化钻孔的数量由回采工作面长度、径向压裂半径Rj确定；所述压裂抽采一体化钻孔施工完毕后进行封孔，之后除孔口封孔段外其余孔段全部下入PVC套管，水力喷射管柱下入PVC套管中，并将水力喷射管柱与压裂系统连接，将水力喷射管柱与PVC套管之间的环空分别与瓦斯抽采系统和环空补液系统连接；
d.开始回采工作面的采煤作业，并在回采工作面向前推进的同时从靠近回采工作面端后退式进行分组分段水力喷射压裂作业，其中第一组分段压裂的位置、每组压裂的长度根据工作面前方支承压力P2时空分布规律确定，分段压裂的间距和每组分段压裂的段数根据轴向压裂半径和每组压裂的长度确定；在第一组分段压裂完成后，暂停水力喷射和压裂作业，待回采工作面推进第一组分段压裂轴向影响距离后，对回采煤层进行第二组分段压裂，如此循环，直至完成整个回采煤层的压裂作业；
e.利用回采煤层中两个所述预抽采瓦斯钻孔在整个分组分段压裂过程中对煤层瓦斯进行不间断连续抽采；在完成前一组分段压裂后且在进行下一组分段压裂之前，切换压裂抽采一体化钻孔孔口环空与瓦斯抽采系统连接，利用水力喷射压裂管柱与PVC套管之间的环空对煤层瓦斯进行抽采，和两个所述预抽采瓦斯钻孔实现联合抽采。
优选的，步骤b中，所述预抽采瓦斯钻孔布置在巷道围岩卸压带以内，即预抽采瓦斯钻孔布置在采动压力P1降低区的边缘，且数值等于原岩地应力后再深入煤层10m的位置处。
优选的，步骤c中，所述压裂抽采一体化钻孔和所述预抽采瓦斯钻孔的间距等于径向压裂半径Rj，相邻两个压裂抽采一体化钻孔之间的间距等于二倍的径向压裂半径Rj，从而保证整个回采工作面的煤层都能够均匀压裂，避免压裂盲区的存在。
优选的，步骤d中，第一组中第一段分段压裂的位置位于超前于支承压力P2开始大于原岩地应力点的一个轴向压裂半径Rz的距离处，分段压裂的间距等于二倍的轴向压裂半径Rz；每组压裂的长度等于支承压力P2大于原岩地应力的长度Lf，再根据轴向压裂半径Rz确定每组压裂中的分段压裂段数N，后退完成每一组的分段压裂作业。
进一步地，在压裂管路末端连接喷射管柱工具串，所述喷射管柱工具串包括由上到下依次连接的安全接头、扶正器、喷枪、单向阀、筛管和导向堵头，所述喷枪设有两个内嵌式喷嘴，喷嘴材质为耐冲蚀硬质合金碳化物，相位角为180°。喷嘴位置即可确定煤层中的压裂位置，喷嘴方向即在煤层中的压裂方向。
进一步地，步骤b中，在所述预抽采瓦斯钻孔的孔口外安装孔口密封底座，所述孔口密封底座与所述瓦斯抽采系统连接。孔口密封底座可以进一步提高钻孔的密封性。
进一步地，步骤c中，在所述压裂抽采一体化钻孔的孔口外安装孔口密封转换底座，所述孔口密封转换底座分别与瓦斯抽采系统、压裂系统、环空补液系统连接。孔口密封转换底座一方面可以进一步提高钻孔的密封性，另一方面实现连接系统的切换。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的煤层钻孔分组分段喷射压裂卸压增透方法和采动压力协同对煤体作用，首先在空间和时间上对压裂抽采一体化钻孔、预抽采瓦斯钻孔合理布局，并合理设置分组分段压裂作业；同时充分利用了工作面前方支承压力的分布特点，在回采工作面推进期间，支承压力随着回采工作面向前移动，对已压裂组段裂缝进一步扩展贯通，极大降低了煤体的强度，对煤体起到双重卸压作用，大大增加了煤体透气性，最终大幅提高煤层瓦斯抽采效率；
(2)在工作面进风巷和回风巷两侧分别布置了垂直于回采工作面且贯穿整个回采工作面煤层的预抽采瓦斯钻孔，预抽采瓦斯钻孔保证了在整个工作面回采期间长时间不间断连续进行瓦斯抽采；此外，预抽采瓦斯钻孔位置由巷道侧方采动压力和巷道围岩卸压带范围共同确定，具体布置在了卸压带边缘往煤体深部以内10m的位置处，即布置在侧方采动压力降低区的边缘且数值等于原岩地应力后再深入煤体10m的位置处，该布置位置与进风巷或回风巷巷道围岩卸压带有10m的安全隔离距离，可以有效防止预抽采瓦斯钻孔在整个抽采瓦斯过程中的由于连通卸压带裂隙造成的漏风问题；此外，由于压裂抽采一体化钻孔与预抽采瓦斯钻孔间距设置为一个径向压裂半径，因此还能够通过预抽采瓦斯钻孔出水量多少对压裂裂缝及压裂影响范围起到监测评价的作用，并能够有效防止过度压裂而压穿巷道煤壁和可能造成的压裂诱发动力现象；
(3)预抽采瓦斯钻孔中下入了PVC筛管，既可以保护预抽采瓦斯长钻孔塌孔、堵孔等，全程保障钻孔通畅；带有筛孔的PVC筛管又能最大程度保证瓦斯流动通道的畅通，保障瓦斯抽采效果；同时PVC材质筛管也不会对煤炭回采或割煤机等造成二次伤害；压裂抽采一体化钻孔中下入了硬度适中的PVC套管，既能够保护煤层钻孔塌孔、堵孔等，又保证了水力喷射作业在不加砂的情况下能够射穿PVC套管，降低了水力喷射压裂工艺的复杂程度；
(4)相对于常规的煤矿井下压裂，结合了水力喷射压裂技术，不需要封隔器，有效提高了压裂的进度与连续性，实现了压裂和抽采的一体化，避免了复杂工序和操作上的隐患，施工具有连续性，节省了时间；
(5)能够对长距离钻孔压裂位置和方向进行精准定位和控制，并充分利用了采动压力和压裂效应的耦合协同作用，实现了大范围区域煤层精准、均匀、全覆盖卸压增透；压裂抽采钻孔具有一孔多用功能，且压裂和抽采作业间转换简单快速；整个煤层钻孔喷射、压裂和抽采技术工艺操作方便、安全可靠，实现了煤矿井下煤层压裂与瓦斯高效安全抽采。
附图说明
图1为本发明压裂位置和预抽瓦斯钻孔与采动压力的空间分布示意图；
图2为本发明第一组分段压裂完成及瓦斯抽采示意图；
图3为本发明预抽瓦斯钻孔孔身及管路结构示意图；
图4为本发明压裂抽采一体化钻孔孔身及管路结构示意图；
图中：1-进风巷；2-回风巷；3-回采工作面；4-预抽采瓦斯钻孔；5-压裂抽采一体化钻孔；6-PVC筛管；7-PVC套管；8-水力喷射管柱；9-侧方采动压力P1；10-支承压力P2；11-瓦斯抽采系统；12-压裂系统；13-环空补液系统；14-聚氨酯座底；15-水泥浆；16-扩孔；17-PVC封孔管；18-筛孔；19-环空；20-孔口密封底座；21-孔口密封转换底座；22-压裂阀门；23-环空补液阀门；24-瓦斯抽采阀门；25-孔口封孔段；Ⅰ-支承压力原岩地应力区；Ⅱ-支承压力增高区；Ⅲ-支承压力降低区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，包括以下步骤：
a.根据矿山采动压力，确定受工作面进风巷1和回风巷2开挖、相邻工作面采动和邻近采空区造成的侧方采动压力P19随距离巷帮的空间分布规律，确定进风巷和回风巷巷道围岩卸压带深度为10m；根据对回采煤层前方支承压裂监测，确定回采工作面3前方的支承压力P210的影响范围为130m，支承压力降低区Ⅲ范围10m，支承压力增高区Ⅱ范围Lf＝120m，之后为支承压力原岩地应力区Ⅰ。
b.如图1，在靠近回采工作面进风巷1和回风巷2侧的回采煤层中各钻进一个垂直于回采工作面3方向的预抽采瓦斯钻孔4；预抽采瓦斯钻孔4的位置是由侧方采动压力P19围岩卸压带范围确定的，即布置在侧方采动压力降低区的边缘且数值等于原岩地应力后再往煤体深入10m位置处，结合巷道卸压带6m深度，预抽采瓦斯钻孔4距离巷道煤壁Ls＝16m。
如图3，预抽采瓦斯钻孔4在施工完毕后，对孔口封孔段25进行扩孔16；孔口封孔段25下入PVC封孔管17，封孔段底部和孔口部分采用聚氨酯座底14封堵，座底封堵完成后，往两聚氨酯座底14中间部分注入水泥浆15进行加固封孔，之后除孔口封孔段25外其余孔段全部下入PVC筛管6。所述PVC筛管6的外表面上开设有筛孔18，带有筛孔18的PVC筛管6能最大程度保证瓦斯流动通道的畅通，保障瓦斯抽采效果。孔口外安装孔口密封底座20，PVC筛管6通过孔口密封底座20与瓦斯抽采系统11连接。
c.在回采煤层上、下两个预抽采瓦斯钻孔4之间钻进若干个垂直于回采工作面方向的煤层压裂抽采一体化钻孔5；一个回采煤层中的压裂抽采一体化钻孔5的数量是由回采工作面3长度、径向压裂半径确定的，即压裂抽采一体化钻孔5和预抽采瓦斯钻孔4的间距等于径向压裂半径，相邻两个压裂抽采一体化钻孔5之间的间距等于二倍的径向压裂半径。回采工作面长232m，根据现场压裂情况设计径向压裂半径Rj＝50m，如图1，可设计两个压裂抽采一体化钻孔5，保证压裂产生的裂缝网络能够均匀分布在整个回采工作面内的煤层中，从而使整个回采工作面内的煤层均匀充分破碎、卸压和增透，避免压裂盲区的存在。
如图4，压裂抽采一体化钻孔5在施工完毕后，对孔口封孔段25进行扩孔16；孔口封孔段25下入PVC封孔管17，封孔段底部和孔口部分采用聚氨酯座底14封堵，座底封堵完成后，往两聚氨酯座底14中间部分注入水泥浆15进行加固封孔；之后除孔口封孔段25外其余孔段全部下入PVC套管7，水力喷射管柱8下入PVC套管7中。孔口外安装孔口密封转换底座21，水力喷射管柱8通过孔口密封转换底座21与压裂系统12连接，水力喷射管柱8与PVC套管7之间的环空19通过孔口密封转换底座21分别与瓦斯抽采系统11和环空补液系统13连接。与瓦斯抽采系统11连接的瓦斯抽采管路上设有瓦斯抽采阀门24，与压裂系统12连接的压裂管路上设有压裂阀门22，与环空补液系统13连接的环空管路上设有环空补液阀门23。
在压裂管路末端连接常规的喷射管柱工具串，所述喷射管柱工具串包括由上到下依次连接的安全接头、扶正器、喷枪、单向阀、筛管和导向堵头，所述喷枪设有两个内嵌式喷嘴，喷嘴材质为耐冲蚀硬质合金碳化物，相位角为180°。喷嘴位置即可确定煤层中的压裂位置，喷嘴方向即在煤层中的压裂方向。
d.开始回采工作面3的采煤作业，并在回采工作面3向前推进的同时从靠近回采工作面端后退式进行分组分段水力喷射压裂作业。
第一组分段压裂的位置、每组压裂的长度根据支承压力P2时空分布规律确定；分段压裂的间距和每组分段压裂的次数根据轴向压裂半径和每组压裂的长度确定。第一组中第一段分段压裂的位置位于超前于支承压力P2开始大于原岩地应力位置一个轴向压裂半径Rz的距离处，分段压裂的间距等于二倍的轴向压裂半径Rz；每组压裂的长度由支承压力P2升高区到原始压力区的距离确定，即每组压裂的长度等于支承压力P2大于原岩地应力的长度。由现场压裂参数设计轴向压裂半径Rz＝15m，应力增高区范围Lf＝120m，设计第一组压裂4段。
分组分段喷射压裂作业全过程要保持压裂阀门22和环空补液阀门23处于打开状态，瓦斯抽采阀门24处于关闭状态，在喷射压裂过程中根据实际情况对环空进行补液补压，完成第一组分段压裂；
第一组压裂完成后，关闭压裂阀门22和环空补液阀门23，同时打开瓦斯抽采阀门24，利用水力喷射管柱8与PVC套管7之间的环空19和回采煤层中两个预抽采瓦斯钻孔4对第一组压裂区域煤层瓦斯进行联合抽采，其中回采煤层两个预抽采瓦斯钻孔4在整个分组分段压裂过程中对煤层瓦斯进行不间断连续抽采。除喷射压裂作业外的其余时间，压裂抽采一体化钻孔5的环空19也能够对煤层瓦斯进行强化抽采，极大地提高煤层瓦斯综合抽采效率。
e.待回采工作面3向前推进到本组分段压裂轴向影响距离后，即回采工作面3向前推Lf＝120m距离后，停止环空19的瓦斯抽采工作，进行下一组后退式分段压裂，如此循环，直至完成整个回采煤层的压裂作业。
每组分段压裂影响范围都在回采工作面前方支承压力P2应力增高区影响范围Lf之内，水压裂缝在采掘造成的支承压力的影响下会进一步扩展，破碎、软化煤体，减低煤体强度，在压裂和采动压力协同作用下，对煤层起到双重卸压增透效果，极大提高煤层瓦斯抽采效率。
Claims (7)
1.一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.根据矿山采动压力确定受工作面进风巷和回风巷开挖、相邻工作面采动和邻近采空区造成的侧方采动压力P1随距离巷帮的空间分布规律，确定进风巷和回风巷巷道围岩卸压带深度；根据矿山采动压力确定回采工作面前方支承压力P2的时空分布规律；
b.在靠近工作面进风巷和回风巷侧的回采煤层中各钻进一个垂直于回采工作面方向的预抽采瓦斯钻孔，所述预抽采瓦斯钻孔的位置由侧方采动压力P1确定；所述预抽采瓦斯钻孔施工完毕后进行封孔，之后除孔口封孔段外其余孔段全部下入PVC筛管，并将PVC筛管与瓦斯抽采系统连接；
c.在回采煤层中已钻进的两个预抽采瓦斯钻孔之间钻进若干个垂直于回采工作面方向的煤层压裂抽采一体化钻孔，所述压裂抽采一体化钻孔的数量由回采工作面长度、径向压裂半径确定；所述压裂抽采一体化钻孔施工完毕后进行封孔，之后除孔口封孔段外其余孔段全部下入PVC套管，水力喷射管柱下入PVC套管中，并将水力喷射管柱与压裂系统连接，将水力喷射管柱与PVC套管之间的环空分别与瓦斯抽采系统和环空补液系统连接；
d.开始回采工作面的采煤作业，并在回采工作面向前推进的同时从靠近回采工作面端后退式进行分组分段水力喷射压裂作业，其中第一组分段压裂的位置、每组压裂的长度根据工作面前方支承压力P2时空分布规律确定，分段压裂的间距和每组分段压裂的段数根据轴向压裂半径和每组压裂的长度确定；在第一组分段压裂完成后，暂停水力喷射和压裂作业，待回采工作面向前推进第一组分段压裂轴向影响距离后，对回采煤层进行第二组分段压裂，如此循环，直至完成整个回采煤层的压裂作业；
e.利用回采煤层中两个所述预抽采瓦斯钻孔在整个分组分段压裂过程中对煤层瓦斯进行不间断连续抽采；在完成前一组分段压裂后且在进行下一组分段压裂之前，切换压裂抽采一体化钻孔孔口环空与瓦斯抽采系统连接，利用水力喷射管柱与PVC套管之间的环空对煤层瓦斯进行抽采，和两个所述预抽采瓦斯钻孔实现联合抽采。
2.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，步骤b中，所述预抽采瓦斯钻孔布置在采动压力P1降低区的边缘，且数值等于原岩地应力后再深入煤层10m的位置处。
3.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，步骤c中，所述压裂抽采一体化钻孔和预抽采瓦斯钻孔的间距等于径向压裂半径，相邻两个压裂抽采一体化钻孔之间的间距等于二倍的径向压裂半径。
4.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，步骤d中，第一组中第一段分段压裂的位置位于超前于支承压力P2开始大于原岩地应力点的一个轴向压裂半径的距离处，分段压裂的间距等于二倍的轴向压裂半径；每组压裂的长度等于支承压力P2大于原岩地应力的长度，再根据轴向压裂半径确定每组压裂中的分段压裂段数，后退完成每一组的分段压裂作业。
5.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，在压裂管路末端连接喷射管柱工具串，所述喷射管柱工具串包括由上到下依次连接的安全接头、扶正器、喷枪、单向阀、筛管和导向堵头，所述喷枪设有两个内嵌式喷嘴，喷嘴材质为耐冲蚀硬质合金碳化物，相位角为180°。
6.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，步骤b中，在所述预抽采瓦斯钻孔的孔口外安装孔口密封底座，所述孔口密封底座与所述瓦斯抽采系统连接。
7.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔喷射压裂与采动压力协同作用强化瓦斯抽采方法，其特征在于，步骤c中，在所述压裂抽采一体化钻孔的孔口外安装孔口密封转换底座，所述孔口密封转换底座分别与瓦斯抽采系统、压裂系统、环空补液系统连接。
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