CN111535791B - 碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法 - Google Patents

Abstract

一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，先在煤矿井下形成采区大巷或作业巷道，为施工作业和瓦斯抽采提供场所；其次在煤矿井下沿煤层顶板距离煤层顶界或煤层底板距离煤层底界一定距离施工一组能覆盖一个采区多个工作面的定向长钻孔；之后在地面实施透巷井与井下采区大巷或作业巷道贯通，以便地面压裂管汇和地面井‑井下长钻孔高压连接装置的连接；后利用地面大型压裂装备对煤矿井下长钻孔交替实施分段压裂施工，分段压裂操作主要在井下巷道完成，最后利用煤矿井下瓦斯专用抽采管路进行并网抽采。本发明有效提高煤矿井下碎软低渗煤层储层改造强度和抽采效果，实现煤矿井下区域化无死角低成本的高效瓦斯抽采。

Description

碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，涉及一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法。

背景技术

目前煤矿瓦斯抽采方式主要以地面煤层气开发和井下钻孔负压抽采为主，但碎软低渗高瓦斯突出煤层瓦斯抽采效果差、抽采成本高。以地面煤层气开发为主的煤矿瓦斯抽采方式具有运行成本高、抽采效率低、抽采周期长、占用土地多、受地形限制大等劣势。

以井下钻孔负压抽采为主的煤矿瓦斯抽采方式受井下压裂装备和施工条件的限制，具有压裂泵注排量小、实施加砂难度大、设备搬运困难、煤层增透效果差的缺点，导致瓦斯抽采效果差。

现有技术中公开了一种煤矿井下瓦斯钻孔压裂方法(专利号ZL201010252178.7)，采用地面钻井压裂设备对本煤层中的长钻孔进行全孔压裂，这种抽采的方式存在以下局限性，表现为①碎软煤层钻进易垮塌埋钻，钻孔长度有限；②采用裸眼钻孔全孔压裂，裂缝的起裂和延伸具有随机性，易形成抽采空白区，此外，直接在相对塑性的碎软煤层中压裂，压裂缝扩展延伸不长、改造增产效果不好；因此，技术层面的缺陷限制了这种方式在碎软低渗煤层的应用。现有技术中还公开了一种地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法(专利号CN108661697A)，采用地面压裂设备对本煤层中的长钻孔进行分段压裂，这种联合抽采虽然利用地面压裂设备实现了井下钻孔的分段压裂，但由于水平钻孔布置在煤层中，除钻孔长度、煤层压裂效果受影响外，还存在煤层中下筛管困难及采煤前筛管处理等问题，从技术层面仍无法解决碎软低渗煤层区域瓦斯超前治理的问题。

综上所述，针对碎软低渗煤层，目前地面煤层气开发技术、井下钻孔负压抽采技术和井上下联合抽采方式效果均不理想，都难以实现快速低成本降低碎软低渗煤层气含量和瓦斯压力的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其能有效克服现有技术的缺陷，有效提高碎软低渗煤层瓦斯抽采效率，实现快速低成本降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力的井上下联合压裂区域瓦斯抽采。

为实现上述目的，本发明公开了一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：在煤矿井下形成采区大巷或作业巷道，为施工作业和瓦斯抽采提供场所，

步骤二：在煤矿井下沿煤层顶板或煤层底板施工一组能覆盖一个采区多个工作面的长钻孔，长钻孔优选下套管固孔完井，也可选取裸眼完井或下筛管完井或下套管完井，

步骤三：在地面实施至少1口透巷井与井下采区大巷贯通，以便地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置连接，

步骤四：利用地面大型压裂装备对煤矿井下长钻孔交替进行压裂施工，实现每个孔的分段压裂，分段压裂操作主要在井下巷道完成，

步骤五：利用煤矿井下瓦斯专用抽采管路抽采瓦斯，实现瓦斯抽采孔并网抽采。

其中：所述采区大巷和作业巷道指的是在采区范围内形成的可供钻机作业、地面井-井下长钻孔高压连接装置连接、瓦斯抽采的巷道。其中：所述的在煤矿井下沿煤层顶板或煤层底板施工一组能覆盖一个采区多个工作面的长钻孔指利用地质导向技术将钻孔孔眼轨迹控制在距离煤层顶界或煤层底界相对稳定的距离。

其中：在步骤二中的下套管固孔完井指的是将孔内岩粉冲洗干净，套管前端安装管靴和止浆塞，管箍依次连接好套管，采用机械推送将套管下入预定深度，再进行封孔侯凝固孔作业。

其中：所述的地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置连接指的是地面压裂装备高压出口通过井上高压压裂井口连接，地面井底端与井下长钻孔之间通过高压连接装置连接，形成地面高压流体向煤矿井下长钻孔的输送通道，保障煤矿井下长钻孔分段压裂在井下巷道的安全操作。

其中：套管固井完井长钻孔优选定向水力喷砂射孔环空分段压裂工艺技术，也可选择定向水力喷砂射孔分段压裂工艺技术；对于裸眼完井或下筛管完井或下套管完井的长钻孔优选定向水力喷砂射孔分段压裂工艺技术。

其中：所述对煤矿井下长钻孔交替进行压裂施工，实现每个孔的分段压裂指的是通过改变在采区大巷或作业巷道中提前设置的地面井-井下长钻孔高压连接装置的阀门方向，对每个长钻孔进行交替分段压裂。由此，与现有技术相比，本发明的一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法具有如下效果：

1、煤矿井下长钻孔布置在煤层顶板或煤层底板中，很好的解决碎软煤层钻进易垮塌埋钻、下套管困难、直接在相对塑性的碎软煤层中压裂，压裂缝扩展延伸不长、改造增产效果不好等问题，提高了长钻孔的长度、减少了煤层伤害、降低了施工难点与风险，减少了采煤前煤层筛管(套管)的处理工作量。

2、采用地面压裂装备进行施工，解决了井下压裂装备排量小、实施加砂难度大、设备搬运困难、煤层增透效果差的缺点，可实现低成本、大排量加砂分段压裂改造，实现煤层有效增产改造。

3、采用下套管固井完井方式，可配套优选定向水力喷砂射孔环空分段压裂工艺技术，在分段效果、压裂规模、压裂效果等方面的到了很大的提升。

4、采用工厂化作业的理念和交替施工的方法对井下长钻孔进行分段压裂施工，各孔分段压裂衔接合理，避免了因地层降压、放喷以及压裂管柱拖动等带来的时间等待，大大缩短了压裂施工时间和成本。

5、与地面煤层气开发相比，土地占用、钻进成本、瓦斯抽采成本大大降低。

6、综上可见，本技术方法是煤矿瓦斯抽采技术领域的重要突破，可快速降低碎软低渗煤层瓦斯含量和瓦斯压力，实现煤矿区域化低成本高效瓦斯抽采的目标，解决煤矿“掘-抽-采”失衡的难题。

附图说明

图1为碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采的主视图(长钻孔位于顶板)。

图2为碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采的主视图(长钻孔位于底板)。

图3为碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采的俯视图(长钻孔位于顶板)。

附图标记：

1-作业巷道；2-瓦斯抽采管路；3-巷道内高压管汇；3-1-巷道内高压管线；3-2-巷道内耐压阀门；4-地面井井底压裂井口；5-长钻孔压裂井口；6-煤层；7-煤层顶板；8-煤层底板；9-井下长钻孔；10-地面透巷井。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法可包含如下步骤：

步骤一：确定瓦斯抽采目标区，形成采区大巷和作业巷道1，且能够满足长钻孔9钻井作业和压裂施工作业的要求。

具体而言，为满足长钻孔9钻井作业和压裂施工作业的要求，作业巷道一般应满足宽度5m，高度4m。

步骤二：施工多组煤层顶板或底板长钻孔9，覆盖整个瓦斯抽采区域。

具体而言，钻孔钻进采用精确地质导向技术控制孔眼轨迹在煤层顶界或底界相对稳定的距离，便于后期定向射孔沟通钻孔与地层进行压裂，优选长钻孔孔眼轨迹距离煤层0.2m-2.0m。

具体而言，在长钻孔随钻地质导向中应用边界探测技术，通过测量周围一定范围的煤、岩层的电阻率和自然伽马等参数，根据煤层与其顶板岩石电阻率和自然伽马差异明显的特点，实时探测孔眼轨迹与煤层的距离，以保证将孔眼轨迹控制在垂直距离煤层一定范围内。

具体而言，长钻孔优选下套管固孔完井，也可选取裸眼完井或下筛管(套管)完井。其中下套管固孔完井是将孔内岩粉冲洗干净，套管前端安装管靴和止浆塞，管箍依次连接套管，采用机械推送将套管下入预定深度，后进行封孔侯凝固孔作业。

步骤三：施工地面透巷井。

具体而言，在地面实施1口或多口地面井10精确对接作业巷道预设靶区，完成下套管固井作业。

具体而言，地面透巷井根据地面地形和施工条件，具体设计垂直井或定向井。

具体而言，根据采区多个工作面的大小，结合地面压裂设备的施工能力，设计1口或多口地面透巷井。

具体而言，对于地层情况较好，无含水层等复杂情况时，一般采用二开井身结构，一开采用Φ311.1mm钻头钻至基岩以下20m，下Φ244.5mm的表层套管，固井水泥浆返至地面；二开采用Φ215.9mm钻头与巷道贯通，下入Φ139.7mm的技术套管。对于地层情况复杂，巷道以上含有含水层等情况时，一般采用三开井身结构，一开采用Φ444.5mm钻头钻至基岩以下20m，下Φ339.7mm的表层套管，固井水泥浆返至地面；二开采用Φ311.1mm钻头钻至巷道以上5-10m，下入Φ244.5mm技术套管封隔含水层；三开采用Φ215.9mm钻头钻穿巷道，下入Φ139.7mm的技术套管。

步骤四：连接地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置。

具体而言，地面压裂装备高压出口通过井上高压压裂井口连接，地面井底端与井下长钻孔之间通过高压连接装置连接(包含地面井井底压裂井口4、长钻孔压裂井口5、巷道内高压管汇3等)，形成地面高压流体向煤矿井下长钻孔的输送通道，保障煤矿井下长钻孔分段压裂在井下巷道的安全操作。

步骤五：采用交替施工的方法对井下长钻孔进行分段压裂施工。

具体而言，通过改变在采区大巷或作业巷道中提前设置的地面井-井下长钻孔高压连接装置的阀门方向，对每个长钻孔进行交替分段压裂施工。具体步骤如下：

(1)依次施工井下长钻孔第一段的压裂。

按照压裂方案设计，井下长钻孔由内向外依次进行分段压裂施工(第一段、第二段……第n段)。首先打开地面压裂井口、地面井井底压裂井口4和控制计划施工长钻孔的巷道内耐压阀门3-2，关闭长钻孔压裂井口5，开启地面压裂设备进行管线试验，试压40MPa，试压时间不少于5min，地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置无刺漏，压力无明显降落，试压合格；然后打开长钻孔压裂井口5进行加砂压裂施工，加砂压裂施工一般包含注入前置液、注入混砂液和注入顶替液，第一个长钻孔第一段的压裂施工结束后，关闭地面压裂井口、控制该长钻孔的巷道内耐压阀门3-2和长钻孔压裂井口5进行地层压力的自然下降，再打开巷道内高压管汇3中的控制通向下一个长钻孔的巷道内耐压阀门3-2和下一个长钻孔压裂井口5，实现压裂通道的连接，开展第二个长钻孔的第一段的压裂，之后按相同的方法陆续开展之后长钻孔的第一段的压裂。

(2)已压裂钻孔的自然降压、放喷及上提压裂管柱作业。

在压裂期间，观测已压裂钻孔的自然降压情况，在满足防喷要求后，打开长钻孔压裂井口5的防喷阀门进行放喷，直到孔口压裂显示为0，然后采用井下坑道钻机上提压裂管柱到下一压裂位置。

(3)依次施工井下长钻孔第二段、第三段、第四段，直至按设计要求完成全孔分段压裂。

长钻孔压裂分段的设置和间距主要考虑煤层体积改造范围、裂缝应力干扰及施工安全等因素，优选压裂分段间距为50-80m。

井下长钻孔的第一段的压裂施工完成时，已压裂钻孔的自然降压、放喷及上提压裂管柱作业也会陆续完成，正好形成时间上的衔接，此时，重复步骤(1)-步骤(2)的施工过程，依次施工井下长钻孔第二段的压裂，以此类推，依次完成第三段、第四段，直至按设计要求完成的全孔分段压裂。

具体而言，对于套管固井完井长钻孔优选定向水力喷砂射孔环空分段压裂工艺技术，也可选择定向水力喷砂射孔分段压裂技术；对于裸眼完井或下筛管(套管)完井的长钻孔优选定向水力喷砂射孔分段压裂技术。射孔段的选取原则：以压裂缝在孔眼方向的影响直径为选取长度，依次均匀布置射孔段进行射孔，实现煤层区域化整体改造的目标。

具体而言，水力喷砂射孔环空分段压裂技术利用伯努利原理，利用水力喷射喷嘴的节流效应将高压射孔液转化为高速射孔液冲蚀和切割套管、固孔水泥环和地层，实现射孔，然后通过油套环空加砂压裂。施工过程主要包括：(1)将喷砂射孔工具下至设计位置；(2)上提下放管柱坐封封隔器；(3)通过在管柱内注入含磨料的携砂液，进行喷砂射孔射穿套管，沟通孔眼和地层；(4)注顶替液；(5)按设计进行油套环空加砂压裂施工；(6)解封封隔器，上提管柱至下一个施工段。

具体而言，定向水力喷砂射孔分段压裂技术是集定向射孔、压裂、隔离一体化新型增产措施。施工过程主要包括：(1)将喷砂射孔工具下至设计位置；(2)通过在管柱内注入含磨料的携砂液，携砂液通过喷射工具,完成水力射孔；(3)进行油管压裂，环空补液，利用喷射流体增压和环空压力的叠加超过地层破裂压力,将射孔通道顶端的地层压开。

喷砂射孔液体采用清水，以不小于1m³/min排量注入携砂液，射孔磨料选择40-70目石英砂，石英砂的砂比为5％-8％。

具体而言，对于多口地面井的情况，在完成1口地面井控制的煤矿井下长钻孔分段压裂后，再通过陆续通过其它地面井完成其它煤矿井下长钻孔分段压裂施工。

步骤六：利用煤矿井下瓦斯专用抽采管路进行并网抽采。

具体而言，利用煤矿井下瓦斯专用抽采管路2对每个长钻孔9进行瓦斯负压抽采，并将每个长钻孔9抽采出来的瓦斯集中输送到煤矿井下专用瓦斯抽采主管路中，实现瓦斯抽采孔并网抽采。

最后应说明的是：显然，上述实施过程仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：在煤矿井下形成采区大巷或作业巷道，为施工作业和瓦斯抽采提供场所，

步骤二：在煤矿井下沿煤层顶板或煤层底板施工一组能覆盖一个采区多个工作面的长钻孔，长钻孔下套管固孔完井，在长钻孔随钻地质导向中应用边界探测技术，通过测量周围一定范围的煤、岩层的电阻率和自然伽马参数，根据煤层与其顶板岩石电阻率和自然伽马差异明显的特点，实时探测孔眼轨迹与煤层的距离，以保证将孔眼轨迹控制在垂直距离煤层一定范围内；

步骤三：在地面实施至少1口透巷井与井下采区大巷或作业巷道贯通，以便地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置连接，对于地层情况较好，无含水层时，采用二开井身结构，一开采用Φ311.1mm钻头钻至基岩以下20m，下Φ244.5mm的表层套管，固井水泥浆返至地面；二开采用Φ215.9mm钻头与巷道贯通，下入Φ139.7mm的技术套管；对于地层情况复杂，巷道以上含有含水层时，采用三开井身结构，一开采用Φ444.5mm钻头钻至基岩以下20m，下Φ339.7mm的表层套管，固井水泥浆返至地面；二开采用Φ311.1mm钻头钻至巷道以上5-10m，下入Φ244.5mm技术套管封隔含水层；三开采用Φ215.9mm钻头钻穿巷道，下入Φ139.7mm的技术套管；

步骤四：利用地面大型压裂装备对煤矿井下长钻孔交替进行压裂施工，实现每个孔的分段压裂，分段压裂操作主要在井下巷道完成，其中包含如下步骤：

(1)依次施工井下长钻孔第一段的压裂，首先打开地面压裂井口、地面井井底压裂井口和控制计划施工长钻孔的巷道内耐压阀门，关闭长钻孔压裂井口，开启地面压裂设备进行管线试验，试压40MPa，试压时间不少于5min，地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置无刺漏，压力无明显降落，试压合格；然后打开长钻孔压裂井口进行加砂压裂施工，第一个长钻孔第一段的压裂施工结束后，关闭地面压裂井口、控制该长钻孔的巷道内耐压阀门和长钻孔压裂井口进行地层压力的自然下降，再打开巷道内高压管汇中的控制通向下一个长钻孔的巷道内耐压阀门和下一个长钻孔压裂井口，实现压裂通道的连接，开展第二个长钻孔的第一段的压裂；

(2)在压裂期间，观测已压裂钻孔的自然降压情况，在满足防喷要求后，打开长钻孔压裂井口的防喷阀门进行放喷，直到孔口压裂显示为0，然后采用井下坑道钻机上提压裂管柱到下一压裂位置；

(3)依次施工井下长钻孔第二段、第三段、第四段，直至按设计要求完成全孔分段压裂；

步骤五：利用煤矿井下瓦斯专用抽采管路抽采瓦斯，实现瓦斯抽采孔并网抽采。

2.根据权利要求1所述的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于：所述采区大巷和作业巷道指的是在采区范围内形成的可供钻机作业、地面井-井下长钻孔高压连接装置连接、瓦斯抽采的巷道。

3.根据权利要求1所述的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于：所述的在煤矿井下沿煤层顶板或煤层底板施工一组能覆盖一个采区多个工作面的长钻孔指利用地质导向技术将钻孔孔眼轨迹控制在距离煤层顶界或煤层底界相对稳定的距离。

4.根据权利要求1所述的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于：在步骤二中的下套管固孔完井指的是将孔内岩粉冲洗干净，套管前端安装管靴和止浆塞，管箍依次连接好套管，采用机械推送将套管下入预定深度，再进行封孔侯凝固孔作业。

5.根据权利要求1所述的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于：所述的地面压裂管汇和地面井-井下长钻孔高压连接装置连接指的是地面压裂装备高压出口通过井上高压压裂井口连接，地面井底端与井下长钻孔之间通过高压连接装置连接，形成地面高压流体向煤矿井下长钻孔的输送通道，保障煤矿井下长钻孔分段压裂在井下巷道的安全操作。

6.根据权利要求1所述的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于：套管固井完井长钻孔定向水力喷砂射孔环空分段压裂工艺技术，或者定向水力喷砂射孔分段压裂工艺技术；对于裸眼完井或下筛管完井或下套管完井的长钻孔定向水力喷砂射孔分段压裂工艺技术。

7.根据权利要求1所述的碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法，其特征在于：所述对煤矿井下长钻孔交替进行压裂施工，实现每个孔的分段压裂指的是通过改变在采区大巷或作业巷道中提前设置的地面井-井下长钻孔高压连接装置的阀门方向，对每个长钻孔进行交替分段压裂。

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