CN112127864A - 一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于瓦斯治理领域，涉及一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，该方法通过将压裂专用井布置在立井设计位置的最大水平主应力方向上，根据不同煤层条件设计出合适的起裂压力和压入水量，并分段进行各煤层水力压裂，压裂后连接负压进行瓦斯抽采。该方法利用地应力影响裂缝起裂和扩展的原理将压裂专用井布置在合适位置，压裂裂缝有效覆盖揭煤区域，增加该区域煤层透气性。压裂后还可利用该压裂井进行瓦斯抽采，有效降低揭煤区域突出危险性。水力压裂的实施超前于立井的施工且有足够的瓦斯抽采时间，可快速提升立井掘进效率。

Description

一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法

技术领域

本发明属于瓦斯治理领域，涉及一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法。

背景技术

新建煤矿开拓井筒过程中，主、副井筒采用立井布置是一种常见的布置方法。我国煤层储层条件差，瓦斯含量高，瓦斯压力大，煤质松软，因此在立井开拓过程中揭开和穿过原始煤层时容易导致煤与瓦斯突出事故的发生。当预揭穿煤层被预测为具有突出危险性时，必须采取相应的防突措施，即布置相应的瓦斯抽采钻孔抽采原始煤层瓦斯，降低瓦斯含量和压力到规定值以下，但因我国煤层赋存条件如煤质松软、煤层透气性差等，导致瓦斯抽采时间长、瓦斯抽采效果不好，因此必须选择可靠的煤层增透措施增加煤层透气性。

近年来水力压裂技术在煤矿中的应用效果较好，水力压裂技术能在煤层实现大范围的煤层增透，有利于瓦斯抽采，但在建井期间的立井揭穿多层原始煤层时仍然缺乏有效的多煤层高效水力压裂技术。常规方法是在即将见煤时施工水力压裂钻孔，水力压裂增透后施工瓦斯抽采钻孔，待瓦斯含量与瓦斯压力降低后再继续掘进直到揭开该煤层，以此往复，直至揭开所有煤层。立井多煤层揭煤过程中采用常规水力压裂方法实施周期长，实施过程复杂，影响立井开拓速度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，提高了立井多煤层揭煤过程的增透效率及增透效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，包含以下步骤：

步骤1，确定立井井筒施工位置，获取该区域最大水平主应力方向，在最大水平主应力方向上设计水力压裂专用井；

步骤2，垂直向下施工水力压裂专用井，记录所穿越煤层底板埋深与煤层厚度，直至深度超出最深煤层底板30m以上，退出钻井施工工具，更换钻头扩井并安装套管加固；

步骤3，通过下列算式计算各煤层的起裂压力P_x与注入水量Q_x：

Q_x＝πlm_x ²

P_x＝3600gh_x

式中：g为重力加速度，x为煤层数，h_x为第x煤层的底板埋深，π为圆周率，l为水力压裂专用井与立井井筒距离，m_x为第x煤层的厚度，计算结果取整数；

步骤4，提供一种水力压裂装置，包括第二封隔器、筛管、第一封隔器，压裂管柱，高压管路转换接头，高压管路以及水力压裂泵组，按从下到上的顺序先后连接并下放第二封隔器、筛管、第一封隔器以及压裂管柱，使筛管处于最深煤层的位置，通过井口固定装置将压裂管柱抱死，同时将井口固定装置与地面固定；

步骤5，压裂管柱连接高压管路转换接头，高压管路转换接头连接高压管路，高压管路连接水力压裂泵组；

步骤6，启动水力压裂泵组开始水力压裂，调压至设计起裂压力P_x，保持该压力直至设计注入水量Q_x后停止水力压裂泵组，完成最深煤层的水力压裂；

步骤7，松开井口固定装置对压裂管柱的固定，提升井内工具串使筛管处于上一层煤的位置后使井口固定装置固定压裂管柱，按照该层煤的设计的压力与注入水量进行水力压裂，以此往复直至所有煤层完成的水力压裂后退出压裂管柱、第二封隔器、筛管以及第一封隔器。

可选的，筛管长度大于任一煤层厚度。

可选的，在步骤2中，套管内径大于扩井前水力压裂专用井直径。

可选的，步骤1中的水力压裂专用井与立井井筒直线距离30～40m，直径100～200mm。

可选的，步骤3中的第x煤层的底板埋深以及第x煤层的厚度的数据均可在钻井过程中测量得出。

可选的，在步骤2中，对井口50m深度范围扩井并安装套管加固，其余段无需安装套管。

本发明的有益效果在于：本发明一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，在施工立井前布置水力压裂专用井，该水力压裂专用井位置与设计立井的连线在最大水平主应力方向上。利用地应力对水力压裂裂缝扩展方向的影响，采用分段水力压裂技术，逐级上升分段对各煤层进行水力压裂，裂缝扩展区能覆盖立井设计揭煤区域，增加该区域透气性。水力压裂专用井在所有煤层压裂完成后将井口密封建立抽采系统即可抽采煤层瓦斯。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的水力压裂专用井与立井井筒位置关系平面示意图；

图2为本发明的水力压裂方法剖面示意图。

附图标记：立井井筒1、第一煤层2、第二煤层3、第三煤层4、第四煤层5、第五煤层6、水力压裂泵组7、高压管路8、高压管路转换接头9、井口固定装置10、水力压裂专用井11、压裂管柱12、第一封隔器13、筛管14、第二封隔器15。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，假设某煤矿设计立井井筒1位置已确定，将要揭开5层煤，从浅至深将其命名为第一煤层2、第二煤层3、第三煤层4、第四煤层5、第五煤层6，且各煤层煤与瓦斯突出危险性较高，煤层透气性差，已实测最大主应力方向为北偏东35°。

则一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，包含以下步骤：

步骤1，在设计立井井筒1南偏西35°方向上，距设计立井井筒1中心直线距离35m处施工直径为200mm的水力压裂专用井11，假定施工过程记录了第一煤层2～第五煤层6的底板埋深分别为182m、248m、366m、550m、712m，煤厚分别为1.8m、3.6m、4m、2.2m、2.8m，施工至745m后停止并退出钻井施工工具，该深度已超出第五煤层底板33m，满足超出最深煤层底板30m的要求；

步骤2，更换钻头对井口50m深度范围扩井安装套管加固，所用套管内径大于扩井前水力压裂专用井11直径，其余段无需安装套管，该深度范围内安装套管有助于防止井口软弱层坍塌掩埋压裂工具串；

步骤3，通过下列算式计算各煤层的起裂压力P_x与注入水量Q_x：

P_x＝3600gh_x

Q_x＝πln_x ²

式中：g为重力加速度，x为煤层数，h_x为第x煤层底板埋深，π为圆周率，l为水力压裂专用井11与立井井筒1距离，m_x为第x煤层的厚度，计算结果取整数；

通过计算P₁＝6MPa，Q₁＝198m³；P₂＝9MPa，Q₂＝396m³；P₃＝13MPa，Q₃＝440m³；P₄＝19MPa，Q₄＝242m³；P₅＝25MPa，Q₅＝308m³；

步骤4，提供一种水力压裂装置，包括第二封隔器15、筛管14、第一封隔器13，压裂管柱，高压管路转换接头9，高压管路8以及水力压裂泵组7(均为现有常规的压裂装置)，按从下到上的顺序先后连接第二封隔器15、筛管14、第一封隔器13、压裂管柱12，并下放到使筛管14处于第五煤层的位置，井口固定装置10将压裂管柱12抱死，同时将井口固定装置10与地面固定，防止冲出伤人；

步骤5，压裂管柱12连接高压管路转换接头9，高压管路转换接头9连接高压管路8，高压管路连接水力压裂泵组7；

步骤6，启动水力压裂泵组7开始水力压裂，待第一封隔器13与第二封隔器15膨胀封孔后，水将从筛管14流出进入第五煤层，调压至设计起裂压力25MPa，保持该压力直至设计注入水量308m³后停止水力压裂泵组7，完成第五煤层的水力压裂；

步骤7，松开井口固定装置10对压裂管柱12的固定，提升井内工具串使筛管14处于第四煤层的位置后使井口固定装置10固定压裂管柱12，按照该层煤的设计的压力19MPa与注入水量242m³进行水力压裂，以此往复直至所有煤层完成水力压裂后退出压裂管柱12、第二封隔器15、筛管14、第一封隔器13。

在本实施例中，筛管14的长度大于任一煤层的最大厚度。

完成以上步骤则完成了立井井筒1所有煤层揭煤区域的水力压裂，水力压裂后揭煤区域的煤层透气性增加。水力压裂完成后将水力压裂专用井11封闭并连接瓦斯抽采系统即可进行瓦斯抽采，完成多煤层的一次性水力压裂工作与多煤层的一次性瓦斯抽采工作，在时间与空间上为立井井筒1揭煤区域降低了煤与瓦斯突出危险性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，确定立井井筒施工位置，获取该区域最大水平主应力方向，在最大水平主应力方向上设计水力压裂专用井；

步骤2，垂直向下施工水力压裂专用井，记录所穿越煤层底板埋深与煤层厚度，直至深度超出最深煤层底板30m以上，退出钻井施工工具，更换钻头扩井并安装套管加固；

步骤3，通过下列算式计算各煤层的起裂压力P_x与注入水量Q_x：

Q_x＝πlm_x ²

P_x＝3600gh_x

式中：g为重力加速度，x为煤层数，h_x为第x煤层的底板埋深，π为圆周率，l为水力压裂专用井与立井井筒距离，m_x为第x煤层的厚度，计算结果取整数；

步骤4，提供一种水力压裂装置，包括第二封隔器、筛管、第一封隔器，压裂管柱，高压管路转换接头，高压管路以及水力压裂泵组，按从下到上的顺序先后连接并下放第二封隔器、筛管、第一封隔器以及压裂管柱，使筛管处于最深煤层的位置，通过井口固定装置将压裂管柱抱死，同时将井口固定装置与地面固定；

步骤5，压裂管柱连接高压管路转换接头，高压管路转换接头连接高压管路，高压管路连接水力压裂泵组；

步骤6，启动水力压裂泵组开始水力压裂，调压至设计起裂压力P_x，保持该压力直至设计注入水量Q_x后停止水力压裂泵组，完成最深煤层的水力压裂；

步骤7，松开井口固定装置对压裂管柱的固定，提升井内工具串使筛管处于上一层煤的位置后使井口固定装置固定压裂管柱，按照该层煤的设计的压力与注入水量进行水力压裂，以此往复直至所有煤层完成的水力压裂后退出压裂管柱、第二封隔器、筛管以及第一封隔器。

2.根据权利要求1所述的一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，其特征在于：所述筛管长度大于任一煤层的厚度。

3.根据权利要求1所述的一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，其特征在于：在步骤2中，套管内径大于扩井前水力压裂专用井直径。

4.根据权利要求1所述的一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，其特征在于：步骤1中的水力压裂专用井与立井井筒直线距离30～40m，直径100～200mm。

5.根据权利要求1所述的一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，其特征在于：步骤3中的第x煤层的底板埋深以及第x煤层的厚度的数据均在钻井过程中测量得出。

6.根据权利要求1所述的一种立井揭煤区域多煤层分段水力压裂方法，其特征在于：在步骤2中，对井口50m深度范围扩井并安装套管加固，其余段无需安装套管。

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