CN112377242B - 一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，属于瓦斯抽采技术领域，包括以下步骤：在松软煤层沿煤层走向方向布置穿层水力压裂钻孔，在布置穿层水力压裂钻孔的同时布置穿层瓦斯抽采钻孔，根据煤层赋存情况确定水力压裂的设计压入水量Q，然后根据设计压入水量Q进行水力压裂并同时进行瓦斯抽采，水力压裂采用重复水力压裂方式，将水力压裂范围内的穿层瓦斯抽采钻孔内的瓦斯平均浓度a作为重复水力压裂的浓度临界值。本发明解决了水力压裂后煤层瓦斯抽采效果持续时间短的问题，能提高煤层瓦斯的抽采率和抽采效率，降低煤层的瓦斯含量，快速降低煤与瓦斯的突出危险性。

Description

一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法

技术领域

本发明属于瓦斯抽采技术领域，涉及一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法。

背景技术

分析我国煤矿事故尤其是重特大灾害事故，煤层瓦斯仍然是其发生根源，因此煤层瓦斯抽采是预防煤矿瓦斯事故的关键。我国高瓦斯和突出矿井渗透率低至10^-3～10^-4mD数量级，属于低渗透率煤层。煤层瓦斯抽采半径小、抽采难度大，直接影响着煤层瓦斯的抽采浓度、抽采率和抽采量。

煤矿井下利用水力压裂技术进行煤层增渗改造有诸多优势，但因煤层赋存条件差异明显、参数各异，水力压裂方法设计对压裂后效果差异明显，尤其松软煤层采用常规的水力压裂方法后，仍然需要施工大量的瓦斯抽采钻孔，且压裂后高瓦斯浓度与高纯量的抽采效果持续时间短，浓度和纯量衰减快，有的甚至几天时间就衰减至与原始区域相同的瓦斯浓度与流量，无法达到预定的煤层瓦斯抽采率。因此，亟需改进水力技术的应用方法，以延长水力压裂效果的持续时间，降低瓦斯钻孔工程量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，以解决水力压裂后煤层瓦斯抽采效果持续时间短的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，包括以下步骤：在松软煤层沿煤层走向方向布置穿层水力压裂钻孔，在布置穿层水力压裂钻孔的同时布置穿层瓦斯抽采钻孔，根据煤层赋存情况确定水力压裂的设计压入水量Q，然后根据设计压入水量Q进行水力压裂并同时进行瓦斯抽采，水力压裂采用重复水力压裂方式，将水力压裂范围内的穿层瓦斯抽采钻孔内的瓦斯平均浓度a作为重复水力压裂的浓度临界值。

可选地，穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔的布置包括以下步骤：

S1计算水力压裂半径R：

根据煤层孔隙率

煤层厚度H和煤层坚固性系数f，计算水力压裂半径

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，

为煤层孔隙率；

S2确定穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔的孔位：

穿层水力压裂钻孔：沿煤层走向方向布置多个穿层水力压裂钻孔，相邻穿层水力压裂钻孔的孔间距为L＝bR，其中b的范围是[1.5，2]；

穿层瓦斯抽采钻孔：以两个穿层水力压裂钻孔的圆心为圆心、R为半径画圆，然后沿此两圆的两条公切线布置穿层瓦斯抽采钻孔，相邻穿层瓦斯抽采钻孔的孔间距为K＝cR，其中，c的范围是[0.2，0.5]；

S3施工穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔，并将穿层水力压裂钻孔与水力压裂泵组连接，将穿层瓦斯抽采钻孔与管内为负压的瓦斯抽采主管路连接。

可选地，b＝1.5。

可选地，c＝0.25。

可选地，瓦斯抽采主管路内的压力为20～40kPa的负压。

可选地，瓦斯抽采主管路内设置自动放水系统。

可选地，穿层瓦斯抽采钻孔封孔后利用抽采软管连接到瓦斯抽采主管路上，穿层水力压裂钻孔内布置筛孔管与无缝钢管并利用水泥封孔。

可选地，水力压裂包括以下步骤：

S1向穿层水力压裂钻孔内注水，当单个孔内注水量为设计压入水量Q时，暂停注水；

S2当对应水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔瓦斯平均浓度降低至a时，向该穿层水力压裂钻孔内注水直至该穿层水力压裂钻孔内注水量再次达到设计压入水量Q，暂停注水；

S3重复水力压裂中的步骤S2，直至对应水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔瓦斯平均浓度未提升到a以上时，停止注水。

可选地，a的范围是[8％，15％]。

可选地，a＝10％。

可选地，设计压入水量Q的计算公式为：

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为水力压裂半径，

为煤层孔隙率。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过同时布置穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔，在进行水力压裂的同时进行瓦斯抽采，能提高瓦斯抽采效率，快速降低煤与瓦斯的突出危险性。

2.本发明通过采用重复水力压裂方式，使水在煤层内多次驱替瓦斯，使得瓦斯抽采量比单次水力压裂大，能解决水力压裂后煤层瓦斯抽采效果持续时间短的问题，提高煤层瓦斯的抽采率，降低煤层的瓦斯含量。

3.本发明通过沿穿层水力压裂钻孔的两条公切线布置穿层瓦斯抽采钻孔，能减少穿层瓦斯抽采钻孔的数量，降低施工穿层瓦斯抽采钻孔的工程量。

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为本发明的穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔平面布置图；

图2为本发明的穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔剖面布置图。

附图标记：穿层水力压裂钻孔1、高压水流动方向2、瓦斯流动方向3、穿层瓦斯抽采钻孔4、煤层顶板5、煤层6、煤层底板7、底板岩石巷道8、瓦斯抽采主管路9、抽采软管10、水力压裂泵组11。

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。

参阅图1～图2，一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，包括以下步骤：在松软煤层6沿煤层6走向方向布置穿层水力压裂钻孔1，在布置穿层水力压裂钻孔1的同时布置穿层瓦斯抽采钻孔4，根据煤层6赋存情况确定水力压裂的设计压入水量Q，然后根据设计压入水量Q进行水力压裂并同时进行瓦斯抽采，水力压裂采用重复水力压裂方式，将水力压裂范围内的穿层瓦斯抽采钻孔内的瓦斯平均浓度a作为重复水力压裂的浓度临界值。

优选地，a的范围是[8％，15％]。

优选地，a＝10％。

优选地，设计压入水量

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为水力压裂半径，

为煤层孔隙率，计算结果取整数。

本发明的穿层水力压裂钻孔1和穿层瓦斯抽采钻孔4的布置包括以下步骤：

S1计算水力压裂半径R：

根据煤层孔隙率

煤层厚度H和煤层坚固性系数f，计算水力压裂半径

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，

为煤层孔隙率，计算结果保留小数点后1位；

S2确定穿层水力压裂钻孔1和穿层瓦斯抽采钻孔4的孔位：

穿层水力压裂钻孔1：沿煤层走向方向布置多个穿层水力压裂钻孔，相邻穿层水力压裂钻孔的孔间距为L＝bR，其中b的范围是[1.5，2]，优选b＝1.5；

穿层瓦斯抽采钻孔4：以相邻两个穿层水力压裂钻孔1的圆心为圆心、R为半径画圆，得到两个水力压裂范围圆，沿水力压裂范围圆的两条公切线布置穿层瓦斯抽采钻孔，相邻穿层瓦斯抽采钻孔的孔间距为K＝cR，其中，c的范围是[0.2，0.5]，优选c＝0.25；

S3施工穿层水力压裂钻孔1和穿层瓦斯抽采钻孔4，并将穿层水力压裂钻孔1与水力压裂泵组11连接，将穿层瓦斯抽采钻孔4与管内为负压的瓦斯抽采主管路9连接，瓦斯抽采主管路9内的压力为20～40kPa的负压。

优选地，瓦斯抽采主管路9内设置自动放水系统。

优选地，穿层瓦斯抽采钻孔4封孔后利用抽采软管10连接到瓦斯抽采主管路9上，穿层水力压裂钻孔1内布置筛孔管与无缝钢管并利用水泥封孔。

本发明中的水力压裂包括以下步骤：

S1向穿层水力压裂钻孔1内注水，当单个孔内注水量为设计压入水量Q时，暂停注水；

S2当对应水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔4内瓦斯平均浓度降低至a时，向该穿层水力压裂钻孔内注水直至该穿层水力压裂钻孔内注水量再次达到设计压入水量Q，暂停注水；

S3重复水力压裂中的步骤S2，直至对应水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔4内瓦斯平均浓度未提升到a以上时，停止注水。

优选地，在连接穿层水力压裂钻孔1和水力压裂泵组11之间的管路上设有孔口阀门，穿层水力压裂钻孔1的注水方式为顺次注水。

本发明通过在布置穿层水力压裂钻孔1的同时布置穿层瓦斯抽采钻孔4，并根据煤层6赋存情况设计出合适的注水量并进行重复水力压裂，同步进行瓦斯抽采。与常规的水力压裂后布置密集穿层瓦斯抽采钻孔的方式相比，该方法能降低瓦斯抽采钻孔的数量，同时重复水力压裂使水在煤层6内多次驱替瓦斯，瓦斯抽采量比单次水力压裂大，瓦斯抽采效率高，能有效快速降低煤与瓦斯突出危险性。

实施例

一种厚度为4m的松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，参阅图1～图2，沿煤层6的走向方向布置穿层水力压裂钻孔1，在穿层水力压裂钻孔1的两侧布置穿层瓦斯抽采钻孔4，煤层顶板5和煤层底板7分别在煤层6的上侧和下侧，在位于煤层6下方的底板岩石巷道8中设置有瓦斯抽采主管路9和水力压裂泵组11，穿层瓦斯抽采钻孔4通过抽采软管10与瓦斯抽采主管路9连通，穿层水力压裂钻孔1与水力压裂泵组11连通；穿层水力压裂钻孔1中的高压水沿图2中的高压水流动方向2向四周渗透，驱替煤层6中的瓦斯沿图2中的瓦斯流动方向3流动。

抽采方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据煤层孔隙率

厚度H＝4m、坚固性系数f＝1.2，按下列算式计算煤层水力压裂半径R、穿层水力压裂钻孔见煤点间距L、穿层瓦斯抽采孔见煤点间距K：

L＝1.5R

K＝0.25R

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，

为煤层孔隙率，计算结果保留小数点后1位，通过计算可得煤层水力压裂半径R为19.2m，穿层水力压裂钻孔见煤点间距L为28.8m，穿层瓦斯抽采孔见煤点间距为4.8m。

步骤2：沿煤层6走向方向布置穿层水力压裂钻孔1，相邻两穿层水力压裂钻孔1的间距为L；为减少相邻穿层水力压裂钻孔1中间的空白带，穿层水力压裂钻孔见煤点间距为L为大于水力压裂半径R的1.5倍，且小于水力压裂半径R的2倍，以每个穿层水力压裂钻孔的圆心为圆心画一个半径为R的圆，该圆所圈区域为水力压裂覆盖区域，在所有圆的两条公切线上布置间距为K的穿层瓦斯抽采钻孔4。

具体为：沿该煤层6走向方向按间距28.8m布置穿层水力压裂钻孔1，以每个穿层水力压裂钻孔的圆心为圆心画一个半径为19.2m的圆，在所有圆的两条公切线上布置间距为4.8m的穿层瓦斯抽采钻孔4。

步骤3：穿层瓦斯抽采钻孔4封孔后利用抽采软管10连接到瓦斯抽采主管路9上，在瓦斯抽采主管路9上安装自动放水系统以防止煤层排水导致管路堵塞，瓦斯抽采主管路9内为20-40KPa的负压，穿层水力压裂钻孔1内布置筛孔管与无缝钢管并利用水泥封孔，封孔后等待24小时以上水泥干实以后连接水力压裂泵组11。

步骤4：开启水力压裂泵组11进行水力压裂，水力压裂过程中随着注入水力的增加，水向四周扩散，同时原始游离瓦斯和被水驱替的瓦斯均向着穿层瓦斯抽采钻孔4的方向流动，因为穿层瓦斯抽采钻孔4内一直持续的负压状态使得瓦斯不断流入穿层瓦斯抽采钻孔4。

步骤5：达到设计注水量Q时停止压裂，关闭孔口阀门进行下一个穿层水力压裂钻孔的水力压裂，直至所有穿层水力压裂钻孔完成水力压裂，穿层瓦斯抽采钻孔4及管路仍然保持负压抽采，因为煤层6被增透同时含水率的增加，煤层6中的瓦斯不断解析同时游向穿层瓦斯抽采钻孔4，因此穿层瓦斯抽采钻孔4内的瓦斯浓度和流量会保持一段时间，该时间为5天到30天不等，设计注水量Q按下式计算：

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为圆的半径，

为煤层孔隙率，计算结果取整数，通过计算，得到Q＝123m³；

步骤6：当水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔4内的瓦斯平均浓度降低至10％以下时，按设计注水量Q重复所有穿层水力压裂钻孔的水力压裂，如果穿层瓦斯抽采钻孔4内的瓦斯平均浓度重新上升到10％以上时，继续等待穿层瓦斯抽采钻孔4内的平均浓度下降到10％以下后，仍然按设计注水量Q重复所有穿层水力压裂钻孔的水力压裂；如果当某次水力压裂后穿层瓦斯抽采钻孔4的瓦斯平均浓度未提升到10％以上时，停止后续所有的水力压裂工作。

因为随着重复水力压裂过程，煤层瓦斯会不断解析，煤层6内的可解析瓦斯含量已有效降低，因此总会出现某次水力压裂后的瓦斯平均浓度无法提升至10％以上。由此，认为已经达到重复水力压裂的效果。因此，停止后续所有的水力压裂工作。

本实施例通过在松软煤层中沿煤层6走向方向布置穿层水力压裂钻孔1的同时布置穿层瓦斯抽采钻孔4，并根据煤层6赋存情况设计合适压入水量并进行水力压裂，同步进行瓦斯抽采，设定瓦斯抽采孔平均浓度为10％时作为临界值进行重复水力压裂，该重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采的方法能大范围的将瓦斯驱替并抽出，与常规的水力压裂后布置密集穿层瓦斯抽采钻孔的方式相比，能减少瓦斯抽采钻孔的布置数量，降低水力压裂区域的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 (9)

1.一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：在松软煤层沿煤层走向方向布置穿层水力压裂钻孔，在布置穿层水力压裂钻孔的同时布置穿层瓦斯抽采钻孔，根据煤层赋存情况确定水力压裂的设计压入水量Q，然后根据设计压入水量Q进行水力压裂并同时进行瓦斯抽采，水力压裂采用重复水力压裂方式，将水力压裂范围内的穿层瓦斯抽采钻孔内的瓦斯平均浓度a作为重复水力压裂的浓度临界值；

穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔的布置包括以下步骤：

S1计算水力压裂半径R：

根据煤层孔隙率

煤层厚度H和煤层坚固性系数f，计算水力压裂半径

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，

为煤层孔隙率；

S2确定穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔的孔位：

穿层水力压裂钻孔：沿煤层走向方向布置多个穿层水力压裂钻孔，相邻穿层水力压裂钻孔的孔间距为L＝bR，其中b的范围是[1.5，2]；

穿层瓦斯抽采钻孔：以两个穿层水力压裂钻孔的圆心为圆心、R为半径画圆，然后沿此两圆的两条公切线布置穿层瓦斯抽采钻孔，相邻穿层瓦斯抽采钻孔的孔间距为K＝cR，其中，c的范围是[0.2，0.5]；

S3施工穿层水力压裂钻孔和穿层瓦斯抽采钻孔，并将穿层水力压裂钻孔与水力压裂泵组连接，将穿层瓦斯抽采钻孔与管内为负压的瓦斯抽采主管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：b＝1.5。

3.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：c＝0.25。

4.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：瓦斯抽采主管路内的压力为20～40kPa的负压。

5.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：瓦斯抽采主管路内设置自动放水系统。

6.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：穿层瓦斯抽采钻孔封孔后利用抽采软管连接到瓦斯抽采主管路上，穿层水力压裂钻孔内布置筛孔管与无缝钢管并利用水泥封孔。

7.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于，水力压裂包括以下步骤：

S1向穿层水力压裂钻孔内注水，当单个孔内注水量为设计压入水量Q时，暂停注水；

S2当对应水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔瓦斯平均浓度降低至a时，向该穿层水力压裂钻孔内注水直至该穿层水力压裂钻孔内注水量再次达到设计压入水量Q，暂停注水；

S3重复水力压裂中的步骤S2，直至对应水力压裂区域内穿层瓦斯抽采钻孔瓦斯平均浓度未提升到a以上时，停止注水。

8.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：a的范围是[8％，15％]。

9.根据权利要求1所述的一种松软煤层重复水力压裂驱替瓦斯同步抽采方法，其特征在于：设计压入水量Q的计算公式为：

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为水力压裂半径，

为煤层孔隙率。

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