CN113833432B - 水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统 - Google Patents

水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统，包括以下步骤：施工探测钻孔，并通过所述探测钻孔获得需要压裂的目标层位；通过采区大巷施工绕道至所述目标层位，并掘进水平工艺巷；进行水平钻孔施工和钻孔压裂弱化施工，直至完成所述目标层位的全部卸压工作。本发明的水力压裂弱化卸压施工方法能够保证水平钻孔具有足够的施工长度，处理范围大，可保证缝网压裂效果。

Description

水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统
技术领域
本发明涉及煤矿卸压技术领域，尤其涉及一种水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统。
背景技术
自上世纪50年代以来，水力压裂技术在油气行业得到了广泛的应用，并逐渐引入煤层气开采领域。水力压裂技术的核心内容为在目标层位施工钻孔，在钻孔形成的限定空间内，通过采用封隔工具或水力喷射工具由高压水产生局部的人造高应力。当人造应力达到一定水平后，就可以突破目标岩层应力和强度的限制，产生裂缝的起裂、扩展、偏转和延伸，形成复杂程度不同的缝网。大量研究和实践成果已表明，增加了人为裂缝的岩体其整体强度显著降低，基于此原理，水力压裂技术被煤炭行业广泛应用于坚硬顶板弱化领域。
煤矿井下实施的水力压裂工程需在井巷硐室中进行，作业空间有限，并且受采煤生产影响，规模一般较小，钻孔深度一般在100m以内，压裂泵流量多小于0.2m3/min，无法实现区域规模压裂。为达到坚硬顶板区域卸压目的，国内少数矿井(塔山矿、同忻矿和孟村矿)引进试验了石油行业的地面钻井压裂技术，取得了一定的成果，但多数矿井受埋藏深度、地表地貌或建筑物的影响，短时间内无法实施地面钻井压裂。
针对煤层上部存在坚硬厚岩层的条件，需要开发一种煤矿井下区域水力压裂弱化卸压方法。
发明内容
本发明提供一种水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统，用以解决现有技术中煤矿惊吓实施的水利压裂钻孔深度小，无法实现区域规模压裂的问题。
本发明提供一种水力压裂弱化卸压施工方法，包括：
施工探测钻孔，并通过所述探测钻孔获得需要压裂的目标层位；
通过采区大巷施工绕道至所述目标层位，并掘进水平工艺巷；
进行水平钻孔施工和钻孔压裂弱化施工，直至完成所述目标层位的全部卸压工作。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述进行水平钻孔施工和钻孔压裂弱化施工，直至完成所述目标层位的全部卸压工作包括：
在所述水平工艺巷掘进方向上的首个施工位置施工垂直于所述水平工艺巷掘进方向的水平钻孔并进行钻孔弱化施工；
在预设方向上间隔预设距离的下一施工位置施工水平钻孔，并进行钻孔压裂弱化施工；
重复上一步骤，直至完成所述目标层位的全部卸压工作。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述预设距离为双倍的钻孔压裂半径距离。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述预设方向为所述水平工艺巷的掘进方向的相反方向。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，同一所述施工位置施工位于所述水平工艺巷两侧方向的两个所述水平钻孔。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述施工探测钻孔，并通过所述探测钻孔获得需要压裂的目标层位包括：
由采区大巷或硐室内施工探测钻孔；
获取探测钻孔内图像信息和深度信息并评判岩层厚度；
根据所述图像信息获得各层位的破碎等级并根据所述破碎等级评价各岩层的稳定程度；
收集所述探测钻孔内的岩粉并判别岩层不同位置的关键元素含量；
测试所述探测钻孔内多点的原位强度并评价岩层坚硬程度；
根据所述岩层厚度、稳定程度、关键元素含量和岩层坚硬程度获得需要压裂的目标层位。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述钻孔压裂弱化施工采用分段分隔压裂方式作业。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述钻孔压裂半径通过微震测井法实测获得。
根据本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法，所述水平工艺巷的坡度小于或等于3°。
本发明还提供一种适用于以上任一项所述的水力压裂弱化卸压施工方法的施工系统，包括：定向钻机、压裂泵组和压裂控制中心，所述定向钻机、压裂泵组和压裂控制中心在所述水平工艺巷内沿所述水平工艺巷掘进方向的相反方向依次间隔布置。
本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法及施工系统，通过施工探测钻孔便于获得水力压裂弱化卸压施工的目标层位，在目标层位内施工水平工艺巷，由水平工艺巷内施工水平钻孔并进行钻孔压裂弱化施工，能够使单个钻孔长度达到1000m，处理范围大，设计采用多钻孔布置，可保证缝网压裂效果。通过合理设计钻孔群及压裂工艺参数，使得施工完成后可形成连续的缝网，对该层位起到区域压裂弱化的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法中探测钻孔施工结构示意图；
图2是本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法中水平钻孔施工的纵剖结构示意图；
图3是本发明提供的水力压裂弱化卸压施工方法中水平钻孔施工的横剖结构示意图。
附图标记：
1：煤层； 2：目标层位； 3：采区大巷；
4：钻机； 5：探测钻孔； 6：绕道；
7：水平工艺巷； 8：水平钻孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图3描述本发明实施例的水力压裂弱化卸压施工方法，该方法包括：
S1、施工探测钻孔5，并通过探测钻孔5获得需要压裂的目标层位2；步骤S1具体包括：
S101、由采区大巷3或硐室内施工探测钻孔5。施工时，由采区大巷3或硐室内通过定向钻机4倾斜向上进行定向钻孔，所形成的钻孔能够用于探测煤层1上部的地质信息。
S102、获取探测钻孔5内图像信息和深度信息并评判岩层厚度。将电子窥视仪与通缆钻杆采用丝扣连接，由钻机4夹持器推送入探测钻孔5内，电子窥视仪自带摄像头、光源、电池、存储模块，可高精度的采集、拼接窥视到的孔壁图像，并能够进行深度计数。进行岩层厚度评判时，可即将厚度超过预定值的层位评判为厚岩层，其它为薄岩层。
S103、根据图像信息获得各层位的破碎等级并根据破碎等级评价各岩层的稳定程度。根据图像信息中原生裂缝，采用基本测量尺度-裂隙条数法进行评判，将各层位原生裂隙评判归为三类，破碎层、一般层、稳定层。
S104、收集探测钻孔5内的岩粉并判别岩层不同位置的关键元素含量。沿探测钻孔5的路径每间隔预设距离收集一部分岩粉，分析岩粉中的关键元素含量，将关键元素含量高于均值的部分评判为高含量区，其余为低含量区。
S105、测试探测钻孔5内多点的原位强度并评价岩层坚硬程度。采用原位强度测试仪由夹持器推送进入探测钻孔5内，每间隔预设距离测试原位强度，原位强度大于预设值的岩层评判归为较坚硬层，其它为非坚硬层。
S106、根据岩层厚度、稳定程度、关键元素含量和岩层坚硬程度获得需要压裂的目标层位2。目标层位2应当满足所属岩层为厚岩层、稳定层、高含量区、较坚硬层。需要说明的是，目标层位2可能存在多个的情况。
S200、通过采区大巷3施工绕道6至目标层位2，并掘进水平工艺巷7；所施工的水平工艺巷7应当位于目标层位2的中间位置，并且其坡度应当小于或等于3°。
S300、进行水平钻孔8施工和钻孔压裂弱化施工，直至完成目标层位2的全部卸压工作。步骤S300具体包括：
S301、在水平工艺巷7掘进方向上的首个施工位置施工垂直于水平工艺巷7掘进方向的水平钻孔8并进行钻孔弱化施工。
在本发明实施例中，首个施工位置为靠近水平工艺巷7掘进方向最前端的位置，水平钻孔8的钻孔方向垂直于水平工艺巷7的掘进反方向，钻孔施工完成后可采用增粘冲孔液冲洗钻孔，排出残渣。水平钻孔8采用裸孔布置，在近孔口位置可以进行注浆固孔。
进行钻孔弱化施工时，采用分段分隔压裂方式作业。
在进行首个施工位置的水平钻孔8的弱化施工时，通过微震测井法实测获得，并且应当在水平钻孔8内布置多个测量点，保证测量准确性。
S302、在预设方向上间隔预设距离的下一施工位置施工水平钻孔8，并进行钻孔压裂弱化施工。该预设方向为水平工艺巷7的掘进方向的相反方向，采用退步法进行水平钻孔8和钻孔压裂弱化施工。预设距离为双倍的钻孔压裂半径距离，该距离可以通过施工首个施工位置时测量获得。步骤S302中水平钻孔8的施工方法和钻孔压裂弱化施工方法与步骤S301中的首个钻孔位置相同。
在步骤S301和步骤S302中，同一个施工位置均施工位于水平工艺巷7两侧方向的两个水平钻孔8，同一施工位置的两个水平钻孔8对称设置。
S303、重复步骤S302，直至完成目标层位2的全部卸压工作。
在本发明一个实施例中，提供了一种适用于水力压裂弱化卸压施工方法的施工系统，该施工系统包括：定向钻机4、压裂泵组和压裂控制中心。定向钻机4用于施工水平钻孔8，压裂泵组和压裂控制中心用于进行钻孔弱化施工。定向钻机4、压裂泵组和压裂控制中心在水平工艺巷7内沿水平工艺巷7掘进方向的相反方向依次间隔布置。
在本发明实施例中，以压裂区域长度2000m、宽度2000m，压裂施工层位为煤层1上方45m岩层，岩层厚度30m，煤层1厚度8.0m为具体实施例对本发明的水力压裂弱化卸压施工方法进行消息描述。
水力压裂弱化卸压施工方法包括以下步骤：
S1’：探测钻孔5施工：
S101’：在需要压裂的区域中施工探测钻孔5，具体可在采区大巷3或硐室内施工，施工设备为千米定向钻机4，要求的操作空间为长宽高＝10m×4.5m×3.5m，钻孔开孔高度2.5m，开孔倾角18°，钻孔直径120mm，钻孔深度120m，垂直高差90m。
S102’：电子窥视仪与通缆钻杆采用丝扣连接，由钻机4夹持器推送入探测钻孔5内，电子窥视仪自带摄像头、光源、电池、存储模块，可高精度的采集、拼接窥视到的孔壁图像，并具备深度计数功能，推进速度不大于2m/min。厚度大于8m(煤层1厚度)的层位评判为厚岩层，其它为薄岩层。
S103’：对孔壁观测到的原生裂缝，采用基本测量尺度-裂隙条数法进行评判
式中：Nr为基本测量尺度r范围内的破碎等级；Di为第i次测量评判的破碎等级，ci为第i次评判的对应等级的破碎程度；i和r分别为评判次数和评判尺度。将各层位原生裂隙评判归为三类，破碎层、一般层、稳定层。
S104’：采用收集器每3m收集100g以上重量的岩粉，通过X射线荧光判别岩粉中关键元素含量，得到岩层不同位置的关键元素含量，绘制Mg、Ca、Si三种元素沿钻孔的含量变化曲线。以均值为中间线，高于中间值的部分评判归为高含量区，其余为低含量区。
S105’：采用原位强度测试仪由夹持器推送进入孔内，每间隔3m测试原位强度，并绘制强度曲线，原位强度大于40MPa的岩层评判归为较坚硬层，其它为非坚硬层。
S106’：采用综合评定法确定需要压裂弱化的目标层，目标层需满足以下条件：厚岩层、稳定层、高含量区、较坚硬层。
本实施例确定的压裂施工目标层为煤层1上方45m岩层，岩层厚度30m，则目标层中间层位为煤层1上方60m。
S2’：水平工艺巷7掘进：
自采区大巷3施工绕道6，可采用炮掘或岩石掘进机掘进，至煤层1上方60m见平，绕道6宽度2.5m，拐弯半径大于5.0m。
绕道6见平后，进行水平工艺巷7掘进，坡度不大于3.0°，长宽高为2000m×4.5m×3.5m。
完成水平工艺巷7掘进后，将岩层定向钻机4、压裂泵组、压裂控制中心布置于水平工艺巷7内，布置顺序按照由内向外分别为钻机4、压裂泵组和压裂控制中心，其中钻机4距迎头50m，压裂泵距钻机430m，压裂控制中心距压裂泵距离300m。布置完毕后，需完善供水、供电、通讯和通风等系统，此处不详细阐述。
为实现本方法设计的区域压裂效果，压裂泵流量选为2.5m3/min，最大压力60MPa，钻机4扭矩不小于12000N·M，钻机4的泵车流量500L/min，泵压12MPa。
S3’：第一个水平钻孔8的施工；
S301：距迎头50m，沿水平工艺巷7一侧施工第一个定向水平钻孔8，孔径120mm，孔深1000m，施工完成后采用增粘冲孔液冲洗水平钻孔8，排出残渣，冲洗时间不少于5min。水平钻孔8采用裸孔布置，在近孔口50m范围内下放PVC套管并注浆固孔。
采用微震测井法实测首个水平钻孔8的压裂半径，测点布置于地面，采用交叉布点法布置测点。第一个水平钻孔8实施分段压裂：
分段压裂工具串包括管柱短节、机械安全接手、封隔器锚定总成、定压阀、定向阀和导向机构。机械安全接手、封隔器锚定总成、定压阀、定向阀和导向机构的总长度35m，单个管柱短节长度3.5m，本次压裂由270个管柱短节将孔内封隔工具送入孔底，总长度980m。管柱短节φ76mm，由钻机4夹持器推送。
工具串推送至孔底后，连接泵组和管柱短节水尾，检查设备和管路密封情况后，所有人撤出水平工艺巷7，仅留2名操作人员于压裂控制中心，负责压裂泵组和监测设备的启停控制。
开启压裂泵组，开始注入式压裂，控制流程应为“开启→管路试压→工具坐封→全功率注入压裂→压裂效果监测、注入参数监测→停泵→管路卸压”。
单个钻孔压裂分段数不少于20段，分析微震监测数据，确定本地层压裂的半径参数r(本示例定为50m)。
S302’：在水平工艺巷7内间隔100m施工下一个水平钻孔8，并对该水平钻孔8进行压裂施工。
S303’：重复步骤S302’,沿水平工艺巷7掘进方向的相反方向布孔，进行后退式钻孔和压裂施工；直至完成全部水平钻孔8。本示例区域长宽距离为2000×2000m，则一侧设计施工19个水平钻孔8，两侧合计38个水平钻孔8。
本方法的优势在于：钻孔群的布置，保证在煤系岩层不稳定赋存情况下的缝网效果；单个压裂分段实际作业时间按照1h计，则整个压裂工程注入水量为38×20×2.5m3/min×60min＝11.4万m3，规模效应明显。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种水力压裂弱化卸压施工方法，其特征在于，包括：
施工探测钻孔，并通过所述探测钻孔获得需要压裂的目标层位；
所述施工探测钻孔，并通过所述探测钻孔获得需要压裂的目标层位包括：
由采区大巷或硐室内施工探测钻孔；
获取探测钻孔内图像信息和深度信息并评判岩层厚度；
根据所述图像信息获得各层位的破碎等级并根据所述破碎等级评价各岩层的稳定程度；
根据图像信息中原生裂缝，采用基本测量尺度-裂隙条数法进行评判：
式中：Nx为基本测量尺度r范围内的破碎等级；Di为第i次测量评判的破碎等级，Ci为第i次评判的对应等级的破碎程度；i和r分别为评判次数和评判尺度；将各层位原生裂隙评判归为三类，破碎层、一般层、稳定层；
收集所述探测钻孔内的岩粉并判别岩层不同位置的关键元素含量；
测试所述探测钻孔内多点的原位强度并评价岩层坚硬程度；
根据所述岩层厚度、稳定程度、关键元素含量和岩层坚硬程度获得需要压裂的目标层位；
通过采区大巷施工绕道至所述目标层位，并掘进水平工艺巷；
进行水平钻孔施工和钻孔压裂弱化施工，直至完成所述目标层位的全部卸压工作；
所述进行水平钻孔施工和钻孔压裂弱化施工，直至完成所述目标层位的全部卸压工作包括：
在所述水平工艺巷掘进方向上的首个施工位置施工垂直于所述水平工艺巷掘进方向的水平钻孔并进行钻孔弱化施工；
在预设方向上间隔预设距离的下一施工位置施工水平钻孔，并进行钻孔压裂弱化施工；同一所述施工位置施工位于所述水平工艺巷两侧方向的两个所述水平钻孔，同一所述施工位置的两个所述水平钻孔对称设置；
重复上一步骤，直至完成所述目标层位的全部卸压工作。
2.根据权利要求1所述的水力压裂弱化卸压施工方法，其特征在于，所述预设距离为双倍的钻孔压裂半径距离。
3.根据权利要求1所述的水力压裂弱化卸压施工方法，其特征在于，所述预设方向为所述水平工艺巷的掘进方向的相反方向。
4.根据权利要求1所述的水力压裂弱化卸压施工方法，其特征在于，所述钻孔压裂弱化施工采用分段分隔压裂方式作业。
5.根据权利要求1所述的水力压裂弱化卸压施工方法，其特征在于，所述钻孔压裂半径通过微震测井法实测获得。
6.根据权利要求1所述的水力压裂弱化卸压施工方法，其特征在于，所述水平工艺巷的坡度小于或等于3°。
7.一种适用于如权利要求1-6任一项所述的水力压裂弱化卸压施工方法的施工系统，其特征在于，包括：定向钻机、压裂泵组和压裂控制中心，所述定向钻机、压裂泵组和压裂控制中心在所述水平工艺巷内沿所述水平工艺巷掘进方向的相反方向依次间隔布置。
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