CN115539039A - 一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，包括以下步骤：步骤一：构建目标煤层煤层顶板的精确三维地质模型；步骤二：沿煤层顶板的最小水平主应力方向施工水平定向长钻孔；步骤三：在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割；步骤四：井上井下联合对水平定向长钻孔开展压裂施工；步骤五：对所有水平定向长钻孔进行定向喷砂密切割以及压裂施工；步骤六：开采底煤，经过改造的顶煤在覆岩压力下自然冒落，提高了放顶煤的回采率。本发明能够通过煤层顶板水平定向长钻孔向目标顶煤中注入高压水，当水压达到煤岩体起裂压力时，煤层顶板及顶煤产生裂缝并延展，破坏顶煤的完整性，从而达到弱化煤岩体、提高顶煤回采率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及放顶煤开采技术领域，具体涉及一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，厚及特厚煤层分布范围广泛，目前大部分厚及特厚煤层采用放顶煤方式开采，即通过开采底煤后顶煤在覆岩的围压下自然冒落，但是在某些地区，由于顶煤厚度大且硬度较高，导致上部顶煤破碎不充分，破碎块度大而不易放出，回采率低，造成资源浪费。
现有技术中，针对顶煤难以放出的问题，采用短钻孔注水软化或井下爆破等方法。但钻孔注水施工工程量巨大，成本高，且效果不理想；井下爆破易产生粉尘及有毒有害气体，对矿井安全生产构成不利因素，均难以实现区域化低成本提高放顶煤回采率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法及控制方法，解决现有技术中的方法工程量巨大，成本高，且效果不理想，井下爆破易产生粉尘及有毒有害气体，对矿井安全生产构成不利因素的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，包括以下步骤：
步骤一：构建目标煤层煤层顶板的精确三维地质模型；
步骤二：确定煤层顶板的最小水平主应力方向，按照煤层顶板的精确三维地质模型，沿煤层顶板的最小水平主应力方向施工水平定向长钻孔；
水平定向长钻孔至少为一个且间隔排布并能够覆盖工作面；
步骤三：在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割，所述的定向喷砂密切割的方向为朝向目标煤层方向；
步骤四：井上井下联合对水平定向长钻孔开展压裂施工；
步骤五：重复步骤三和步骤四，对所有水平定向长钻孔进行定向喷砂密切割以及压裂施工，完成顶煤的的改造；
步骤六：开采底煤，经过改造的顶煤在覆岩压力下自然冒落，提高了放顶煤的回采率。
本发明还具有如下技术特征：
所述的构建目标煤层煤层顶板的精确三维地质模型包括：
应用工作面范围内的巷道钻孔数据、切眼地质采样数据、三维地震解析数据、煤层顶板等高线数据集合作为样本数据，使用Kriging方法对已知数据进行差值，获得精确的煤层顶板地质形态。
所述的最小水平主应力方向确定方法为：通过井下小型水力压裂试验测得。
施工水平定向长钻孔时，根据施工过程中随钻测量数据确定水平定向长钻孔的位置，控制水平定向长钻孔的位置在煤层顶板中并且在目标煤层顶界以上0.5～1.0m范围内。
所述的在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割包括：利用井下底封拖动分段压裂工具串在水平定向长钻孔内朝向目标煤层方向进行定向喷砂密切割；
其中井下底封拖动分段压裂工具串包含依次连接的密封接头、器械液压丢手、扶正器、定向喷枪、平衡阀、封隔器、接箍定位器和引鞋；
所述的密封接头用于连接连续油管；
所述的机械液压丢手用于防止井下底封拖动分段压裂工具串发生砂卡导致连续油管不能收回时，通过回拉连续油管，将销钉靠连续油管拉力进行剪断，实现连续油管与下部工具串脱开；
所述的扶正器用于保证井下底封拖动分段压裂工具串居于水平定向长钻孔中间部位。
所述的定向喷枪用于垂直向下定向射孔；
所述的平衡阀用是为了配合底部封隔器实现解封，在底部封隔器解封时，平衡底部封隔器的压差，降低解封载荷；
所述的封隔器用于封隔压裂段和非压裂段；
所述的接箍定位器用于测量孔中钢质套管接箍位置；
所述的引鞋用于防止井下底封拖动分段压裂工具串碰到井壁；
所述的定向喷枪包含依次连接的第一旋转密封短节、定向喷头、定向器和第二旋转密封短节，所述的第一旋转密封短节和扶正器连通，第二密封短节和平衡阀连接；
所述的在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割是利用上述的井下底封拖动分段压裂工具串，在水平定向长钻孔内朝目标煤层方向进行定向喷砂密切割；
包括如下步骤：
组装好井下底封拖动分段压裂工具串后，在密封接头上连接连续油管，连续油管另一端连接地面压裂车，将井下底封拖动分段压裂工具串推入到达水平定向长钻孔内的设计位置，开始进行定向喷枪定向工作，定向喷枪定向完成后，推动回拉连续油管对封隔器进行坐封，封隔压裂段和非压裂段，之后开启地面压裂设备连续油管内注入混砂压裂液，使用定向喷枪对水平定向长钻孔、水平定向长钻孔附近的煤层顶板以及目标煤层进行定向喷砂密切割；
所述的井上井下联合对水平定向长钻孔开展压裂施工是指在完成定向喷砂密切割后，开启井下压裂泵从连续油管和套管之间的环空内依次注入前置液、混砂液和顶替液，对水平定向长钻孔开展压裂施工；
第一段完成压裂施工后，回拉连续油管封隔器解封，移动井下底封拖动分段压裂工具串到下一射孔位置，重复以上操作直至整个水平定向长钻孔完成定向喷砂密切割及压裂施工。
所述的水平定向长钻孔的间隔距离按照下式计算：
所述的水平定向长钻孔的数量按照下式进行计算：
式中：
H＝7.32e1.03Q
L为水平定向长钻孔的间隔距离，m；N为水平定向长钻孔的数量，个；M为采区大巷长度，m；γ为煤层裂缝长度与顶板裂缝长度比值，一般在0.7～0.9之间，无量纲；C为压裂液滤失系数，m/s0.5；Q为施工排量，m3/s；H为裂缝高度，m；Sp为压裂液初滤失，m3/m2；μ为牛顿流体粘度，Pa·s；G为岩石剪切模量，Pa；v为岩石泊松比；w(0，t)为缝口处椭圆断面t时刻裂缝最大宽度，m；t为正式开始压裂持续的时间，s；x为KGD水力裂缝模型下矩形框的半长，m；erfc(x)是x的误差补偿函数。
所述的对水平定向长钻孔进行定向喷砂密切割之前，在水平定向长钻孔内下入钢制套管并进行水泥固井。
水平定向长钻孔内下入钢制套管并进行水泥固井包括：
水平定向长钻孔施工完成后，对水平定向长钻孔进行洗井，冲至不再返出砂屑；
选取小于水平定向长钻孔直径一个等级的钢制套管，钢制套管前端安装锥形引鞋，一次拧紧管箍并将钢制套管推入设计深度；向钢制套管内高压注入含有速凝剂的水泥浆，水泥浆被充满水平定向长钻孔孔壁和钢制套管的环空，直至返出孔口，候凝48小时，完成固井作业，使钢制套管和水平定向长钻孔凝固呈一个整体。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明能够通过煤层顶板水平定向长钻孔向目标顶煤中注入高压水，当水压达到煤岩体起裂压力时，煤层顶板及顶煤产生裂缝并延展，破坏顶煤的完整性，改变其力学特性，从而达到弱化煤岩体、提高顶煤回采率的目的。
(Ⅱ)本发明能够应用多参数融合技术构建特厚放顶煤煤层顶板精确三维地质模型，将井下水平定向长钻孔布置在合理位置。
(Ⅲ)本发明井上下联合作业的方式，与常规地面压裂方法相比，能够实现工作面(采区)压裂区域全覆盖，减少了地面定向钻井的工程量，节省工程费用，有着较强的经济实用性；与常规井下压裂方法先比，采用地面压裂装备进行施工，解决了井下压裂泵排量小、加砂难度大、设备搬运困难、煤层破碎效果差的缺点，可实现低成本、大排量加砂分段压裂改造，实现顶煤立体化破碎改造。
(Ⅳ)本发明采用下钢制套管固井完井方式，可配套优选定向连续油管水力喷砂射孔环空分段压裂工艺技术，在不动管柱定向喷砂射孔、分段压裂规模等方面的到了很大的提升。与井下爆破相比，降低瓦斯涌出、降低煤尘。与常规注水弱化相比，提高了注入排量及压力，能够增加支撑剂，使顶煤更好的破碎。实现了水平定向长钻孔工作面全覆盖，能够实现区域化放顶煤回采率提高。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的固井完成后的水平定向长钻孔示意图；
图3为本发明的井下底封拖动分段压裂工具串结构示意图；
图4为本发明的定向喷枪结构示意图；
图5为本发明的定向喷砂密切割方向示意图；
图6为本发明的井上井下联合作业示意图；
附图中各个标号含义：
1-地面井口；2-地面-巷道贯通井；3-井-巷连接装置；4-巷道内高压管线；5-采区大巷；6-连续油管车；7-注入头车；8-井下压裂泵；9-水平定向井井口装置；10-煤层底板；11-目标煤层；12-水平定向长钻孔；13-压裂裂缝。14-煤层顶板；15-井下底封拖动分段压裂工具串，16-套管，17-水泥环，18-长钻孔孔壁，19-连续油管；20-套管油管环空；
11-1顶煤，11-2底煤；
15-1密封接头，15-2机械液压丢手，15-3扶正器，15-4定向喷枪，15-5平衡阀，15-6封隔器，15-7接箍定位器，15-8引鞋；
15-4-1第一旋转密封短节，15-4-2定向喷头，15-4-3定向器，15-4-4第二旋转密封短节。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指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，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明中的所有部件，如无特殊说明，全部采用现有技术中已知的部件。
实施例1：
遵从上述技术方案，如图1～图6所示，以陕西彬长某煤矿401采区为实例并结合附图，对本发明做进一步描述。矿井设计年生产能力为600Mt。4号煤层为主采煤层，401采区平均煤厚17.50m，煤层视密度1.36t/m3，普氏硬度系数为1.48。采煤工艺为综采放顶煤，全部垮落法管理顶板，采3.5m，放10.5m，采放比1:3，煤层顶板为细粒砂岩砂岩，煤层底板为泥岩。由地表至目标巷道的地层依次为：第四系(Q)、洛河组(K1l)、宜君组(K1y)、安定组(J2a)、直罗组(J2z)和延安组(J2y)。
一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，包括如下步骤：
步骤一：构建目标煤层煤层顶板的精确三维地质模型；
具体而言，首先收集采区范围内的钻孔数据、切眼地质数据、三维地震勘探数据、煤层顶板等高线数据集合作为样本数据，进行多数据参数融合。通过Kriging方法对数据体进行内插，获得精确的煤层顶板形态。
(1)获取采区范围内的VSP测井数据、钻孔煤层数据及三维地震勘探数据；
(2)根据矿井地层特征和岩性变化，将地层由上而下划分为6个大的速度层，分别为：
①第四系(Q)～洛河组(K1l)，以黄土为主，层速度为VQ；
②洛河组(K1l)～宜君组(K1y)，以中粒砂岩为主，层速度为VK1l；
③宜君组(K1y)～安定组(J2a)，以砾岩为主，层速度为VK1y；
④安定组(J2a)～直罗组(J2z)，细粒砂岩和泥岩互层，层速度为VJ2a；
⑤直罗组(J2z)～延安组(J2y)，以细粒砂岩为主，泥岩次之，层速度为
VJ2z；
⑥延安组(J2y)～4煤层，以砂质泥岩为主，层速度为VJ2y；
(3)利用矿井范围内VSP单井测井资料和三维地震叠加速度体，经dix公式分别计算每口井位处该层段的层速度Vint。
(4)根据公式Vint＝Vf+λZmiddle (1)
以该层中点深度Zmiddle为横坐标，该层层速度Vint为纵坐标，利用区内所有井点的层速度资料，进行线性拟合，该线段的斜率值为常量λ值，和纵坐标的交点为Vf值。分层拟合，得到各地层的λ值和vf值。将vf网格化得到每层的vf平面图。
式中：Vint-层速度，Vf-速度常量，λ-斜率，常数，Zmiddle-目标层中点深度
(5)根据公式
式中：Z上一上覆地层的底界深度，△t下伏地层的单程旅行时
以vf平面图为基础，利用(2)式计算第四系的层速度VQ，由于第四系是地表岩层，因此Z上为0；得到第四系层速度VQ后，应用Landmark软件解释的第四系(Q)与洛河组(K1l)分界面T0网格进行乘法运算即可获得K1l顶界面的深度数据。
(6)用洛河组顶面深度作为Z上代入公式(2)，计算洛河组的层速度VK1l，再乘以该层分界面T0时间得到洛河组厚度，用该厚度加上洛河组顶面的深度得到宜君组顶面的深度。同理，计算出宜君组的层速度VK1y、地层厚度和顶界面深度；安定组的层速度VJ2a、地层厚度和顶界面深度；直罗组的层速度VJ2z、地层厚度和顶界面深度；延安组至4煤层区段的层速度VJ2y、地层厚度和4煤层顶界面深度。离散化地震数据体，形成1m×1m×1m的立体界面网格。
(7)经过离散化的地震数据体形成一个三维数据点构成的集合，结合钻孔点数据、巷道切眼数据的实测三维数据点，将三种不同格式的数据体换算成能够地质建模的空间三维点数据体集合，进行地震-钻孔-巷道数据融合；
(8)通过Kriging方法对上述数据融合体进行插值，应用大量钻孔数据和巷道数据对地震深度值进行约束，获得精确的煤层顶板数据形态。
由于矿区黄陇侏罗纪煤田，地质构造简单，但煤层起伏较大且具有一定趋势性，可以通过具有外部漂移的Kriging方法在进行内插；
(9)根据煤层顶板形态数据，应用商业三维建模软件进行精准地质建模，得到煤层顶板的精确三维地质模型。
步骤二：确定煤层顶板的最小水平主应力方向，按照煤层顶板的精确三维地质模型，沿煤层顶板的最小水平主应力方向施工水平定向长钻孔；水平定向长钻孔内下入钢制套管并进行水泥固井；
水平定向长钻孔至少为一个且间隔排布并能够覆盖工作面；
所述的最小水平主应力方向通过井下小型水力压裂试验测得。
即在煤层巷道内向煤层顶板内施工一个短钻孔，将短钻孔前后密封，使用压裂泵使岩石破裂，在短钻孔中放入内窥仪进行探视，观测孔壁破裂的方位角，将其设置为工作面最大主应力方向；取与最大主应力方向垂直的方向为最小水平主应力方向。
具体而言，应用地质导向技术在在难以冒落顶煤的煤层顶板沿最小水平主应力方向施工水平定向长钻孔，是指根据步骤一构建的精确三维地质模型内设置一组水平定向长钻孔，裸眼孔径大于等于Φ150mm，水平定向长钻孔的走向沿工作面最小水平主应力，水平定向长钻孔的孔底距离煤层顶板0.5～1.0m；
根据随钻测量数据确定水平定向长钻孔轨迹位置，控制水平定向长钻孔在目标煤层顶界以上0.5～1.0m范围内。
具体而言，水平定向长钻孔能够从切眼到采区大巷能够全覆盖，水平定向长钻孔平行布置，长度大于750m。
具体而言，由于水平布置在煤层顶板内，裂缝在顶板泥岩内的扩展速度要大于裂缝在煤层的扩展速度，从而牵引煤层中的裂缝在横向上快速延伸，因此顶板内裂缝长度大于煤层内裂缝长度。经过大量数值模拟试验及数值模拟试验，煤层内裂缝煤层裂缝长度与顶板裂缝长度比值，一般在0.7～0.9之间。
水平定向长钻孔的间隔距离按照(5)式计算，水平定向长钻孔的数量按照(6)式进行计算：
所述的水平定向长钻孔的数量按照下式进行计算：
式中：
H＝7.32e1.03Q
L为水平定向长钻孔的间隔距离，m；N为水平定向长钻孔的数量，个；M为采区大巷长度，m；γ为煤层裂缝长度与顶板裂缝长度比值，一般在0.7～0.9之间，无量纲；C为压裂液滤失系数，m/s0.5；Q为施工排量，m3/s；H为裂缝高度，m；Sp为压裂液初滤失，m3/m2；μ为牛顿流体粘度，Pa·s；G为岩石剪切模量，Pa；v为岩石泊松比；w(0，t)为缝口处椭圆断面t时刻裂缝最大宽度，m；t为正式开始压裂持续的时间，s；x为KGD水力裂缝模型下矩形框的半长，m；erfc(x)是x的误差补偿函数。
采区大巷长度M为1500m，最终计算得到，水平定向长钻孔的间隔距离L为300m，水平定向长钻孔的数量N等于5。
具体而言，施工完成后对水平定向长钻孔全孔进行洗井，冲至不再返出砂屑为止；套管16选取外径Φ110mm的钢制套管，钢制套管前端安装锥形引靴以利于减少摩擦，使用井下钻机设备依次拧紧管箍并将钢制套管推入设计深度；向钢制套管内高压注入含有速凝剂的水泥浆，在压力达到2MPa，锥形引靴前端活塞被压缩，水泥从引鞋前端开孔中进入钢制套管和孔壁之间的环空，持续高压注入水泥浆，充满孔壁和钢制套管的环空，直至返出孔口，侯凝48小时，形成水泥环17，完成固井作业，使钢制套管和水平定向长钻孔凝固呈一个整体，水平定向长钻孔结构参考图2。
具体施工过程中：为了将地面高压流体运输到井下，根据工区地层情况及步骤一所建模型，在地面向井下专用巷道施工贯通井，贯通井采用三开固井技术。
从地面向目标巷道内精准施工地面-巷道贯通井2，以保证将地面压裂装备的管束引致井下采区大巷5。在井底设计井-巷连接装置3，井-巷连接装置3初始端将地面压裂设备1和其密封连接，末端和巷道内高压管线密4封连接，以保证施工过程的安全。
该步骤具体包括：利用钻机由地面向目标层(采区大巷)施工地面-巷道贯通井2，孔深结构采用三开设计，以保证将地面压裂装备的油管引致井下工作面。一开从地表施工至基岩以下10m，孔径大于等于Φ300mm，下Φ255mm钢制套管，水泥固井；二开钻至采区大巷以上10m，孔径大于等于Φ210mm，下Φ195mm钢制套管，水泥固井；三开钻至目标层(采区大巷或者底板巷)，孔径大于等于Φ150mm，下Φ137mm钢制套管；在巷道顶部安装防抖动垫圈，在井底设计井-巷连接装置3，井-巷连接装置3上端地面压裂设备1和其密封连接，末端和巷道内高压管线密4封连接，以保证施工过程的安全。钻孔全孔取芯，进行地质编录，对煤层顶板及煤层采取岩石力学样品，测量煤层顶板和煤层的抗拉强度、剪切模量、杨氏模量、泊松比以及滤失系数等岩石物理参数。
压裂井口连接，地面井底端与井下长钻孔之间通过耐高压管道连接。
具体而言，将井-巷连接装置出口通过耐高压管连接至水平定向长钻孔井口(包含井-巷连接装置3、巷道内高压管线4以及水平定向井井口装置9等)，形成地面高压流体向煤矿井下长钻孔的输送通道，在井下巷道延展过程中直线段使用钢制油管进行连接，在巷道走向改变处使用耐高压软管进行连接，具体而言钢制管道每节3m，使用油壬连接并辅置于巷道侧壁，连接管道内径
满足大排量压裂要求。
步骤三：在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割，所述的定向喷砂密切割的方向为朝向目标煤层方向；
利用井下底封拖动分段压裂工具串在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割，其中井下底封拖动分段压裂工具串包含依次连接的密封接头15-1、器械液压丢手15-2、扶正器15-3、定向喷枪15-4、平衡阀15-5、封隔器15-6、接箍定位器15-7和引鞋15-8；
所述的定向喷枪包含依次连接的第一旋转密封短节15-4-1、定向喷头15-4-2、定向器15-4-3和第二旋转密封短节15-4-4，所述的第一旋转密封短节15-4-1和扶正器15-3连通，第二旋转密封短节15-4-4和平衡阀15-5连接；
所述的定向喷枪包含依次连接的旋转密封短节15-4-1、定向喷头15-4-2、定向器15-4-3和旋转密封短节15-4-1。
密封接头15-1：用于连接连续油管19，高压注水过程中防治接口处高压水外渗
机械液压丢手15-2：回拉连续油管19过程中，防止井下底封拖动分段压裂工具串15发生砂卡导致连续油管19不能收回，设置机械液压丢手15-2的目的是在上述情况下，当拉力大于5吨时，机械液压丢手15-2发生破坏，连续油管19和井下底封拖动分段压裂工具串15断开，可以继续回拉连续油管19，只把井下底封拖动分段压裂工具串遗留在孔内。
扶正器15-3：保证井下底封拖动分段压裂工具串15居于钻孔中间部位的装置。
定向喷枪15-4：垂直向下定向射孔专用工具。
平衡阀15-5：借助于液体压力使管柱产生压差，帮助封隔器15-6安全坐封，使得平衡阀能在井下反复开关，重复使用。
所述的平衡阀15-5用是为了配合底部封隔器实现解封，在底部封隔器解封时，平衡底部封隔器的压差，降低解封载荷；
封隔器15-6：封隔器15-6是在压裂过程中用来封隔压裂段和非压裂段的孔内工具。
接箍定位器15-7：基于电磁感应原理，测量孔中钢质套管接箍位置的仪器。
引鞋15-8：套在井下底封拖动分段压裂工具串15最前端的一个锥状体，防止井下底封拖动分段压裂工具串15碰到井壁，引导井下底封拖动分段压裂工具串15顺利下至井底。
所述的在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割利用上述的井下底封拖动分段压裂工具串在水平定向长钻孔内朝向目标煤层方向进行定向喷砂密切割；
包括如下步骤：
组装好井下底封拖动分段压裂工具串后，在密封接头上连接连续油管19，连续油管另一端连接井-巷连接装置3，将井下底封拖动分段压裂工具串15推入到达水平定向长钻孔内的设计位置，开始进行定向喷枪定向工作，定向喷枪15-4定向完成后，推动回拉连续油管19对封隔器15-6进行坐封，之后开启地面压裂设备1向连续油管内注入混砂压裂液，使用定向喷枪15-4对水平定向长钻孔套管16、水平定向长钻孔附近的煤层顶板14以及目标煤层11进行定向喷砂密切割。
首先进行管线试压，打开地面首先打开地面压裂井口1、井-巷连接装置3和控制计划施工水平定向长钻孔的巷道内耐压阀门，关闭长钻孔压裂井口9，开启地面压裂设备进行管线试验，压力由逐渐升值70MPa，地面高压管汇和井下高压管及连接装置持续15min无明显压力降、无渗漏，试压合格；
井下连续油管19前端安装井下底封拖动分段压裂工具串15，参考图3；井下底封拖动分段压裂工具串15有可定向射孔的定向喷枪15-4，参考图4。启动连续油管车。将井下底封拖动分段压裂工具串15推入到达设计位置，开始进行喷枪定向，当井下底封拖动分段压裂工具串15进入到水平定向长钻孔后，定向喷枪15-4定向钢珠在重力作用下，滚落到环空最下方，实现定向喷枪15-4的喷嘴的向下定向射孔。
推动回拉连续油管19对封隔器15-6进行坐封，使用地面压裂设备1向连续油管内注入混砂压裂液，使用定向喷枪15-4对水平定向长钻孔套管16及水泥环17、水平定向长钻孔附近的煤层顶板14以及目标煤层11进行定向喷砂密切割，参考图5。
具体而言，地面压裂装备射孔阶段排量大于等于3.0m3/min，压力大于等于70MPa，混砂液含砂率大于等于2％，磨料选择50～70目的石英砂；两个相邻压裂段之间间隔小于等于30m；
步骤四：井上井下联合对水平定向长钻孔开展压裂施工；
利用地面压裂设备1和井下设备(包含连续油管车6、注入头车7、井下压裂泵8)联合协作业对水平定向长钻孔12开展分段压裂施工；
定向喷砂密切割完成后，持续开启地面压裂设备1对连续油管19持续注入高压水；开启井下压裂泵8，持续注入混砂流体对套管16和连续油管之间19的套管油管环空20补充压裂液，利用伯努利原理，将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，继续冲蚀切割钢制套管16、水泥环17和地层(包括煤层顶板14以及目标煤层11)，地面-井下联合作业进行压裂，利用喷射流体增压和环空压力叠合大大超过煤层顶板及煤层的破裂压力，将顶煤11-1充分压裂破碎。
具体而言，井下压裂装备排量大于等于2.0m3/min，压力大于等于50MPa；地面压裂车排量大于等于3.0m3/min，压力大于等于70MPa，混砂液含砂率大于等于10％，磨料选择50～70目的石英砂；
具体而言步骤三和步骤四是连续作业的，井上下联合压裂技术是集大排量、无限分段、经济合理的定向射孔压裂一体化新技术，能够实现不动管柱一次性进行射孔和压裂联做对目标段进行密集切割，减少了作业时间，增加了工作效率。
观测到煤(岩)层破裂后，关闭地面压裂设备1及下井压裂泵8，带压回拉连续油管19解封封隔器15-6；封隔器15-6解封后，继续回拉连续油管19(不进行放喷)的使定向喷枪15-4移动至下一射孔目标段，直至全孔目标段全部完成切割及压裂工作。
步骤五：重复步骤三和步骤四，对所有水平定向长钻孔进行定向喷砂密切割以及压裂施工，完成顶煤的的改造；
为了减少缝间干扰，使用间隔法对水平定向长钻孔进行交替压裂。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，对每个水平定向长钻孔进行交替分段压裂施工。即先完成水平定向长钻孔Ⅰ12-1的压裂，其次进行水平定向长钻孔Ⅲ12-3的压裂，再次进行水平定向长钻孔Ⅱ12-2的压裂，之后进行水平定向长钻孔Ⅴ12-5和水平定向长钻孔Ⅳ12-4的压裂，依次完成采区所有工作面的水平定向长钻孔连续分段压裂。
步骤六：开采底煤，经过改造的顶煤在覆岩压力下自然冒落，提高了放顶煤的回采率。
参考图1，由于提前对顶煤进行了破碎化改造，顶煤的完整性大大降低，在支架的上下反复活动下，使顶煤破碎更加充分，顶煤可随着底煤的采出及时垮落，提高回采率。
本专利提出的一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，该技术通过煤层顶板水平定向长钻孔向目标顶煤中注入高压水，当水压达到煤岩体起裂压力时，煤层顶板及顶煤产生裂缝并延展，破坏顶煤的完整性，改变其力学特性，从而达到弱化煤岩体、提高顶煤回采率的目的。
本发明可以使采用常规放顶方法难以冒落的顶煤内部形成数量众多，方位和长度基本均衡的密集裂缝网，提前人工预裂了难以冒落的顶煤，降低了顶煤的整体强度，从而能够使顶煤能够充分冒落，进而提高放顶煤回采率。
以上所述的，仅是本发明的较优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，不经创造性劳动想到的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建目标煤层的煤层顶板的精确三维地质模型；
步骤二：确定煤层顶板的最小水平主应力方向，按照煤层顶板的精确三维地质模型，沿煤层顶板的最小水平主应力方向施工水平定向长钻孔；
水平定向长钻孔至少为一个且间隔排布并能够覆盖工作面；
步骤三：在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割，所述的定向喷砂密切割的方向为朝向目标煤层方向；
步骤四：井上井下联合对水平定向长钻孔开展压裂施工；
步骤五：重复步骤三和步骤四，对所有水平定向长钻孔进行定向喷砂密切割以及压裂施工，完成顶煤的改造；
步骤六：开采底煤，经过改造的顶煤在覆岩压力下自然冒落，提高了放顶煤的回采率。
2.如权利要求1所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的构建目标煤层煤层顶板的精确三维地质模型包括：
应用工作面范围内的巷道钻孔数据、切眼地质采样数据、三维地震解析数据、煤层顶板等高线数据集合作为样本数据，使用Kriging方法对已知数据进行差值，获得精确的煤层顶板地质形态。
3.如权利要求1所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的最小水平主应力方向确定方法为：通过井下小型水力压裂试验测得。
4.如权利要求3所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，施工水平定向长钻孔时，根据施工过程中随钻测量数据确定水平定向长钻孔的位置，保证水平定向长钻孔的位置在煤层顶板中并且在目标煤层顶界以上0.5～1.0m范围内。
5.如权利要求4所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的水平定向长钻孔的间隔距离按照下式计算：
所述的水平定向长钻孔的数量按照下式进行计算：
式中：
H＝7.32e1.03Q
L为水平定向长钻孔的间隔距离，m；N为水平定向长钻孔的数量，个；M为采区大巷长度，m；γ为煤层裂缝长度与顶板裂缝长度比值，无量纲；C为压裂液滤失系数，m/s0.5；Q为施工排量，m3/s；H为裂缝高度，m；w为任意处裂缝宽度，m；Sp为压裂液初滤失，m3/m2；μ为牛顿流体粘度，Pa·s；G为岩石剪切模量，Pa；v为岩石泊松比；w(0，t)为缝口处椭圆断面t时刻裂缝最大宽度，m；t为正式开始压裂持续的时间，s；x为KGD水力裂缝模型下矩形框的半长，m；erfc(x)是x的误差补偿函数。
6.如权利要求1所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的井下底封拖动分段压裂工具串包含依次连接的密封接头、器械液压丢手、扶正器、定向喷枪、平衡阀、封隔器、接箍定位器和引鞋；
所述的密封接头用于连接连续油管；
所述的机械液压丢手用于防止井下底封拖动分段压裂工具串发生砂卡导致连续油管不能收回；
所述的扶正器用于保证井下底封拖动分段压裂工具串居于水平定向长钻孔中间部位；
所述的定向喷枪用于垂直向下定向射孔；
所述的平衡阀用是为了配合底部封隔器实现解封，在底部封隔器解封时，平衡底部封隔器的压差，降低解封载荷；
所述的封隔器用于封隔压裂段和非压裂段；
所述的接箍定位器用于测量孔中钢质套管接箍位置；
所述的引鞋用于防止井下底封拖动分段压裂工具串碰到井壁；
所述的定向喷枪包含依次连接的第一旋转密封短节、定向喷头、定向器和第二旋转密封短节，所述的第一旋转密封短节和扶正器连通，第二旋转密封短节和平衡阀连接。
7.如权利要求6所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的在水平定向长钻孔内进行定向喷砂密切割利用如权利要求5所述的井下底封拖动分段压裂工具串在水平定向长钻孔内朝向目标煤层方向进行定向喷砂密切割；
包括如下步骤：
将组装好的井下底封拖动分段压裂工具串推入到达水平定向长钻孔内的设计位置，完成定向喷枪的定向；使用定向喷枪对水平定向长钻孔、水平定向长钻孔附近的煤层顶板以及目标煤层进行定向喷砂密切割，完成定向喷砂密切割后，移动井下底封拖动分段压裂工具串到下一个水平定向长钻孔内的设计位置，重复以上操作直至整个水平定向长钻孔完成定向喷砂密切割。
8.如权利要求1所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的对水平定向长钻孔进行定向喷砂密切割之前，在水平定向长钻孔内下入钢制套管并进行水泥固井。
9.如权利要求1所述的基于井上下联合作业的区域化提高放顶煤回采率方法，其特征在于，所述的水平定向长钻孔内下入钢制套管并进行水泥固井包括：
水平定向长钻孔施工完成后，对水平定向长钻孔进行洗井，冲至不再返出砂屑；
选取小于水平定向长钻孔直径一个等级的钢制套管，钢制套管前端安装锥形引鞋，一次拧紧管箍并将钢制套管推入设计深度；向钢制套管内高压注入含有速凝剂的水泥浆，水泥浆被充满水平定向长钻孔孔壁和钢制套管的环空，直至返出孔口，候凝48小时，完成固井作业，使钢制套管和水平定向长钻孔凝固呈一个整体。
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|---|---|---|---|---|
| CN115982832A (zh) * | 2023-03-16 | 2023-04-18 | 成都信息工程大学 | 一种rtts封隔器井筒内坐封位置分析方法 |
| CN116122774A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-05-16 | 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 | 极近距离煤层井上下联合作业合层瓦斯抽采区域防突方法 |
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| CN115982832A (zh) * | 2023-03-16 | 2023-04-18 | 成都信息工程大学 | 一种rtts封隔器井筒内坐封位置分析方法 |
| CN115982832B (zh) * | 2023-03-16 | 2023-06-09 | 成都信息工程大学 | 一种rtts封隔器井筒内坐封位置分析方法 |
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