CN115726756A - 煤矿瓦斯治理及区域消突方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿瓦斯治理及区域消突方法，所述方法包括：在井下采面或煤巷条带区域目标煤层或煤层顶、底板布置水平长钻孔并进行施工；使用压裂管线建立煤矿井下采面或煤巷条带水平长钻孔与地面压裂设备间的管线连接通道，地面压裂设备使用石油天然气压裂的大功率压裂设备；利用经由所述管线连接通道输送的来自地面压裂设备的压裂介质，对所述采面或煤巷条带区域目标煤层或煤层顶、底板进行压裂,建立瓦斯运移通道；在采面两巷或与所述目标煤层邻近的岩巷布置顺煤层或穿煤层瓦斯抽采短钻孔，所述瓦斯抽采短钻孔与井下瓦斯抽采管道连通，利用井下水平长钻孔压裂和井下瓦斯抽采短钻孔抽采，实现采面或煤巷条带瓦斯区域抽采及区域消突。

Description

煤矿瓦斯治理及区域消突方法

技术领域

本申请涉及煤矿井下瓦斯治理及区域消突技术，具体涉及一种煤矿井下采煤工作面(以下简称“采面”)或煤巷条带区域水平长钻孔压裂+短钻孔抽采的瓦斯治理及区域消突方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿井下含瓦斯煤岩体向采掘空间急剧运动、并伴随大量瓦斯喷出的一种强烈动力过程，是一种极为复杂严重的煤矿自然灾害，严重威胁着煤矿安全生产。国家政策法规要求煤矿在开采前需将吨煤瓦斯含量和瓦斯压力降到国家规定的标准以下。

为了降低煤层中的瓦斯压力，目前通常采用从采面相邻的岩巷布置穿煤层钻孔或从已开掘的采面煤巷(以下简称“两巷”)布置顺煤层钻孔，进行瓦斯抽采和区域消突。但我国的煤层渗透率普遍偏低、压力传导慢，局部钻孔，瓦斯抽采效率很低，无法快速形成大面积降压区域。

为了提高煤层透气性(渗透率)这一问题，目前多数煤矿对低渗煤层，采用水力冲孔、水力割缝、深孔松爆、二氧化碳预裂等煤层增透措施来提高瓦斯抽采效率，但是这些方法增透范围直径不超过10m；井下水力压裂增透范围直径不超过30m，均存在增透范围小的缺点。

为了克服增透范围小的缺点，目前通常采用“地面钻井+地面水力压裂”的方式，地面钻井包括钻垂直井段、造斜井段和顺煤层水平延伸的水平井段，然后用煤层压裂介质，将煤层压裂，得到大范围的煤层裂缝，从而使瓦斯气从煤层裂缝中析出，然后再通过地面抽采井或井下瓦斯抽采短钻孔将瓦斯气抽出。该方法可称为地面压裂+地面或井下抽采消突的方法。

虽然该方法具有增透范围大、裂缝导流能力强、维持时间长等优点，但因为其需要经过地面打井、井下造斜以及水平钻孔等一系列工艺流程，存在使用设备多(包括地面钻井设备和造斜设备)、成本高、建井施工周期长，瓦斯抽采之前还需经过漫长的排水、降压的过程，故抽采达标时间长等弊端，不能满足低渗煤层煤矿所需要的快速、安全、经济抽采瓦斯和区域消突的目的。

有鉴于此，现有技术开创了在煤矿井下钻水平井，在井下压裂煤层的方法。在井下钻水平井省略了地面打井的直井段、造斜段，节省了大量建井成本和缩短了钻井施工周期，一般工期可缩短至10-15天。

但现有技术在井下打水平钻孔，钻机一般都布置在岩巷，从岩巷到煤层，尚需倾斜钻穿岩层，穿岩层的斜井段还需要固井，亦有一定的成本。

井下钻水平井，还受煤矿井下条件的限制，如会受到井下钻机、钻头润滑剂、井下泵压力小等因素的影响，故现有技术在井下钻的水平钻孔长度一般不太长，不能满足一次性大面积消突的需求。

传统井下钻孔，使用的是普通井下钻机。施工是从采面两巷就近钻孔。就近钻孔，很容易打入煤层，但普通井下钻机一般只能沿直线延伸，遇到煤层起伏、断层等特殊地质构造，钻孔易打穿煤层顶板或底板，进入岩层，压裂作业后，会导致采面中部煤层出现未被压裂的空白带。

另外，钻井需要给钻头降温和润滑。传统最佳钻头降温和润滑剂是泥浆，但井下往往没有设置泥浆池的场地，也没有制备泥浆的材料，所以井下钻井只能使用井下容易获得的水作为钻头润滑剂。水的润滑效果不如泥浆，在高速钻井和钻压高的情况下，钻头温度会很高，容易损坏钻头。

井下压裂介质也不同于地面的压裂介质。井下一般用清水作为压裂介质，而地面压裂介质一般是水和砂的混合物，砂在压裂、排水后，可以留在煤层裂缝中用于支撑裂缝，阻止煤层裂缝重新闭合，而造成煤层瓦斯渗透性下降。

井下压裂的动力来自井下的压力泵，井下压力泵的排量很小，一般不超过0.5m3/min，排量小，压裂的范围就小，如上文所述，井下水压裂的压裂直径一般不超过30m，不能达到充分压裂拟治理煤层区域的要求，结果只是给煤层中注水。在煤层中注水对开采煤层降低粉尘有一定的作用，但注入煤层中的水堵塞了煤层中刚压裂形成的缝隙或原有的缝隙，排水后，因缝隙没有砂的支撑，会重新闭合，从而更不利瓦斯解吸和抽采。

煤层压裂效果与压力泵的排量关系密切，单位时间内压入煤层的介质越多，产生的煤层裂缝也越多，即泵排量为一个恒定量时，压裂的缝隙及压裂范围就基本确定了。

受上述种种原因影响，井下钻孔长度都不太长，井下压裂的效率较低。

所以高效、低成本地增强煤层透气性，提高瓦斯治理的抽采效率，实现快速、安全的大面积区域消突是煤矿生产的迫切需求。

发明内容

为解决上述现有技术存在的技术问题，

本发明提供了一种高效、低成本地增强煤层透气性，提高瓦斯治理的抽采效率，快速、安全大面积区域消突方法；

本发明提供一种在煤矿井下钻水平长钻孔方法。

本发明提供一种在煤矿井下采面钻水平长钻孔方法。

本发明提供一种在煤矿井下采面钻水平长钻孔、分段压裂的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的实施例提供一种煤矿瓦斯治理及区域消突方法，所述方法包括：

在井下采煤工作面(采面)或煤巷条带钻水平长钻孔，水平延伸段裸眼完井，压裂煤层；在井下钻瓦斯抽采短钻孔，抽采瓦斯；

使用石油天然气领域所使用的大功率地面压裂设备；

使用压裂管线建立煤矿井下采面或煤巷条带所述水平长钻孔与所述地面压裂设备间的管线连接通道；

利用经由所述压裂管线输送的来自所述地面压裂设备的压裂介质，对所述采面的目标煤层或所述煤层顶、底板进行压裂；

建立瓦斯抽采通道，所述瓦斯抽采通道由井下水平长钻孔、瓦斯抽采短钻孔和井下瓦斯抽采管道组成，在采面两巷或邻近岩巷布置若干顺煤层或穿煤层瓦斯抽采短钻孔，主要利用所述井下瓦斯抽采短钻孔抽采瓦斯。

在上述方案中，煤矿井下采面的所述水平长钻孔可布置于煤层，也可布置于煤层顶板层或煤层底板层。其孔口位置可布置在煤巷、煤层高位巷或煤层底位巷。

煤属于页压岩，不同煤质的硬度不一致，越硬越脆越容易形成裂缝，有些泥煤、或烟煤较松软，压裂不易生成太多的裂缝，故在上述煤质的情况下，可选择在煤层的顶板或底板岩层钻压裂孔，一般岩层比煤层硬度高，极易形成丰富的裂缝。

在煤层的顶板或底板岩层钻压裂孔时，不能离煤层太远，一般在0-6米。在顶板钻孔时，该限距称作第一阈值，在底板钻孔时，该限距称作第二阈值。

上述方案中，在煤层顶板钻孔是沿煤层与煤层顶板交界面钻孔，钻孔与煤层之间的距离小于或等于第一阈值；沿煤层底板钻孔是在煤层与底板交界面钻孔，钻孔与煤层之间的距离小于或等于第二阈值。

在本发明的一个实施例中，根据煤层和煤层顶底板压裂系数不断变化的情况，煤矿井下采面或煤巷条带区域的所述水平长钻孔的孔眼轨迹可全部位于煤层，也可部分位于煤层、部分位于煤层顶板层或煤层底板层，呈蛇形状。

上述方案中，通过对井下采面所述水平长钻孔注入的所述压裂介质的压力和液量的控制，实现对区域压裂的范围控制，注入煤层的所述压裂介质的压力和液量，根据压裂范围、煤层厚度、煤质硬度等参数确定，所述压裂介质的注入压力≥20MPa，≤115MPa，所述压裂介质排量5-9m³/min。

所述水平长钻孔长度小于或等于拟治理和消突的采煤工作面的推采长度或拟治理和消突的煤巷条带的长度，长度可达200-1000多米。

由于油气领域所用的大功率压裂设备体积较大，不适于放置到井下，所以为了使放置在地面的大功率压裂设备与井下水平长钻孔的孔口连接，本发明提供所述地面压裂设备与井下水平长钻孔间连接的管线连接通道。所述管线连接通道是由油管连接起来的压裂管线，所述压裂管线利用煤矿的巷道从地面一直铺设到井下水平长钻孔的孔口；或从地面钻孔或利用废弃的地面井，通过所述地面钻孔或所述废弃的地面井，将所述地面压裂设备与所述井下水平长钻孔的孔口进行连接。

上述方案中，所述水平长钻孔与所述地面压裂设备间的所述管线连接通道，用于输送压裂介质，所述压裂介质包括且不限于水、砂混合液、纯氮气、氮气泡沫液体。所述压裂介质的具体成分、比例根据煤层或岩层的特质进行选择。

所述压裂管线的直径设计依据压裂介质摩擦阻力系数、本地区煤层或煤层顶板、底板破裂压力梯度、以及煤层厚度等参数确定。

在上述方案中，在所述目标煤层的主煤巷(采面两巷)内或与所述目标煤层邻近的岩巷内布置钻场；

为了避免煤矿用普通钻机缺乏钻进方向的灵活性，在所述钻场内采用定向钻机施工水平长钻孔。可以追随煤层的起伏，变换方向，始终使钻孔保持在煤层和贴近煤层的煤层顶板、底板中向前延伸。

为了在井下打出水平长钻孔，甚至是水平超长钻孔，本发明还可以使用定向千米钻机。

本发明的煤矿井下采面水平长钻孔瓦斯治理及区域消突方法，既适于采煤工作面的压裂消突，也适用于煤巷条带的压裂消突。

本发明还包括：

在采面两巷或邻近的岩巷布置井下瓦斯抽采短钻孔，建立瓦斯抽采通道，主要利用所述井下瓦斯抽采短钻孔，抽采拟治理区域的瓦斯，从而实现区域消突。

所述井下瓦斯抽采短钻孔是从与所述目标煤层邻近的上、下岩巷或从已开掘的采面两巷向所述目标煤层钻的短钻孔；

所述井下瓦斯抽采短钻孔布置在所述水平长钻孔对所述目标煤层或煤层顶、底板压裂后得到的若干个网状裂缝区域，在每个所述网状裂缝区域内钻一个或多个井下瓦斯抽采短钻孔，并汇总到所述瓦斯抽采管道，建立瓦斯抽采通道；

所述瓦斯抽采通道还包括多组瓦斯抽采短钻孔，在分段压裂形成多个压裂区域时，分别针对每个压裂区域从采面两巷或邻近岩巷钻多组顺煤层或穿煤层瓦斯抽采短钻孔；

从采面两巷布置的所述顺煤层瓦斯抽采短钻孔长度为采面长度的一半，或略短于或略长于采面长度的一半；

所述顺煤层瓦斯抽采短钻孔的间隔距离计算公式为：

S＝(Q·T)/[L·M·γ(Wy﹣Wd)]；其中，S表示短钻孔间距，Q表示短钻孔单孔抽采量，T表示煤层瓦斯抽采达标时间，L表示短钻孔长度，M表示煤层厚度，γ表示煤的容重，Wy表示煤层原始瓦斯含量，Wd表示抽采达标煤层瓦斯含量；

在所述瓦斯抽采短钻孔的孔口安设防喷装置，防止钻进过程中压裂介质或瓦斯突然喷出。

上述方案中，该方法进一步包括：

利用所述瓦斯抽采管道对所述压裂区域的煤层瓦斯进行正压或负压抽采。

上述方案中，还可以包括：

在所述水平长钻孔内下入分段压裂工具，对所述采面目标煤层或所述煤层顶、底板进行分段压裂。

所述分段压裂工具包括且不限于裸眼封隔裸眼封隔器、套管封隔器、双向锚定封隔器、液压封隔器、轨道封隔器等。

上述方案中，该方法还可以包括：在煤层和煤层的顶板或底板岩层同时钻所述水平压裂钻孔，或在煤层的顶板和底板岩层同时钻水平长钻孔。

同时在煤层和煤层的顶板或底板岩层钻孔，或同时在煤层的顶板和底板岩层钻孔，压裂时可依次对顶板或底板岩层降压排水。煤层的上侧或下侧压力降低，另一侧的压力会向上或向下进一步压裂顶板或底板和煤层，使煤层裂缝体系进一步发育，进一步提高煤层瓦斯析出率。

本申请提供的技术方案，是一种高效、低成本地增强煤层透气性，提高瓦斯治理的抽采效率，快速、安全大面积区域消突方法。与现有技术相比，在煤层的顶板或底板岩层钻压裂孔，或者在煤层和煤层的顶板或底板分段钻压裂孔，会在煤层顶板、底板与煤层之间形成相互交织的裂缝体系，可提高瓦斯的解吸率。由于使用了强大的地面压裂设备，在逐段压裂时，每一段的压裂范围都大于现有技术井下单段压裂的范围，由于本申请分段压裂的单段压裂范围直径大，故每段的间隔可以较大，这样在相同的时间段中压裂的范围，比现有技术的单段压裂范围宽得多，长得多。远远大于煤矿井下现有方法的增透面积、透气性(渗透性)和抽采效率。本发明的井下水平长钻孔的长度可达200-1000多米，比现有技术的不超百米的水平钻井，超出几倍到十数倍。所以能快速实现采面瓦斯抽采和区域消突。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例的煤矿井下采面水平长钻孔压裂瓦斯治理及区域消突方法的实现流程图；

图2是本申请一个优选实施例的煤矿井下采面水平长钻孔分段压裂瓦斯治理及区域消突方法的实现流程图；

图3为本申请一个优选实施例的井下煤层和煤层顶、底板岩层剖面示意图；

图4为本申请一个优选实施例的采面水平长钻孔布置及分段压裂示意图；

图5为本申请一个优选实施例的裸眼封隔器多级滑套分段压裂管柱示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分示例性的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不与本发明创新思想冲突的情况下，本申请中的实施例特征可以相互任意组合。在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在介绍本申请实施例的技术方案之前，先对本申请所提到的几个技术术语进行说明：

1)长钻孔：一般相对于短钻孔而言，在煤矿井下进行钻孔施工时，其长度取决于地质条件、钻机性能以及实际需求。短钻孔用矿用普通钻机施工，长度一般不超过200m，多数在100m左右。200m以上的长钻孔需用千米定向钻机施工，若地质条件稳定长度可达1000m，多数为300～500m。油气开采钻机的钻进能力大，从地面钻井一般水平钻井长度在1000m以上。

本申请中的长钻孔是指井下水平长钻孔，其长度≧200m，甚至超过1000m。

2)水平长钻孔：顺着煤层或岩层平行延伸较长的钻孔。在现有技术井下水平长钻孔的语境下，是指长度≦200m的长钻孔。

3)钻场：煤矿井下为进行钻孔施工而布置的、安置钻机的场所。本申请施工水平长钻孔时，钻场分情况布置在岩巷或煤巷。施工井下采气短钻孔时，钻场布置在煤层主煤巷(采面两巷)或邻近岩巷。

4)采煤工作面：简称采面。采煤之前，先顺着煤层平行掘进2条巷道(一条进风巷、一条回风巷)，当掘至设计边界时，再掘煤巷将两巷联通，形成U型，这条联巷称为切眼。在切眼内安装采煤机、可弯曲刮板输送机、自移式液压支架后，便可顺着两巷往回采煤，所以采煤工作面又称回采工作面。切眼的长度即为采面的长度，炮采工作面的长度80-150m，综(综合机械化)采工作面的长度150m以上。采面推采的长度接近两巷的长度，几百米-几千米，长度不等。

5)采面两巷：指采面进风巷、回风巷。一般情况下，进风巷安装胶带输送机，运输煤炭，做为主运输；回风巷铺设轨道，运送设备、材料，做为辅运输，所以采面两巷又叫采面胶带巷、轨道巷。

6)回采区域：由采面两巷、切眼，呈U型圈定的区域。

7)煤巷条带：顺着煤层掘进的巷道，叫做煤巷。煤巷条带是指煤巷及其两侧一定范围内的煤层构成的条带区域。倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮轮廓线外至少10m(均为沿煤层层面方向的距离)；缓倾斜煤层为巷道两侧轮廓线外至少各15m。

煤巷条带的最小宽度＝20m+巷宽+10m＝15m+巷宽+15m＝30m+巷宽≈

35m。

突出煤层中，煤巷(包括上山、下山、采面两巷及切眼等)掘进所采取的区域防突措施控制的煤巷条带的宽度均不得低于35m。

8)煤层水力压裂：是一项从石油、天然气开采领域借用到煤矿消突领域的技术措施。煤层水力压裂方式分为地面压裂方式和井下压裂方式两种。不管哪种方式都是利用压力泵组，通过高压管线向煤层挤注具有较高粘度的压裂介质，当注入压裂介质的速度超过煤层或煤层顶板或底板的吸收能力时，且压力超过煤层或煤层顶板或底板的破裂压力值时，煤层或煤层顶板或底板将被压裂开并产生裂缝。为了使压开的裂缝保持张开状态，使其不重新闭合，一般会随水向煤层挤入支撑剂，通常是石英砂。

地面压裂泵组排量大，可达5-9m³/min，可支持数百米长，甚至上千米长的水平井的压裂，压裂效果可达百米宽，数百米甚至上千米长的范围。

现有技术的煤矿井下压裂，由于矿用压裂泵组排量很小，一般不超0.5m³/min，压裂后增透改造面积宽度小于30米，长度短于60米，压裂范围小。

本申请井下压裂是利用油气压裂设备，在地面实施压裂，压裂泵组排量大，增透改造范围大，在实际工程上增透改造范围可达200余米宽，500米甚至千米以上长。

9)瓦斯治理和消突：包括局部瓦斯治理和消突及区域瓦斯治理和消突，其中区域瓦斯消突的范围远大于局部瓦斯消突的范围。与局部瓦斯治理和消突相比，区域瓦斯治理和消突方法单孔压裂增透和抽采的范围大，可加快瓦斯抽采速度。本申请的瓦斯治理和消突为后者，即区域瓦斯治理和消突。现有技术中井下钻孔、压裂瓦斯治理和消突方案主要是前者，即局部消突。

在现有技术文件中不乏上述技术用语，但在本申请的语境中它们多多少少都有其量甚至是质的区别。

如图1所示，本发明一个实施例的煤矿井下采面水平长钻孔压裂和瓦斯抽采短钻孔抽采的区域消突方法包括：

S(步骤)101：在煤矿井下目标煤层的采面或贴近目标煤层顶、底板的岩层进行水平长钻孔的孔口布置，在布置的孔口处进行采面水平长钻孔施工；

本步骤中，位于采面的煤层，即可视为目标煤层。在具体实施上，在目标煤层或邻近岩层布置钻场；在钻场内施工采面水平长钻孔。施工前先进行孔位布置，如钻孔的孔口、孔底的位置和孔身轨迹，然后利用定向钻机按照设计轨迹进行施工，钻出采面水平长钻孔。利用所布置的所述水平长钻孔对所述采面目标煤层进行压裂得到的区域网状裂缝。

S102：使用压裂管线建立煤矿井下采面水平长钻孔与地面压裂设备间的管线连接通道；

本步骤中，在建立管线连接通道之前，先确定所述压裂管线钢管的型号和铺设方式；使用确定好型号的管线钢管，并按预设的铺设方式进行压裂管线铺设，建立井下采面水平长钻孔与地面压裂设备间的管线连接通道；所述压裂管线的设计依据压裂介质摩阻系数、本区域煤层或煤层顶板或底板破裂压力梯度，以及煤层厚度确定。相当于根据目标煤层的实际作业条件和压裂管线的自身属性如摩阻来确定压裂管线的设计参数，实现工程使用的安全性、可靠性和经济性。

S103：利用经由所述管线连接通道输送的来自地面压裂设备的压裂介质、对所述目标煤层或煤层顶、底板进行压裂；

本步骤中，压裂设备为地面压裂设备，如压裂机组等，地面压裂机组向井下提供压裂介质以供压裂。本申请实施例中采用的压裂技术，与相关技术中的井下泵组压裂相比，压裂范围被扩大。可以理解，在压裂过程中，压裂介质的流量和压力可根据实际情况进行控制，从而实现对压裂范围的控制，以实现期望压裂的范围。

S104：建立瓦斯抽采通道，所述瓦斯抽采通道主要由井下瓦斯抽采短钻孔和井下瓦斯抽采管道组成，利用所述井下瓦斯抽采通道，实现对采面瓦斯区域抽采和区域消突。

所述瓦斯抽采短钻孔从邻近目标煤层的上、下岩石巷道或已开掘的主煤巷(采面两巷)向采面目标煤层钻进。

由于煤层经过压裂造缝，煤层内含有大量水和压裂砂，压力较高，因此在施工瓦斯抽采短钻孔时，孔口必须安装专用瓦斯防喷装置，防止压裂介质或瓦斯突然喷出。该防喷装置与常规井下防喷装置最大的不同在于具有承压能力强、喷孔时卡瓦抱死速度快的特点。

如图2所示，本发明另一优选实施例的煤矿井下采面水平长钻孔分段压裂瓦斯治理及区域消突方法，包括：

S(步骤)101：在煤矿井下目标煤层的采面或贴近目标煤层顶、底板的岩层进行水平长钻孔的孔口布置，在布置的孔口处进行采面水平长钻孔施工；

本步骤中，位于采面的煤层，即可视为目标煤层。在具体实施上，在目标煤层或邻近岩层布置钻场；在钻场内施工采面水平长钻孔。施工前先进行孔位布置，如钻孔的孔口、孔底的位置和孔身轨迹，然后利用定向钻机按照设计轨迹进行施工，钻出采面水平长钻孔。利用所布置的所述水平长钻孔对所述采面目标煤层进行压裂得到的区域网状裂缝。

S102：在所述煤矿井下采面水平长钻孔内下入分段压裂工具；

本步骤中，利用井下钻机将分段压裂工具按顺序下入采面水平长钻孔中。

S103：使用压裂管线建立煤矿井下采面水平长钻孔与地面压裂设备间的管线连接通道；

本步骤中，在建立管线连接通道之前，先确定所述压裂管线钢管的型号和铺设方式；使用确定好型号的管线钢管，并按预设的铺设方式进行压裂管线铺设，建立井下采面水平长钻孔与地面压裂设备间的管线连接通道；所述压裂管线的设计依据压裂介质摩阻系数、本区域煤层或煤层顶板或底板破裂压力梯度，以及煤层厚度确定。相当于根据目标煤层的实际作业条件和压裂管线的自身属性如摩阻来确定压裂管线的设计参数，实现工程使用的安全性、可靠性和经济性。

S104：利用经由所述管线连接通道输送的来自地面压裂设备的压裂介质、对所述目标煤层或煤层顶、底板进行分段压裂；

本步骤中，压裂设备为地面压裂设备，如压裂机组等，地面压裂机组向井下提供压裂介质以供压裂。本申请实施例中采用的分段压裂技术，与相关技术中的单段压裂相比，压裂范围被扩大。可以理解，在压裂过程中，压裂介质的流量和压力可根据实际情况进行控制，从而实现对压裂范围的控制，以实现期望压裂的范围。

S105：建立瓦斯抽采通道，所述瓦斯抽采通道主要由井下瓦斯抽采短钻孔和井下瓦斯抽采管道组成，利用所述井下瓦斯抽采通道，实现对采面瓦斯区域抽采和区域消突。

所述瓦斯抽采短钻孔从邻近目标煤层的上、下岩石巷道或已开掘的主煤巷(采面两巷)向采面目标煤层钻进。

由于煤层经过压裂造缝，煤层内含有大量水和压裂砂，压力较高，因此在施工瓦斯抽采短钻孔时，孔口必须安装专用瓦斯防喷装置，防止压裂介质或瓦斯突然喷出。该防喷装置与常规井下防喷装置最大的不同在于具有承压能力强、喷孔时卡瓦抱死速度快的特点。

所述建立瓦斯抽采短钻孔与一个抽采孔口装置相连，所述抽采孔口装置具有放压油嘴、气水分离器、瓦斯计量装置，并与瓦斯抽采管线、排水管线、负压抽采管路连接。所述抽采孔口装置至少有三个接口，一端与防气、水喷出装置连接，一端安装压力表用于观察孔口压力变化情况，一端连接放压油嘴，以及瓦斯抽采后续流程的装置，如气水分离器、瓦斯计量装置、瓦斯抽采管线、排水管线、负压抽采管路等。压裂施工后，打开抽采流程阀门，观察孔口压力表，通过放压油嘴进行放压抽采操作。

在本发明的另一实例中，井下分段压裂水平长钻孔同时也作为一个采气钻孔，该钻孔也需安装一个防气、水喷出装置，所述防气、水喷出装置与一个孔口装置连接，所述孔口装置具有放压油嘴、气水分离器、瓦斯计量装置，并与瓦斯抽采管线、排水管线、负压抽采管路连接；所述孔口装置至少有四个接口，一端与防气、水喷出装置连接，防气、水喷出装置的另一端与用于抽采瓦斯的水平长钻孔孔口连接)，一端与压裂管线连接，一端安装压力表用于观察孔口压力变化情况，一端连接所述放压油嘴及其下游的瓦斯抽采后续流程的装置。在煤层压裂施工前，关闭与抽采流程所连接的孔口阀门，压裂施工后，关闭压裂管线阀门，打开抽采流程阀门，观察孔口压力表，通过放压油嘴进行放压抽采操作。

井下分段压裂水平长钻孔和瓦斯抽采短钻孔抽采方式与常规井下抽采方式不同，不可直接将负压抽采管路与孔口相连，避免造成大量压裂介质涌入负压抽采管路，造成负压抽采管路堵塞。

整个抽采过程分为降压排液、正压抽采、负压抽采三个阶段。

(1)降压排液阶段：控制排量将煤层内水排出，缓慢降低煤层压力，使瓦斯气产出，通过调节孔口装置的放压油嘴，控制排水量以及降压速度，速度过快容易造成裂缝内的砂子随水排出，导致裂缝再次闭合，降压过慢则导致抽采时间过长，无法在最短的时间内达到抽采要求。因此要根据水的单向流数学模型，计算出该阶段的最合适降压速度以及排水量，在保护煤层裂缝在不会过早闭合的前提下，尽快将孔口压力降至解析压力以下，达到正压抽采条件；

(2)正压抽采阶段：随着孔口压力的不断下降，煤层解析面积增加，瓦斯产出量也会逐渐上升，此时合理的压降速度是确保瓦斯抽采量的重要手段，压降速度过快，瓦斯解析量过多会导致煤层中的压裂砂随流速过快的气体产出，一旦煤层出砂过多会造成煤层裂缝闭合，透气性降低的现象，因此，要控制孔口的出水量，减缓储层中瓦斯气体的解析速度，让远端的水能够流动产出，进一步增大解析面积，直至孔口压力降至为0，正压抽采结束，进入负压抽采阶段。

(3)负压抽采阶段：

当孔口压力降至为0时，说明煤层解析面积已扩展至最大，抽采量会逐渐降低，此时需采用煤矿井下负压抽采管路进行抽采，通过调整负压强度将煤层内的残余瓦斯抽出，将煤层内瓦斯含量降至最低。此阶段以调整负压强度为控制核心，避免因负压强度过大，导致孔内的压裂砂及煤粉被抽出，从而造成煤层渗透率的降低。

本申请的一个实施例中，所述井下水平长钻孔在主煤巷纵向采面开凿，其孔眼轨迹为采用顺煤层钻孔、沿煤层顶板钻孔、沿煤层底板钻孔的孔眼轨迹的其中一种或几种的组合。从钻孔轨迹的角度来看，所述顺煤层钻孔孔眼轨迹平行于主煤巷(采面两巷)。

所述沿煤层顶板钻孔距煤层的距离应小于或等于第一阈值；所述沿煤层底板钻孔距煤层的距离应小于或等于第二阈值。

所述采面水平长钻孔的孔眼轨迹采用顺煤层钻孔、或沿煤层顶板、底板钻孔的孔眼轨迹中的一种或几种组合。

所述采面水平长钻孔的长度通常小于或等于拟治理消突区域的长度。

所述煤矿井下采面水平长钻孔的开孔层位，可布置于煤层采面，或布置于煤层邻近层，如煤层的顶、底板岩层的端面。无论布置在那个层位均可钻水平长钻孔。在工程上易行，可行性高。

在本申请的另一个实施例中，在煤层和煤层的顶板或底板岩层同时钻所述水平压裂钻孔，压裂时，先后对煤层或顶板或底板岩层降压排水。

在本申请的另一个实施例中，可以同时在煤层的顶板和底板岩层钻水平长钻孔，压裂时，先后对顶板或底板岩层降压排水。

在本申请的一个实施例中，所述井下水平长钻孔同样适用于煤巷条带煤层瓦斯区域抽采及区域消突。所述煤巷条带水平长钻孔的孔眼轨迹采用顺煤层钻孔、或沿煤层顶板、底板钻孔的孔眼轨迹中的一种或几种组合，其孔眼轨迹平行于所掘煤巷(包括上山、下山、采面两巷及切眼等)。

本申请一个实施例中，可采用裸眼封隔器分段压裂方式对所述目标煤层进行分段压裂。采用裸眼封隔器分段压裂，在工程上易行，可行性高。

如图4和图5所示，本申请某个实施例的煤矿井下采面水平长钻孔分段压裂瓦斯治理及区域消突方法，可视为是一种煤矿井下采面水平长钻孔分段压裂增透治理瓦斯和区域消突的方法，在工程上可按照如下步骤进行实现：

1、选择采面待治理区域

根据煤矿开采的实际需要及安全生产要求，选择采面待治理和消突区域，采面待治区域的煤层即为目标煤层。

2、选择煤矿井下采面水平长钻孔孔型和完孔方式

2.1选择煤矿井下采面水平长钻孔孔型及完孔方式

考虑到本申请实施例中需要对煤矿井下采面水平长钻孔实施分段压裂改造，那么井下采面水平长钻孔孔型及完孔方式选择应遵循如下原则：

(1)孔型满足分段压裂的需要；

(2)固孔质量满足压裂设计最大压力的需要；

(3)分压工艺技术能满足煤矿井下孔口能下入分段压裂工具和下入分段压裂工具的实施。

综上，基于井下定向钻机能力和井下空间环境，采面水平长钻孔孔型采用顺煤层钻孔或穿层钻孔，完孔方式选择筛管完孔或裸眼完孔。其中，穿层钻孔包括沿煤层顶板钻孔或沿煤层底板钻孔。

2.2煤矿井下采面水平长钻孔的孔身结构的设计

根据压裂管柱反推采面水平长钻孔的孔身结构尺寸。首先计算不同压裂管柱管径在不同施工排量下的管线摩阻压力；根据实际的施工限压，确定管线摩阻压力；基于管线摩阻压力，确定压裂管柱尺寸；由压裂管柱尺寸和与该尺寸相匹配的钻机钻头尺寸确定采面水平钻孔的孔身结构尺寸。此外，考虑到压裂液一般采用活性水压裂液，施工排量比较大，摩阻比较高，且煤矿井下采面水平长钻孔裸露的高压管线长，煤矿井下拐弯多，施工风险比地面水平井压裂施工大很多。所选择的高压管线越长，其摩阻越大，管径应越粗。综合考虑，井下采面水平长钻孔选用外径不小于

(毫米)技术套管+外径不小于

压裂配套完井管柱。

3、布置井下采面水平长钻孔的孔位，并进行施工、完孔下分段压裂工具；

3.1布置井下采面水平长钻孔的孔眼轨迹

井下采面水平长钻孔孔眼轨迹采用顺煤层钻孔、沿煤层顶板钻孔、沿煤层底板钻孔中的一种或几种组合。

顺煤层钻孔孔眼轨迹平行于采面两巷布置，长度不大于采面巷道长度；

沿煤层顶板钻孔，距煤层不超过第一阈值如6m(米)，或沿煤层顶板与煤层交界面钻孔，孔眼轨迹平行煤层，孔眼长度小于或等于采面两巷长度；

沿煤层底板钻孔，距煤层不超过第二阈值6m(米)，或沿煤层底板与煤层交界面钻孔，孔眼轨迹基本平行煤层，孔眼长度小于或等于采面两巷长度；

3.2下分段压裂工具

在煤矿井下，对于已经完成的采面孔眼，用井下钻机的钻杆送分段压裂完孔管柱到预定位置，管柱下到设计孔深，用清水正循环孔容积的三倍以上，投球，待球落到定压球座上后，缓慢打压16-18MPa(兆帕)，管柱内继续打压，剪断裸眼封隔器销钉，裸眼封隔器开始座封，逐级提高压力至20MPa，使单向锚定卡瓦座卡完毕，继续提高压力到25MPa，定压球座剪断销钉落入引鞋处，实现油管内畅通。孔口安装专用压裂井口。

4、选择压裂管线的尺寸和型号，并使用压裂管线建立井下采面水平长钻孔与地面压裂设备间的管线连接通道。

根据目标煤层的预测施工压力和压裂管线的摩阻确定所述压裂管线的类型和铺设方式，压裂管线的铺设过程可与采面水平长钻孔施工等过程同步进行。其中，在工程上可由煤层破裂压力、压裂介质种类、不同压裂管柱不同排量下的摩阻、煤层埋深产生的静液柱压力以及施工限压确定压裂管线类型，确定压裂管线的类型就是在确定压裂管线的管径和抗内压大小。压裂管线的尺寸和型号不同，压裂管线的管径和抗内压大小不同。在实际作业中，压裂管线的铺设方式有两种，一是由地面通过煤矿井巷直接铺设到井下采面长钻孔孔口；二是在地面钻一口压裂管线输送井，通过地面输送井连接井下压裂管线，并与采面水平长钻孔连通。

5、利用地面压裂设备对目标煤层或煤层顶、底板进行分段压裂改造，大范围提高煤层透气性；

本申请实施例压裂方式为裸眼封隔器分段压裂。所述压裂介质可以为且不限于水加砂、纯氮气、氮气泡沫液体等。在选定的煤层内逐段进行压裂施工，实现孔眼与煤层通过压裂裂缝沟通，建立瓦斯抽采通道。

本申请实施例中的分段压裂技术为包括且不限于多级滑套裸眼封隔器分段压裂技术。

裸眼分段压裂管柱采用外径不小于

压裂配套完井管柱的结构。

图5为本申请实施例中的多级滑套裸眼封隔器分段压裂管柱示意图。其中，引鞋的作用是引导压裂管下入。筛管的作用是连通油管内外的压力，定压封球作用有二个，一个是座封裸眼封隔器、座封单向锚定卡瓦，而另一个作用连通油管内腔与地层，为下一次投送专用球提供通道。油管起连接作用。投球滑套作用是投球打压剪断销钉，提供液体流出通道。裸眼封隔器起分隔作用。单向锚定卡瓦的作用是在压裂时稳定油管。套管的作用是固定单向锚定卡瓦、密封孔口。裸眼封隔器分段压裂技术工艺原理：裸眼滑套封隔器分段压裂设计多级封隔器对水平井裸眼段进行机械封隔，根据起裂位置分布多级滑套，压裂前对油管正打压实现封隔器稳定座封，施工中从小到大依次投球蹩压打开滑套，压裂液从喷砂口进入地层直至完成加砂，压裂后合层返排生产。裸眼滑套封隔器分段压裂关键工具包括单向锚定卡瓦、裸眼封隔器、投球滑套和定压封球。

本申请实施例中采用多级滑套裸眼封隔器分段压裂技术进行煤层的压裂，在工程上易行，可行性高。

本申请实施例中使用分段压裂技术进行目标煤层的分段压裂，与相关技术中的单段压裂相比，分段压裂可使得压裂范围扩大，提高了瓦斯治理和区域消突效率。

本申请实施例中的煤矿井下采面水平长钻孔分段压裂瓦斯治理和区域消突方法，与相关技术中的地面打井、造斜及水平长钻孔施工方案相比，本申请实施例无需地面打井，可直接在井下采面煤层施工水平长钻孔，并且对目标煤层进行分段压裂，压裂范围被扩大，煤层透气性被增强，可大大提高瓦斯抽采效率，实现采面区域抽采和区域消突。

本申请实施例的优点：

(1)采用本申请实施例的技术方案，施工效率高，相比地面钻井抽采瓦斯的方案来说，无需地面钻井，只需要井下施工采面长钻孔进行分段压裂即可，有效缩短施工周期，工期短，约10-15天，经济耗费低；

(2)增透改造面积大：与相关技术中煤矿采用的常规消突措施单次增透改造面积仅为宽度小于6米长度短于60米的范围相比，本申请实施例中，井下水平长钻孔分段压裂利用油气压裂设备在地面实施压裂，压裂泵排量大，增透改造范围大，如在实际工程上增透改造范围可增大为200余米宽，300米、500米甚至800米-1000米以上的长度。利用本申请实施例的技术方案增透范围被扩大，可作为采面区域瓦斯治理和区域消突措施。

(3)经济成本被降低，本申请实施例中采用采面水平长钻孔进行压裂，可充分利用已有的采煤巷道或岩层巷道，进行钻孔施工，无需另做巷道、也无需开采解放层即可实现对采面瓦斯进行抽采大面积消突，可大大减少工作量和投资。

(4)抽采效果好，本申请实施例中水平长钻孔分段压裂后，在采面两巷均匀布置顺煤层短孔(即顺层钻孔，施工时孔口须安设防喷装置，防止压裂液或瓦斯突然喷出)。由于采面水平长钻孔实施分段压裂，使得压裂范围、增透改造面积大幅增加。利用井下瓦斯抽采管道对水平长钻孔及采面顺煤层短孔进行正压或负压抽采，抽采效率高，可提高数倍甚至数十倍以上，能快速实现采面瓦斯区域抽采达标和区域消突。

(5)通常情况下，采面从两巷布置顺煤层钻孔，进行瓦斯抽采和区域消突。钻孔用普通钻机施工，临近采面两巷，孔口段容易打在煤层中，而采面中部受煤层起伏、断层等地质构造影响，钻孔易打入煤层顶板或底板，导致采面中部煤层出现空白带。在采面中部布置水平长钻孔，用定向钻机施工，实施分段压裂，可消除空白带，增强煤层透气性，提高抽采效率，确保抽采达标评判的可靠性。

(6)优选开采层：由于本申请实施例的技术方案可使得压裂增透范围被增加，在煤矿开采技术领域中，可将本申请实施例的技术方案作为采面区域瓦斯治理和区域消突的措施之一。在工程上可利用该措施对定点区域进行区域消突。在实际应用中，采用本申请实施例的技术方案可选择对经济价值较高的煤层进行优先开采，无需先开采经济价值低的保护层。

可以理解，以上技术方案中所涉及的数值，如10-15天、300米、500米等仅是一种举例而已，其他任何合理的数值均在本申请实施例的覆盖范围内，在此不做一一枚举。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的特征实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种煤矿瓦斯治理及区域消突方法，其特征在于：

在井下采煤工作面(采面)或条带区域钻水平长钻孔，压裂煤层；在井下钻瓦斯抽采短钻孔，抽采瓦斯；

所述水平长钻孔可布置于煤层、或煤层顶板的岩层、或煤层底板的岩层；

所述水平长钻孔长度小于或等于拟治理和消突的采煤工作面的推采长度或拟治理和消突的煤巷条带的长度；

使用石油天然气领域所使用的大功率地面压裂设备；

使用压裂管线建立煤矿井下采面或煤巷条带区域所述水平长钻孔与所述地面压裂设备间的管线连接通道；

利用经由所述压裂管线输送的来自所述地面压裂设备的压裂介质，对所述采面或条带区域的目标煤层或所述煤层顶、底板进行压裂，建立瓦斯运移通道；

建立瓦斯抽采通道，所述瓦斯抽采通道由井下水平长钻孔、瓦斯抽采短钻孔和井下瓦斯抽采管道组成，在采面两巷布置若干顺煤层瓦斯抽采短钻孔，主要利用所述井下瓦斯抽采短钻孔抽采瓦斯；

通过对井下采面所述水平长钻孔注入的所述压裂介质的压力和液量的控制，实现对区域压裂的范围控制，注入煤层的所述压裂介质的压力和液量，根据压裂范围、煤层厚度、煤质硬度等参数确定，所述压裂介质的注入压力≥20MPa，≤115MPa，所述压裂介质排量5-9m3/min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述水平长钻孔内下入分段压裂工具，对所述采面目标煤层或所述煤层顶、底板进行分段压裂。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述分段压裂工具包括裸眼封隔器、套管封隔器、双向锚定封隔器、液压封隔器、轨道封隔器。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：煤矿井下采面或煤巷条带区域的所述水平长钻孔的孔眼轨迹可全部位于煤层，也可部分位于煤层、部分位于煤层顶板层或煤层底板层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在煤层顶板钻孔是沿煤层与煤层顶板交界面钻孔，钻孔与煤层之间的距离小于或等于第一阈值；沿煤层底板钻孔是在煤层与底板交界面钻孔，钻孔与煤层之间的距离小于或等于第二阈值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述井下瓦斯抽采短钻孔是从与所述目标煤层邻近的上、下岩巷或从已开掘的主煤巷(采面两巷)向所述目标煤层钻的短钻孔；

所述井下瓦斯抽采短钻孔布置在所述水平长钻孔对所述目标煤层或煤层顶、底板压裂后得到的若干个网状裂缝区域，在每个所述网状裂缝区域内钻一个或多个井下瓦斯抽采短钻孔，并汇总到所述瓦斯抽采管道，建立瓦斯抽采通道；

所述瓦斯抽采通道还包括多组瓦斯抽采短钻孔，在分段压裂形成多个压裂区域时，分别针对每个压裂区域从采面两巷或邻近岩巷钻多组顺煤层或穿煤层瓦斯抽采短钻孔；

从采面两巷布置的所述顺煤层瓦斯抽采短钻孔的长度为采面长度的一半，或略短于或略长于采面长度的一半；

所述顺煤层瓦斯抽采短钻孔的间隔距离计算公式为：S＝(Q·T)/[L·M·γ

(Wy﹣Wd)]；其中，S表示短钻孔间距，Q表示短钻孔单孔抽采量，T表示煤层瓦斯抽采达标时间，L表示短钻孔长度，M表示煤层厚度，γ表示煤的容重，Wy表示煤层原始瓦斯含量，Wd表示抽采达标煤层瓦斯含量；

在所述瓦斯抽采短钻孔的孔口安设防喷装置，防止钻进过程中压裂介质或瓦斯突然喷出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：该方法进一步包括：

利用所述瓦斯抽采管道对所述压裂区域的煤层瓦斯进行正压或负压抽采。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在所述目标煤层的主煤巷(采面两巷)内或与所述目标煤层邻近的岩巷内布置钻场；

在所述钻场内采用定向钻机施工水平长钻孔。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述水平长钻孔与所述地面压裂设备间的所述管线连接通道，用于输送压裂介质，所述压裂介质包括水、砂混合液、纯氮气、氮气泡沫液体等，所述压裂介质的具体成分、比例根据煤层或岩层的特质进行选择。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述压裂管线利用煤矿的巷道从地面一直铺设到井下水平长钻孔的孔口；或从地面钻孔或利用废弃的地面井，通过所述地面钻孔或所述废弃的地面井，将所述地面压裂设备与所述井下水平长钻孔的孔口进行连接；

所述压裂管线的直径设计依据压裂介质摩擦阻力系数、本地区煤层或煤层顶板、底板破裂压力梯度、以及煤层厚度等参数确定。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述采面水平长钻孔的长度为≧200m，甚至≧1000m。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水平长钻孔的钻眼轨迹，部分在煤层中延伸，部分在所述煤层的顶板或底板岩层中延伸。

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