CN116717227A - 一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法 - Google Patents

一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116717227A
CN116717227A CN202310980408.9A CN202310980408A CN116717227A CN 116717227 A CN116717227 A CN 116717227A CN 202310980408 A CN202310980408 A CN 202310980408A CN 116717227 A CN116717227 A CN 116717227A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fracturing
directional long
coal mine
underground
well
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310980408.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116717227B (zh
Inventor
孙四清
李浩哲
范耀
庞涛
程斌
杨建超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
XI'AN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE
Original Assignee
XI'AN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by XI'AN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE filed Critical XI'AN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE
Priority to CN202310980408.9A priority Critical patent/CN116717227B/zh
Publication of CN116717227A publication Critical patent/CN116717227A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116717227B publication Critical patent/CN116717227B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/60—Compositions for stimulating production by acting on the underground formation
    • C09K8/62—Compositions for forming crevices or fractures
    • C09K8/66—Compositions based on water or polar solvents
    • C09K8/68—Compositions based on water or polar solvents containing organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/60—Compositions for stimulating production by acting on the underground formation
    • C09K8/80—Compositions for reinforcing fractures, e.g. compositions of proppants used to keep the fractures open
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures
    • E21B43/267—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures reinforcing fractures by propping
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/005—Monitoring or checking of cementation quality or level
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C37/00—Other methods or devices for dislodging with or without loading
    • E21C37/06—Other methods or devices for dislodging with or without loading by making use of hydraulic or pneumatic pressure in a borehole
    • E21C37/12—Other methods or devices for dislodging with or without loading by making use of hydraulic or pneumatic pressure in a borehole by injecting into the borehole a liquid, either initially at high pressure or subsequently subjected to high pressure, e.g. by pulses, by explosive cartridges acting on the liquid
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2208/00—Aspects relating to compositions of drilling or well treatment fluids
    • C09K2208/28—Friction or drag reducing additives
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)
  • Drilling And Exploitation, And Mining Machines And Methods (AREA)

Abstract

本发明公开一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，包括确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹的最小弯曲曲率，进而确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹；在目标岩层内施工压裂用定向长钻孔；在压裂用定向长钻孔中下入套管，注水泥固孔候凝；确定压裂用定向长钻孔水平段的固孔质量测井结果；施工地面贯通井与煤矿井下巷道连通；选定压裂用高压输送管道；完成选定的压裂用高压输送管道的铺设；确定压裂段位置，实施分段压裂；完成分段压裂施工后在孔口进行放喷作业。本发明利用井地联合方式对煤矿井下长钻孔实施水力压裂，能够保证压裂液安全输送、避免压裂施工过程因压窜导致效果变差甚至压裂失败，提高煤矿井下定向长钻孔压裂效果。

Description

一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采与煤矿坚硬顶板矿压灾害治理技术领域，具体涉及一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法。
背景技术
煤矿井下长钻孔分段压裂技术是实现煤层增透、坚硬顶板水力弱化的有效措施，在煤矿井下的应用逐渐增多。但是受到煤矿井下作业空间、安全条件等限制，仍存在以下问题：（1）煤矿井下压裂施工排量低，受煤矿井下作业空间限制，目前主流压裂泵功率为400~500kw，最高压裂施工排量不超过1.5m3/min，并且当施工压力较高时，施工排量有限，对于滤失量大的煤层压裂施工，压裂液效率低，造缝效果差；（2）现有煤矿井下压裂施工一般不加支撑剂，压裂结束后裂缝缺乏有效支撑，无法长时间维持高导流能力；（3）现有煤矿井下长钻孔分段压裂工艺施工效率低，单段压裂施工结束后，需要进行放喷作业，即“压裂一段、放喷一段”，严重影响了压裂施工的效率。
为提高煤矿井下长钻孔分段压裂施工效果及效率，研发人员提出了井地联合的压裂施工方法：一方面，依靠地面成熟的大型压裂施工设备，如压裂泵车组或压裂撬，对煤矿井下长钻孔进行压裂施工，提高压裂施工排量；另一方面，依靠地面混砂车组，通过携砂液将支撑剂携带进入裂缝，形成持续支撑的裂缝，为瓦斯渗流提供持久通道。但是现有井地联合压裂工艺存在以下缺陷：选择压裂段位置时，未考虑固孔质量、高压输送管路的直径主要依靠经验确定，缺少理论依据，而且由于井地联合压裂施工涉及地面、煤矿井下等作业场所，现有施工工艺中地面和煤矿井下未实现协同控制，压裂施工作业存在安全隐患。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，以解决现有技术中压裂段位置选择及压裂管道直径选择缺少理论依据的技术问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、根据设定的压裂用定向长钻孔内径和套管性质参数确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹的最小弯曲曲率，进而确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，所述的套管性质参数包括套管外径和套管长度；
步骤2、根据步骤1确定的压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，在目标岩层内施工压裂用定向长钻孔；
步骤3、在压裂用定向长钻孔中下入套管，注水泥固孔候凝；
步骤4、在压裂用定向长钻孔中进行声波测井数据的采集存储，根据采集存储的声波测井数据确定压裂用定向长钻孔水平段的声幅相对值，进而确定压裂用定向长钻孔水平段的固孔质量测井结果；
步骤5、地面选择井位，然后施工地面贯通井与煤矿井下巷道连通；
步骤6、根据地面井口限压确定压裂用高压输送管道内径下限值，根据压裂液泵注排量确定压裂用高压输送管道内径上限值，进而选定压裂用高压输送管道；
步骤7、在煤矿井下完成选定的压裂用高压输送管道的铺设；
步骤8、结合步骤4确定的固孔质量测井结果，确定压裂段位置并实施分段压裂；
步骤9、完成分段压裂施工后在孔口进行放喷作业。
本发明还具有以下技术特征：
具体的，所述最小弯曲曲率通过以下公式确定：
式中：
θ为最小弯曲曲率，单位为°/m；
D z为压裂用定向长钻孔内径，单位为m；
d t为套管外径，单位为m；
L t为单根套管长度，单位为m。
更进一步的，步骤6所述的压裂用高压输送管道内径下限值通过以下公式确定：
式中：
为压裂用高压输送管道内径下限值，单位为m；
为压裂液密度，单位为kg/m3；
为压裂用高压输送管道的沿程的阻力系数，无量纲；
为压裂用高压输送管道的总长度，单位为m；
为压裂液泵注排量，单位为m3/s；
为压裂用高压输送管道的管道摩阻，单位为Pa。
更进一步的，所述压裂用高压输送管道的管道摩阻通过以下公式确定：
P f管路=P 井口-P f贯通井- P f长钻孔-P 起裂－P 静液柱
式中，
为压裂用高压输送管道的管道摩阻，单位为Pa；
P 井口为地面井口限压，单位为Pa；
P f贯通井为压裂液在地面贯通井井筒内流动的沿程摩擦阻力，单位为Pa；
P f长钻孔为压裂液在压裂用定向长钻孔井筒内流动的沿程摩擦阻力，单位为Pa；
P 起裂为压裂的起裂压力，单位为Pa；
P 静液柱为地面与压裂井口的高程差产生的静液柱压力，单位为Pa。
更进一步的，步骤6所述的压裂用高压输送管道内径上限值通过以下公式确定：
当压裂用支撑剂平均粒径d≤50×10-6m时：
当压裂用支撑剂平均粒径d＞50×10-6m时：
式中，
为压裂用高压输送管道内径上限值，单位为m；
为压裂液泵注排量，单位为m3/s；
C为压裂液携带支撑剂的体积浓度，无量纲；
d为压裂用支撑剂平均粒径，单位为m；
g为重力加速度，单位为m/s2；
s为压裂用支撑剂密度与压裂液密度之比，无量纲；
v t为压裂用支撑剂颗粒在静水中的沉降速度，单位为m/s。
更进一步的，所述压裂用支撑剂颗粒在静水中的沉降速度通过下式确定：
式中，
ρ p为压裂用支撑剂密度，kg/m3；
ρ l为压裂液密度，kg/m3；
d为压裂用支撑剂平均粒径，单位为m；
μ为压裂液黏度，Pa·s。
更进一步的，步骤8所述的结合步骤4确定的固孔质量测井结果，确定压裂段位置包括：压裂段位置满足以下条件：
0≤声幅相对值≤30%。
更进一步的，步骤5所述的地面贯通井的井型包括直井和定向井。
更进一步的，步骤8所述的分段压裂中采用活性水压裂液，所述活性水压裂液含有降阻剂，所述降阻剂包括聚丙烯酰胺、聚异丁烯和聚氧化乙烯。
更进一步的，步骤8所述的分段压裂中，压裂所用的支撑剂为石英砂或覆膜核桃壳，压裂液为活性水压裂液，且活性水压裂液的注入排量为3~7m3/min，平均砂比为5%~10%。
本发明还保护上述井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法用于坚硬顶板型冲击地压治理的应用。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
（1）采用本发明方法进行定向长钻孔孔眼轨迹设计时，为保证刚性套管下入孔底引入了最小弯曲曲率；在进行压裂段位置选择时考虑了水平段的固孔质量测井结果，将压裂段设定在固孔质量满足要求的孔段，避免压裂施工过程中压窜导致压裂效果变差甚至压裂施工失败；在选择压裂用高压输送管道时，综合考虑了地面井口限压与压裂液携砂排量，选择适用内径的高压输送管道，从而在保证地面压裂施工安全的条件下，有效避免支撑剂在孔中沉降，造成管道堵塞，保证压裂液顺利携带支撑剂进入裂缝。
（2）本发明方法提供的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法适用于坚硬顶板型冲击地压灾害治理，能够利用地面压裂设备对坚硬顶板进行区域弱化，提高压裂施工排量，增大压裂影响范围。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为实施例1中不同管径条件下出口截面支撑剂浓度分布；
图3为实施例1中井地联合压裂通讯系统示意图；
图4是实施例1的分段压裂示意图；
图5是实施例2的分段压裂示意图；
图6是实施例3的分段压裂示意图。
图中编号表示：
1-第一控制器，2-压裂设备，3-第二控制器，4-第三控制器。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，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。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
坚硬顶板型冲击地压灾害治理：根据冲击地压机理、主控因素，冲击地压灾害可以分为重力型冲击地压、构造型冲击地压、坚硬顶板型冲击地压、煤柱型冲击地压和复合型冲击地压。坚硬顶板型冲击地压，即本煤层采出厚度10倍（不足100m的按100m计算）范围内有整层厚度≥10m、单轴抗压强度≥60MPa或整层厚度≥15m、单轴抗压强度≥50MPa或整层厚度≥20m、单轴抗压强度≥40MPa的厚硬岩层。其灾害发生机理为在煤层开采和地应力的静载作用下，煤岩体积聚了一定能量，当坚硬顶板断裂产生高能量动载作用，导致冲击地压。坚硬顶板型冲击地压灾害治理就是针对坚硬顶板型冲击地压灾害，通过爆破、水力压裂等手段，使坚硬顶板弱化，避免坚硬顶板大面积悬顶突然断裂而诱发的冲击地压灾害。
实施例1
遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例公开一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，包括以下步骤：
步骤1、根据设定的压裂用定向长钻孔内径和套管性质参数确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹的最小弯曲曲率，进而确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，所述的套管性质参数包括套管外径和单根套管长度；
本实施例中，将本发明方法用于煤矿井下瓦斯抽采，在煤矿井下巷道内开辟钻场，然后在作为目标岩层的煤层顶板岩层中施工一个或多个压裂用定向长钻孔，且本实施例中，压裂用定向长钻孔的水平段布设在距离煤层顶面0.5-2.0m的顶板岩层中。
为便于控制压裂用定向长钻孔与煤层顶面的距离，首先，在压裂用定向长钻孔附近施工探测用定向长钻孔。探测用定向长钻孔的终孔深度大于压裂用定向长钻孔的钻孔深度。探测用定向长钻孔主要用于探测目标煤层附近煤岩层界面的空间分布情况，因此，探测用定向长钻孔与煤层顶面的距离只需在3~8m以内即可。采用钻孔内地质雷达探测技术即可探得钻孔径向范围内煤岩层界面的空间分布情况；现有钻孔地质雷达带宽主要包括100MHz、200MHz和400MHz，地质雷达带宽越高，探测精度也越高，优选采用带宽为200MHz的地质雷达，探测精度0.15m，探测范围1.5m~10m，可满足本实施例中对煤岩界面的探测要求。探测得到煤岩界面的空间分布后，为压裂用定向长钻孔孔眼轨迹设计提供依据。
实际施工中，若套管不能下放到井底，则套管以下井段将处于裸眼状态，无法进行水力压裂施工，致使未下入套管的井段成为无效孔段，因此，保证套管下入孔底是关键步骤。采用Compass等软件，设计压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，在设计时，为保证刚性套管下入，最小弯曲曲率需要满足以下公式：
式中：
θ为最小弯曲曲率，单位为°/m；
D z为压裂用定向长钻孔内径，单位为m；
d t为套管外径，单位为m；
L t为单根套管长度，单位为m。
步骤2、根据步骤1确定的压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，在目标岩层内施工压裂用定向长钻孔；
本实施例中的目标岩层为煤层顶板岩层，采用千米定向钻机，依照设计的孔眼轨迹，在煤层顶板岩层内进行定向钻探施工。钻进过程中，采用随钻测量技术，实时测量实际的钻进轨迹。
现有的煤矿井下地质导向技术主要依靠方位伽马实现钻进层位的控制，由于其径向探测范围仅为0.5m，因此，对于在邻近煤层的顶板中钻进的情况，无法准确控制孔眼轨迹与煤层顶面的距离，往往造成钻孔距离煤层顶面距离远，影响后续压裂施工效果；本发明方法由于已经对压裂用定向长钻孔孔眼轨迹进行了设计，因此，在钻进施工时主要依靠随钻测量技术，从而有效避免了现有煤矿井下地质导向方位伽马测井的缺陷。
步骤3、在压裂用定向长钻孔中下入套管，注水泥固孔候凝；
套管下入后，注水泥固孔。达到设计的水泥浆注入量后，环空返出水泥浆，封闭孔口，等待水泥浆凝固，当长钻孔终孔深度Lz≤500m时，候凝时间不低于48h；当长钻孔终孔深度Lz＞500m时，候凝时间不低于72h。
步骤4、在压裂用定向长钻孔中进行声波测井数据的采集存储，根据采集存储的声波测井数据确定压裂用定向长钻孔水平段的声幅相对值，进而确定压裂用定向长钻孔水平段的固孔质量测井结果；
将0≤声幅相对值≤15%的孔段定义为固孔质量测井结果为优；
将15%＜声幅相对值≤30%的孔段定义为固孔质量测井结果为中；
将声幅相对值＞30%的孔段定义为固孔质量测井结果为差。
步骤5、地面选择井位，然后施工地面贯通井与煤矿井下巷道连通；
其中，地面贯通井可采用煤矿已有的电缆孔或水文观测孔；地面贯通井的井型包括直井和定向井。
步骤6、根据地面井口限压确定压裂用高压输送管道内径下限值，根据压裂液泵注排量确定压裂用高压输送管道内径上限值，进而选定压裂用高压输送管道；
井地联合压裂施工过程中，主要的支撑剂类型包括：石英砂、核桃壳、覆膜石英砂、覆膜核桃壳，压裂液主要采用活性水压裂液，由于支撑剂密度高于压裂液密度，压裂液悬砂性能差，主要依靠流动速度将支撑剂从地面通过高压输送管道携带至煤矿井下长钻孔，最终通过射孔孔眼，进入裂缝，对裂缝形成支撑。
在一定排量条件下，输送管道直径越大，压裂液流动速度越低，支撑剂在输送过程中易发生沉降，支撑剂在输送管道内沉降将会造成管内砂堵，造成井口超压停泵，压裂失败的风险增加。以10m水平管为例，压裂液采用活性水，支撑剂采用石英砂，开展数值模拟，得到不同管径条件下出口截面支撑剂浓度分布如图2所示。经数值模拟实验发现：当管道直径为62mm和76mm时，支撑剂浓度最大的区域位于输送管道中下部，当管道直径为100mm和124.3mm时，支撑剂浓度最大的区域位于输送管道底部，支撑剂在输送管道中运移时对输送管道底部的磨损作用增强。因此，在同样的注入排量条件下，管道直径不同，压裂液对于支撑剂的携带作用效果不同，选定管道直径对于支撑剂顺利从地面携带入煤矿井下压裂用定向长钻孔具有十分重要的意义。
其中，所述的压裂用高压输送管道内径下限值通过以下公式确定：
式中：
为压裂用高压输送管道内径下限值，单位为m；
为压裂液密度，单位为kg/m3；
为压裂用高压输送管道的沿程的阻力系数，无量纲；
为压裂用高压输送管道的总长度，单位为m；
为压裂液泵注排量，单位为m3/s；
P f管路为压裂用高压输送管道的管道摩阻，单位为Pa。
所述压裂用高压输送管道的管道摩阻通过以下公式确定：
P f管路=P 井口-P f贯通井-P f长钻孔-P 起裂+P 静液柱
式中，
为压裂用高压输送管道的管道摩阻，单位为Pa；
P 井口为地面井口限压，单位为Pa；
P f贯通井为压裂液在地面贯通井井筒内流动的沿程摩擦阻力，单位为Pa；
P f长钻孔为压裂液在压裂用定向长钻孔井筒内流动的沿程摩擦阻力，单位为Pa；
P 起裂为压裂的起裂压力，单位为Pa；
P 静液柱为地面与压裂井口的高程差产生的静液柱压力，单位为Pa。
其中，P 井口综合考虑井口装置耐压等级、地面压裂撬或地面压裂泵车的最高许用压力确定；P f贯通井通过管道流动摩擦阻力计算公式（如达西－魏斯巴赫公式）计算确定；P f长钻孔通过管道流动摩擦阻力计算公式（如达西－魏斯巴赫公式）计算确定；P 起裂可以通过参考邻近钻孔压裂施工的起裂压力确定，也可以通过理论计算确定。
步骤6所述的压裂用高压输送管道内径上限值D max通过以下公式确定：
当压裂用支撑剂平均粒径d≤50×10-6m时：
当压裂用支撑剂平均粒径d＞50×10-6m时：
式中，
D max为压裂用高压输送管道内径上限值，单位为m；
为压裂液泵注排量，单位为m3/s；
C为压裂液携带支撑剂的体积浓度，无量纲；
d为压裂用支撑剂平均粒径，单位为m；
g为重力加速度，单位为m/s2；
s为压裂用支撑剂密度与压裂液密度之比，无量纲；
v t为压裂用支撑剂颗粒在静水中的沉降速度，单位为m/s。
具体的，所述压裂用支撑剂颗粒在静水中的沉降速度通过下式确定：
式中，
ρ p为压裂用支撑剂密度，kg/m3；
ρ l为压裂液密度，kg/m3；
d为压裂用支撑剂平均粒径，单位为m；
μ为压裂液黏度，Pa·s。
最终选用的压裂用高压输送管道的内径满足以下条件：
步骤7、在煤矿井下完成选定的压裂用高压输送管道的铺设；
步骤8、结合步骤4确定的固孔质量测井结果，确定压裂段位置并实施分段压裂；
具体的，压裂段位置满足以下条件：0≤声幅相对值≤30%。即，压裂段位置的固孔质量测井结果应为中和优。
作为本实施例的一种优选方案，分段压裂中采用活性水压裂液，所述活性水压裂液含有降阻剂，所述降阻剂为聚丙烯酰胺、聚异丁烯和聚氧化乙烯中的一种或几种，降阻剂用于降低活性水压裂液在高压输送管道内流动时的摩擦阻力。本实施例中所用的降阻剂为聚丙烯酰胺。
作为本实施例的一种优选方案，压裂所用的支撑剂为石英砂或覆膜核桃壳，压裂液采用活性水压裂，且活性水压裂液的注入排量为3~7m3/min，平均砂比为5%~10%。
在压裂施工作业过程中，可以通过如图3所示的井地联合压裂通讯系统来实现音视频通讯和地面操作，该系统包括地面装置、井下钻场压裂装置及井下辅助装置，且地面装置和井下钻场压裂装置之间，以及地面装置和井下辅助装置均能通讯连接。
井下钻场压裂装置包括第一控制器1、压裂设备2、与压裂设备2连接设置的流量计、压力表、设置在压裂设备旁的红外监视仪，以及与能够与地面装置和井下辅助装置进行通讯的通讯电话，其中，流量计量程为压裂施工排量的1.5倍，压力表量程不低于压裂破裂压力的1.5倍，红外监视仪的数量为3个，分别用于观察钻孔孔口、钻场内和钻场出口。第一控制器1与压裂设备2、流量计、压力表和红外监视仪均通过光纤接口连接，且第一控制器1与地面装置和井下辅助装置通讯连接；
所述的地面控制装置包括第三控制器4，第三控制器4用于接收第一控制器1传送的压裂数据，并根据收集到的数据生成控制信号，发送给第一控制器1；
井下辅助装置包括第二控制器3，第二控制器3用于在第三控制器4与第一控制器1失联时，与第二控制器3进行通讯连接，完成井下数据采集，然后将采集到的数据发送给第二控制器3，并根据从第二控制器3收集到的控制信号进行作业。
第一控制器1、第二控制器3和第三控制器4内均设置有现有的控制程序，通过设置井地联合压裂通讯系统实现了井上井下的协同控制。
步骤9、完成分段压裂施工后在孔口进行放喷作业。
实施例2
遵从上述技术方案，本实施例公开一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，包括以下步骤：本实施例与实施例1的区别在于，将压裂用定向长钻孔用于硬煤层瓦斯抽采，将压裂用定向长钻孔布设在煤层中，在压裂用定向长钻孔未下入套管，未注水泥固孔；其他步骤与实施例1相同，如图5所示，本实施例最终也完成了井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂。
本实施例说明，采用本发明方法，通过对煤层直接进行压裂，对煤层进行改造形成高导流裂缝，提高煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。
实施例3
遵从上述技术方案，本实施例中将实施例1公开的方法应用于坚硬顶板型冲击地压灾害治理，具体包括：将压裂用定向长钻孔布设在依据现有的矿井地质综合柱状图、关键层理论确定的目标压裂层位中，目标压裂层位于煤层顶板30~40倍煤层采高内，然后在目标压裂层位中施工压裂用定向长钻孔，完成井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂，如图6所示，本实施例最终能够实现对坚硬顶板型冲击地压灾害的治理。
本实施例说明，采用本发明方法，通过压裂合理的层位，能够使压裂范围内岩层充分垮落并充满整个采空区，对更上位岩层起到较好支撑作用，同时可优化顶板结构，最大限度地降低高位坚硬顶板回转下沉对工作面的扰动，使强矿压显现得到有效弱化，从而从源头实现坚硬顶板型冲击地压灾害的治理。
在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。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在本技术方案中的具体含义。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、根据设定的压裂用定向长钻孔内径和套管性质参数确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹的最小弯曲曲率，进而确定压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，所述的套管性质参数包括套管外径和单根套管长度；
步骤2、根据步骤1确定的压裂用定向长钻孔孔眼轨迹，在目标岩层内施工压裂用定向长钻孔；
步骤3、在压裂用定向长钻孔中下入套管，注水泥固孔候凝；
步骤4、在压裂用定向长钻孔中进行声波测井数据的采集存储，根据采集存储的声波测井数据确定压裂用定向长钻孔水平段的声幅相对值，进而确定压裂用定向长钻孔水平段的固孔质量测井结果；
步骤5、地面选择井位，然后施工地面贯通井与煤矿井下巷道连通；
步骤6、根据地面井口限压确定压裂用高压输送管道内径下限值，根据压裂液泵注排量确定压裂用高压输送管道内径上限值，进而选定压裂用高压输送管道；
步骤7、在煤矿井下完成选定的压裂用高压输送管道的铺设；
步骤8、结合步骤4确定的固孔质量测井结果，确定压裂段位置，实施分段压裂；
步骤9、完成分段压裂施工后在孔口进行放喷作业。
2.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，所述最小弯曲曲率通过以下公式确定：
式中，
θ为最小弯曲曲率，单位为°/m；
D z为压裂用定向长钻孔内径，单位为m；
d t为套管外径，单位为m；
L t为单根套管长度，单位为m。
3.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，步骤6所述的压裂用高压输送管道内径下限值通过以下公式确定：
式中，
为压裂用高压输送管道内径下限值，单位为m；
为压裂液密度，单位为kg/m3；
为压裂用高压输送管道的沿程阻力系数，无量纲；
为压裂用高压输送管道的总长度，单位为m；
为压裂液泵注排量，单位为m3/s；
为压裂用高压输送管道的管道摩阻，单位为Pa。
4.如权利要求3所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，所述压裂用高压输送管道的管道摩阻通过以下公式确定：
P f管路=P 井口-P f贯通井-P f长钻孔-P 起裂+P 静液柱
式中，
为压裂用高压输送管道的管道摩阻，单位为Pa；
P 井口为地面井口限压，单位为Pa；
P f贯通井为压裂液在地面贯通井井筒内流动的沿程摩擦阻力，单位为Pa；
P f长钻孔为压裂液在压裂用定向长钻孔井筒内流动的沿程摩擦阻力，单位为Pa；
P 起裂为压裂的起裂压力，单位为Pa；
P 静液柱为地面与压裂井口的高程差产生的静液柱压力，单位为Pa。
5.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，步骤6所述的压裂用高压输送管道内径上限值通过以下公式确定：
当压裂用支撑剂平均粒径d≤50×10-6m时：
当压裂用支撑剂平均粒径d＞50×10-6m时：
式中，
为压裂用高压输送管道内径上限值，单位为m；
为压裂液泵注排量，单位为m3/s；
C为压裂液携带支撑剂的体积浓度，无量纲；
d为压裂用支撑剂平均粒径，单位为m；
g为重力加速度，单位为m/s2；
s为压裂用支撑剂密度与压裂液密度之比，无量纲；
v t为压裂用支撑剂颗粒在静水中的沉降速度，单位为m/s。
6.如权利要求5所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，所述压裂用支撑剂颗粒在静水中的沉降速度v t通过下式确定：
式中，
ρ p为压裂用支撑剂密度，kg/m3；
ρ l为压裂液密度，kg/m3；
d为压裂用支撑剂平均粒径，单位为m；
μ为压裂液黏度，Pa·s。
7.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，步骤8所述的压裂段位置满足以下条件：0≤声幅相对值≤30%。
8.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，步骤5所述的地面贯通井的井型包括直井和定向井。
9.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，步骤8所述的分段压裂中采用活性水压裂液，所述活性水压裂液含有降阻剂，所述降阻剂为聚丙烯酰胺、聚异丁烯和聚氧化乙烯中的一种或几种。
10.如权利要求1所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法，其特征在于，步骤8所述的分段压裂中，压裂所用的支撑剂为石英砂或覆膜核桃壳，压裂液为活性水压裂液，且活性水压裂液的注入排量为3~7m3/min，平均砂比为5%~10%。
11.如权利要求1至权利要求10中任意一项所述的井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法用于坚硬顶板型冲击地压治理的应用。
CN202310980408.9A 2023-08-07 2023-08-07 一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法 Active CN116717227B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310980408.9A CN116717227B (zh) 2023-08-07 2023-08-07 一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310980408.9A CN116717227B (zh) 2023-08-07 2023-08-07 一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116717227A true CN116717227A (zh) 2023-09-08
CN116717227B CN116717227B (zh) 2023-11-17

Family

ID=87871882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310980408.9A Active CN116717227B (zh) 2023-08-07 2023-08-07 一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116717227B (zh)

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050077047A1 (en) * 2003-10-10 2005-04-14 Jiten Chatterji Methods of fracturing a subterranean formation using a pH dependent foamed fracturing fluid
CN101270652A (zh) * 2008-05-09 2008-09-24 四川石油管理局井下作业公司 水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置
CN102159791A (zh) * 2008-08-21 2011-08-17 普拉德研究及开发股份有限公司 水力压裂支撑剂
CA2732675A1 (en) * 2010-02-25 2011-08-25 Coiled Tubing Specialties, Llc Downhole hydraulic jetting assembly, and method for stimulating a production wellbore
US20110245114A1 (en) * 2010-03-31 2011-10-06 Gupta D V Satyanarayana Well servicing fluid
CN105201480A (zh) * 2015-10-14 2015-12-30 山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 地面井-井下长钻孔压裂煤层方法
US20190153841A1 (en) * 2015-02-24 2019-05-23 Coiled Tubing Specialties, Llc Method of Avoiding Frac Hits During Formation Stimulation
CN111535791A (zh) * 2020-05-08 2020-08-14 中煤科工集团西安研究院有限公司 碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法
CN112253114A (zh) * 2020-09-10 2021-01-22 中煤科工集团西安研究院有限公司 煤矿井下深孔水力预裂弱化煤层中坚硬夹矸层的方法
US20210332681A1 (en) * 2018-11-07 2021-10-28 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole Customization Of Fracturing Fluids For Micro-Fracturing Operations
WO2022252591A1 (zh) * 2021-05-31 2022-12-08 中国矿业大学 一种水力压裂与甲烷原位燃爆协同致裂增透方法
CN115614013A (zh) * 2022-09-27 2023-01-17 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 一种煤矿井下定向长钻孔连续定点压裂瓦斯高效抽采方法
CN115749777A (zh) * 2022-11-30 2023-03-07 陕西彬长孟村矿业有限公司 煤矿井上下全时段立体防治冲击地压的方法
CN115788435A (zh) * 2022-11-30 2023-03-14 陕西彬长孟村矿业有限公司 煤矿井上下立体防治冲击地压的系统和方法
CN115875070A (zh) * 2022-10-28 2023-03-31 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 一种井地联合矿用连续管定向压裂瓦斯抽采系统及方法
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
US20230213669A1 (en) * 2021-08-02 2023-07-06 Bgp Inc., China National Petroleum Corporation Intelligent geophysical data acquisition system and acquisition method for shale oil and gas optical fiber

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050077047A1 (en) * 2003-10-10 2005-04-14 Jiten Chatterji Methods of fracturing a subterranean formation using a pH dependent foamed fracturing fluid
CN101270652A (zh) * 2008-05-09 2008-09-24 四川石油管理局井下作业公司 水平井筒中连续管液体携带和孔眼分流模拟装置
CN102159791A (zh) * 2008-08-21 2011-08-17 普拉德研究及开发股份有限公司 水力压裂支撑剂
CA2732675A1 (en) * 2010-02-25 2011-08-25 Coiled Tubing Specialties, Llc Downhole hydraulic jetting assembly, and method for stimulating a production wellbore
US20110245114A1 (en) * 2010-03-31 2011-10-06 Gupta D V Satyanarayana Well servicing fluid
US20190153841A1 (en) * 2015-02-24 2019-05-23 Coiled Tubing Specialties, Llc Method of Avoiding Frac Hits During Formation Stimulation
CN105201480A (zh) * 2015-10-14 2015-12-30 山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 地面井-井下长钻孔压裂煤层方法
US20210332681A1 (en) * 2018-11-07 2021-10-28 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole Customization Of Fracturing Fluids For Micro-Fracturing Operations
CN111535791A (zh) * 2020-05-08 2020-08-14 中煤科工集团西安研究院有限公司 碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法
CN112253114A (zh) * 2020-09-10 2021-01-22 中煤科工集团西安研究院有限公司 煤矿井下深孔水力预裂弱化煤层中坚硬夹矸层的方法
WO2022252591A1 (zh) * 2021-05-31 2022-12-08 中国矿业大学 一种水力压裂与甲烷原位燃爆协同致裂增透方法
US20230213669A1 (en) * 2021-08-02 2023-07-06 Bgp Inc., China National Petroleum Corporation Intelligent geophysical data acquisition system and acquisition method for shale oil and gas optical fiber
CN115614013A (zh) * 2022-09-27 2023-01-17 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 一种煤矿井下定向长钻孔连续定点压裂瓦斯高效抽采方法
CN115875070A (zh) * 2022-10-28 2023-03-31 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 一种井地联合矿用连续管定向压裂瓦斯抽采系统及方法
CN115749777A (zh) * 2022-11-30 2023-03-07 陕西彬长孟村矿业有限公司 煤矿井上下全时段立体防治冲击地压的方法
CN115788435A (zh) * 2022-11-30 2023-03-14 陕西彬长孟村矿业有限公司 煤矿井上下立体防治冲击地压的系统和方法
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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙四清;张群;闫志铭;张俭;王永伟;郑凯歌;: "碎软低渗高突煤层井下长钻孔整体水力压裂增透工程实践", 煤炭学报, vol. 42, no. 09, pages 2337 - 2343 *
李国富;李波;焦海滨;刘星;: "晋城矿区煤层气三区联动立体抽采模式", 中国煤层气, vol. 11, no. 01, pages 3 - 7 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116717227B (zh) 2023-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108240234B (zh) 一种铁路沿线下伏煤矿采空区注浆处治方法
CN101575983B (zh) 煤矿井下定向压裂增透消突方法及压裂增透消突装置
CN103835729B (zh) 深部长距离巷道围岩地面预注浆加固工艺
CN102561950B (zh) 一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺及喷射钻头
CN106030030A (zh) 在地层中提供多个裂缝的方法
CN102061933B (zh) 长钻孔定位施工工艺
CN106321046B (zh) 一种低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法
CN106761852A (zh) 广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法
CN104790918B (zh) 复杂地形条件下丛式井与水平井联合地面开采煤层气方法
CN110374600A (zh) 一种极近距离煤层群回采巷道无错距式布置方法
Huang et al. Field investigation into directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan Coal Mine
CN105443100A (zh) 一种定面射孔控制缝高的压裂方法
CN207377562U (zh) 一种不良地层中的立井井壁结构及施工装置
CN111058819B (zh) 水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法
CN113217043A (zh) 一种导水断层带突水水源的高效快速封堵方法及施工方法
CN207194872U (zh) 一种利用高压流体疏通l型煤层气采动井结构
Tian et al. Study on the deformation failure mechanism and coupling support technology of soft rock roadways in strong wind oxidation zones
CN116717227B (zh) 一种井地联合煤矿井下定向长钻孔水力压裂方法
CN106246104B (zh) 一种二开水平井施工方法
CN106968664A (zh) 一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法
Jun et al. Study and application of hydraulic jet radial drilling in carbonate reservoirs
CN115614013A (zh) 一种煤矿井下定向长钻孔连续定点压裂瓦斯高效抽采方法
Cai et al. New development of hydraulic fracturing technique for in-situ stress measurement at great depth of mines
CN114607318A (zh) 深部煤层气多层水平井合采钻井压裂协同施工方法
CN106869894B (zh) 松软煤层顶板顺层岩石长钻孔多泵协调压裂增透方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant