CN117145440A - 一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法 - Google Patents

一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，发泡大孔隙砂浆既作为压裂介质、也作为护孔材料，首先将其作为压裂介质，通过脉动发泡大孔隙砂浆压裂钻孔周围煤体进行增透；接着当发泡大孔隙砂浆到达终凝时间后，此时发泡大孔隙砂浆开始产生支撑强度，启动定向钻机，钻杆能将钻孔内成型的发泡大孔隙砂浆进行破碎，这样保证凝固的发泡大孔隙砂浆不会对钻孔进行封堵；另外发泡大孔隙砂浆在凝固过程中吸收大量水分，保障了发泡大孔隙砂浆的强度和性能，从而形成发泡大孔隙砂浆颗粒群确保了护孔效果，同时也减少了钻孔周围松软煤体吸水坍塌量，最大程度的确保瓦斯抽采通道通畅，最终实现了煤层长钻孔压裂和防护一体化效果。

Description

一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法
技术领域
本发明涉及煤层长钻孔强化瓦斯抽采领域，具体涉及一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法。
背景技术
瓦斯是煤的伴生气体，在煤体或围岩中是以游离状态和吸附状态存在的，瓦斯灾害严重威胁煤矿安全生产。目前治理瓦斯需要施工大量的瓦斯治理巷道、钻孔，瓦斯治理成本高。近年来，相关矿井创新钻孔施工技术与工艺，采用定向钻机施工大直径长钻孔，达到“以孔代巷”的目的，减少瓦斯治理工程，降低瓦斯治理成本。
由于我国煤层赋存地质条件复杂，松软低透煤层普遍存在。松软低透煤层开采难度较大，瓦斯抽采困难，瓦斯灾害等因素制约了松软煤层的开采效率，因此需要对煤层进行改造，其中最普遍的方法为向煤层施工钻孔进行瓦斯抽采。目前，煤层长钻孔因其施钻效率高、在瓦斯抽采工程中表现为瓦斯抽采量集中、抽采效率高以及衰减周期长等优点，被广泛引用。尽管如此，对于松软低透煤层，因透气性低、钻孔易坍塌，煤层长钻孔瓦斯抽采的效果并不理想，其原因是煤层长钻孔没有实质性解决松软、低透气性煤层瓦斯的抽采问题。
目前，煤层长钻孔常用的增透方法为水力化增透措施，但是面对松软煤层，容易出现“水锁效应”，从而降低了致裂增透效果。煤层长钻孔防护方法主要使用下套管或筛管对钻孔进行支撑防护，防止钻孔受地压作用闭合，尽量提高钻孔的使用时间。但是由于长钻孔的长度较长，使得该方法存在下套管装置在长钻孔中下不到位；另外受地压作用导致长钻孔压力大，护孔套管易折断、压瘪，最终造成钻孔失效等问题。
基于上述现有技术存在的问题，如何提供一种新的方法，能对松软煤层进行较好的致裂增透效果，同时还能对后续钻孔实现较好的支护效果，最终保证对煤层瓦斯抽采的稳定性，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，能对松软煤层进行较好的致裂增透效果，同时还能对后续钻孔实现较好的支护效果，最终保证煤层瓦斯抽采的高效与稳定。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，具体步骤为：
A、施工煤层长钻孔及布设注浆系统：先按照煤层瓦斯抽采设计要求确定施工位置及长度，在定向钻机上安装中空钻杆，并在中空钻杆一端安装可打开的定向钻头，通过定向钻机带动中空钻杆及定向钻头在施工位置开始钻设煤层长钻孔，直至煤层长钻孔达到设计长度时完成煤层长钻孔施工；接着控制定向钻头打开，使中空钻杆与煤层长钻孔内部连通，将定向钻机处的中空钻杆另一端通过管路与注浆泵的出口连接，注浆泵的进口通过管路与盛放容器连接，完成注浆系统组装；
B、密封煤层长钻孔：利用带孔型锥形橡胶对煤层长钻孔进行密封，然后固定加固；
C、煤层长钻孔初次注浆：先在盛放容器中制备发泡大孔隙砂浆，完成制备后，启动注浆泵，以恒定流速经过中空钻杆向煤层长钻孔内注入发泡大孔隙砂浆，当观察到盛放容器内的发泡大孔隙砂浆液面不再变化时，说明钻孔内已经注满发泡大孔隙砂浆，为后续脉动压裂做准备，停止注浆泵工作；
D、脉动压裂煤层长钻孔：将定向钻机处的中空钻杆另一端与注浆泵断开连接，并与脉动泵的出口连接，脉动泵的进口通过管路与盛放容器连接，启动脉动泵，控制脉动压力为30～35MPa，脉动频率为150～220Hz，使发泡大孔隙砂浆以设定的脉动压力及频率继续向煤层长钻孔内注入，进而使煤层长钻孔内部的发泡大孔隙砂浆以持续的脉动压力对周围钻孔壁进行压裂增透，在脉动泵工作过程中，持续观察脉动泵与中空钻杆之间管路上的压力表读数情况，当压力表显示的煤层长钻孔压力突然下降后，此时说明一部分发泡大孔隙砂浆压裂周围孔壁进入裂隙内部，使得钻孔内部压力突然降低，继续保持脉动泵的工作状态，直至压力表的读数自下降后又上升至稳定状态(即脉动压裂无法继续产生更多的裂隙)，并持续稳定1～2h，说明此时煤层长钻孔已经完成煤体脉动致裂，接着关闭脉动泵，并将中空钻杆与脉动泵断开连接，此时煤层长钻孔内一部分发泡大孔隙砂浆通过中空钻杆排出钻孔；
E、煤层长钻孔支撑防护：煤层长钻孔剩余部分的发泡大孔隙砂浆，根据发泡大孔隙砂浆的凝固时间，待发泡大孔隙砂浆到达终凝时间，开始逐渐发泡产生支撑强度，此时拆除带孔型锥形橡胶，并缓慢启动定向钻机带动钻杆及定向钻头旋转，进而将已成型发泡大孔隙砂浆进行破碎，形成发泡大孔隙砂浆颗粒，同时不断向外回撤钻杆，直至完成钻杆回收，保持了煤层长钻孔的连通性；继续等待一段时间，待发泡大孔隙砂浆完全凝固后，形成发泡大孔隙砂浆颗粒群，用于对煤层长钻孔全程支撑防护，最终实现煤层长钻孔一体化压裂与防护。
进一步，所述制备发泡大孔隙砂浆的具体过程为，按照如下质量比选取各个原料混合搅拌后制成发泡大孔隙砂浆，具体比例为：水：水泥：过氧化氢：粉煤灰：细骨料＝1：(1～2)：(0.08～0.15)：(0.3～0.8)：(0.5～0.1)。
进一步，所述细骨料是直径为2～4mm的聚氨酯颗粒，聚氨酯颗粒的密度100～200Kg/m3。
进一步，所述带孔型锥形橡胶的长度为6～10m，其对煤层长钻孔密封后能抵抗35～40MPa液体压力。
进一步，所述定向钻头通过电控方式打开。这样便于对定向钻头完成钻设工作后打开。
与现有技术相比，本发明首先将发泡大孔隙砂浆作为压裂介质，通过脉动发泡大孔隙砂浆压裂长钻孔周围煤体，在压裂过程中部分发泡大孔隙砂浆会压紧在钻孔孔壁，提高致裂煤体效果；煤层压裂完成后，放出定向钻孔内部分发泡大孔隙砂浆，避免发泡大孔隙砂浆在定向钻孔内凝固，能避免对中空钻杆的堵塞，不会影响中空钻杆的再次使用。当处于钻孔内的发泡大孔隙砂浆到达终凝时间后，此时的发泡大孔隙砂浆完全失去可塑性、开始产生支撑强度，拆除带孔型锥形橡胶，缓慢启动定向钻机，钻杆能将钻孔内成型的发泡大孔隙砂浆进行破碎，形成发泡大孔隙砂浆颗粒，同时不断向外回撤钻杆，直至完成钻杆回收，这样发泡大孔隙砂浆颗粒间空隙和固化后发泡大孔隙砂浆自身孔隙，为瓦斯运移提供通道，实现瓦斯高效抽采；另外发泡大孔隙砂浆在凝固过程中，少部分水分被钻孔周围煤体吸收，而大部分用于发泡大孔隙砂浆的水化硬化，保障了发泡大孔隙砂浆的强度和性能，凝固的发泡大孔隙砂浆颗粒群实现煤层长钻孔全程支撑防护，发泡大孔隙砂浆颗粒之间存在空隙，从而最大程度的确保瓦斯抽采通道通畅。同时采用发泡大孔隙砂浆作为压裂介质，也减少了钻孔周围松软煤体吸水坍塌量，减少了“水锁效应”。本发明充分利用的发泡大孔隙砂浆，将其既作为压裂介质、也作为护孔材料的双重作用，实现了煤层长钻孔压裂和防护一体化效果，其压裂增透效果好，且能实现全程护孔，且护孔效果好，保证瓦斯高效抽采；另外该发明中发泡大孔隙砂浆凝固需要吸收大量水分，从而减轻了煤层长钻孔水力压裂带来的“水锁”问题，由于无需进行套管或筛管支护，解决了煤层长钻孔下筛管难、且易折断、压瘪造成钻孔失效等问题。
附图说明
图1是本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
A、施工煤层长钻孔及布设注浆系统：先按照煤层瓦斯抽采设计要求确定施工位置及长度，在定向钻机上安装中空钻杆，并在中空钻杆一端安装可打开的定向钻头，通过定向钻机带动中空钻杆及定向钻头在施工位置开始钻设煤层长钻孔，直至煤层长钻孔达到设计长度时完成煤层长钻孔施工；接着通过电控方式控制定向钻头打开，使中空钻杆与煤层长钻孔内部连通，将定向钻机处的中空钻杆另一端通过管路与注浆泵的出口连接，注浆泵的进口通过管路与盛放容器连接，完成注浆系统组装；
B、密封煤层长钻孔：利用带孔型锥形橡胶对煤层长钻孔进行密封，然后固定加固；所述带孔型锥形橡胶的长度为6～10m，其对煤层长钻孔密封后能抵抗35～40MPa液体压力。
C、煤层长钻孔初次注浆：先在盛放容器中制备发泡大孔隙砂浆，具体过程为，按照如下质量比选取各个原料混合搅拌后制成发泡大孔隙砂浆，具体比例为：水：水泥：过氧化氢：粉煤灰：细骨料＝1：(1～2)：(0.08～0.15)：(0.3～0.8)：(0.5～0.1)；所述细骨料是直径为2～4mm的聚氨酯颗粒，聚氨酯颗粒的密度100～200Kg/m3。在上述配比范围内根据实际使用的煤层松软情况进行微调确定；完成制备后，启动注浆泵，以恒定流速经过中空钻杆向煤层长钻孔内注入发泡大孔隙砂浆，当观察到盛放容器内的发泡大孔隙砂浆液面不再变化时，停止注浆泵工作；
D、脉动压裂煤层长钻孔：将定向钻机处的中空钻杆另一端与注浆泵断开连接，并与脉动泵的出口连接，脉动泵的进口通过管路与盛放容器连接，启动脉动泵，控制脉动压力为30～35MPa，脉动频率为150～220Hz，使发泡大孔隙砂浆以设定的脉动压力及频率继续向煤层长钻孔内注入，进而使煤层长钻孔内部的发泡大孔隙砂浆以持续的脉动压力对周围钻孔壁进行压裂增透，在脉动泵工作过程中，持续观察脉动泵与中空钻杆之间管路上的压力表读数情况，当压力表显示的煤层长钻孔压力突然下降后，此时说明一部分发泡大孔隙砂浆压裂周围孔壁进入裂隙内部，使得钻孔内部压力突然降低，继续保持脉动泵的工作状态，直至压力表的读数自下降后又上升至稳定状态(即脉动压裂无法继续产生更多的裂隙)，并持续稳定1～2h，说明此时煤层长钻孔已经完成煤体脉动致裂，接着关闭脉动泵，并将中空钻杆与脉动泵断开连接，此时煤层长钻孔内一部分发泡大孔隙砂浆通过中空钻杆排出钻孔；
E、煤层长钻孔支撑防护：煤层长钻孔剩余部分的发泡大孔隙砂浆，根据发泡大孔隙砂浆的凝固时间，待发泡大孔隙砂浆到达终凝时间，开始逐渐产生支撑强度，此时拆除带孔型锥形橡胶，并缓慢启动定向钻机带动钻杆及定向钻头旋转，进而将已成型发泡大孔隙砂浆进行破碎，形成发泡大孔隙砂浆颗粒，同时不断向外回撤钻杆，直至完成钻杆回收，并保持了煤层长钻孔的连通性；继续等待一段时间，待发泡大孔隙砂浆完全凝固后，形成发泡大孔隙砂浆颗粒群，用于对煤层长钻孔全程支撑防护，最终实现煤层长钻孔一体化压裂与防护。
上述定向钻机、中空钻杆、可打开的定向钻头、脉动泵、注浆泵和盛放容器均为现有设备或部件，能通过市场直接购买获得。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，其特征在于，具体步骤为：
A、施工煤层长钻孔及布设注浆系统：先按照煤层瓦斯抽采设计要求确定施工位置及长度，在定向钻机上安装中空钻杆，并在中空钻杆一端安装可打开的定向钻头，通过定向钻机带动中空钻杆及定向钻头在施工位置开始钻设煤层长钻孔，直至煤层长钻孔达到设计长度时完成煤层长钻孔施工；接着控制定向钻头打开，使中空钻杆与煤层长钻孔内部连通，将定向钻机处的中空钻杆另一端通过管路与注浆泵的出口连接，注浆泵的进口通过管路与盛放容器连接，完成注浆系统组装；
B、密封煤层长钻孔：利用带孔型锥形橡胶对煤层长钻孔进行密封，然后固定加固；
C、煤层长钻孔初次注浆：先在盛放容器中制备发泡大孔隙砂浆，完成制备后，启动注浆泵，以恒定流速经过中空钻杆向煤层长钻孔内注入发泡大孔隙砂浆，当观察到盛放容器内的发泡大孔隙砂浆液面不再变化时，停止注浆泵工作；
D、脉动压裂煤层长钻孔：将定向钻机处的中空钻杆另一端与注浆泵断开连接，并与脉动泵的出口连接，脉动泵的进口通过管路与盛放容器连接，启动脉动泵，控制脉动压力为30～35MPa，脉动频率为150～220Hz，使发泡大孔隙砂浆以设定的脉动压力及频率继续向煤层长钻孔内注入，进而使煤层长钻孔内部的发泡大孔隙砂浆以持续的脉动压力对周围钻孔壁进行压裂增透，在脉动泵工作过程中，持续观察脉动泵与中空钻杆之间管路上的压力表读数情况，当压力表显示的煤层长钻孔压力突然下降后，继续保持脉动泵的工作状态，直至压力表的读数自下降后又上升至稳定状态，并持续稳定1～2h，说明此时煤层长钻孔已经完成煤体脉动致裂，接着关闭脉动泵，并将中空钻杆与脉动泵断开连接，此时煤层长钻孔内一部分发泡大孔隙砂浆通过中空钻杆排出钻孔；
E、煤层长钻孔支撑防护：煤层长钻孔剩余部分的发泡大孔隙砂浆，根据发泡大孔隙砂浆的凝固时间，待发泡大孔隙砂浆到达终凝时间，开始逐渐产生支撑强度，此时拆除带孔型锥形橡胶，并缓慢启动定向钻机带动钻杆及定向钻头旋转，进而将靠近钻孔轴线处的已成型发泡大孔隙砂浆进行破碎，形成发泡大孔隙砂浆颗粒，同时不断向外回撤钻杆，直至完成钻杆回收，并保持了煤层长钻孔的连通性；继续等待一段时间，待发泡大孔隙砂浆完全凝固后，形成发泡大孔隙砂浆颗粒群，用于对煤层长钻孔全程支撑防护，最终实现煤层长钻孔一体化压裂与防护。
2.根据权利要求1所述煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，其特征在于，所述制备发泡大孔隙砂浆的具体过程为，按照如下质量比选取各个原料混合搅拌后制成发泡大孔隙砂浆，具体比例为：水：水泥：过氧化氢：粉煤灰：细骨料＝1：(1～2)：(0.08～0.15)：(0.3～0.8)：(0.5～0.1)。
3.根据权利要求2所述煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，其特征在于，所述细骨料是直径为2～4mm的聚氨酯颗粒，聚氨酯颗粒的密度100～200Kg/m3。
4.根据权利要求1所述煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，其特征在于，所述带孔型锥形橡胶的长度为6～10m，其对煤层长钻孔密封后能抵抗35～40MPa液体压力。
5.根据权利要求1所述煤层长钻孔压裂和防护一体化方法，其特征在于，所述定向钻头通过电控方式打开。
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