煤礦井下煤層樹狀鉆孔復合壓裂均勻增透的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種煤礦井下煤層樹狀鉆孔復合壓裂均勻增透的方法,屬于煤礦井下 區域瓦斯治理技術領域,尤其適合于松軟低透氣煤層的全面增透。
【背景技術】
[0002] 我國煤層大多數為高瓦斯低滲透煤層,瓦斯隨著煤層開采大量涌出導致煤礦瓦斯 事故頻發,并且造成能源浪費。現階段,瓦斯抽采是解決瓦斯問題的根本方法。我國煤礦 瓦斯抽采方式多種多樣,礦井下主要采用密集鉆孔預抽方法,密集鉆孔預抽法需要從巖巷 向煤層鉆進大量穿層鉆孔,尤其是穿層鉆孔巖段長、煤段短,施工量大,成本高,且卸壓范圍 小,瓦斯抽采效率低,效果差。如圖20所示,一般穿過巖層Ll和煤層L2的比例約為20:1~ 10:1。水力鉆孔也能夠局部卸壓,消除局部突出危險,但是其卸壓范圍小,難以實現超前區 域消突,而在水力鉆孔后進行水力壓裂能夠擴大卸壓范圍,增強煤層的通透性。
[0003] 但是常規水力壓裂在高壓水作用時一般不產生新裂縫,而是原生裂隙的擴展延 伸,極易產生單一主裂縫。單一主裂縫的無序擴展會造成裂縫分布不均勻,極易產生壓裂 "空白帶",不能實現煤體均勻卸壓增透,而且單一主裂縫會對煤層頂底板造成破壞,嚴重時 將破碎煤層頂底板致使頂底板穩定性降低,影響后續煤層的開采工作。并且現階段水力壓 裂只是對穿層鉆孔進行水力壓裂,無法控制在煤層中形成水平裂縫的深度,也無法形成裂 縫網,鉆孔利用率和壓裂效率都很低(王耀鋒,何學秋,王恩元,等.水力化煤層增透技術研 究進展及發展趨勢[J].煤炭學報,2014, 39 (10) : 1945 - 1955.)。
[0004] 國內外學者針對這些問題提出了許多解決方案,但是這些手段并沒有很好解決常 規水力壓裂煤層增透存在的幾個問題:一是常規穿層鉆孔工程量大,成本高;二是常規水 力壓裂效果差,易出現"空白帶",增透不均衡;三是煤儲層常規壓裂后形成的人工裂縫少且 短,導流能力差。
[0005] 文獻號為CN103924925A的專利申請也是針對以上問題提出的解決方案,其在應 用中能夠提高抽采效率,但抽采效果仍不理想,原因是各個鉆孔子孔影響范圍有限,若鉆孔 子孔稍長則子孔之間會存在抽采不到的區域。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是克服密集鉆孔水力壓裂預抽采技術在高瓦斯松軟煤層瓦斯抽采 應用中效率低、效果差、成本高等缺點,提供一種煤礦井下煤層樹狀鉆孔復合壓裂均勻增透 的方法。該方法是將瓦斯抽采孔作為母孔,將均勻分布的自進式鉆孔作為樹狀鉆孔子孔,再 對該樹狀孔網進行封孔壓裂。該方法適用于單煤層和多煤層瓦斯抽采,可在每個鉆孔母孔 上形成一個或多個鉆孔子孔網。
[0007] 本發明提出一種煤礦井下煤層樹狀鉆孔復合壓裂均勻增透的方法,包括如下步 驟:
[0008] (1)在巖巷向煤層預先鉆進先導孔,形成樹狀鉆孔的母孔,母孔需穿過煤層鉆至煤 層頂板或底板(若從煤層下方向上鉆進需鉆至頂板,若從煤層上方向下鉆進需鉆至底板), 母孔應足夠大且不會塌孔,大小可根據現場情況進行調整,直徑一般為130~150mm,即礦 井常用鉆桿直徑的二倍左右;
[0009] (2)將鉆桿依次從鉆機上取下,再將鉆桿、導向器與鉆頭依次連接,并將圓形水泥 塊、空心螺環安裝在導向器軌道出口處;
[0010] ⑶使用鉆頭進行擴孔,在擴孔的同時將導向器帶入至母孔中的預定位置,省去了 擴孔后退鉆以及導向器的送入等工序。
[0011] (4)將推進機構放置到鉆機和卡盤之間,將高壓栗通過高壓橡膠管連接到絞盤,再 用高壓軟管從絞盤接出,將高壓軟管連接自進式鉆頭并將其穿過鉆機、推進機構,將它們送 入鉆桿和導向器,并通過推進機構的管托機構調節高壓軟管和自進式鉆頭高度和角度,確 保它們順利進入鉆。
[0012] (5)啟動高壓栗,栗壓為25~35Mpa,自進式鉆頭帶動高壓軟管進行自進式鉆進, 在到達導向器出口處時,自進式鉆頭將孔口的圓形水泥塊破碎,進入煤層,進行樹狀鉆孔的 子孔鉆進,鉆進長度為10~20m,形成第一個樹狀鉆孔子孔。栗壓選擇影響因素包括管路損 失、煤層強度等,一般為25~35Mpa,調整方式為:管路長、煤層強度大時應增大壓力。鉆進 長度由鉆孔子孔間夾角及在該栗壓下壓裂后鉆孔子孔的影響范圍共同決定,子孔間夾角或 煤層強度增大時應適當減小鉆進長度。
[0013] (6)降低栗壓至2Mpa防止噴嘴被堵,反旋絞盤收回自進式鉆頭至導向器內,參照 卡盤上的刻度盤旋轉卡盤,旋轉角度按照施工設計進行,一般設計為30°~60°,且應為 360° /N,N為正整數。因為當角度小于30°時并不能再增大抽采范圍,反而會造成施工成 本增加;當角度大于60°時會在鉆孔子孔之間產生抽采不到區域,影響抽采效果。
[0014] (7)重復5、6步驟,直至形成以母孔為主干、以子孔為支干的等角度放射狀分布的 一層子孔網,所述子孔均勻分布于同一水平面;
[0015] (8)若煤層度大于4m,則需要多層子孔網,子孔網間距為2m,最上層和最下層子孔 網距頂底板應為1~2m,施工過程采用后退式施工方式,施工下一層子孔網時應收回兩根 鉆桿(施工選用鉆桿長度為Im),并與上一層子孔網的子孔角度錯開,使相鄰子孔網層之間 的上下子孔位置相互錯開;
[0016] (8)在完成所有子孔網后,關閉高壓栗,退出高壓軟管、自進式鉆頭、鉆桿和鉆頭;
[0017] (9)將套管和返漿管通過母孔送至煤層底板或頂板處,壓裂管沿母孔送至煤層中 部位置處,注漿管設在孔口封堵段前10~20cm位置處,在孔口使用AB膠和棉紗封堵,固結 后在孔口打入木塞;從注漿管向鉆孔內注入封孔漿體,當返漿管有漿體流出時停止注漿,固 結24小時使強度達到要求;
[0018] (10)將高壓栗連接壓力流量控制系統和封孔裝置,啟動高壓栗對煤層進行壓裂, 使各個子孔通過壓裂裂縫連通,壓裂壓力為25~35MPa,根據煤層性質和現場情況進行調 整,調整方式為:煤層埋深越深、子孔越長、子空間夾角越大則選擇壓力越大。
[0019] 實現以上方法,傳統煤礦井下鉆孔和壓裂設備是無法完成的,必須依賴于一套特 殊的裝備,該裝備包括成孔系統和壓裂系統,裝備在采用煤礦常用設備,如水箱、高壓栗、鉆 機、鉆桿等的基礎上,增加了特殊結構的推進機構、導向器、自進式鉆頭和特殊結構的鉆頭 等,實現對煤層的大范圍均勻增透。
[0020] 所述成孔系統包括鉆機、鉆桿、鉆頭、導向器、支架、水箱、高壓栗、絞盤、推進機構、 刻度盤、卡盤、高壓軟管、自進式鉆頭。
[0021] 所述鉆機安裝在支架上,鉆桿連接在鉆機上,鉆桿前端連接導向器,導向器前端連 接鉆頭,所述水箱連接高壓栗,高壓栗連接高壓軟管,高壓軟管纏繞在絞盤上,并穿過推進 機構,高壓軟管前端連接自進式鉆頭。高壓軟管和自進式鉆頭在鉆樹狀孔的子孔時穿過鉆 桿并通過導向器導向,依靠射流產生自進力鉆出子孔。在鉆桿與鉆機前端連接的卡盤上安 裝有轉向刻度盤,刻度盤一端固定在鉆桿上且隨鉆桿轉動,另一端固定在鉆機卡盤上,導向 器的轉動角度通過刻度盤控制。
[0022] 所述壓裂系統包括水箱、高壓栗、壓力表、高壓橡膠管、壓力流量控制系統、封孔裝 置;所述高壓栗連接高壓橡膠管,高壓橡膠管連接壓力流量控制系統,壓力流量控制系統連 接封孔裝置,壓裂系統中所使用壓裂液為低粘度壓裂液。
[0023] 在該方法中,母孔和均勻分布的多個子孔網層能對煤層進行卸壓,水力壓裂會在 各個鉆孔子孔上形成大量分布較為均勻的裂縫,并使子孔之間通過裂縫相互連通,進一步 擴大卸壓范圍。而這些裂縫較小并不足以影響頂底板穩定,又能夠提高煤層通透性,擴大常 規穿層鉆孔和水力壓裂的卸壓范圍。均勻布置的樹狀鉆孔子孔能夠降低起裂壓力,壓裂后 會產生大量分布均勻的裂縫,消除了常規水力壓裂單一主裂縫對頂、底板的不良影響。該方 法工藝簡單,成本較低,增大了單個穿層鉆孔的壓裂范圍,提高了穿層鉆孔的利用率和壓裂 效率,為煤礦井下安全生產提供保障。
[0024] 本發明具體還有以下優點:
[0025] 1、成孔系統將鉆桿、導向器、鉆頭、高壓軟管、自進式鉆頭以及刻度盤進行合理組 合,能同時完成樹狀鉆孔母孔鉆進與導向器的帶入,即通過鉆頭擴孔,鉆進之后不需退鉆安 裝導向器,可直接進行煤層樹狀鉆孔的鉆進,節約了由于退鉆、導向器單獨送入所產生的時 間,并減輕工作量。
[0026] 2、導向器的結構設計緊湊合理,體積小,屬超短半徑徑向水平井導向器,在導向軌 道上設有滾輪,能減小高壓軟管通過時的摩擦力,并誘導高壓軟管順利通過導向器,使高壓 軟管和自進式鉆頭順利完成90°轉向,鉆頭能進行鉆進破巖;
[0027] 3、導向器前端連接的鉆頭為空化鉆頭,導向器的導向軌道與前端連接的鉆頭的流 道連通,高壓水通過流道后,能以較低水壓力進行輔助的破巖,增加鉆進效率。
[0028] 4、自進式鉆頭為一體化結構,設計相對簡單,鉆頭尺寸小,鉆孔尺寸大,不會形成 凸臺,鉆頭不易鉆偏,鉆頭壽命長,自進式鉆頭能將高壓水分為四股射流,具有分級破巖的 功能,破巖效果好。
[0029] 5、通過刻度盤對導向器出口方向的調整,能夠實現樹狀鉆孔的均勻分布,更好的 提高煤層透氣性。
[0030] 6、通過設置推進機構來有效配合自進式鉆頭的鉆進,因為在自進式鉆孔過程中, 僅靠鉆頭自進力難以鉆出深長孔,所以通過推進機構對管道進行推進再結合自進式鉆頭的 自進力就能鉆出中深孔,也能實現大角度仰孔的鉆進。推進裝置采用同步齒形帶輪和異形 同步帶配合,由壓緊機構壓緊,可以提供較大的,并且穩定的摩擦力,適合為高壓樹脂管類 管線提供推力,并能有效減少對管線的局部損傷。
[0031] 7、推進裝置采用的壓緊機構結構簡單,