CN103883303A - 一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，包括在顶板或底板中形成顺煤层的钻孔；置入压裂管组和径向射孔器到第一射孔位；封孔；将压裂管组和射孔器分别与对应泵组连接并由射孔器形成煤层与钻孔连通的射流通道；向钻孔压力注入环空压裂液并保持环空压力；继续对煤层进行喷射至设定时间使煤体形成沿煤层喷射孔孔底方向延伸的裂纹；同时停止喷射和压裂，将射孔器移动至下一喷射位置形成射流通道后对压裂液加压并持续喷射；重复执行单独喷射岩层和加压喷射煤层的步骤，直至钻孔中各个位置的喷射压裂完成后进行煤层气抽采。本发明的有益效果是，裂缝走向和数量可控，煤层气开采效率高，可有效防治煤矿瓦斯灾害，提高经济和社会效益。

Description

一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法

技术领域

本发明涉及一种煤层气开采方法，尤其是一种适用于高瓦斯低透气性松软煤层的煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法。

背景技术

煤层气是一种洁净的能源，但对于煤炭生产而言是一种灾害源。如何实现采煤之前高效抽采煤层气，达到资源开发利用和煤矿减灾的双重目的，一直是人们关注的焦点。现目前煤矿井下应用较普遍的开采煤层气的方法是采用高压水力压裂后抽采的方式开采。该方法将高压水通过钻孔注入煤体中，将煤体压开以产生大量的裂缝，达到高效抽采煤层气的目的。但该方法存在压穿煤体所需的压力高，裂缝数量和走向不能控制，多层位压裂时，需要对已压裂层位的压裂孔进行封堵处理，故其存在工程量大、工序复杂，压裂总体时间长等缺陷。因此，亟需寻找一种可控、高效、操作简单的高压水力压裂。

发明内容

本发明的目的是针对现有的煤层气开采技术的不足，提供一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，以有效控制裂缝数量和走向，增大钻孔与煤层接触面积，提高煤层气开采效率，防治煤矿瓦斯灾害的发生，提高经济和社会效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，包括以下步骤：

a、在煤层顶板或底板中形成顺煤层的钻孔，该钻孔的中心与煤层之间具有设定距离h；

b、在该钻孔内置入压裂管组和用于径向射孔的射孔器，并将该射孔器置入到需要进行压裂的第一射孔位；

c、对所述钻孔按压裂密封要求进行封孔，以在钻孔的孔口端形成封孔段，该封孔段与压裂管组形成静密封，且与射孔器的进液管形成动密封；

d、将压裂管组通过管件与压裂泵组连接；将射孔器的进液管与射孔泵组连接；

e、通过射孔泵组将含有磨料的射孔介质泵送到所述射孔器，并由射孔器形成喷射射流，该喷射射流射穿岩层形成煤层与所述钻孔连通的分支孔；

f、通过压裂泵组和压裂管组向钻孔内压力注入压裂液；

g、由所述射孔器通过该分支孔对煤层喷射设定时间，且喷射同时通过压裂泵组对钻孔内压裂液加压，并保持压力和控制压裂液流量，以使煤层的煤体形成沿煤层射孔孔底方向延伸的压裂裂纹；

h、关闭压裂泵组，将所述射孔器移动至下一压裂位置，并通过射孔泵组和射孔器形成下一个分支孔；返回步骤g直至整个钻孔中各个压裂位置的喷射压裂完成；

i、拆除射孔器，将钻孔与煤矿井下瓦斯抽采***连接，进行煤层气抽采。

采用上述技术方案的本发明，在射孔过程中，首先射孔泵组将射流介质泵送到喷射器并由喷射器的喷嘴将高压势能转换成动能，喷射器产生高的速射流切割岩层，形成与煤层连通的具有一定直径和深度的分支孔。在分支孔射孔完成后，喷射器以该分支孔为射流通道继续对煤层进行喷射以形成煤层射孔，此时的喷射压力小于煤岩体破裂压力，煤层不产生裂纹；此时，在岩层钻孔中注入压裂液后并由压裂泵加压，形成喷射器的环境压力，本技术方案中称为环空压力。在具有环空压力期间，喷射器的高压射流通过射流通道对环空压力液产生的抽汲作用，使压裂液在射流通道及煤层射孔内聚集，形成喷射压力与压裂压力的叠加，两者叠加压力高于煤岩层的破裂压力，使煤岩层产生裂缝，形成喷射压裂。同时，高速流体的冲击作用能在煤层的射孔顶端产生微裂缝，在一定程度上降低了煤岩层起裂压力，从而促进煤层开裂。该喷射压裂的裂缝在煤岩层射孔顶端产生并延伸，因此喷射压裂可有效控制起裂方向和裂缝延伸方向，从而可实现分布均匀的控制压裂。由于喷射器高压射流的抽汲作用，环控压裂液不断引入射孔通道及煤层射孔中，此时，通过控制合适的环空注入压裂液的流量用以补偿钻孔的漏失、维持压力，确保裂缝的持续延伸。通过在钻孔中多个设定位置的喷射压裂可形成大范围的且可均匀分布的裂隙网络，最终实现有效提高煤层气的抽采效率目的。另外，喷射器高压射流的抽汲作用还使得环空压力小于正在喷射部位的分支孔及煤层射孔孔内的压力，同时也小于煤岩体的起裂压力及裂缝延伸压力，因此，处于正在喷射的喷神压裂位置以外的已压裂煤体部位不会继续开裂，不需对已开裂部位进行密封，其自然具有动态封隔的效果，不需对已压裂煤层部位的分支孔进行封堵就可避免重复压裂。本发明特别适用于煤层间距较小的两个煤层进行喷射压裂，在两煤层之间钻孔中通过喷射器的两个或多个喷嘴射穿两边岩层，进而对两个煤层气储层进行同时喷射压裂。

本发明中，环空压裂液流量应根据钻孔漏失、裂缝延伸及压降损失等情况进行控制。

所述分支孔还具有伸入煤层的部分。以进一步提高对煤层喷射压裂的引导作用。

优选的，所述钻孔与煤层的距离为0.5～1.0m。钻孔与煤层的距离应根据顶底板岩性及射孔器的射孔能力等因素选择，以确保钻孔在喷射压裂过程中的稳固性和喷射压裂工作效率高的原则确定。

优选的，所述钻孔的直径大于或等于120mm。以充分满足置入、取出压裂管组及射孔器所需要的空间，一般要求钻孔若钻孔位置的地应力、构造应力等较大或煤岩体较破碎易垮塌，可下套管完井。

本发明与现有技术相比的有益效果是，本发明通过在煤层顶底板中钻井保证了钻孔的稳定性，避免了在煤层中钻孔坍塌；压裂方向、位置和数量可控，保证了钻孔与煤层的连通性；降低了近钻孔地带应力集中，有利于提高近钻孔地带渗透率；降低煤层破裂压力，有助于裂缝的形成和延伸；射孔与压裂联作，减少了工作量；通过环空压力控制，节省了对已压开层位的钻孔进行封堵的环节；可直接对目的层位逐层进行准确射孔压裂；可在需要压裂的任意层位进行施工，同时对于裂缝数量不受限制，可有效提高煤层气的抽采效率。

附图说明

图1是采用本发明方法进行煤层喷射压裂的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。

参见图1，一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，包括以下步骤：

a、在煤层顶板或底板中形成顺煤层且直径为120mm的钻孔1，该钻孔1的中心与煤层之间具有设定距离h为0.5～1.0m；

b、在该钻孔1内置入压裂管组2和用于径向射孔的射孔器3，并将该射孔器3置入到需要进行压裂的第一射孔位；

c、对所述钻孔1按压裂密封要求进行封孔，以在钻孔1的孔口端形成封孔段4，该封孔段4与压裂管组2形成静密封，且与射孔器3的进液管31形成动密封；

d、将压裂管组2通过管件与压裂泵组5连接；将射孔器3的进液管31与射孔泵组6连接；

e、通过射孔泵组6将含有磨料的射孔介质泵送到所述射孔器3，并由射孔器3形成喷射射流，该喷射射流射穿岩层形成煤层7与所述钻孔1连通的分支孔8，该分支孔8具有伸入煤层7的部分，该部分构成煤层射孔；

f、通过压裂泵组5和压裂管组2向钻孔1内压力注入压裂液，以形成喷射器3的环空压裂液；

g、由所述射孔器3通过该分支孔8对煤层7喷射设定时间，且喷射同时通过压裂泵组5对钻孔1内压裂液加压，环空压裂液在射孔器3的高速射流在分支孔8内形成的抽汲引射作用下进入分支孔8及煤层射孔内，并在分支孔8及煤层射孔内聚集，煤层射孔的孔底形成环空增压后压力大于煤层7的起裂压力，以使煤层射孔孔底开裂，保持压力和控制压裂液流量，以使煤层7的煤体形成沿煤层射孔孔底方向延伸的压裂裂纹；

h、关闭压裂泵组5，将所述射孔器3移动至下一压裂位置，并通过射孔泵组6和射孔器3形成下一个分支孔8；返回步骤g直至整个钻孔1中各个压裂位置的喷射压裂完成；

i、拆除射孔器3，将钻孔1与煤矿井下瓦斯抽采***连接，进行煤层气抽采。

在本实施例中，所述钻孔1的直径还可为大于120mm的其他适当值。

在本实施例中，所述钻孔还可形成在煤层底板10中。

以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (4)

1.一种煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在煤层顶板或底板中形成顺煤层的钻孔(1)，该钻孔(1)的中心与煤层之间具有设定距离(h)；

b、在该钻孔(1)内置入压裂管组(2)和用于径向射孔的射孔器(3)，并将该射孔器(3)置入到需要进行压裂的第一射孔位；

c、对所述钻孔(1)按压裂密封要求进行封孔，以在钻孔(1)的孔口端形成封孔段(4)，该封孔段(4)与压裂管组(2)形成静密封，且与射孔器(3)的进液管(31)形成动密封；

d、将压裂管组(2)通过管件与压裂泵组(5)连接；将射孔器(3)的进液管(31)与射孔泵组(6)连接；

e、通过射孔泵组(6)将含有磨料的射孔介质泵送到所述射孔器(3)，并由射孔器(3)形成喷射射流，该喷射射流射穿岩层形成煤层(7)与所述钻孔(1)连通的分支孔(8)；

f、通过压裂泵组(5)和压裂管组(2)向钻孔(1)内压力注入压裂液；

g、由所述射孔器(3)通过该分支孔(8)对煤层(7)喷射设定时间，且喷射同时通过压裂泵组(5)对钻孔(1)内压裂液加压，并保持压力和控制压裂液流量，以使煤层(7)的煤体形成沿煤层射孔孔底方向延伸的压裂裂纹；

h、关闭压裂泵组(5)，将所述射孔器(3)移动至下一压裂位置，并通过射孔泵组(6)和射孔器(3)形成下一个分支孔(8)；返回步骤g直至整个钻孔(1)中各个压裂位置的喷射压裂完成；

i、拆除射孔器(3)，将钻孔(1)与煤矿井下瓦斯抽采***连接，进行煤层气抽采。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，其特征在于，所述分支孔(8)还具有伸入煤层(7)的部分。

3.根据权利要求1或2所述的煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，其特征在于，所述钻孔(1)与煤层的距离(h)为0.5～1.0m。

4.根据权利要求1或2所述的煤矿井下定向喷射压裂开采煤层气的方法，其特征在于，所述钻孔的直径大于或等于120mm。

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