CN110056353A - 煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法，包括在煤矿巷道用钻机将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围内的裸眼水平井中，直至水力喷射器对准第一压裂段；连接压裂管柱至注水泵，开启注水泵以向高压钢管内打压至第一预设值时，水力喷射器一侧的封隔器座封后，水力喷射头向地层喷出压裂液体射开岩石，同时进行环空补液，注水泵继续注入压裂液以压第一压裂段；当注水泵压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至注水泵的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业。采用该方法节约了压裂周期，提高了煤矿的开采效率。

Description

煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体而言，涉及一种煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法。

背景技术

煤矿开采中若有坚硬顶板会造成巷道围岩变形严重、超前矿压剧烈显现，甚至造成冲击地压灾害。由于坚硬顶板导致的矿难多发，现有类似技术是定向水力压裂技术，这种方法在实践中存在如下问题：

1、压裂施工时每次压裂前增加定向切槽工序，导致施工周期延长。

2、现有压裂工具不能推入水平井段。

3、定向斜井钻井深度小，一般小于150m，工作面深部突出问题不能解决。

4、定向斜井井眼小，深度超过100m压裂工具很难下入。

5、压裂工具直径小，受拉力、压力均小，工具送入只能采取人工推入方式，工人劳动强度大、需要人数多，而且送入深度有限。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法，以解决现有技术中施工周期长的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法，包括：步骤1：在煤矿巷道用钻机将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围内的裸眼水平井中，直至水力喷射器对准第一压裂段；步骤2：连接压裂管柱至注水泵，开启注水泵以向高压钢管内打压至第一预设值时，水力喷射器一侧的封隔器座封后，水力喷射头向地层喷出压裂液体射开岩石，同时进行环空补液，注水泵继续注入压裂液以压第一压裂段；步骤3：当注水泵压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至注水泵的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业；步骤4：对高压钢管进行缓慢放压直至高压钢管内的压力达到第二预设值，使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，重复步骤2、步骤3完成对第二压裂段的压裂作业。

进一步地，在步骤1之前还包括：步骤01：将工作面顶板预定范围内的裸眼水平井划分成多个压裂段，采用压裂管柱对多个压裂段依次进行压裂作业，多个压裂段包括第一压裂段和第二压裂段。

进一步地，对多个压裂段依次进行压裂作业完成后，对高压钢管进行放压处理，在煤矿巷道用钻机将压裂管柱起出，完成对水平井压裂施工作业。

进一步地，第一预设值为P1，其中，2 MPa≤P1≤3MPa。

进一步地，第二预设值为P2＝0 MPa。

进一步地，在对裸眼水平井压裂的过程中，当需要水力喷射头射孔时加入少量压裂砂进行压裂作业。

进一步地，方法还包括：在压裂过程中，采用无源微地震监测方法，在煤层巷道布置接收器，实时监测裂缝三维走向。

进一步地，方法还包括：在压裂过程中，在注水泵出口安装压力排量记录仪，实时监控压裂压力和排量。

应用本发明的技术方案，采用该实施方法，能够使压裂管柱在水平井内活动自如的送入和拉出。采用该方法对煤矿进行开采，有效地降低人工劳动的强度，使得一趟压裂管柱可实现多次分段压裂，节约了压裂周期，提高了煤矿的开采效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的水平井水力喷射分段压裂管柱的实施例的结构示意图；

图2示出了水平井水力喷射分段压裂工艺的实施例的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、引鞋；2、扶正器；3、液压封隔器；4、压力开启滑套；5、安全接头；6、裸眼水平井；7、压裂管柱；

8、水罐；9、高压注水泵；10、储能器；11、压力传感器；12、流量传感器；13、压力流量数据采集；14、高压软管；15、液控高压闸门；16、钻机；17、ESD控制装置；18、微地震数据处理装置；19、微地震感应器；20、压裂管柱；21、水平井；22、砂罐；23、混砂撬。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1和图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法。

具体地，该方法包括：步骤1：在煤矿巷道用钻机将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围内的裸眼水平井中，直至水力喷射器对准第一压裂段；步骤2：连接压裂管柱至注水泵，开启注水泵以向高压钢管内打压至第一预设值时，水力喷射器一侧的封隔器座封后，水力喷射头向地层喷出压裂液体射开岩石，同时进行环空补液，注水泵继续注入压裂液以压第一压裂段；步骤3：当注水泵压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至注水泵的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业；步骤4：对高压钢管进行缓慢放压直至高压钢管内的压力达到第二预设值，使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，重复步骤2、步骤3完成对第二压裂段的压裂作业。

在本实施例中，采用该实施方法，能够使压裂管柱在水平井内活动自如的送入和拉出。采用该方法对煤矿进行开采，有效地降低人工劳动的强度，使得一趟压裂管柱可实现多次分段压裂，节约了压裂周期，提高了煤矿的开采效率。

其中，在步骤1之前还包括：步骤01：将工作面顶板预定范围内的裸眼水平井划分成多个压裂段，采用压裂管柱对多个压裂段依次进行压裂作业，多个压裂段包括第一压裂段和第二压裂段。

进一步地，对多个压裂段依次进行压裂作业完成后，对高压钢管进行放压处理，在煤矿巷道用钻机将压裂管柱起出，完成对水平井压裂施工作业。第一预设值为P1，其中，2MPa≤P1≤3MPa。第二预设值为P2＝0 MPa。

其中，在对裸眼水平井压裂的过程中，当需要水力喷射头射孔时加入少量压裂砂进行压裂作业。在压裂过程中，采用无源微地震监测方法，在煤层巷道布置接收器，实时监测裂缝三维走向。在注水泵出口安装压力排量记录仪，实时监控压裂压力和排量。

具体地，本申请提供的煤矿巷道全工作面顶板水平井水力喷射分段压裂工艺，为煤矿全面超前解决顶板突出问题提供解决方案，经济性可靠性突出。

在煤矿巷道内对已部署在工作面顶板预定范围之内的裸眼水平井进行分段压裂，该方法实施的主要特点为水力喷射，即用水力喷射头产生高速流体穿透岩石形成孔眼，随后流体在孔眼底部产生高于破裂压力的压力，延伸水力裂缝，拖动压裂管柱使水力喷射头对准下一段，实现分段压裂。该方法的主要组成部分详述如下：

压裂管柱：水平井双封单卡分段压裂管柱示意图如图1所示，压裂工具依次包括压裂管柱7(高压注水钢管)、安全接头5、扶正器2、液压封隔器3、水力喷射器4、引鞋1。其中，6为裸眼水平井，A为顶板，B为煤层。

压裂工具：高压注水钢管外径在煤矿裸眼水平井中一般小于或等于73mm，承压大于或等于70MPa，为适应巷道内钻机使用，每根高压注水钢管长度小于或等于3m。为方便钻具推送到位，管柱上所有钢管和工具节箍上下倒角，底部配合半圆形引鞋，高压注水钢管每隔20m至30m加扶正器，封隔器上下均加装扶正器。

压裂装备：使用普通钻机在巷道内下入或起出压裂管柱，钻机推送力和拉力大于或等于10T。压裂泵使用电动高压注水泵，功率大于或等于50KW，工作压力大于或等于70MPa，排量小于或等于500L/min。

压裂泵和高压注水钢管连接采用70MPa至105MPa高压软管连接，水平井井口高压注水钢管处安装105MPa高压液控针型阀，由独立液压站控制，能紧急关断，是压裂时安全装备，防止高压软管爆裂产生巷道和井内安全问题。

压裂液：使用“清水+磨料+添加剂”压裂液。煤层顶板压裂不需要加砂充填裂缝，只需要水力喷射头射孔时加入少量压裂砂。

压裂施工参数：施工参数确定原则为小排量、高压力，确保缝长尽可能长。

压裂段划分：煤矿采用裸眼水平井完井，压裂工具卡封间距0.5-1米，压裂段划分最小间隔1米左右，最大间隔可根据施工实际情况调整，一般小于10米。

压裂效果监测：可根据生产需要选择性监测，采用无源微地震监测方法，在煤层巷道布置接收器，实时监测裂缝三维走向；注水泵出口安装压力排量记录仪，实时监控压裂压力和排量。具体包括以下步骤：

步骤1：根据设计组配压裂管柱.

步骤2：在煤矿巷道用钻机将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围之内的裸眼水平井中，直至水力喷射器对准第一压裂段。

步骤3：连接压裂管柱至注水泵，开泵注水，高压钢管内打压2-3MPa时封隔器座封，水力喷射头向地层喷出压裂液体射开岩石，同时环空补液，电动高压注水泵继续注压裂液压裂第一层段。

步骤4：压裂施工，注水泵压力迅速上升到达顶板岩层破裂压力，维持排量压力扩展裂缝，直至排量稳定、压力突然下降，观察压力趋势无变化，结束第一段压裂。

步骤5：缓慢放压至高压钢管内压0MPa，使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，重复步骤2、3完成第二压裂段压裂。重复步骤2、步骤3、步骤4，完成第N段压裂施工。缓慢放压至高压钢管内压0MPa，在煤矿巷道用钻机将压裂管柱起出，完成水平井水利喷射分段压裂施工。

根据本申请的另一个实施例，某煤矿某工作面顶板为坚硬难垮塌粉砂岩，在顶板30米处预钻裸眼水平井30口，井深360米，水平段200米，实施分段压裂步骤如下：

步骤1：在煤矿巷道用钻机将压裂管柱推送到360米。

步骤2：连接压裂管柱至注水泵，开泵注水，高压钢管内打压2MPa时封隔器座封。

步骤3：压裂施工：注水泵注入含砂压裂液压力45MPa顶板岩层破裂，环空补无砂压裂液扩展裂缝，维持排量压力5min扩展裂缝，压力突然下降，结束第一段压裂。

步骤4：缓慢放压至高压钢管内压0MPa，使用钻机拖动压裂管柱至355米，重复步骤2、3完成第二压裂段压裂。重复步骤2、步骤3、步骤4，完成第20段压裂施工。缓慢放压至高压钢管内压0MPa，在煤矿巷道用钻机将压裂管柱起出，完成水平井水力喷射分段压裂施工。管柱设计和优化使管柱在水平井内送入和拉出活动自如，利用钻机施工降低人工劳动强度，一趟压裂管柱可实现N次分段压裂，理论上无限极分段，极大节约压裂周期。其中，N为正整数。在施工过程中，可以在顶板同一水平面定点制造多条裂缝，破坏整个工作面顶板结构，提前消突，整体效果明显，在裸眼水平井使用该方法可以解决工作面深部顶板消突问题。下井大直径工具只有1个封隔器，下入成功率高，施工成功率高，使用寿命长。本方法尤其适用于煤矿粉砂岩、碳酸盐等坚硬顶板，能超前、经济、可靠的解决顶板突出问题。

其中，如图2所示，在压裂作业过程中，还采用水罐8、高压注水泵9、储能器10、压力传感器11、流量传感器12、压力流量数据采集13、高压软管14、液控高压闸门15、钻机16、ESD控制装置17、微地震数据处理装置18、微地震感应器19、压裂管柱20。其中，图2中21为水平井，22为砂罐，23为混砂撬，C为巷道。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种煤矿巷道内坚硬顶板水平井水力喷射分段压裂的方法，其特征在于，包括：

步骤1：在煤矿巷道用钻机将压裂管柱推送到已部署在工作面顶板预定范围内的裸眼水平井中，直至水力喷射器对准第一压裂段；

步骤2：连接压裂管柱至注水泵，开启注水泵以向高压钢管内打压至第一预设值时，水力喷射器一侧的封隔器座封后，水力喷射头向地层喷出压裂液体射开岩石，同时进行环空补液，注水泵继续注入压裂液以压第一压裂段；

步骤3：当注水泵压力上升到达顶板岩层破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，直至注水泵的排量压力值从压力持续稳定至排量压力值出现突然下降直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业；

步骤4：对高压钢管进行缓慢放压直至高压钢管内的压力达到第二预设值，使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，重复步骤2、步骤3完成对第二压裂段的压裂作业。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1之前还包括：

步骤01：将工作面顶板预定范围内的裸眼水平井划分成多个压裂段，采用压裂管柱对多个压裂段依次进行压裂作业，多个压裂段包括第一压裂段和第二压裂段。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对多个压裂段依次进行压裂作业完成后，对高压钢管进行放压处理，在煤矿巷道用钻机将压裂管柱起出，完成对水平井压裂施工作业。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一预设值为P1，其中，2MPa≤P1≤3MPa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二预设值为P2＝0MPa。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对裸眼水平井压裂的过程中，当需要水力喷射头射孔时加入少量压裂砂进行压裂作业。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在压裂过程中，采用无源微地震监测方法，在煤层巷道布置接收器，实时监测裂缝三维走向。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在压裂过程中，在注水泵出口安装压力排量记录仪，实时监控压裂压力和排量。