CN113756775A - 大倾角低渗煤层水力增渗工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤层水力增渗技术领域，公开了大倾角低渗煤层水力增渗工艺，包括以下步骤：步骤(1)，钻孔，在煤层进行钻孔而形成压裂孔；步骤(2)，确定封孔工艺，每一个压裂孔内放置有两个封隔器，两个封隔器间隔分布，压裂孔的一侧开设有与其连通的多个分支孔，分支孔与压裂孔之间的交点为分支点，压裂孔内***压裂管，压裂管的筛管段投放到需要压裂的分支孔的位置；步骤(3)，压裂参数设计，包括泵注压力参数和注入液量参数设计；步骤(4)，压裂设备选型；步骤(5)，压裂实施，使用封孔材料将压裂孔进行封孔后，待封孔材料凝固12‑48h后连接管路、设备，开泵进行注水压裂。本发明能够避免在水力压裂过程中出现封孔效果差而导致漏水的现象。
Description
技术领域
本发明涉及煤层水力增渗技术领域，具体涉及一种大倾角低渗煤层水力增渗工艺。
背景技术
在我国现有的煤炭资源中大部分为突出煤层，此类型的煤层在进行开采前，按照规定都是需对煤层进行瓦斯抽采处理来降低煤层中瓦斯的含量，以保证煤炭开采过程中的操作安全。
想要提高瓦斯抽采效率，需要提高煤层的透性，大部分矿井为了提高煤层透性所采用的方法是卸压增透工艺，而卸压增透工艺中效果最好的是采用水力压裂技术。
水力压裂增透的同时，能够降低煤层的突出危险性：(1)对煤层物理力学性质改变作用：具有压裂的作用，通过水力压裂可以使裂隙不断贯通、扩大，扩大湿润半径，并产生“膨胀—收缩—膨胀”的反复作用，最大范围地改变煤层的物理力学性质；(2)对瓦斯的驱替作用：通过水力压裂最大限度的使水渗入到不同孔径的裂隙、孔隙中，最大限度地增加媒体的润湿性，会将不同孔内的瓦斯气体驱替出来；(3)改变地应力的分布规律：水力压裂可以使得工作面前方应力通过水压的传递作用变得更加的均匀，从而降低由于应力不均匀造成的煤层突出的危险性。
含瓦斯媒层实施水力压裂后，抽采钻孔短时间内瓦斯浓度与抽采量均大幅度增加，加快了抽采速度，降低了煤层瓦斯含量，是提高抽采效率的有效技术手段。
现有技术中的压力工艺对煤层进行水力压裂增透处理后，再进行瓦斯抽采的时候工作效率有显著的提高，采用水力压裂技术实现煤层增透的过程中，会使用到封孔器来保证压裂过程中压裂钻孔不漏水，但是现有封孔器座封力较大，仅仅适用于套管井或者均质性较好的岩石层裸眼井，而煤层较软，较大的座封力会使钻孔出现局部垮孔等现象，从而影响封孔效果。
另外，在实施水力***过程中大多都存在一定的安全问题。
发明内容
本发明意在提供大倾角低渗煤层水力增渗工艺，以避免在水力压裂过程中出现封孔效果差而导致漏水的现象。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：大倾角低渗煤层水力增渗工艺，包括以下步骤：
步骤(1)，钻孔，在煤层进行钻孔而形成压裂孔；
步骤(2)，确定封孔工艺，每一个压裂孔内放置有两个封隔器，两个封隔器间隔分布，压裂孔的一侧开设有与其连通的多个分支孔，分支孔与压裂孔之间的交点为分支点，压裂孔内***压裂管，压裂管的筛管段投放到需要压裂的分支孔的位置；
步骤(3)，压裂参数设计，包括泵注压力参数和注入液量参数设计；
步骤(4)，压裂设备选型；
步骤(5)，压裂实施，使用封孔材料将压裂孔进行封孔后，待封孔材料凝固12-48h后连接管路、设备，开泵进行注水压裂。
本方案的原理及优点是：
采用本方案中的工艺能够使抽采钻孔短时间内瓦斯浓度与抽采量均大幅度增加，有效的加快了抽采速度，降低了煤层瓦斯含量。
本方案中的封孔工艺中通过在每一个压裂孔内放置两个间隔分布的封隔器，能够确保压裂过程中压裂孔不漏水，从而确保压裂时所需要的压力，保证压裂的正常进行。
优选的，作为一种改进，压裂孔的孔口安装压力传感器检测孔口的压力变化，在煤层的回风顺槽的回风侧安设瓦斯浓度传感器监测压裂孔周边的瓦斯浓度变化情况，所述压裂孔的孔口安设有高压阀门。
本方案中封孔材料能够使压裂孔的密封性更加，通过封孔材料提高压裂孔的密封性后再安装连接管路、设备，能够使整个压裂过程更加的稳定安全，同时本方案中由于在压裂孔的孔口安装有压力传感器，该压力传感器能够监测孔口的压力变化，实现孔内压力变化的远距离精确监测，本方案中通过监测孔口压力变化能够实时观察到设备和管理的异常，有效的提高安全性。
本方案中在回风顺槽的回风侧安装的瓦斯浓度传感器能够检测压力孔周边的瓦斯浓度的变化情况，能够实时监测安全状况。
另外本方案中在压裂孔的孔口处安设有高压阀门，这样的设置方便控制注水和排水。
优选的，作为一种改进，当步骤(5)中的注水量达到设计要求后，关闭压裂孔的孔口处的高压阀门，使煤体内的高压水保持压力。
本方案中，由于水力压裂后媒体内的水仍然有较高的压力，此时高压水仍然能够继续在煤体内使煤体产生裂缝，同时使压裂过程中产生的裂缝得到较好的保持，因此关闭高压阀门，使煤体内高压水保持压力，有利于煤体内裂隙的发育和保持，高压水保压有利于降低水力压裂后瓦斯流量衰减系数，提高压裂后的瓦斯抽采效果。
优选的，作为一种改进，步骤(3)中泵注压力参数的确定中，泵注压力小于泵的额定压力，泵的功率至少为泵注压力与泵注流量的乘积。
满足本方案的泵注压力的条件后能够使整个压裂效果更佳。
优选的，作为一种改进，当压裂孔内的高压水持续3天的压力下降幅度低于0.5MPa时，缓慢打开压裂孔的孔口的高压阀门进行缓慢排水。
本方案中当3天内的压力下降幅度低于0.5Mpa时，停止保压，因为此时压裂孔内的高压水不再具有造缝的能力或孔内高压水造缝能力较差，此时缓慢打开孔口高压阀门，慢慢排水，能够防止因水流过快带出大量煤屑堵塞压裂孔。
优选的，作为一种改进，当水自然流出量较小后，通过使用隔膜泵向压裂孔内下放管路，抽排压裂孔内剩余的水。
本方案能够防止自然排水有残留的情况，能够避免产生积水。
优选的，作为一种改进，当压裂孔排水完成后，将管路与抽采***连接并安装流量计，监测钻孔甲烷浓度，考察钻孔瓦斯浓度、瓦斯抽采量，建立瓦斯抽采数据与抽采时间的数学模型，计算压裂区域瓦斯预抽率。
本方案中计算压裂区域的瓦斯预抽率便于考察压裂效果，从而便于根据实际情况改变压裂施工参数。
优选的，作为一种改进，在压裂孔的孔口安装摄像头。
摄像头的设置能够实时观察到孔口的状态，且在压裂的过程中能够通过摄像头观察压裂孔孔口的情况，密切关注压力变化，进一步提高了安全性。
优选的，作为一种改进，当压力波动超过10MPa或者泵注压力持续40MPa以上时，停泵卸压进行检查。
本方案中能够及时排查危险情况，发现有异常时能够及时处理。
优选的，作为一种改进，所述封隔器包括上接头、下接头、中心管和胶筒，所述中心管的两端分别与上接头和下接头连接，所述胶筒套在中心管外侧，所述中心管上开设有进液孔，所述进液孔为通孔，所述胶筒包括内胶筒和外胶筒，所述内胶筒和外胶筒之间设有加强筋，所述中心管上螺纹连接有锚定件，所述锚定件压紧胶筒的外周。
本方案中胶筒包括内胶筒和外胶筒，在内胶筒和外胶筒之间布置加强筋，能够增强胶筒肩部的刚度和强度，且由于还设有锚定件，通过锚定件能够压紧胶筒，同时还能够对加强筋进行夹紧固定，从而能够使加强筋与锚定件的结合强度。
本方案中在加强筋和锚定件的配合作用下有效的增强了整个封隔器的固结作用，这样能够有效的对封孔起到支撑作用，大大降低了传统封隔器使用在煤矿井下压裂封孔时易出现局部垮孔的问题。
附图说明
图1为本发明大倾角低渗煤层水力增渗工艺实施例一中封孔工艺的原理图。
图2为本发明大倾角低渗煤层水力增渗工艺实施例二中封隔器的半剖视图。
图3为本发明大倾角低渗煤层水力增渗工艺实施例二中封隔器的纵向局部剖视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：压裂孔1、压裂管2、封隔器3、钢丝4、分支孔5、上接头6、密封圈7、胶筒8、外胶筒801、内胶筒802、进液孔9、中心管10、下接头11、环形活塞12、加强筋13、锚定件14、导液孔15。
实施例一
大倾角低渗煤层水力增渗工艺，包括以下步骤：
步骤(1)，钻孔，在煤层进行钻孔而形成压裂孔1；
步骤(2)，确定封孔工艺，每一个压裂孔1内放置有两个封隔器3，两个封隔器3间隔分布，压裂孔1的一侧开设有与其连通的多个分支孔5，分支孔5与压裂孔1之间的交点为分支点，压裂孔1内***压裂管2，压裂管2的筛管段投放到需要压裂的分支孔5的位置；
如图1所示，压裂管2的前端设有引鞋，这样能够确保压裂管2顺利下放到压裂孔1内，本实施例中以压裂孔1一侧开设有两个分支孔5为例进行说明，两个分支孔5与压裂孔1之间的交点从左至右分别为第一分支点和第二分支点，封隔器3下放到第一个分支点孔口方向10m左右位置处，两套封隔器3保持一定的距离。
压裂管2的前端(即附图1中的右端)为筛管段，筛管段投放到需要进行压裂的分支口感处，且使压裂管2的筛管段右端的距离超过第一个分支点。本实施例中，在压裂孔1的左端通过钢丝4与压裂管2固定，从而对压裂管2起到限位固定的作用。
步骤(3)，压裂参数设计，包括泵注压力参数和注入液量参数设计；
步骤(4)，压裂设备选型；
步骤(5)，压裂实施，使用封孔材料将压裂孔进行封孔后，待封孔材料凝固12-48h后连接管路、设备，开泵进行注水压裂。
本实施例中步骤(3)中泵注压力参数的确定中，泵注压力小于泵的额定压力，泵的功率至少为泵注压力与泵注流量的乘积。本实施例中煤层起裂压力在15MPa左右，泵注压力在20MPa左右。
步骤(3)中注入液量参数设计：
①前置阶段
对于一定煤层，为了增强压裂效果，可设计添加适当比例表面活性剂、阻燃剂，随同压裂液压入压裂孔。
②顶替阶段
当前置液用量达到设计数量时，开始计算顶替液，应准确计算顶替时间及液量，不得减少或增加顶替液量。
本实施例中水力压裂定向长钻孔注水量在1500m3。
步骤(4)中压裂设备选型：
在进行煤矿井下水力压裂增透试验过程中，需要准备泵组、压裂封孔管、高压胶管、高压阀门、高浓度光学瓦检仪、DGC瓦斯含量测定仪、钻机等设备、耗材。
压裂泵组相关参数如表一：
表一
步骤(5)中的压裂实施具体过程：
1)压裂过程及安全防护
使用封孔材料将压裂孔进行封孔后，待封孔材料凝固12-48h后连接管路、设备，开泵进行注水压裂，本实施例中封孔材料凝固48h。
压裂孔的孔口安装压力传感器检测孔口的压力变化，在煤层的回风顺槽的回风侧安设瓦斯浓度传感器监测压裂孔周边的瓦斯浓度变化情况，压裂孔的孔口安设有高压阀门。
在压裂孔的孔口安装摄像头，实时观察压裂孔的孔口情况；
本实施例中在压裂的过程中，通过摄像头观察压裂孔孔口的情况，密切关注压力变化，当压力波动超过10MPa或者泵注压力持续40MPa以上时，停泵卸压进行检查，有其他异常时及时处理。
当步骤(5)中压裂过程注水量达到设计要求后，停泵、关闭孔口高压阀门进行卸压，检查设备和管路，关闭压裂孔的孔口处的高压阀门，使煤体内的高压水保持压力，现场根据孔内高压水压力变化情况确定保压时间，本实施例中关闭孔口高压阀门保压七天。
2)压裂孔排水
当注入量达到设计要求后，关闭孔口高压阀门进行保压，当压裂孔内的高压水持续3天的压力下降幅度低于0.5MPa时，此时高压水不再具有造缝的能力(或孔内高压水造缝能力较差)，可停止保压，此时缓慢打开压裂孔的孔口的高压阀门进行缓慢排水，防止因水流过快带出大量煤屑堵塞压裂孔，排水过程中，使用长臂工具打开孔口高压阀门，禁止人员通过该区域，防止伤人。
本实施例中当水自然流出量较小后，通过使用隔膜泵向压裂孔内下放管路，抽排压裂孔内剩余的水，若压裂孔内的水量较小，可向压裂孔内放入四分管，使用压风吹出孔内的积水。
最后再进行压裂效果考察：当压裂孔排水完成后，将管路与抽采***连接并安装流量计，监测钻孔甲烷浓度，考察钻孔瓦斯浓度、瓦斯抽采量，建立瓦斯抽采数据与抽采时间的数学模型，计算压裂区域瓦斯预抽率。
实施例二
如图2所示，本实施例中封隔器3包括上接头6、下接头11、中心管10和胶筒8，封隔器3的上接头6与压裂管2连接，中心管10的两端分别与上接头6和下接头11连接，本实施例中中心管10的两端分别与上接头6和下接头11一体成型，胶筒8套在中心管10外侧。
本实施例中的中心管10上开设有进液孔9，进液孔9为通孔。结合图3所示，胶筒8包括内胶筒802和外胶筒801，本实施例中胶筒8上开设有内腔，从而形成内胶筒802和外胶筒801结构，本实施例中内胶筒802和外胶筒801之间的内腔内布置有加强筋13，本实施例中的加强筋13为钢带。
中心管10上螺纹连接有锚定件14，锚定件14用于压紧胶筒8的外周，本实施例中锚定件14设有两个，两个锚定件14分别位于胶筒8的两端，两个锚定件14的内径小于胶筒8的外径，两个锚定件14相互正对的一端均呈扩口状，从而使锚定件14的端部横截面为楔形，从而使得锚定件14为锥套结构，这样能够使锚定件14与胶筒8之间依靠机械楔入作用来提高胶筒8肩部的固结作用。
如图2所示，本实施例中在中心管10的左部和右部均固定有环形活塞12，两个锚定件14分别与两个环形活塞12螺纹连接，这样当两个锚定件14的丝扣与环形活塞12配合拧紧后能够对外胶筒801起到挤压的作用，从而对加强筋13起到夹紧的作用。本实施例中锚定件14与环形活塞12之间设有密封圈7，密封圈7能够加强锚定件14与环形活塞12之间的密封性。最后使胶筒8、中心管10和锚定件14作为一个整体进行硫化，从而使胶筒8和锚定件14整体硫化固定在一起，进一步提高加强筋13、胶筒8和锚定件14之间的结合强度，具体的：本实施例中在锚定件14上开设有导液孔15，导液孔15为通孔，当锚定件14和环形活塞12之间丝扣连接上后，加强筋13部分就被夹紧在内胶筒802和外胶筒801之间，接着经过导液孔15挤入环氧树脂进一步挤压加强筋13层，增加对胶筒8的夹持力，并使环氧树脂充满加强筋13与锚定件14之间的空隙，进一步提高了锚定件14和胶筒8之间的结合强度。
本实施中的胶筒8设计得较长，改进设计后的封隔器3有效封长度为800mm，这样使得扩张比较大，适用于各种裸眼井，本实施例中在压裂时，配合现有的压裂管2使用，压裂液经过压裂管2由上接头6进入封隔器3的中心管10内，此时具有一定压力的压裂液经中心管10上的进液孔9进入到胶筒8的内腔，使胶筒8胀大向外凸起，从而起到封孔的作用。中心管10的压裂液卸压后，胶筒8即向内收回解封。
本实施例中的封隔器3具有较好的刚度和强度，能够有效降低传统封隔器3使用在煤矿井下压裂封孔时容易出现局部垮孔的问题。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)，钻孔，在煤层进行钻孔而形成压裂孔；
步骤(2)，确定封孔工艺，每一个压裂孔内放置有两个封隔器，两个封隔器间隔分布，压裂孔的一侧开设有与其连通的多个分支孔，分支孔与压裂孔之间的交点为分支点，压裂孔内***压裂管，压裂管的筛管段投放到需要压裂的分支孔的位置；
步骤(3)，压裂参数设计，包括泵注压力参数和注入液量参数设计；
步骤(4)，压裂设备选型；
步骤(5)，压裂实施，使用封孔材料将压裂孔进行封孔后，待封孔材料凝固12-48h后连接管路、设备，开泵进行注水压裂。
2.根据权利要求1所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：压裂孔的孔口安装压力传感器检测孔口的压力变化，在煤层的回风顺槽的回风侧安设瓦斯浓度传感器监测压裂孔周边的瓦斯浓度变化情况，所述压裂孔的孔口安设有高压阀门。
3.根据权利要求1所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：当步骤(5)中的注水量达到设计要求后，关闭压裂孔的孔口处的高压阀门，使煤体内的高压水保持压力。
4.根据权利要求1所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：步骤(3)中泵注压力参数的确定中，泵注压力小于泵的额定压力，泵的功率至少为泵注压力与泵注流量的乘积。
5.根据权利要求3所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：当压裂孔内的高压水持续3天的压力下降幅度低于0.5MPa时，缓慢打开压裂孔的孔口的高压阀门进行缓慢排水。
6.根据权利要求5所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：当水自然流出量较小后，通过使用隔膜泵向压裂孔内下放管路，抽排压裂孔内剩余的水。
7.根据权利要求6所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：当压裂孔排水完成后，将管路与抽采***连接并安装流量计，监测钻孔甲烷浓度，考察钻孔瓦斯浓度、瓦斯抽采量，建立瓦斯抽采数据与抽采时间的数学模型，计算压裂区域瓦斯预抽率。
8.根据权利要求1所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：在压裂孔的孔口安装摄像头。
9.根据权利要求8所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：当压力波动超过10MPa或者泵注压力持续40MPa以上时，停泵卸压进行检查。
10.根据权利要求1所述的大倾角低渗煤层水力增渗工艺，其特征在于：封隔器包括上接头、下接头、中心管和胶筒，所述中心管的两端分别与上接头和下接头连接，所述胶筒套在中心管外侧，所述中心管上开设有进液孔，所述进液孔为通孔，所述胶筒包括内胶筒和外胶筒，所述内胶筒和外胶筒之间设有加强筋，所述中心管上螺纹连接有锚定件，所述锚定件压紧胶筒的外周。
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