一种低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法技术

一种低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法，目的是使气体空腔断面相互沟通，提高煤层透气性；本发明专利技术方法是从底板岩石预抽巷向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔，进行水砂压裂后再进行打钻抽放；若最高压力在35MPa以下，采用胶囊封孔的方式进行封孔；启动压裂泵后，将前置液注入施工煤层；待煤层裂缝形成并达到要求后开始注入携砂液，施工压力快速上升时停止注入；继续注入前置液再次进行煤层压力补偿，待液体施工压力下降至10Mp，再次注入携砂液，施工压力快速上升时停止注入；接着注入顶替液；关闭井口等到煤层压力缓慢释放后，用高压水对压裂孔进行洗孔；所在区域排水；如压裂时采用胶囊封孔，取出胶囊进行封孔，接入抽采管路进行抽采。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在井下通过压裂工艺将高压压裂液体和支撑剂压入煤层，增强煤层透气性，提高瓦斯抽放效果的方法。
技术介绍
长期以来，煤矿瓦斯灾害一直是制约煤炭企业安全、高效生产的重要因素。因瓦斯事故死亡的人数占煤矿死亡总人数的70％以上，且重大、特大事故多与瓦斯有关。目前随着我国煤矿逐渐向深部开采，矿井瓦斯压力、瓦斯含量不断增大，高瓦斯矿井和突出矿井所占比例不断增加。以目前的技术来看，瓦斯治理最有效的方法是先抽后采，然而，低透气性煤层严重制约了瓦斯抽采效果，影响着煤矿安全生产。因此，对低透气性煤层实施水砂压裂施工技术研究，进行本煤层压裂增透，形成新的抽采工艺，提高煤层瓦斯抽采效果意义重大。
技术实现思路
本专利技术目的是克服上述已有技术的不足，提供一种可使气体空腔断面相互沟通达到导流目的、提高煤层的透气性和抽采效果的低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法。本专利技术方法是：（1）钻孔布孔方式及施工：从底板岩石预抽巷向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔，进行水砂压裂后再进行打钻抽放；底板岩石预抽巷（岩巷）段封孔效果好于煤巷段；（2）封孔：若施工最高工作压力在35MPa以下，采用胶囊封孔的方式进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1m；若穿层钻孔的岩石段大于20m且施工压力超过35MPa，则采用水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20m；（3）前置液注入：启动压裂泵后，将前置液注入施工煤层，液体注入量远超其在煤层中的泄漏量，故而缓慢升压，当压裂泵排出的液体泵注压力达到煤储层地质破裂压力后,迫使煤层被撑开形成裂缝，继续泵注压裂液，可以扩大裂隙直至达到理想的裂缝深度和宽度范围；前置液注入量一般为80-100m3；所述前置液是清水或活性水压裂液，活性水压裂液按质量百分比计的配比为：活性剂0.04-0.07%，增稠剂0.04-0.07%，KCl0.3-0.7%，其余为清水；（4）携砂液注入：待煤层裂缝形成并达到要求、液体压力平稳后开始注入初始携砂液；初始携砂液中石英砂所占重量比为3%-5%；石英砂采用粒径为0.15-0.30mm石英砂；当出现施工压力快速上升时应暂时停止注入初始携砂液；（5）再次注入前置液和携砂液：继续注入前置液再次进行煤层压力补偿以扩撑裂缝，待液体施工压力下降至10Mp并保持稳定时，注入二次携砂液；二次携砂液所用石英砂是粒径为0.45-0.9mm的中粒石英砂，二次携砂液中石英砂所占重量比为8-11%；若施工压力出现快速上升时停止注入二次携砂液；（5）顶替液注入：携砂液加注完后接着继续注入顶替液，注入压力为15-18MPa，注入液量为2-3m3；以便使设备管道和压裂孔内残留的砂粒进入到压开的煤体裂缝中，不至于堵孔影响后期的抽采效果；顶替液注入后，压裂作业完成；（6）洗孔：关闭井口等到煤层压力缓慢释放后，用1-2MPa的高压水利用压裂孔进行洗孔作业；待只有少量煤粒或砂粒排出时停止洗孔；一般洗孔时间为5-8分钟；（7）排水：因在底板预抽巷所施工的压裂钻孔均为仰角孔，高压水可自煤孔中自由流出，需做好压裂孔所在区域的排水工作，必要时通过施工专用排水渠进行排水；（8）封孔联管抽采：若压裂时采用胶囊封孔，则需取出胶囊后按已有抽采钻孔封孔方式进行封孔，确保封孔合格之后接入抽采管路进行抽采；在孔口抽采管上留有相应的接口，可进行抽采浓度、流量等参数的测试；如果为水泥砂浆封孔，则通过变径接头接入已有抽采管路进行抽采。是压裂施工限压35Mpa，压裂泵注液过程中不能无故停泵。在加砂过程中如果出现携砂液压力波动过大，需调整注入携砂液中石英砂所占重量比，使砂的重量比降低或用清水反排；若压裂过程中压裂泵排出压力持续高压，携砂液注入量却很小，则降低砂比，在压裂泵最高允许压力下，反复多次憋压；若压裂泵排出压力依然高压而压裂泵排出液体量很小，则考虑停泵检查管路是否堵塞，如堵塞则疏通管路重新压裂，否则，进行联管抽采。在压裂过程中一旦发现瓦斯浓度超限，则立即停止作业，相关工作人员撤职安全地点。每隔一段时间（5分钟）周期性取样监测携砂液的含砂浓度，以便及时分析判断出现压力波动或持续高压的原因。本专利技术将高压压裂液体和支撑剂压入煤层，克服最小主应力、超过煤岩的破裂压力和闭合压力，使得煤层中原有的弱面张开，造成裂隙并延伸，使气体空腔断面相互沟通达到导流的目的，提高了煤层的透气性和抽采效果，最大限度消除瓦斯灾害。具体实施方式一、压裂前准备1、压裂设备的安装、调试及材料准备；水砂压裂装备由设备列车组成，分别有泵撬、混砂撬、电机撬、配电撬、移变撬、工具撬、水箱撬和装砂撬等若干个设备列车。水砂压裂装备安装在井下的进风巷道中，距压裂地点不少于200m，且安装位置的巷道要有足够的空间和安全通道，巷道尽可能平缓。在压裂施工前必须进行设备运转情况检查。关闭孔口管路阀门，对所有的施工管线进行最高限压试验。在最高限压下，压力稳定至少达到工艺设定要求的时间，系统设备没有渗漏，就说明设备和注入系统合格，可以进行施工，否则必须进行紧固或更换相关部件。施工前备足压裂所需的压裂液、支撑剂及设备操作工具。2、压裂前观测及参数测试；为考察压裂效果，在压裂前可根据压裂地点不同，选择性测试百米钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数、K1值、钻屑量、a、b值试、△p、f值等相关参数。认真观测压裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带。同时，认真观测顶底板支护情况，严禁在空顶区进行压裂。3、钻孔布孔方式及施工；根据压裂地点不同及治理瓦斯区域不同采用不同的压裂布孔方式，因岩巷段封孔效果要好于煤巷段，使用底板岩石预抽巷（岩巷）向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔进行水砂压裂后再进行打钻抽放。4、封孔；用胶囊封孔器或水泥砂浆进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1m。施工项目设计最高工作压力在35MPa以下的作业暂定采用胶囊封孔的方式。当穿层钻孔若岩石段大于20m，且施工压力超过35MPa的施工作业，则采用水泥砂浆封孔；在岩孔中钻孔进行水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20m。二、压裂实施1、压裂液的选取；压裂液的主要作用就是将压裂设备所形成的高压液体能量传递到煤储层中去，在煤储层中造成新的裂缝，撑开或扩大原有裂缝，然后把支撑剂加入到裂缝中去，当压力撤消后支撑剂保证了裂缝不会闭合。在压裂过程中，压裂液压入煤层的程序分别为前置液、携砂液、顶替液。压裂液选择的基本原则有：（1）与水源及煤储层的配伍性良好；（2）滤失低、压裂液效率高，能造长缝；（3）携砂能力强；（4）摩阻低、稳定性良好；（5）残渣低，容易返排；（6）货源广，价格低。通过对活性水压裂液、冻胶压裂液和清洁压裂液对比，得出不同压裂液的适应性;经综合考虑，选用活性水作为压裂液，其优点是配液简单、对煤层伤害低、成本低等。2、支撑剂的选取；水力压裂的目的在于将汇集于井筒的径向流变成与井筒相连通的导流裂缝中的线性流，裂缝中的导流能力必须远远大于地层中的导流能力，要获得高渗透率的裂缝，必须加入支撑剂，支撑剂的作用在于支撑裂缝的两壁，以便在压裂施工结束后，井底压力下降到小于煤层裂缝闭合压力，压裂作业造成的通向井眼的导流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法，其特征是：（1）钻孔布孔方式及施工：从底板岩石预抽巷向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔，进行水砂压裂后再进行打钻抽放；底板岩石预抽巷段封孔效果好于煤巷段；（2）封孔：若施工最高工作压力在35MPa以下，采用胶囊封孔的方式进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1 m；若穿层钻孔的岩石段大于20 m且施工压力超过35MPa，则采用水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20 m；（3）前置液注入：启动压裂泵后，将前置液注入施工煤层，液体注入量远超其在煤层中的泄漏量，故而缓慢升压，当压裂泵排出的液体泵注压力达到煤储层地质破裂压力后,迫使煤层被撑开形成裂缝，继续泵注压裂液，可以扩大裂隙直至达到理想的裂缝深度和宽度范围；前置液注入量一般为80‑100m3；所述前置液是清水或活性水压裂液；（4）携砂液注入：待煤层裂缝形成并达到要求、液体压力平稳后开始注入初始携砂液；初始携砂液中石英砂所占重量比为3%‑5%；石英砂采用粒径为0.15‑0.30 mm石英砂；当出现施工压力快速上升时应暂时停止注入初始携砂液；（5）再次注入前置液和携砂液：继续注入前置液再次进行煤层压力补偿以扩撑裂缝，待液体施工压力下降至10Mp并保持稳定时，注入二次携砂液；二次携砂液所用石英砂是粒径为0.45‑0.9mm的中粒石英砂，二次携砂液中石英砂所占重量比为8‑11%；若施工压力出现快速上升时停止注入二次携砂液；（5）顶替液注入：携砂液加注完后接着继续注入顶替液，注入压力为15‑18MPa，注入液量为2‑3m3；以便使设备管道和压裂孔内残留的砂粒进入到压开的煤体裂缝中，不至于堵孔影响后期的抽采效果；顶替液注入后，压裂作业完成；（6）洗孔：关闭井口等到煤层压力缓慢释放后，用1‑2MPa的高压水利用压裂孔进行洗孔作业；待只有少量煤粒或砂粒排出时停止洗孔；一般洗孔时间为5~8 min；（7）排水：因在底板预抽巷所施工的压裂钻孔均为仰角孔，高压水可自煤孔中自由流出，需做好压裂孔所在区域的排水工作，必要时通过施工专用排水渠进行排水；（8）封孔联管抽采：若压裂时采用胶囊封孔，则需取出胶囊后按已有抽采钻孔封孔方式进行封孔，确保封孔合格之后接入抽采管路进行抽采；在孔口抽采管上留有相应的接口，可进行抽采浓度、流量等参数的测试；如果为水泥砂浆封孔，则通过变径接头接入已有抽采管路进行抽采。...

【技术特征摘要】
1.一种低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法，其特征是：（1）钻孔布孔方式及施工：从底板岩石预抽巷向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔，进行水砂压裂后再进行打钻抽放；底板岩石预抽巷段封孔效果好于煤巷段；（2）封孔：若施工最高工作压力在35MPa以下，采用胶囊封孔的方式进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1m；若穿层钻孔的岩石段大于20m且施工压力超过35MPa，则采用水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20m；（3）前置液注入：启动压裂泵后，将前置液注入施工煤层，液体注入量远超其在煤层中的泄漏量，故而缓慢升压，当压裂泵排出的液体泵注压力达到煤储层地质破裂压力后,迫使煤层被撑开形成裂缝，继续泵注压裂液，可以扩大裂隙直至达到理想的裂缝深度和宽度范围；前置液注入量一般为80-100m3；所述前置液是清水或活性水压裂液；（4）携砂液注入：待煤层裂缝形成并达到要求、液体压力平稳后开始注入初始携砂液；初始携砂液中石英砂所占重量比为3%-5%；石英砂采用粒径为0.15-0.30mm石英砂；当出现施工压力快速上升时应暂时停止注入初始携砂液；（5）再次注入前置液和携砂液：继续注入前置液再次进行煤层压力补偿以扩撑裂缝，待液体施工压力下降至10Mp并保持稳定时，注入二次携砂液；二次携砂液所用石英砂是粒径为0.45-0.9mm的中粒石英砂，二次携砂液中石英砂所占重量比为8-11%；若施工压力出现快速上升时停止注入二次携砂液；（5）顶替液注入：携砂液加注完后接着继续注入顶替液，注入压力为15-18MPa，注入液量为2-3m3；以便使设备管道和压裂孔内残留的砂粒进入到压开的煤体裂缝中，不至于堵孔影响后期的抽采效果；顶替液注入后，压裂作业完成；（6）洗孔：关闭井口等到煤层压力缓慢释放后，用1-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子长，张文清，梁爱堂，郑鹗，贾永斌，
申请(专利权)人：山西宏厦第一建设有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山西;14