【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种矿井下煤岩层压裂领域，尤其是一种矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法及装备，属于采矿工程。
技术介绍
1、我国煤炭资源储量较大，2020年我国煤炭产量达到全球煤炭总产量的50.7%，位列全球第一。近年来，因煤矿井下的煤层赋存地质条件复杂，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸事故等灾害诸多，且至灾机理复杂。因此，瓦斯依旧是制约煤矿安全生产的重要因素之一。为了保障矿井的安全高效生产，应改进常规抽采方法，通过人工增透方法在煤层中增加新的裂隙，改善煤层裂隙结构，提高煤层透气性。
2、水力压裂作为一种提高储层渗透性、改善流体流动性能的重要方法，其基本思路是将压裂液注入储层中，通过形成一定范围的裂隙网络，提高储层的裂隙连通性和渗透率，达到增透的目的。常规压裂采用高压大流量泵向储层注入压裂液，受地应力控制，储层中易形成水力主裂缝，产生局部应力集中，分支裂缝较少，难以形成复杂裂缝网络。与常规压裂相比，脉冲压裂通过脉冲循环泵注，在高频脉冲水压力作用下，使煤体疲劳损伤，产生不受地应力控制的多个方向上的水力裂缝，同时高频脉冲水压冲击煤体，容易激活煤体原生裂缝，使得水力裂缝与天然裂缝沟通，在煤体中形成复杂的裂缝网路。水压力加载频率和幅值可以改变裂缝网络扩展形态。
3、分段压裂技术目前在地面油气储层压裂应用较多，用以扩大储层压裂改造范围，提升压裂增产效果。然而，矿井下由于作业空间有限、瓦斯安全制约、从底抽巷施工定向长钻孔由下向上的逆压力梯度水力压裂以及压裂装备和封孔工艺限制等难题，致使矿井下定向长距离分段压裂技术仍处于起步阶
4、常规恒排量压裂在储层中易形成水力主裂缝，受地应力影响，水压裂缝单一且裂缝均匀性较差，对煤层改造范围有限，部分区域可能未压裂，形成高瓦斯浓度区，瓦斯压力梯度较小，对该区域的瓦斯抽采效率较低，故需采用脉冲压裂形成均匀的裂缝网络，避免形成较小的瓦斯压力梯度，从而提高瓦斯抽采效率。同时由于井下定向长钻孔分段脉冲压裂的高频脉冲水对封孔装备的损伤较大，需较高的封孔工艺，且脉冲压裂各个区间之间可能形成干扰，需确定合理的压裂点位和封孔位置。
5、煤矿井下常规压裂主要是基于普通液压钻机的直钻孔整段压裂且泵注排量恒定，钻孔最大长度为200 m以内。压裂过程采用人工安装封孔器及高压密封管柱，且单孔作用范围小、工程量大。
6、定向长距离钻孔指依托煤矿井下千米定向钻机施工、钻孔方向可控、长度一般大于200 m的钻孔。钻孔方向变化且长度加大对常规压裂方法及装备带来了挑战。在压裂方法方面，长距离钻孔常规恒排量整段压裂存在裂缝分布不均匀的问题，导致长钻孔压裂改造存在盲区；且常规恒排量压裂裂缝扩展方向受地应力场控制，导致常规恒排量压裂裂缝数目少。在压裂装备方面，常规压裂刚性高压密封管柱无法适应定向长距离钻孔方向的弯曲变化，并且无法采用人工进行远距离安装封孔器及高压密封管柱。因此，常规整段恒排量压裂裂缝分布不均匀且裂缝数目少是煤岩层定向长钻孔压裂的技术瓶颈。
技术实现思路
1、为了克服现有方法及装备的上述不足，本专利技术提出一种矿井下定向长钻孔分段脉冲压裂方法及装备，该方法及装备能够在煤岩层定向长钻孔中分段进行脉冲压裂，一方面通过分段压裂有效克服因长钻孔整体压裂存在的压裂裂缝分布不均匀的弊端，解决裂缝呈现“外密内疏”的难题；同时在每个分段内通过高频脉冲水压力使煤岩体疲劳损伤，形成不受地应力控制的多方向水力裂缝，并激活煤岩层原生裂缝，形成裂缝网络；最终每个分段的脉冲压裂缝网扩展贯通，进而在定向长钻孔内形成均匀分布且相互联通的密集裂缝网络。该技术对长钻孔压裂效果的改善较为显著，同时，借助定向钻机施工，方法简单，施工方便，易于操作，安全可靠。
2、根据钻孔施工地点及压裂层位不同，相应的形成了工作面平巷顺层定向长钻孔分段脉冲压裂工艺、底抽巷穿层定向长钻孔分段脉冲压裂工艺、松软煤层顶板定向长钻孔分段脉冲压裂工艺、坚硬顶板定向长钻孔分段脉冲压裂法工艺等。
3、工作面平巷顺层定向长钻孔分段脉冲压裂工艺是在较坚硬煤层的工作面回风巷/运输巷内向煤层中施工定向长钻孔，通过脉冲泵向长钻孔内注入高压脉冲水对煤层进行分段脉冲压裂；底抽巷穿层定向长钻孔分段脉冲压裂工艺是通过在煤层底抽巷内向较坚硬煤层施工穿层定向长钻孔，在长钻孔内注入高压脉冲水对煤层进行分段脉冲压裂，形成压裂缝网；当煤层较软时，在煤层内钻孔时塌孔较严重，且压裂形成的裂缝在闭合应力下会快速闭合，可通过在顶板内施工定向长钻孔，在长钻孔内采用大排量分段脉冲压裂，使压裂裂缝贯穿煤层，在顶板和煤层内形成联通的裂缝网络，即松软煤层顶板定向长钻孔分段脉冲压裂工艺；坚硬顶板定向长钻孔分段脉冲压裂法工艺是在工作面回风巷/运输巷内向煤层上方的坚硬顶板岩层施工定向长钻孔，通过脉冲泵向长钻孔内注入高压脉冲水对坚硬岩层进行分段脉冲压裂。
4、一种矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，包括以下步骤：
5、s1、根据所要改造的目标煤岩层及钻孔施工地点，设计煤岩层定向长钻孔轨迹，通过定向钻机按设计轨迹向目标煤岩层施工定向长钻孔；
6、s2、根据定向长钻孔实际施工轨迹及在目标煤岩层中的实际长度，确定定向长钻孔脉冲水力压裂段数、分段长度及每段压裂区间的封孔位置；
7、s3、脉冲水力压裂前，利用定向钻机对已施工好的定向长钻孔进行扫孔，清除孔内碎屑；
8、s4、扫孔结束后退出钻杆及钻头，连接封孔装置及高压密封管柱，并利用定向钻机将高压密封管柱和封孔装置送到第一段压裂位置；
9、s5、将定向钻机与高压密封钻杆分离，连接高压密封钻杆、高压胶管与脉冲水力压裂泵；
10、s6、打开脉冲泵出口阀，关闭卸压阀，然后打开脉冲压裂泵，进行第一段脉冲压裂：
11、s7、第一段压裂结束后，关泵泄压，利用定向钻机将高压密封钻杆及封孔装置后退，至第二段设计封孔位置；
12、s8、将高压密封定向钻杆转接头连接到高压胶管和高压密封定向钻杆之间，打开脉冲压裂泵进行第二段压裂：
13、s9、重复s5-s8，直至完成整段钻孔的分段脉冲压裂；
14、s10、利用定向钻机撤出钻孔内所有高压密封钻杆和封孔装置；
15、s11、根据分段脉冲压裂施工目的，对脉冲水力压裂效果进行观测和评价。
16、步骤s1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为煤层，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向煤层施工顺层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造煤层。
17、步骤s1中钻孔施工地点为煤层底抽巷，所要改造的目标层位为煤层，利用定向钻机在底抽巷向煤层施工穿层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造煤层。
18、步骤s1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为松软煤层，由于煤层松软，在松软煤层内施工钻孔时塌孔较严重，钻孔成孔效果差，且压裂形成的裂缝在闭合应力下会快速闭合，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向煤层顶板施工穿层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤S1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为煤层，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向煤层施工顺层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造煤层。
3.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤S1中钻孔施工地点为煤层底抽巷，所要改造的目标层位为煤层，利用定向钻机在底抽巷向煤层施工穿层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造煤层。
4.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤S1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为松软煤层，由于煤层松软，在松软煤层内施工钻孔时塌孔较严重，钻孔成孔效果差，且压裂形成的裂缝在闭合应力下会快速闭合，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向煤层顶板施工穿层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，使顶板压裂裂缝贯穿松软煤层，在顶板和松软煤层内形成联通的裂缝网络，进而实现对松软煤层的压裂改造。
...【技术特征摘要】
1.一种矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤s1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为煤层，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向煤层施工顺层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造煤层。
3.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤s1中钻孔施工地点为煤层底抽巷，所要改造的目标层位为煤层，利用定向钻机在底抽巷向煤层施工穿层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造煤层。
4.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤s1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为松软煤层，由于煤层松软，在松软煤层内施工钻孔时塌孔较严重，钻孔成孔效果差，且压裂形成的裂缝在闭合应力下会快速闭合，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向煤层顶板施工穿层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，使顶板压裂裂缝贯穿松软煤层，在顶板和松软煤层内形成联通的裂缝网络，进而实现对松软煤层的压裂改造。
5.根据权利要求4所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，为保证顶板脉冲压裂裂缝贯穿到松软煤层，在顶板中的定向长钻孔与松软煤层的垂直距离不大于5 m，并且脉冲压裂时，压裂时间应相对在松软煤层压裂时延长20~40分钟。
6.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤s1中钻孔施工地点为工作面回风巷/运输巷，所要改造的目标层位为顶板岩层，利用定向钻机在工作面回风巷/运输巷向顶板岩层施工穿层定向长钻孔进行分段脉冲压裂，改造顶板岩层。
7.根据权利要求1所述矿井下煤岩层定向长钻孔分段脉冲压裂方法，其特征在于，步骤s11中根据分段脉冲压裂施工目的，对脉冲水力...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵兴龙，黄炳香，陈树亮，邵鲁英，李浩泽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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