泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法

本发明属于矿山巷道围岩控制，具体涉及泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法。

背景技术：

1、随着煤矿开采逐步向深部延伸，深井巷道尤其是布置在泥岩等软弱岩层中的巷道，围岩稳定性问题突出。

2、在深部开采条件下，为改善巷道围岩受力环境、应力转移保护采动大巷或处理坚硬顶板致灾，常采用水力压裂技术对巷道顶板或帮部岩层进行卸压改造。通过在巷道内向顶板施工压裂钻孔并实施水力压裂，可在目标岩层内形成人工裂缝或导通天然裂缝，从而实现高应力向远场转移、降低近表围岩应力集中程度等目的，对保护采动大巷和控制围岩变形具有积极作用。然而，在泥岩巷道条件下实施顶板水力压裂时，压裂施工过程中及压裂完成后均存在压裂液返排问题。压裂过程中，高压水流经钻杆、封孔器及单向阀等管柱结构输送至压裂区间时，若管柱连接处密封不良，高压水会沿管柱连接缝隙渗漏返排；同时，压裂形成的压裂裂缝在扩展过程中可能贯通至未封隔的钻孔段，使高压水沿裂缝及孔壁裂隙向孔口方向返排，形成孔口返水。压裂结束后，随着压裂泵停止注水，压裂区间内压力逐渐降低，部分压裂裂缝在地应力作用下趋于闭合，裂缝内滞留的压裂液沿钻孔向孔口方向返排。此外，当沿巷道走向布置多个压裂钻孔时，相邻压裂钻孔之间裂隙相互导通，压裂液沿孔间导通通道窜流，形成相邻钻孔之间的窜流返水，返水进入巷道后会由于泥岩遇水膨胀软化造成巷道的稳定性降低。现有的泥岩巷道顶板压裂钻孔的返排液处理方式存在孔口返水、相邻压裂钻孔窜流的问题。返排液在泥岩巷道内流淌或向近表围岩渗流，泥岩中的粘土矿物不断吸水水化，围岩强度持续劣化，塑性区与松动圈范围进一步扩大，巷道变形速率加快，使巷道在压裂施工结束后仍持续发生缓慢收缩变形，缩短巷道服务年限，增加后期维修与返修成本。上述孔口返排液在泥岩巷道内流淌或向近表围岩渗流，不仅会加剧泥岩遇水软化和膨胀问题，而且可能导致顶板压裂时压裂压力难以保持，影响后续压裂施工效果。

3、因此，现有的泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法存在孔口返水、巷道易受损的问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种降低孔口返水量保护巷道的泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法。

2、为达到上述目的，本技术是采用下述技术方案实现的：本实施例提供泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法，包括：第一方面，本技术提供泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法，包括：获取目标压裂层位信息，根据所述目标压裂层位信息在泥岩巷道顶板完成压裂钻孔的钻取作业。

3、根据所述目标压裂层位信息选定所述压裂钻孔内的压裂区间；布置水力压裂系统，将压裂设备推送至所述压裂钻孔内，在所述压裂钻孔的孔口设置孔口封堵导排组件。

4、响应于所述孔口封堵导排组件设置完成，在所述压裂区间两端进行封隔作业后对所述压裂区间进行压裂作业，同时记录压裂作业参数；在所述压裂作业过程中通过所述孔口封堵导排组件对所述压裂钻孔的孔口因管柱连接密封不良或水压裂缝贯通非封孔段产生的返排液进行收集并定向排出。

5、根据所述目标压裂层位信息和所述压裂作业参数得到压裂裂缝沿钻孔轴向的影响范围长度，根据所述影响范围长度划定注浆封堵区，在所述注浆封堵区内实施带压注浆封孔，封堵因水压裂缝闭合产生的孔内返排液。

6、响应于已在前序压裂钻孔完成压裂作业，对后序压裂钻孔进行钻取作业和设置孔口封堵导排组件。

7、响应于已在所述前序压裂钻孔完成带压注浆，对所述后序压裂钻孔进行压裂作业。

8、进一步地，所述获取目标压裂层位信息，根据所述目标压裂层位信息完成压裂钻孔的钻取，包括：根据泥岩巷道的拟布置压裂钻孔的位置向所述泥岩巷道的顶板方向钻取探查钻孔，得到目标压裂层位信息；所述目标压裂层位信息用于确定压裂钻孔的孔深、钻孔倾角及压裂区间位置。

9、进一步地，所述在所述压裂钻孔的孔口设置孔口封堵导排组件，包括：根据所述压裂区间的深度确定预定深度。

10、通过钻杆将第一封孔器、第二封孔器、单向阀组送入所述压裂钻孔的预定深度内。

11、采用第一封孔器和第二封孔器对所述压裂区间两端进行封隔作业。

12、所述在所述压裂区间两端进行封隔作业后对所述压裂区间进行压裂作业，包括：将压裂泵通过高压胶管连接所述钻杆，所述钻杆与所述单向阀组连通，所述高压胶管通过所述压裂泵和所述单向阀组向所述压裂区间内注入设定压力的水流。

13、进一步地，所述在所述压裂钻孔的孔口设置孔口封堵导排组件，包括：在所述压裂钻孔的孔口安装卡箍式预紧环，所述卡箍式预紧环沿所述钻杆的外周布置。

14、在所述钻杆外周套设圆环形气囊，调整所述圆环形气囊的位置直至所述圆环形气囊位于所述压裂钻孔的孔口周缘位置。

15、在所述圆环形气囊靠近所述泥岩巷道的一侧安装集液腔体，调整所述集液腔体的位置直至其与所述卡箍式预紧环内预设的中空流水通道连通。

16、利用所述集液腔体对所述压裂钻孔内的返排水进行泄流。

17、进一步地，响应于完成所述返排水的收集，从所述压裂钻孔撤出所述卡箍式预紧环、所述圆环形气囊和所述集液腔体。

18、进一步地，所述注浆封堵区位于避开主压裂裂缝发育区的位置。

19、响应于从所述压裂钻孔撤出所述卡箍式预紧环、所述圆环形气囊和所述集液腔体，将注浆管送入所述压裂钻孔内的预定位置。

20、使用前封隔件和后封隔件对所述注浆封堵区的两端进行封隔。

21、根据所述注浆管将浆液注入所述注浆封堵区内。

22、进一步地，所述影响范围长度通过下式获取：，式中，为影响范围长度，为轴向影响系数，为主压裂裂缝在目标压裂层位内沿主扩展方向的半长。

23、沿所述压裂钻孔的长度方向设置坐标轴，根据下式约束所述注浆封堵区：，式中，为注浆封堵区靠近钻孔孔口的边界坐标，为注浆封堵区靠近目标压裂层位的边界坐标。

24、进一步地，所述主压裂裂缝在目标压裂层位内沿主扩展方向的半长通过下式获取：，式中，为模型系数，为平面应变模量，为注入排量，为压裂液动力黏度，为裂缝有效高度，为注入持续时间。

25、进一步地，所述平面应变模量通过下式获取：，式中，为目标压裂层位岩层弹性模量，为泊松比。

26、进一步地，根据所述目标压裂层位信息得到目标压裂层位的线形走向。

27、根据所述线形走向设计压裂钻孔钻取方向，按照所述压裂钻孔钻取方向连续地钻取压裂钻孔，其中相邻的压裂钻孔之间的间距约束如下：，式中，为相邻的压裂钻孔在目标压裂层位内沿所述最短连线方向的终孔间距或压裂区间中心间距记，和为在目标压裂层位内沿两孔最短连线方向的主裂缝扩展半长。

28、与现有技术相比，本技术所达到的有益效果：本技术提供的泥岩巷道顶板压裂钻孔返排液控制方法，使用孔口封堵导排组件收集压裂过程中以及之后产生的返水，避免压裂用高压水扩散至孔口，对巷道实现了保护；在此前已经收集了返水的基础上，对孔内进行带压注浆操作能够进一步避免孔口返水，还能防止返水通过其他裂隙扩散至其他孔位的孔口，进一步地保护巷道；以目标压裂层位信息选定压裂区间并结合压裂作业参数可以准确预测高压水沿着压裂裂缝沿钻孔轴向的影响范围长度，进而据此为范围进行的带压注浆操作能够利用注浆液及其压强对压裂裂缝进行封堵，避免压裂用高压水扩散至孔口与其他的孔位的孔口，实现降低孔口返水和邻孔窜水量。