一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置及应用方法与流程

1.本发明涉及煤层瓦斯抽采技术研究领域，尤其是一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置及应用方法。


背景技术：

2.作为世界上最大的煤炭资源生产国和消费国，我国能源结构中煤炭占能源消耗的60％以上。随着我国煤矿开采向深部发展，煤层地应力和瓦斯压力不断增加，煤与瓦斯突出灾害日趋严重，特别是构造煤赋存区域煤岩瓦斯动力灾害防治刻不容缓。目前，瓦斯抽采是消除煤层瓦斯灾害和实现安全开采的核心手段，而由于构造煤的松软破碎特性，特别是在顶板赋存有厚硬岩层的条件下，地应力大，煤层透气性低，抽采效果较差。因此，卸压增透成为强化松软煤层瓦斯抽采的有力措施。
3.近些年来，在一些松软煤层中先后开展了水力冲孔泄煤增透、多重水力卸压增透、水力冲孔与压裂耦合致裂增透等技术研究，取得了一定的效果。但是，在现场实际实施过程中，仍存在一些问题。主要表现为煤体松软、破碎，构造复杂，实施水力增透措施产生裂隙网络后，在地应力作用下抽采钻孔易出现“闭合效应”，造成瓦斯抽采时流量衰减快，抽采效果不明显；而且由于松软煤体物理力学性质的限制，煤层钻孔施工困难，流体进入后更易造成塌孔、阻塞等问题。为此，设计了一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置及应用方法来解决以上问题。


技术实现要素：

4.本发明拟提供一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置及应用方法，在松软煤层的顶板岩层施工定向长钻孔，利用水力加砂致裂技术在顶板岩层中形成裂隙网络，并不断地提高流体压力致使裂隙延伸扩展至松软煤层中，松软煤层和顶板岩层接触面处非匀质界面效应的影响将会导致松软煤层中的裂隙网络能够保持长时间不闭合，以此来达到释放地应力、增加松软煤层透气性、改善瓦斯抽采效果的目的。
5.一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置，包括定向钻机、注浆泵、耐高压油管、耐高压油管封堵装置、前端封隔器、后端封隔器和截流器。
6.所述定向钻机用于从煤巷中向松软煤层的顶板岩层中施工定向长钻孔。
7.所述注浆泵用于在定向长钻孔的开孔处注浆护孔以及为分段水力加砂压裂提供所需的高压流体。
8.所述耐高压油管用于将前端封隔器、后端封隔器和截流器送入定向长钻孔的预定位置并可输送水力加砂压裂所需的高压流体。
9.所述前端封隔器、后端封隔器和截流器相互配合可实现分段水力加砂压裂工艺。
10.本发明还提出了一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置的应用方法，应用上述装置，其包括如下实施步骤：
11.a、在松软煤层中掘进煤巷；
12.b、在煤巷中选择合适的位置，利用定向钻机向顶板岩层中开孔，为施工定向长钻孔做准备；
13.c、开孔结束后，向开孔处伸入套管，然后利用注浆泵向套管中注入高压水泥砂浆；
14.d、待水泥砂浆凝固后，利用定向钻机按照预先设计的施工工艺参数施工定向长钻孔，定向长钻孔的水平段长约500m，并平均划分成10段；
15.e、按照顺序将前端封隔器、截流器和后端封隔器依次连接，并将前端封隔器和后端封隔器分别与耐高压油管相连，同时，将耐高压油管的末端处使用耐高压油管封堵装置进行封堵；
16.f、利用耐高压油管将前端封隔器、截流器和后端封隔器送至定向长钻孔末端分段的中间位置处；
17.g、利用注浆泵向耐高压油管中注入加砂流体，持续加压，当流体压力达到一定程度时，前端封隔器和后端封隔器膨胀挤压钻孔壁面，在定向长钻孔中形成密闭空腔；继续加压，截流器的弹簧张开，加砂流体流入定向长钻孔中密闭空腔内；
18.h、利用注浆泵继续加压，当达到顶板岩层的抗压极限时，顶板岩层中出现裂隙；停止加压并保持该压力，持续一段时间后，裂隙扩展至松软煤层中；
19.i、待裂隙扩展至松软煤层底板后，开始缓慢降低加砂流体压力，此时截流器的弹簧逐渐闭合，接着，前端封隔器和后端封隔器逐渐收缩至原尺寸；
20.j、等流体压力完全释放后，通过耐高压油管将前端封隔器、截流器和后端封隔器向外移动50m，按照步骤g～i进行第二个分段的水力加砂压裂工作；如此下去，直到完成定向长钻孔水平段的所有分段的水力加砂压裂工作。
21.本发明的有益效果：
22.(1)与传统水力化增透措施相比，本发明提供一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置及应用方法。首先结合水力加砂致裂技术在松软煤层的顶板岩层中形成裂隙网络，然后不断提高流体压力使裂隙扩展至煤层中，松软煤层和顶板岩层接触面处非匀质界面效应的影响将使得松软煤层中的裂隙网络能够保持长时间不闭合，解决了现有技术在松软煤层实施水力化措施时存在的抽采钻孔容易出现“闭合效应”、抽采流量衰减快、易塌孔、阻塞等问题。
23.(2)通过封隔器和截流器的相互配合可实现定向长钻孔分段压裂工艺，提高了压裂效果，更好地释放了地应力，增加了煤层的透气性，减小了瓦斯治理的工程施工难度。解决了传统技术中存在的密封困难、漏液、压裂裂隙扩展不理想和抽采效率低等问题。
附图说明
24.图1为本发明松软煤层顶板定向钻孔水力压裂整体效果图。
25.图2为利用定向钻机施工定向长钻孔工艺整体效果图。
26.图3为钻孔开孔处注浆护孔示意图。
27.图4为耐高压油管将封孔压裂组合装备送入定向长钻孔示意图。
28.图5为顶板岩层定向长钻孔分段封孔水力压裂示意图。
29.图中，1
‑
顶板岩层；2
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松软煤层；3
‑
煤巷；4
‑
定向钻机；5
‑
定向长钻孔；6
‑
套管；7
‑
注浆泵；8
‑
耐高压油管；9
‑
耐高压油管封堵装置；10
‑
前端封隔器；11
‑
后端封隔器；12
‑
截流器；
13
‑
裂隙；14
‑
密闭空腔。
具体实施方式
30.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
31.结合图1
‑
4所示，一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置，包括定向钻机4、注浆泵7、耐高压油管8、耐高压油管封堵装置9、前端封隔器10、后端封隔器11和截流器12，通过在顶板岩层1中进行水力加砂压裂，将裂隙13扩展至松软煤层2中，增强松软煤层2的透气性，达到释放地应力和强化瓦斯抽采的目的，同时可以通过分段压裂技术提高该施工工艺的可靠性。
32.一种松软煤层顶板定向钻孔水力压裂增透装置及应用方法，其特征包括：
33.结合图1和图2所示，所述定向钻机4用于从煤巷3中向松软煤层2的顶板岩层1中施工定向长钻孔5，所述注浆泵7用于在定向长钻孔5的开孔处注浆护孔以及为分段水力加砂压裂提供所需的高压流体。
34.结合图3和图4所示，所述耐高压油管8用于将前端封隔器10、后端封隔器11和截流器12送入定向长钻孔5的预定位置并可输送水力加砂压裂所需的高压流体，所述前端封隔器10、后端封隔器11和截流器12相互配合可实现分段水力加砂压裂工艺。
35.本发明实验步骤如下：
36.a、在松软煤层2中掘进煤巷3；
37.b、在煤巷3中选择合适的位置，利用定向钻机4向顶板岩层1中开孔，为施工定向长钻孔5做准备；
38.c、开孔结束后，向开孔处伸入套管6，然后利用注浆泵7向套管6中注入高压水泥砂浆；
39.d、待水泥砂浆凝固后，利用定向钻机4按照预先设计的施工工艺参数施工定向长钻孔5，定向长钻孔5的水平段长约500m，并平均划分成10段；
40.e、按照顺序将前端封隔器10、截流器12和后端封隔器11依次连接，并将前端封隔器10和后端封隔器11分别与耐高压油管8相连，同时，将耐高压油管8的末端处使用耐高压油管封堵装置9进行封堵；
41.f、利用耐高压油管8将前端封隔器10、截流器12和后端封隔器11送至定向长钻孔5末端分段的中间位置处；
42.g、利用注浆泵7向耐高压油管8中注入加砂流体，持续加压，当流体压力达到一定程度时，前端封隔器10和后端封隔器11膨胀挤压钻孔壁面，在定向长钻孔5中形成密闭空腔14；继续加压，截流器12的弹簧张开，加砂流体流入定向长钻孔5中密闭空腔14内；
43.h、利用注浆泵7继续加压，当达到顶板岩层1的抗压极限时，顶板岩层1中出现裂隙13；停止加压并保持该压力，持续一段时间后，裂隙13扩展至松软煤层2中；
44.i、待裂隙13扩展至松软煤层2底板后，开始缓慢降低加砂流体压力，此时截流器12的弹簧逐渐闭合，接着，前端封隔器10和后端封隔器11逐渐收缩至原尺寸；
45.j、等流体压力完全释放后，通过耐高压油管8将前端封隔器10、截流器12和后端封隔器11向外移动50m，按照步骤g～i进行第二个分段的水力加砂压裂工作；如此下去，直到完成定向长钻孔5水平段的所有分段的水力加砂压裂工作。
46.当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。