一种低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法与流程

1.本发明涉及煤矿瓦斯治理技术领域，尤其涉及一种低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法。


背景技术：

2.当前针对薄煤层中瓦斯气体的处理，地面作业多采用垂直钻井后，在井孔煤层部位射孔，然后压裂。压裂时的高压水从井孔通过射孔的孔隙进入到煤层中，对煤层进行破坏，增加钻孔周边的煤层裂缝规模，增加煤层中瓦斯析出和释放。但是，常规射孔由于孔眼长度很短(1m左右)，水力压裂裂缝扩展易受直井周围应力集中和水平地应力的影响，裂缝在射孔前端起裂后向最大主应力方向发生明显偏转，形成以应力为主线的裂缝区域，这种多盲区压裂，隐藏着瓦斯突出的潜在危险，未能实现煤矿瓦斯治理防突目标。
3.瓦斯治理需要裂缝以垂直井为中心的均衡裂缝扩散的无盲区压裂，只有无盲区压裂，才能消除瓦斯突出的风险，提升采煤的安全度，加之受薄煤层厚度影响，压裂规模不大，裂缝波及范围受限。
4.综上，常规办法所能引起的煤层破裂体积较小，并且裂缝方向单一，裂缝规模小，压裂盲区突出，无法实现被治理煤层区域压裂均质化，达不到瓦斯防突和大面积快速解释和释放的目标。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法，解决现有技术中存在的上述问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一种低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法，包括以下步骤：步骤1、将多层次多方向用超高压超长度水平钻井装置放入垂直井待作业的煤层位置；步骤2、利用地面水平钻井装置对作业煤层纵深多层次、横向多方向进行水力破孔钻井，形成目标煤层蜂窝式水平井网；步骤3、以垂直井在煤层的落点为中心，在相应的地面大于被压裂煤层区域3倍的范围内布置蜘蛛网式的微震监测点；步骤4、在地面组合规模化压裂装置，并在微震监测的指导下压裂作业。
8.进一步的，所述步骤2中，在作业煤层中纵向五层施工，每层在360
°
平面上射4个孔，在煤层中形成20个水平井组成的蜂窝式立体孔结构。
9.进一步的，其中，水力射孔压力为60mpa
‑
200mpa，破岩孔径为50mm
‑
70mm、长为100m
‑
150m。
10.进一步的，所述多层次多方向用超高压超长度水平钻井装置包括固定管、支撑架、伸缩喷射管、地面水平钻井装置、连续油管、信号接收发射装置、信号接收分析车和地面组合压裂装置，所述固定管外侧安装有所述支撑架和所述伸缩喷射管，所述固定管上端连接有油管至地面，所述地面水平钻井装置将所述连续油管下入所述油管内，其中地面布置有
微震监测点，所述微震监测点内埋入所述信号接收发射装置，所述信号接收发射装置与所述信号接收分析车相连，所述地面组合压裂装置与所述信号接收分析车相连。
11.再进一步的，所述地面组合压裂装置通过垂直井套管和蜂窝式水平井对目标煤层进行水力加砂压裂，并根据所述信号接收分析车的微震监测信息分析结果修整压裂速度和压力。
12.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
13.本发明提供了一种低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法,是一种在地面利用垂直井对井深煤层纵深多层次、横向多方向、超高压、超长度蜂窝式水力水平钻井，以此引导地面规模化水力压裂，并用地面微震监测指导压裂速度和裂缝方向的技术组合方法，其在煤层中创建一个被治理的煤层区域裂缝全覆盖、无盲区的瓦斯解释和瓦斯释放的立体系统，彻底改变煤矿井下采煤巷瓦斯治理效率低、风险大、成本高的传统做法，构建了一条地面瓦斯防突治理和被治理的煤层区域瓦斯快速解释、快速释放、全部回收利用的高效、环保、低成本煤田瓦斯治理的新途径。
附图说明
14.下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
15.图1为本发明的低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法的示意图；
16.图2为常规水力压裂模型结构示意图；
17.图3为径向井辅助水力压裂模型结构示意图；
18.图4为本发明的低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法的示意图。
具体实施方式
19.如图1至图4所示，一种低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法，包括以下步骤：步骤1、将多层次多方向用超高压超长度水平钻井装置放入垂直井待作业的煤层位置；步骤2、利用地面水平钻井装置对作业煤层纵深多层次、横向多方向进行水力破孔钻井，形成目标煤层蜂窝式水平井网；步骤3、以垂直井在煤层的落点为中心，在相应的地面大于被压裂煤层区域3倍的范围内布置蜘蛛网式的微震监测点；步骤4、在地面组合规模化压裂装置，并在微震监测的指导下压裂作业。
20.具体的，步骤2中，在作业煤层中纵向五层施工，每层在360
°
平面上射4个孔，在煤层中形成20个水平井组成的蜂窝式立体孔结构。其中，水力射孔压力为60mpa
‑
200mpa，破岩孔径为50mm
‑
70mm、长为100m
‑
150m。
21.具体的，多层次多方向用超高压超长度水平钻井装置包括固定管、支撑架、伸缩喷射管、地面水平钻井装置、连续油管、信号接收发射装置、信号接收分析车和地面组合压裂装置，固定管外侧安装有支撑架和伸缩喷射管，固定管上端连接有油管至地面，地面水平钻井装置将连续油管下入油管内，其中地面布置有微震监测点，微震监测点内埋入信号接收发射装置，信号接收发射装置与信号接收分析车相连，地面组合压裂装置与信号接收分析车相连。
22.其中，地面组合压裂装置通过垂直井套管和蜂窝式水平井对目标煤层进行水力加砂压裂，并根据信号接收分析车的微震监测信息分析结果修整压裂速度和压力。
23.本实施例的低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法在实际应用时，在煤层采用超高压快速水力钻孔，先使用九龙钻头在套管上开孔，然后使用带喷嘴的超高压软管，借助超高压水射流破岩作用，在煤层中纵向五层施工，每层在360
°
平面上射4个孔，水力射孔压力为60mpa
‑
200mpa，破岩孔径50mm
‑
70mm、长100m
‑
150m，在6.5米厚的煤层中形成20个水平井组成的蜂窝式立体孔结构，彻底破坏了被治理区域煤层应力结构，能顺利引导压裂方向，延伸压裂长度，扩大压裂波及范围，实现被治理煤层区域立体均质化全覆盖，消灭压裂盲区，实现煤层裂缝均质、瓦斯解析快速、释放通道畅通，达到瓦斯防突、提升瓦斯抽采效率，提升井下采煤生产安全度之目的。
24.其中，超高压水力射孔的特点是适合各种软硬度的煤层，加之改良的水射喷嘴，形成各类形态的孔型，不管是软煤还是硬煤层都不会出现塌孔，更不会出现塌方。
25.更具体的，在被治理煤层区域的地面用油田常规钻机钻直径为159mm的垂直井，穿过煤层100米，并下入套管固井，在地面用地面水平钻井装置在煤层位置的纵深高度多层次、横向的多方向用水力钻头在套管上开孔，然后下入带超高压喷嘴的连续耐压管和超高压软管，借助超高压水破岩钻孔技术，在已开孔的位置进行水平钻井施工，每个孔的孔径为30mm
‑
50mm，长度为110m
‑
150m，完孔时间不超过10分钟，根据煤层的煤质特点，为防止塌孔，本次孔型采用梅花型，再在地面组织地面组合压裂装置2500型20台，形成大规模压裂模式，对水力钻孔形成的蜂窝立体区域进行压裂，本次压裂规模为150方砂，3000方液，同时在地面部署微震监测系统，即微震监测点、信号接收发射装置和信号接收分析车，对压裂破岩过程进行监测和描述，并用以指导压裂延伸的速度和方向，指导压裂速度和规模，实现被治理的瓦斯区域裂缝波及全区域，不出现盲区。
26.其中，压裂工程是在施工超高压水射流水平钻孔后，在钻孔中安装油管并在地面压裂车的配合下在多层次、多方向水平钻孔中的基础上进行大规模压裂。
27.并且，超高压水射孔形成的多层次、多方向、超长度孔眼可使裂缝起裂摆脱直井火药爆破射孔或水力射孔应力集中的影响，同时，超高压水力射孔形成的水平长孔眼在地层深处改变周围煤层应力状态，压裂微震监测显示裂缝的扩展明显受到水射孔形成井眼的影响，压裂后首先沿径向井方向扩展，而后逐渐向最大主应力方向发生偏转。
28.超高压水射流钻井对压裂对裂缝的扩展可起到引导方向，增大压裂规模的作用，能加速游离气和解析气的释放速度，消除了瓦斯的不均质性，消除了瓦斯突出的根源，而且还提升瓦斯抽采量，实现了被治理区域瓦斯快速释放，提升了井下采煤的安全系数。
29.通过设置微震监测系统，即微震监测点、信号接收发射装置和信号接收分析车，经地面微震监测可见，压裂裂缝沿垂直井这一中心点，在上下纵深整个煤层和横向360
°
水平面上，均匀地沿着超高压水射孔方向延伸，形成一个半径在200m
‑
250m，高度5m
‑
20m不规则的立体圆柱裂缝体系，而且压裂规模成倍提升，解决了传统射孔压裂仅沿着最大应力方向扩展，造成瓦斯治理区域出现众多盲区的工艺弊端。
30.本实施例的低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法的煤层条件不限定，范围更广，其属于一种在地面利用垂直井在煤层的纵向多层次、横向多方向、超长度高效的水力定向射孔，引导规模化、均质化水力压裂的新工艺，区别于煤矿在煤层底板下巷道在本煤层的井下瓦斯治理工艺。
31.本实施例的低透气融三种技术为一体的地面瓦斯治理方法在地面通过垂直井对
煤层进行多层次、多方向、超高压超长度水力径向水平射孔技术，替代常规的爆破或水力射孔技术；并且，在地面用规模压裂取代常规普通压裂，用地面微震监测指导整个压裂过程，使裂缝多层次、多方向开孔并引导压裂裂缝横向360
°
水平面，纵向整个煤层厚度以垂直井为中心，以大柱形向远处均匀延伸，压裂走向按径向水平井方向扩散，压裂面积得到大幅度提升，基本实现了被治理区域无盲区压裂，彻底消除煤层瓦斯突出风险，实现瓦斯区域治理全覆盖。
32.设置实验情况如下
33.基于abaqus扩展有限元法，根据流－固耦合方程和岩石断裂力学原理，进行了径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展的数值模拟研究。考虑了压裂过程中储层岩石孔隙度、渗透率、孔隙压力、裂缝面滤失等动态变化过程，分析了地质因素和施工因素等对裂缝扩展规律及裂缝形态的影响。
34.定义径向钻井方位角为径向钻井方向与地层最大水平主应力方向之间的夹角。建立射孔方位角为45
°
的常规射孔压裂模型和双翼六径向井(双翼成对称分布，单翼分布3个径向井，径向井长度为20m，垂向间距为0.5m)辅助压裂模型(如图1、图2所示，σ
h
为最大水平主应力，mpa；σ
h
为最小水平主应力，mpa；σ
v
为上覆岩层应力，mpa)。根据峰峰矿区九孔煤矿地质资料，模拟径向钻井对垂直双翼裂缝扩展的影响，模型基本参数见表1。
35.表1径向钻井水力压裂基本参数
36.参数数值参数数值模型直径/m80套管直径/mm139.7最大水平主应力/mpa33最小水平主应力/mpa27上覆岩层应力/mpa36原始孔隙压力/mpa2.4煤岩抗拉强度/mpa2岩石滤失系数/m3/min5.847
×
10
‑5煤岩弹性模量/gpa12.94泊松比0.25孔隙度0.12渗透率/10
‑3μm22.41压裂液排量/m3/min4压裂液黏度/mpa
■
s50
37.设定2个模型压裂液泵入时间都为30min，根据压裂效果的数值模拟结果可知：常规射孔由于孔眼长度很短，水力压裂裂缝扩展易受直井周围应力集中和水平地应力的影响，裂缝在射孔前端起裂后向最大主应力方向发生明显偏转；径向钻井形成的长孔眼可使裂缝起裂摆脱直井应力集中的影响，降低了起裂压力；同时，长孔眼在地层深处改变周围岩石应力状态，裂缝的扩展明显受到径向井的影响，起裂后首先沿径向井方向扩展，而后逐渐向最大主应力方向发生偏转。两者对比可见，径向钻井水力压裂对裂缝的扩展可起到一定的引导作用。
38.为进一步明确径向钻井对裂缝扩展的引导效果，引入导向因子作为径向钻井对裂缝引导能力的量化评价指标。以井筒为圆心，以径向钻井前端与圆心的连线为半径作圆，定义该圆为径向钻井的引导边界。径向钻井与水力裂缝和引导边界所围面积为sg，引导边界与井筒所围面积为se，定义导向因子为g＝sg/se。导向因子取值范围为0.000
‑
0.500，数值越小表明裂缝越靠近径向井，径向井对裂缝扩展的引导作用越强；当双翼裂缝完全沿着径向井方向扩展时，导向因子为0.000，说明径向井的引导作用最强；当双翼裂缝扩展方向与径向井方向垂直时，导向因子为0.500，说明径向井没有起到引导作用。采用导向因子作为
评价指标，分析方位角、压裂液排量因素对径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展的影响。
39.设定方位角分别为20
°
、45
°
、70
°
、90
°
，研究方位角对径向钻井引导裂缝扩展的影响。可知：不同方位角下，裂缝在近井区都能沿着径向钻井方向起裂并扩展一定距离，随后受地应力的影响发生不同程度的转向；方位角为20
°
、45
°
、70
°
、90
°
时的导向因子分别为0.012、0.059、0.114、0.227，方位角为90
°
与方位角为20
°
对比，导向因子增大19倍，表明增大方位角不利于径向钻井引导裂缝扩展；径向钻井方位角小于20
°
时，裂缝基本上沿径向钻井扩展，大于45
°
时引导效果明显减弱。
40.压裂排量
41.设定压裂液排量分别为1m3/min、2m3/min、3m3/min、4m3/min，研究压裂液排量对径向钻井引导裂缝扩展的影响。可知：压裂液排量为1m3/min、2m3/min、3m3/min、4m3/min时的导向因子分别为0.087、0.059、0.055、0.056，对应的裂缝长度分别为35.4、42.2、59.8、69.6m；径向钻井对裂缝扩展的有效引导需要满足一定的排量条件，排量为1m3/min时，径向井的引导效果弱，裂缝前端还未到达引导边界就几乎与最大主应力平行，排量为4m3/min时，裂缝在突破引导边界深入地层之后才逐渐转向最大主应力方向。
42.由以上实验可见，径向水射流技术可解决薄煤层压裂规模小、压裂盲区以及抽采效果不好的问题，比常规办法更适应薄煤层的瓦斯气防突排采治理。
43.本发明能够实现被治理煤层区域立体均质化全覆盖，消灭压裂盲区，实现煤层裂缝均质、瓦斯解析快速、释放通道畅通，达到瓦斯防突、提升瓦斯抽采效率，提升井下采煤生产安全度之目的；同时突破了煤矿常规瓦斯治理仅限于井下巷道的局限性、低效性，创新了采煤生产地面瓦斯治理新工艺和新方法，不但治理成本低，是井下瓦斯治理的1/7，而且瓦斯解释和释放快速高效、安全、环保，尤其是被释放的瓦斯得到全部回收利用，成为煤矿生产过程中的又一高效新能源，经济和社会效益巨大。
44.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。