专利名称：后退分段式水力致裂方法
技术领域：
本发明涉及一种水力致裂方法，尤其是一种后退分段式水力致裂方法。
背景技术：
水力致裂技术最早应用在石油工程来提高贫油井的产量，目前被广泛应用于现代煤炭开采、地热资源开发、核废料储存等领域，显示出广泛的工业应用价值。借助于水力致裂的基本概念，研究开发煤岩体水力致裂弱化与增透技术作为解决煤矿开采岩层控制和瓦斯防治的关键技术之一。在常规煤层水力致裂的过程中，由于水压裂缝的扩展受地应力及煤体割理-孔隙系统的影响，裂缝的扩展表现出时间和空间的不均匀性。尤其在高瓦斯矿井，水压裂缝扩展的不均匀性是引起瓦斯驱赶不均匀的根本原因。水压裂缝空间扩展的不均匀性会使水压梯 度小的煤体区域瓦斯驱动效果差，甚至无法驱动，导致瓦斯滞留；水压裂缝空间扩展的不均匀性容易堵塞煤体中瓦斯的运移通道，甚至圈闭煤体瓦斯，引起局部瓦斯含量和压力升高。同时常规水力致裂过程还会引起煤体中应力重新分布，局部应力集中也会影响煤体的渗透性，进而对瓦斯运移不利。另外，由于煤岩体水压致裂裂缝的扩展方向受致裂钻孔周围的应力场影响，致裂范围受钻孔深度、注水压力和注水排量的影响；尤其在深孔水力致裂方法中致裂钻孔深部水压衰减严重，导致深孔致裂的水压裂缝呈现“外密内疏”且极不均匀，常规水力致裂方法中单孔或多孔的单次致裂难以满足现场水力致裂效果。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种方法简单、有效、均匀性好、安全可靠的后退分段式水力致裂方法。技术方案本发明的后退多段式水力致裂方法，包括如下步骤
a.用钻机在预开采的煤岩体内逐一施工多个深度为4 200m的致裂钻孔；
b.采用多根续接在一起的致裂专用安装杆将封孔器分别送入多个致裂钻孔内至距孔口深度为3 160 m处进行封孔；所述续接在一起的致裂专用安装杆连接方式为螺纹连接或快速接头连接；
c.在多个致裂钻孔的孔口处分别安装与致裂专用安装杆相连的注水管路，同时在各致裂钻孔孔口处的注水管路上安装截止阀和压力表，利用等量分流器将各注水管路连接在一起，通过等量分流器与注水泵相连接；
d.开启注水泵，调节等量分流器，通过致裂专用安装杆连续向一个或多个致裂钻孔的封孔内注水，进行一次循环水力致裂；
当从压力表上监测到一个或多个注水管路水力致裂的注水压力小于I MPa时，关闭一个或多个注水管路上的截止阀；
当从压力表上监测到所有注水管路水力致裂的注水压力均小于I MPa时，关闭注水泵，完成此次循环水力致裂；e.将封孔器卸压后向致裂钻孔孔口方向移出步距I 15m，重复步骤d，再次进行一次循环水力致裂，
f.重复步骤e多次，直至封孔器后退至距致裂钻孔的孔口深度I 15m处进行最后一次循环水力致裂，完成后退分段式水力致裂。有益效果本发明有利于坚硬顶板和顶煤的弱化、围岩应力场的转移和煤层瓦斯的抽采；对防治冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害效果甚佳，采用单孔或多孔后退分段式水力致裂方法，能够控制致裂钻孔内裂隙的起裂位置以及扩展方向和范围，进而保障水压裂缝扩展的均匀性。尤其在高瓦斯矿井，本发明的实施效果更为明显。本方法可实现对煤岩体结构的改造，改善煤岩体的透气性。对于透气性的煤层，高压水从煤体的裂隙、孔隙中驱赶自由状态的大量游离瓦斯，使煤层的游离瓦斯通过注水孔周边的多个瓦斯抽采孔提前排出来，既减小了煤层内的瓦斯压力，降低了突出危险性，又大大降低了掘进落煤时瓦斯涌出的高峰值，有效避免了掘进空间瓦斯超限。同时，煤体在高压水的作用下产生内部位移和结构破坏，会降低煤体弹性，增加煤体塑性，改变煤体的应力状态，达到卸压和排放瓦斯的作用，从而起到防突作用。另外，在瓦斯抽采完后可根据工程需要利用水力致裂和瓦斯抽采 孔对煤层进行静压注水湿润煤体，水对瓦斯涌出起到明显的抑制作用，可降低煤体内残留瓦斯的解吸速度，相应降低煤体中瓦斯的涌出速度和涌出量；同时可以进一步软化煤体，增加煤体的塑性和内聚力，进一步降低煤与瓦斯突出危险性，达到多段、均匀、有效、安全致裂的目的。其方法简单，施工方便，安全可靠，效果好，具有广泛的实用性。
图I是本发明的水力致裂布置示意 图2(a)是本发明中的水力致裂专用安装杆螺纹连接结构示意图。图2(b)是本发明中的水力致裂专用安装杆快速连接接头结构示意图。图中1_注水泵，2-煤岩体，3-致裂专用安装杆，3-1-安装杆专用连接头，3-2-安装杆外螺纹连接端头，3-3-管杆，3-4-内置密封圈，3-5-快速接头连接公头，3-6-快速接头连接母头，4-封孔器，5-截止阀，6-压力表，7-等量分流器，8-注水管路，9-致裂钻孔。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述
本发明是一种后退分段式水力致裂方法，首先用钻机在预开采的煤岩体2内逐一施工多个深度为4 200 m的致裂钻孔9，多个致裂钻孔9为平角或仰角线性布置；然后采用多根续接在一起的致裂专用安装杆3将封孔器4分别送入多个致裂钻孔9内至距孔口深度为3 160 m处进行封孔，所述的封孔器4采用胶囊致裂封孔器或胶囊致裂封隔器。所述续接在一起的致裂专用安装杆3连接方式为螺纹连接或快速接头连接；在多个致裂钻孔9的孔口处分别安装与致裂专用安装杆3相连的注水管路8，同时在各致裂钻孔9孔口处的注水管路8上安装截止阀5和压力表6，利用等量分流器7将各注水管路8连接在一起，通过等量分流器7与注水泵I相连接。工作时，开启注水泵1，调节等量分流器7连续向一个或多个致裂钻孔9的封孔内注水，进行一次循环水力致裂；当从压力表6上监测到一个或多个注水管路8水力致裂的注水压力小于I MPa时，关闭一个或多个注水管路8上的截止阀5 ;当从压力表6上监测到所有注水管路8水力致裂的注水压力均小于I MPa时，关闭注水泵1，完成一次循环水力致裂；将封孔器4卸压后向致裂钻孔9孔口方向移出步距I 15 m，重复向一个或多个致裂钻孔9内注水，之后将封孔器4卸压后再向孔口方向移出，周而复始，进行多次循环水力致裂，直至封孔器4后退至距致裂钻孔9的孔口深度I 15 m处进行最后一次循环水力致裂，退出封孔器4，完成后退分段式水力致裂。实施例一某矿煤层平均厚约2. 51 m，埋深800 m左右，该煤层赋存稳定，结构简单，煤层倾角约为0° 6。，平均4°。赋存于山西组中下部、下距石炭系太原组顶部灰岩约50 m,煤层底板砂岩36. 6 m,上距K4招质泥岩51. 51 m,顶板为砂质泥岩或砂岩,底板为砂质泥岩和粉砂岩，煤层较稳定。瓦斯含量约为11. 15m3/t,瓦斯抽米半径为5 m,煤层透气性系数为0. 0861 m3/(MPa2. d)。煤层破坏类型属于III IV类煤，相对瓦斯压力I. 12 I. 7MPa，坚固性系数为0. 22 0. 4059，煤层的瓦斯放散初速度为12. 957 14. 000，煤层瓦斯含量为6. 15 17. 59 m3/t，该煤层为煤与瓦斯突出煤层，煤尘不具有爆炸危险性。 根据现场实际情况，在掘进工作面迎头沿煤层施工3个倾角为0°、扇形、平面致裂钻孔9，即平角线性布置。钻孔直径为75 mm，孔深200 m，钻孔间距为2.0 m，采用选择单孔进行水力致裂方式进行煤层消突及瓦斯驱赶，将多根续接在一起的快速接头连接方式的致裂专用安装杆3将直径为￠75 mm的胶囊致裂封隔器4送入一个致裂钻孔9内至距孔口深度为160 m处进行封孔，所述快速接头连接方式的致裂专用安装杆3由管杆3-3、设在管杆3-3 —侧的快速接头连接公头3-5和另一侧的快速接头连接母头3-6构成，快速接头连接母头3-6上套装有密封圈3-4 ;在该致裂钻孔9的孔口处分别安装与快速接头连接的致裂专用安装杆3相连的注水管路8，同时在该致裂钻孔9孔口处的注水管路8上安装截止阀5和压力表6，利用等量分流器7将各注水管路8连接在一起，通过等量分流器7与注水泵I相连接。如图I所示，开启注水泵1，通过调节等量分流器7连续向一个致裂钻孔9内注水，进行一次循环水力致裂；当从压力表6上监测到该注水管路8水力致裂的注水压力小于IMPa时，关闭注水泵I，完成此次循环水力致裂；将胶囊致裂封隔器4卸压后向致裂钻孔9孔口方向移出步距15 m，重复以上步骤，再次进行一次循环水力致裂，周而复始，直至胶囊致裂封隔器4后退至距致裂钻孔9的孔口深度15 m处进行最后一次循环水力致裂，退出胶囊致裂封隔器4，完成后退分段式水力致裂。实施例二某矿煤层平均厚度I. 5 m，倾角平均为6°，煤层硬度/=2;直接顶为浅灰色中粒砂岩，平均厚度2. 28 m;老顶为灰黑色砂质泥岩，平均厚度5. 33 m。根据现场实际情况，需要在风巷超前工作面30 m靠接替工作面侧巷帮逐一施工若干个倾角90°、线性、垂直顶板向上布置的水力致裂钻孔9，即仰角线性布置。致裂钻孔直径为32 _，孔深4 m,钻孔间距为0.5 m，依次沿工作面推进方向施工，进行顶板定向切缝沿空留巷。采用多根续接在一起的螺纹连接方式的致裂专用安装杆3将￠32 mm的胶囊致裂封孔器4分别送入多个致裂钻孔9内至距孔口深度为3 m处进行封孔，所述螺纹连接方式的致裂专用安装杆3包括管杆3-3，管杆3-3的两侧为螺纹管3-2，螺纹管3-2上装有续接下一螺纹管3_2的安装杆专用连接头3-1，安装杆专用连接头3-1的中部装有内置密封圈3-4 ;在多个致裂钻孔9的孔口处分别安装与螺纹连接方式的致裂专用安装杆3相连的注水管路8，同时在各致裂钻孔9孔口处的注水管路8上安装截止阀5和压力表6，利用等量分流器7将各注水管路8连接在一起，通过等量分流器7与注水泵I相连接。开启注水泵1，调节等量分流器7连续向多个致裂钻孔9内注水，进行一次循环水力致裂；当从压力表6上监测到一个或多个注水管路8水力致裂的注水压力小于I MPa时，关闭一个或多个注水管路8上的截止阀5 ;当从压力表6上监测到所有注水管路8水力致 裂的注水压力均小于I MPa时，关闭注水泵1，完成此次循环水力致裂；将胶囊致裂封孔器4卸压后向致裂钻孔9孔口方向移出步距I m，重复以上步骤，再次进行一次循环水力致裂，直至胶囊致裂封孔器4后退至距致裂钻孔9的孔口深度I m处进行最后一次循环水力致裂，退出胶囊致裂封孔器4，完成后退分段式水力致裂。
权利要求
1.一种后退分段式水力致裂方法，其特征在于包括如下步骤 a.用钻机在预开采的煤岩体(2)内逐一施工多个深度为4 200m的致裂钻孔(9)； b.采用多根续接在一起的致裂专用安装杆(3)将封孔器(4)分别送入多个致裂钻孔(9)内至距孔口深度为3 160 m处进行封孔，所述续接在一起的致裂专用安装杆(3)连接方式为螺纹连接或快速接头连接； c.在多个致裂钻孔(9)的孔口处分别安装与致裂专用安装杆(3)相连的注水管路(8)，同时在各致裂钻孔(9)孔口处的注水管路(8)上安装截止阀(5)和压力表(6)，利用等量分流器(7 )将各注水管路(8 )连接在一起，通过等量分流器(7 )与注水泵(I)相连接； d.开启注水泵(I)，调节等量分流器(7)，通过致裂专用安装杆(3)连续向一个或多个致裂钻孔(9)的封孔内注水，进行一次循环水力致裂； 当从压力表(6)上监测到一个或多个注水管路(8)水力致裂的注水压力小于I MPa时，关闭一个或多个注水管路(8)上的截止阀(5)； 当从压力表(6)上监测到所有注水管路(8)水力致裂的注水压力均小于I MPa时，关闭注水泵(I )，完成此次循环水力致裂； e.将封孔器(4)卸压后向致裂钻孔(9)孔口方向移出步距I 15m，重复步骤d，再次进行一次循环水力致裂； f.重复步骤e多次，直至封孔器(4)后退至距致裂钻孔(9)的孔口深度I 15m处进行最后一次循环水力致裂，完成后退分段式水力致裂。
2.根据权利要求I所述的后退分段式水力致裂方法，其特征在于所述在预开采的煤岩体(2)中逐一施工的多个致裂钻孔(9)为平角或仰角线性布置。
3.根据权利要求I所述的后退分段式水力致裂方法，其特征在于所述的螺纹连接方式的致裂专用安装杆(3)包括管杆(3-3)，管杆(3-3)的两侧为螺纹管(3-2)，螺纹管(3-2)上装有续接下一螺纹管(3-2)的安装杆专用连接头(3-1);安装杆专用连接头(3-1)的中部装有内置密封圈(3-4)。
4.根据权利要求I所述的后退分段式水力致裂方法，其特征在于所述的封孔器(4)采用胶囊致裂封孔器或胶囊致裂封隔器。
全文摘要
一种后退分段式水力致裂方法，采用致裂专用安装杆将封孔器送至致裂孔的设定位置，对封孔并实施一次水力致裂方法；致裂完成后，将封孔器向孔口方向外移设定步距，继续实施水力致裂方法；如此反复，直到封孔器移至致裂孔的最小封孔深度，进而完成整套后退分段式水力致裂方法。该方法有效地克制了因深孔致裂所引起的钻孔深部致裂裂隙不均匀的弊端，进而解决了裂隙呈现“外密内疏”的难题；该方法控制了钻孔内裂缝的致裂位置和增加了裂隙的扩展范围，对深孔水力致裂方法压裂效果的改善尤为显著；若是多孔同时采用该方法，可以有效地控制钻孔内裂缝的起裂位置和裂隙扩展方向，进而达到定向致裂的效果。同时该方法简单，施工方便，易于操作，安全可靠。
文档编号E21B43/26GK102797448SQ201210316418
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者黄炳香, 程庆迎, 张统 申请人:中国矿业大学