煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透的方法，属于煤矿井下 区域瓦斯治理技术领域，尤其适合于松软低透气煤层的全面增透。
【背景技术】
[0002] 我国煤层大多数为高瓦斯低渗透煤层，瓦斯随着煤层开采大量涌出导致煤矿瓦斯 事故频发，并且造成能源浪费。现阶段，瓦斯抽采是解决瓦斯问题的根本方法。我国煤矿 瓦斯抽采方式多种多样，矿井下主要采用密集钻孔预抽方法，密集钻孔预抽法需要从岩巷 向煤层钻进大量穿层钻孔，尤其是穿层钻孔岩段长、煤段短，施工量大，成本高，且卸压范围 小，瓦斯抽采效率低，效果差。如图20所示，一般穿过岩层Ll和煤层L2的比例约为20:1~ 10:1。水力钻孔也能够局部卸压，消除局部突出危险，但是其卸压范围小，难以实现超前区 域消突，而在水力钻孔后进行水力压裂能够扩大卸压范围，增强煤层的通透性。
[0003] 但是常规水力压裂在高压水作用时一般不产生新裂缝，而是原生裂隙的扩展延 伸，极易产生单一主裂缝。单一主裂缝的无序扩展会造成裂缝分布不均匀，极易产生压裂 "空白带"，不能实现煤体均匀卸压增透，而且单一主裂缝会对煤层顶底板造成破坏，严重时 将破碎煤层顶底板致使顶底板稳定性降低，影响后续煤层的开采工作。并且现阶段水力压 裂只是对穿层钻孔进行水力压裂，无法控制在煤层中形成水平裂缝的深度，也无法形成裂 缝网，钻孔利用率和压裂效率都很低（王耀锋，何学秋，王恩元，等.水力化煤层增透技术研 究进展及发展趋势[J].煤炭学报，2014, 39 (10) : 1945 - 1955.)。
[0004] 国内外学者针对这些问题提出了许多解决方案，但是这些手段并没有很好解决常 规水力压裂煤层增透存在的几个问题：一是常规穿层钻孔工程量大，成本高；二是常规水 力压裂效果差，易出现"空白带"，增透不均衡；三是煤储层常规压裂后形成的人工裂缝少且 短，导流能力差。
[0005] 文献号为CN103924925A的专利申请也是针对以上问题提出的解决方案，其在应 用中能够提高抽采效率，但抽采效果仍不理想，原因是各个钻孔子孔影响范围有限，若钻孔 子孔稍长则子孔之间会存在抽采不到的区域。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服密集钻孔水力压裂预抽采技术在高瓦斯松软煤层瓦斯抽采 应用中效率低、效果差、成本高等缺点，提供一种煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透 的方法。该方法是将瓦斯抽采孔作为母孔，将均匀分布的自进式钻孔作为树状钻孔子孔，再 对该树状孔网进行封孔压裂。该方法适用于单煤层和多煤层瓦斯抽采，可在每个钻孔母孔 上形成一个或多个钻孔子孔网。
[0007] 本发明提出一种煤矿井下煤层树状钻孔复合压裂均匀增透的方法，包括如下步 骤：
[0008] (1)在岩巷向煤层预先钻进先导孔，形成树状钻孔的母孔，母孔需穿过煤层钻至煤 层顶板或底板（若从煤层下方向上钻进需钻至顶板，若从煤层上方向下钻进需钻至底板）， 母孔应足够大且不会塌孔，大小可根据现场情况进行调整，直径一般为130~150mm，即矿 井常用钻杆直径的二倍左右；
[0009] (2)将钻杆依次从钻机上取下，再将钻杆、导向器与钻头依次连接，并将圆形水泥 块、空心螺环安装在导向器轨道出口处；
[0010] ⑶使用钻头进行扩孔，在扩孔的同时将导向器带入至母孔中的预定位置，省去了 扩孔后退钻以及导向器的送入等工序。
[0011] (4)将推进机构放置到钻机和卡盘之间，将高压栗通过高压橡胶管连接到绞盘，再 用高压软管从绞盘接出，将高压软管连接自进式钻头并将其穿过钻机、推进机构，将它们送 入钻杆和导向器，并通过推进机构的管托机构调节高压软管和自进式钻头高度和角度，确 保它们顺利进入钻。
[0012] (5)启动高压栗，栗压为25~35Mpa，自进式钻头带动高压软管进行自进式钻进， 在到达导向器出口处时，自进式钻头将孔口的圆形水泥块破碎，进入煤层，进行树状钻孔的 子孔钻进，钻进长度为10~20m，形成第一个树状钻孔子孔。栗压选择影响因素包括管路损 失、煤层强度等，一般为25~35Mpa，调整方式为：管路长、煤层强度大时应增大压力。钻进 长度由钻孔子孔间夹角及在该栗压下压裂后钻孔子孔的影响范围共同决定，子孔间夹角或 煤层强度增大时应适当减小钻进长度。
[0013] (6)降低栗压至2Mpa防止喷嘴被堵，反旋绞盘收回自进式钻头至导向器内，参照 卡盘上的刻度盘旋转卡盘，旋转角度按照施工设计进行，一般设计为30°~60°，且应为 360° /N，N为正整数。因为当角度小于30°时并不能再增大抽采范围，反而会造成施工成 本增加；当角度大于60°时会在钻孔子孔之间产生抽采不到区域，影响抽采效果。
[0014] (7)重复5、6步骤，直至形成以母孔为主干、以子孔为支干的等角度放射状分布的 一层子孔网，所述子孔均匀分布于同一水平面；
[0015] (8)若煤层度大于4m，则需要多层子孔网，子孔网间距为2m，最上层和最下层子孔 网距顶底板应为1~2m，施工过程采用后退式施工方式，施工下一层子孔网时应收回两根 钻杆（施工选用钻杆长度为Im)，并与上一层子孔网的子孔角度错开，使相邻子孔网层之间 的上下子孔位置相互错开；
[0016] (8)在完成所有子孔网后，关闭高压栗，退出高压软管、自进式钻头、钻杆和钻头；
[0017] (9)将套管和返浆管通过母孔送至煤层底板或顶板处，压裂管沿母孔送至煤层中 部位置处，注浆管设在孔口封堵段前10~20cm位置处，在孔口使用AB胶和棉纱封堵，固结 后在孔口打入木塞；从注浆管向钻孔内注入封孔浆体，当返浆管有浆体流出时停止注浆，固 结24小时使强度达到要求；
[0018] (10)将高压栗连接压力流量控制系统和封孔装置，启动高压栗对煤层进行压裂， 使各个子孔通过压裂裂缝连通，压裂压力为25~35MPa，根据煤层性质和现场情况进行调 整，调整方式为：煤层埋深越深、子孔越长、子空间夹角越大则选择压力越大。
[0019] 实现以上方法，传统煤矿井下钻孔和压裂设备是无法完成的，必须依赖于一套特 殊的装备，该装备包括成孔系统和压裂系统，装备在采用煤矿常用设备，如水箱、高压栗、钻 机、钻杆等的基础上，增加了特殊结构的推进机构、导向器、自进式钻头和特殊结构的钻头 等，实现对煤层的大范围均匀增透。
[0020] 所述成孔系统包括钻机、钻杆、钻头、导向器、支架、水箱、高压栗、绞盘、推进机构、 刻度盘、卡盘、高压软管、自进式钻头。
[0021] 所述钻机安装在支架上，钻杆连接在钻机上，钻杆前端连接导向器，导向器前端连 接钻头，所述水箱连接高压栗，高压栗连接高压软管，高压软管缠绕在绞盘上，并穿过推进 机构，高压软管前端连接自进式钻头。高压软管和自进式钻头在钻树状孔的子孔时穿过钻 杆并通过导向器导向，依靠射流产生自进力钻出子孔。在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安 装有转向刻度盘，刻度盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向 器的转动角度通过刻度盘控制。
[0022] 所述压裂系统包括水箱、高压栗、压力表、高压橡胶管、压力流量控制系统、封孔装 置；所述高压栗连接高压橡胶管，高压橡胶管连接压力流量控制系统，压力流量控制系统连 接封孔装置，压裂系统中所使用压裂液为低粘度压裂液。
[0023] 在该方法中，母孔和均匀分布的多个子孔网层能对煤层进行卸压，水力压裂会在 各个钻孔子孔上形成大量分布较为均匀的裂缝，并使子孔之间通过裂缝相互连通，进一步 扩大卸压范围。而这些裂缝较小并不足以影响顶底板稳定，又能够提高煤层通透性，扩大常 规穿层钻孔和水力压裂的卸压范围。均匀布置的树状钻孔子孔能够降低起裂压力，压裂后 会产生大量分布均匀的裂缝，消除了常规水力压裂单一主裂缝对顶、底板的不良影响。该方 法工艺简单，成本较低，增大了单个穿层钻孔的压裂范围，提高了穿层钻孔的利用率和压裂 效率，为煤矿井下安全生产提供保障。
[0024] 本发明具体还有以下优点：
[0025] 1、成孔系统将钻杆、导向器、钻头、高压软管、自进式钻头以及刻度盘进行合理组 合，能同时完成树状钻孔母孔钻进与导向器的带入，即通过钻头扩孔，钻进之后不需退钻安 装导向器，可直接进行煤层树状钻孔的钻进，节约了由于退钻、导向器单独送入所产生的时 间，并减轻工作量。
[0026] 2、导向器的结构设计紧凑合理，体积小，属超短半径径向水平井导向器，在导向轨 道上设有滚轮，能减小高压软管通过时的摩擦力，并诱导高压软管顺利通过导向器，使高压 软管和自进式钻头顺利完成90°转向，钻头能进行钻进破岩；
[0027] 3、导向器前端连接的钻头为空化钻头，导向器的导向轨道与前端连接的钻头的流 道连通，高压水通过流道后，能以较低水压力进行辅助的破岩，增加钻进效率。
[0028] 4、自进式钻头为一体化结构，设计相对简单，钻头尺寸小，钻孔尺寸大，不会形成 凸台，钻头不易钻偏，钻头寿命长，自进式钻头能将高压水分为四股射流，具有分级破岩的 功能，破岩效果好。
[0029] 5、通过刻度盘对导向器出口方向的调整，能够实现树状钻孔的均匀分布，更好的 提高煤层透气性。
[0030] 6、通过设置推进机构来有效配合自进式钻头的钻进，因为在自进式钻孔过程中， 仅靠钻头自进力难以钻出深长孔，所以通过推进机构对管道进行推进再结合自进式钻头的 自进力就能钻出中深孔，也能实现大角度仰孔的钻进。推进装置采用同步齿形带轮和异形 同步带配合，由压紧机构压紧，可以提供较大的，并且稳定的摩擦力，适合为高压树脂管类 管线提供推力，并能有效减少对管线的局部损伤。
[0031] 7、推进装置采用的压紧机构结构简单，