一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法
【专利摘要】一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角的设计方法，根据已有煤层地质资料，确定采区煤层垂直地应力、最大水平地应力、最小水平地应力的大小和最大水平地应力的方向。若三种地应力中垂直地应力最大，则钻孔垂直巷帮施工；若垂直地应力小于最大水平地应力，则根据最大水平地应力与巷道夹角θ的大小确定钻孔与巷道的夹角α，最后由α和巷道方位角β确定钻孔的方位角。利用地应力来设计合理的水力压裂钻孔方位角，避免了水力压裂钻孔参数设计的盲目性，能够为水力压裂钻孔的方位角设计提供依据，所设计的钻孔布置有利于煤矿井下水力压裂钻孔之间裂隙发育、扩展，增大煤层透气性，扩大水力压裂钻孔影响范围，提高瓦斯抽采效果。
【专利说明】一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿井下区域瓦斯治理【技术领域】，具体涉及一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法。
【背景技术】
[0002]随着我国煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出危险的威胁越来越严重。解决煤层开采过程中的瓦斯问题的主要措施是预先实施煤层瓦斯抽采，而对于高瓦斯低透气性煤层，常规的钻孔瓦斯抽采方法有效影响范围小，抽采效果差，需要采取增透的方法。水力压裂技术是石油增产的主要措施，在煤矿井下的应用也取得了一定的效果。利用水力压裂技术可以对煤体进行卸压增透，增加钻孔影响范围，提高煤体透气性。
[0003]随着在煤矿井下的应用和推广，水力压裂技术各方面工艺逐渐得到完善。然而，作为提高钻孔抽采效果的措施，对于水力压裂钻孔的研究相对较少，水力压裂钻孔的设计参数如倾角、方位角、孔深等没有统一的规范，参数的选择存在一定的盲目性，尤其是钻孔方位角，大多选择垂直于巷帮施工，水力压裂卸压增透的效果受到限制。煤体实施水力压裂时，钻孔周围的裂隙在水压下发育、扩展，研究表明，水力压裂裂隙扩展延伸的方向与煤体所受地应力大小和方向有关，即裂隙总是沿着垂直与最小应力的方向扩展。而水力压裂时裂隙扩展的理想方向是钻孔与钻孔之间的方向裂隙发育扩展，进而沟通形成裂隙网，形成区域卸压增透。在充分考虑地应力的大小和方向前提下，通过选择合适的水力压裂钻孔方位角，使得水力压裂技术能够在预定范围和方向内卸压增透的效果达到最佳，提高瓦斯抽米效果。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种方法简单、易操作、能有效增强水力压裂卸压增透效果、提高瓦斯抽采效果的煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法。
[0005]技术方案:本发明的煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法，包括以下步骤:
[0006]a.根据煤层地质信息,确定钻孔所在煤层垂直地应力σ V、最大水平地应力σ Η、最小水平主应力σ h的大小，以及确定巷道方位角β及最大水平主应力σ J1的方位角Y ；
[0007]b.由巷道方位角β和最大主应力的方位角Y计算出最大水平主应力σΗ与巷道的夹角Θ = I β - Y I，当Θ >90°时，将Θ转化成锐角；
[0008]c.确定钻孔与巷道的夹角α ；
[0009]若垂直地应力σ V大于最大水平地应力σ J1时,则钻孔与巷道的夹角α = 90° ;
[0010]若垂直地应力σ V小于最大水平地应力O11时，
[0011]当最大水平主应力O11的方向与巷道的夹角Θ ^ 45°，钻孔(3)与巷道(4)的夹角α的范围为90° -Θ≤α≤90° + Θ，直接在巷帮施工钻孔；[0012]当45° < Θ≤90°时，钻孔(3)与巷道⑷的夹角α的范围为a ^ 90-Θ，布置钻场(5)，在钻场(5)内施工钻孔；
[0013]d.最终确定钻孔⑶方位角为α+β。
[0014]有益效果:本发明针对煤矿井下水力压裂技术应用时钻孔参数设计存在一定盲目性，尤其是钻孔方位角的选择，没有充分考虑煤层地应力的分布对水力压裂裂隙扩展延伸的影响，提出了一种可以有效增强水力压裂卸压增透效果、提供瓦斯抽采效果的煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法。利用地应力来设计合理的水力压裂钻孔方位角，避免了水力压裂钻孔参数设计的盲目性，提高水力压裂钻孔设计的科学性。通过本发明布置的水力压裂钻孔能够利用煤体地应力大小和方向对水力压裂裂隙扩展延伸的影响，促进裂隙在预定的方向和范围扩展，形成目标卸压增透区域。通过本发明的实施，可以扩大水力压裂卸压增透范围，增大煤体透气性，提高瓦斯抽采效果。其方法简单，实施效果好，具有广泛的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为水力压裂钻孔直接作用于巷帮施工钻时，方位角设计施工图(Θ < 45° )。
[0016]图2为水力压裂钻孔钻场内打钻时，方位角设计施工图(45° < Θ <90° )。
[0017]图中:1 一最大水平地应力σΗ，2—最小水平地应力σ h，3—水力压裂钻孔，4 一巷道，5一钻场。
【具体实施方式】:
[0018]下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述:
[0019]实施例1、如图1所示，以直接作用于巷帮施工钻孔为例。其煤矿井下水力压裂钻孔布置方法的步骤如下:
[0020]a.利用测试地应力方法测得水力压裂钻孔(3)所在工作面煤层垂直地应力σν、最大水平地应力σ J1(I)、最小水平主应力oh(2)大小；
[0021]b.结合煤层地质资料，由巷道方位角β和最大主应力的方位角Y计算出最大水平主应力σΗ(1)与巷道⑷的夹角Θ = I β-y I，当Θ >90°时，通过角之间的几何方法将Θ转化成锐角。例如夹角Θ =135°，则通过角之间的几何关系转化成锐角Θ =135° -90° =45°，再如Θ = 234°则通过角之间的几何关系转化成锐角Θ =234° -180° = 54° ;
[0022]c.若垂直地应力σ ν大于最大水平地应力σ H(l)，由于水力压裂钻孔周围裂隙的扩展延伸具有一定的随机性，钻孔垂直于巷帮时钻孔的有效封孔长度最长，所以选择钻孔垂直于巷道施工，即水力压裂钻孔(3)与巷道(4)夹角α为90° ;
[0023]若垂直地应力σν小于最大水平地应力σ H(l)，则根据夹角Θ的大小确定钻孔
(3)与巷道(4)的夹角α:当最大水平地应力与巷道(4)夹角Θ <45°，采用巷帮直接打钻方法，钻孔(3)与巷道(4)夹角α的可选范围为90-Θ≤α≤90+Θ ;
[0024]d.根据钻孔(3)与巷道⑷的夹角α与巷道⑷的方位角β，确定钻孔(3)方位角为α + β。
[0025]实施例2、如图2所示，以在钻场施工钻孔为例。其水力压裂钻孔方位角布置方法的步骤与实施例1基本相同，相同部份略。不同之处在于:
[0026]当最大水平地应力与巷道夹角45° < Θ ^90°时，钻孔(3)与巷道(4)夹角可选范围为ct ( 90- Θ。
[0027]实例I中钻孔(3)直接作用于巷帮(4)施工的优点在于不需要施工钻场，减少了工程量，缺点在于当钻孔(3)与巷道(4)夹角过小时，钻孔(3)封孔的有效长度不能得到保证，如果封孔长度不够，巷帮易漏水卸压。因此，当钻孔(3)与巷道(4)夹角过小时，宜选择在钻场(5)内 打钻施工。
【权利要求】
1.一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法，其特征在于包括以下步骤: a.根据煤层地质信息，确定钻孔(3)所在煤层垂直地应力σν、最大水平地应力σΗ(1)、最小水平主应力oh(2)的大小，以及确定巷道方位角β及最大水平主应力Oh(I)的方位角Y ; b.由巷道方位角β和最大主应力的方位角Y计算出最大水平主应力σΗ(1)与巷道(4)的夹角Θ = I |，当θ>90°时，将Θ转化成锐角； c.确定钻孔(3)与巷道⑷的夹角α； 若垂直地应力σ ν大于最大水平地应力σ Η(1)时，则钻孔(3)与巷道⑷的夹角α =90。； 若垂直地应力σ V小于最大水平地应力σΗ(1)时， 当最大水平主应力σΗ(1)的方向与巷道⑷的夹角Θ≤45°，钻孔(3)与巷道(4)的夹角α的范围为90° - Θ≤α≤90° + Θ，直接在巷帮施工钻孔； 当45° < Θ≤90°时，钻孔(3)与巷道(4)的夹角α的范围为a ^ 90-Θ，布置钻场(5)，在钻场(5)内施工钻孔； d.最终确定钻孔(3)方位角为α+β。
【文档编号】E21B7/08GK103982137SQ201410210972
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】翟成, 林柏泉, 李全贵, 许彦明, 倪冠华, 彭深, 杨威, 向贤伟, 余旭, 汤宗情, 武世亮 申请人:中国矿业大学