本发明涉及一种在井下通过压裂工艺将高压压裂液体和支撑剂压入煤层，增强煤层透气性，提高瓦斯抽放效果的方法。
背景技术：
长期以来，煤矿瓦斯灾害一直是制约煤炭企业安全、高效生产的重要因素。因瓦斯事故死亡的人数占煤矿死亡总人数的70％以上，且重大、特大事故多与瓦斯有关。目前随着我国煤矿逐渐向深部开采，矿井瓦斯压力、瓦斯含量不断增大，高瓦斯矿井和突出矿井所占比例不断增加。以目前的技术来看，瓦斯治理最有效的方法是先抽后采，然而，低透气性煤层严重制约了瓦斯抽采效果，影响着煤矿安全生产。因此，对低透气性煤层实施水砂压裂施工技术研究，进行本煤层压裂增透，形成新的抽采工艺，提高煤层瓦斯抽采效果意义重大。
技术实现要素：
本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种可使气体空腔断面相互沟通达到导流目的、提高煤层的透气性和抽采效果的低透气性煤层井下水砂压裂瓦斯抽采方法。
本发明方法是：
（1）钻孔布孔方式及施工：从底板岩石预抽巷向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔，进行水砂压裂后再进行打钻抽放；底板岩石预抽巷（岩巷）段封孔效果好于煤巷段；
（2）封孔：若施工最高工作压力在35MPa以下，采用胶囊封孔的方式进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1 m；若穿层钻孔的岩石段大于20 m且施工压力超过35MPa，则采用水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20 m；
（3）前置液注入：启动压裂泵后，将前置液注入施工煤层，液体注入量远超其在煤层中的泄漏量，故而缓慢升压，当压裂泵排出的液体泵注压力达到煤储层地质破裂压力后,迫使煤层被撑开形成裂缝，继续泵注压裂液，可以扩大裂隙直至达到理想的裂缝深度和宽度范围；前置液注入量一般为80-100m3；
所述前置液是清水或活性水压裂液，活性水压裂液按质量百分比计的配比为：活性剂0.04-0.07%，增稠剂0.04-0.07%， KCl 0.3-0.7%，其余为清水；
（4）携砂液注入：待煤层裂缝形成并达到要求、液体压力平稳后开始注入初始携砂液；初始携砂液中石英砂所占重量比为3%-5%；石英砂采用粒径为0.15-0.30 mm石英砂；当出现施工压力快速上升时应暂时停止注入初始携砂液；
（5）再次注入前置液和携砂液：继续注入前置液再次进行煤层压力补偿以扩撑裂缝，待液体施工压力下降至10Mp并保持稳定时，注入二次携砂液；二次携砂液所用石英砂是粒径为0.45-0.9mm的中粒石英砂，二次携砂液中石英砂所占重量比为8-11%；若施工压力出现快速上升时停止注入二次携砂液；
（5）顶替液注入：携砂液加注完后接着继续注入顶替液，注入压力为15-18MPa，注入液量为2-3m3；以便使设备管道和压裂孔内残留的砂粒进入到压开的煤体裂缝中，不至于堵孔影响后期的抽采效果；顶替液注入后，压裂作业完成；
（6）洗孔：关闭井口等到煤层压力缓慢释放后，用1-2MPa的高压水利用压裂孔进行洗孔作业；待只有少量煤粒或砂粒排出时停止洗孔；一般洗孔时间为5-8 分钟；
（7）排水：因在底板预抽巷所施工的压裂钻孔均为仰角孔，高压水可自煤孔中自由流出，需做好压裂孔所在区域的排水工作，必要时通过施工专用排水渠进行排水；
（8）封孔联管抽采：若压裂时采用胶囊封孔，则需取出胶囊后按已有抽采钻孔封孔方式进行封孔，确保封孔合格之后接入抽采管路进行抽采；在孔口抽采管上留有相应的接口，可进行抽采浓度、流量等参数的测试；如果为水泥砂浆封孔，则通过变径接头接入已有抽采管路进行抽采。
是压裂施工限压35 Mpa，压裂泵注液过程中不能无故停泵。在加砂过程中如果出现携砂液压力波动过大，需调整注入携砂液中石英砂所占重量比，使砂的重量比降低或用清水反排；若压裂过程中压裂泵排出压力持续高压，携砂液注入量却很小，则降低砂比，在压裂泵最高允许压力下，反复多次憋压；若压裂泵排出压力依然高压而压裂泵排出液体量很小，则考虑停泵检查管路是否堵塞，如堵塞则疏通管路重新压裂，否则，进行联管抽采。
在压裂过程中一旦发现瓦斯浓度超限，则立即停止作业，相关工作人员撤职安全地点。每隔一段时间（5分钟）周期性取样监测携砂液的含砂浓度，以便及时分析判断出现压力波动或持续高压的原因。
本发明将高压压裂液体和支撑剂压入煤层，克服最小主应力、超过煤岩的破裂压力和闭合压力，使得煤层中原有的弱面张开，造成裂隙并延伸，使气体空腔断面相互沟通达到导流的目的，提高了煤层的透气性和抽采效果，最大限度消除瓦斯灾害。
具体实施方式
一、压裂前准备
1、压裂设备的安装、调试及材料准备；水砂压裂装备由设备列车组成，分别有泵撬、混砂撬、电机撬、配电撬、移变撬、工具撬、水箱撬和装砂撬等若干个设备列车。水砂压裂装备安装在井下的进风巷道中，距压裂地点不少于200 m，且安装位置的巷道要有足够的空间和安全通道，巷道尽可能平缓。
在压裂施工前必须进行设备运转情况检查。关闭孔口管路阀门，对所有的施工管线进行最高限压试验。在最高限压下，压力稳定至少达到工艺设定要求的时间，系统设备没有渗漏，就说明设备和注入系统合格，可以进行施工，否则必须进行紧固或更换相关部件。施工前备足压裂所需的压裂液、支撑剂及设备操作工具。
2、压裂前观测及参数测试；为考察压裂效果，在压裂前可根据压裂地点不同，选择性测试百米钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数、K1值、钻屑量、a、b值试、△p、f值等相关参数。认真观测压裂孔左右100 m巷道的形貌，尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带。同时，认真观测顶底板支护情况，严禁在空顶区进行压裂。
3、钻孔布孔方式及施工；根据压裂地点不同及治理瓦斯区域不同采用不同的压裂布孔方式，因岩巷段封孔效果要好于煤巷段，使用底板岩石预抽巷（岩巷）向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔进行水砂压裂后再进行打钻抽放。
4、封孔；用胶囊封孔器或水泥砂浆进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1 m。施工项目设计最高工作压力在35MPa以下的作业暂定采用胶囊封孔的方式。当穿层钻孔若岩石段大于20 m，且施工压力超过35MPa的施工作业，则采用水泥砂浆封孔；在岩孔中钻孔进行水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20 m。
二、压裂实施
1、压裂液的选取；压裂液的主要作用就是将压裂设备所形成的高压液体能量传递到煤储层中去，在煤储层中造成新的裂缝，撑开或扩大原有裂缝，然后把支撑剂加入到裂缝中去，当压力撤消后支撑剂保证了裂缝不会闭合。在压裂过程中，压裂液压入煤层的程序分别为前置液、携砂液、顶替液。
压裂液选择的基本原则有：
（1）与水源及煤储层的配伍性良好；
（2）滤失低、压裂液效率高，能造长缝；
（3）携砂能力强；
（4）摩阻低、稳定性良好；
（5）残渣低，容易返排；
（6）货源广，价格低。
通过对活性水压裂液、冻胶压裂液和清洁压裂液对比，得出不同压裂液的适应性;经综合考虑，选用活性水作为压裂液，其优点是配液简单、对煤层伤害低、成本低等。
2、支撑剂的选取；水力压裂的目的在于将汇集于井筒的径向流变成与井筒相连通的导流裂缝中的线性流，裂缝中的导流能力必须远远大于地层中的导流能力，要获得高渗透率的裂缝，必须加入支撑剂，支撑剂的作用在于支撑裂缝的两壁，以便在压裂施工结束后，井底压力下降到小于煤层裂缝闭合压力，压裂作业造成的通向井眼的导流裂缝依然保持张开。裂缝的导流能力至少要大到能消除井下的大多数径向流并允许线性流从储层进入到裂缝中，为达到这一目的，必须使支撑裂缝内的渗透率比储层渗透率大几个数量级。所用的支撑剂大致可分为三大类：天然石英砂、人造陶粒和树脂包层处理支撑剂。
（1）石英砂；石英砂是一种分布广、硬度大的天然的稳定性矿物，其主要化学成分为二氧化硅，主要产于沙漠、河滩或沿海地带，矿物组分以石英为主，石英含量一般在80％左右，国外优质石英砂中石英含量可达98％以上。石英砂颗粒相对密度约在2.65左右，体积密度约在1.75 g/cm3。对于低闭合压力的储层，使用石英砂作为压裂用支撑剂已取得了一定的增产效果。石英砂的相对密度较低，便于施工泵送，且价格便宜，因而在浅井中至今仍被大量使用。
（2）陶粒；用电解或烧制均可制得，具有抗压强度大，主要用于闭合压力在34-59 MPa内的压裂施工作业，能保证在高闭合压力下具有较高的导流能力。但相对密度也较大，对压裂液的性能(如粘度、流变性等)及泵送条件(如排量，设备功率等)都有更高的要求，另外陶粒的生产成本比较高。这两种因素引起陶粒的压裂施工成本昂贵，限制了它的广泛使用。
（3）树脂包层砂；针对天然石英砂抗压强度低、导流能力差而研制的支撑剂，采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面上，并经热固处理制成。一般它的颗粒密度为2.55 g/cm3，比石英砂略轻。由于在砂子表面包裹了一层高强度树脂，使闭合压力分布在较大的树脂层的面积上，减少了点负荷，无树脂膜的颗粒其受力面积直径是颗粒直径的10%或更小，而有树脂膜的颗粒其受力面积直径接近颗粒直径的40%；用电子显微镜观测发现，可变形支撑剂的接触面积比易碎裂支撑剂的接触面积增大16倍。这样即使压碎了包层内的砂子，外边的树脂层仍可以将碎块、微粒包裹在一起，防止它们运移或堵塞支撑剂带的孔隙，使裂缝保持有较高导流能力。
树脂包层砂的特点：提高了砂粒的抗破碎能力，而且砂粒键合在一起，不仅形成了一条有渗透能力的过滤层，而且还防止了支撑剂吐出，减少了支撑剂嵌入地层的现象。由于每粒砂粒均有一层坚韧的树脂外壳，因此，若在一定的闭合应力下，砂粒被压碎，所产生的碎屑、细粉砂却包覆在树脂壳内，从而防止了碎屑、细粉砂的运移。因而即使在砂粒被压碎的情况下，该支撑剂仍有一定的导流能力。
具体使用何种支撑剂要根据施工项目的煤层结构、条件、等因素经综合考虑进行施工设计，推荐选择使用石英砂（粒径分别有细粒、中粒和粗粒）作为支撑剂材料，其优点是性能适中、价格便宜和货源广等。
3、前置液注入；启动压裂泵后，将配置的活性水压裂液注入施工目标煤层，液体压力缓慢升压，，当泵注压力达到破裂压力形成裂缝后，继续泵注，液体压力保持高压或出现若干次峰值，直至泵注量达到设计要求用量，约80-100m3，泵压会稍有降低并保持稳定；活性水压裂液按质量百分比计的配比为：活性剂0.04-0.07%，增稠剂0.04-0.07%， KCl 0.3-0.7%，其余为清水。活性剂可选用低泡表面活性剂，增稠剂可选用水性增稠剂。
4、携砂液注入；注入前置液后期，地层裂缝形成后，开始注入携砂液，加入粒径为0.15-0.30 mm石英砂，砂比为3%~5%。如果施工压力快速上升，既停止细粒石英砂加砂，继续注入活性水压裂液，待施工压力下降至10Mp并保持稳定时，重新开始加砂。此时的石英砂粒径应为0.45-0.9mm的中粒石英砂，平均砂比为10%左右为宜。在注入携砂液后期，若施工压力快速上升，需进行停止加砂或冲洗。
5、顶替液注入；冲洗完毕后，开始注入顶替液，注入压力初步定为15-18MPa，以便使孔内残留的砂粒进入到压开的煤体裂缝中，不至于堵孔影响后期的抽采效果。注入液量为2-3m3。
6、洗孔；顶替液注入后，关闭井口，等到煤层压力缓慢卸释放后，用1~2MPa的高压水利用压裂孔进行洗孔作业。待只有少量煤粒或砂粒排出时停止洗孔，一般洗孔时间为5-8 min。
7、排水；因在底板预抽巷所施工的压裂钻孔均为仰角孔，高压水可自煤孔中自由流出，需做好压裂孔所在区域的排水工作，必要时可施工专用排水渠进行排水。
8、数据录入；对压裂过程中的每一阶段，严格记录压裂泵排出压力、流量、液量、砂量、砂比、时间等数据，并填写在专门的记录表格内。
9、异常处理：
（1）压裂施工限压35 Mpa，压裂泵注液过程中不许无故停泵；
（2）如果出现压裂泵排出压力波动，则调整注入砂比，使砂比降低或用清水反排；
（3）若压裂过程中压裂泵排出压力持续高压，压裂液注入量很小，则降低砂比，在最高允许压力下，反复多次憋压。若压裂泵排出压力依然高压而注入量很小，则考虑停泵检查管路是否堵塞，如堵塞则疏通管路重新压裂，否则，进行联管抽采；
（4）在压裂过程中一旦发现瓦斯浓度超限，则立即停泵，相关试验人员撤职安全地点；
（5）要周期性取样（每隔５分钟）监测压裂液的含砂浓度，以便及时分析出现压力波动、持续高压等情况的原因。
三、压裂结束
1、压裂后观测及参数测试；压裂之后测试与压裂前相对应的瓦斯参数，同时，观测压裂后压裂孔左右100 m巷道的形貌，尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带，观测煤壁是否有出水、巷道变形等情况。并与压裂前对比，初步确定压裂效果及压裂半径。如果需考察压裂半径，则在压裂范围区域内施工钻孔进行测试，比较压裂前的瓦斯参数，从而较为准确的确定压裂半径。
2、封孔联管抽采；压裂时若为胶囊封孔则需取出胶囊后按已有抽采钻孔封孔方式进行封孔，确保封孔合格，之后接入抽采管路进行抽采。同时，在孔口抽采管上留有相应的接口可进行抽采浓度、流量等参数的测试；如果为水泥砂浆封孔，则通过变径接头接入已有抽采管路进行抽采。
3、抽采参数测试；详细记录压裂钻孔联管抽采之后的瓦斯浓度、抽采负压、抽采流量等相关抽采参数，对比相近区域未压裂钻孔的抽采情况，考察抽采效果。通过考察不同压裂钻孔的抽采情况，最终实现压裂参数与抽采效果的定性及定量化表达，为日后的压裂提供指导。