一种软煤逐级跃升水力压裂增渗装置及方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯抽采领域，涉及一种软煤逐级跃升水力压裂增渗装置及方法。

背景技术：

自20世纪90年代以来，水力压裂作为一种高效瓦斯抽采及瓦斯灾害治理技术得到了广泛的推广应用，尤其对于现在高地应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量的复杂赋存条件，水力压裂技术具有广泛的应用前景。现有的水力压裂技术大多采用高压脉冲或者低压水力对钻孔周围煤体进行压裂，这种方式在高强度硬煤层中能够取得较好的效果；但在软煤层中，大流量的高压水在进入裂隙，很大程度上破坏钻孔周围煤岩体，致使软煤层在次生裂隙没有完全充分发育的情况下就遭到高应力的破坏、甚至闭合，无法进一步地充分扩展和延伸，致使水力压裂效果不显著，甚至造成煤体压出或突出危险。针对软煤层若采用低压水力压裂，一方面影响范围小，不容易形成压差，无法实现动态平衡，不易损伤煤体扩展裂隙，另一方面，压裂施工时间较长，用水量较大，存在排水困难，增加瓦斯治理成本和难度。因此，针对软煤层，如何有效使煤岩体在裂隙充分发育的情况下得到逐步延伸，成为了现有水力压裂方法现场应用的技术瓶颈。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种软煤逐级跃升水力压裂增渗装置及方法，在保证煤岩体内裂隙充分发育的情况下进一步延伸，从而达到有效压裂煤岩体、强化瓦斯抽采、有效治理瓦斯灾害的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种软煤逐级跃升水力压裂增渗装置，包含封孔装置和水力压裂装置，

所述封孔装置包含，注浆泵，囊袋ⅰ和囊袋ⅱ，所述注浆泵通过注浆管连接至所述囊袋ⅰ，所述囊袋ⅰ上设置有爆破阀ⅰ，所述爆破阀ⅰ通过连接管连接至所述囊袋ⅱ，所述囊袋ⅱ上还设置有爆破阀ⅱ；

所述水力压裂装置包含依次经过水管连接的水箱，注水泵和高压水箱，所述注水泵用于将所述水箱中的水进行加压后打入所述高压水箱，所述高压水箱输出端连接有注水管，所述注水管设置在瓦斯抽采压裂钻孔内，并贯穿所述囊袋ⅰ和囊袋ⅱ，所述注水管与所述高压水箱之间设置有注水阀，所述注水管的末端设置有筛管。

进一步，所述连接管上还设置有单向阀，所述注浆管上还设置有注浆阀7。

进一步，所述水箱与注水泵之间设置有水流阀，所述注水泵出口设置有流量计，所述高压水箱上设置有压力表，所述高压水箱出口还设置有泄压阀，所述注水管上还设置有压力表。

一种软煤逐级跃升水力压裂增渗方法，包含如下步骤：

s1：根据现场煤岩体实测区域地质构造分布、煤体节理及孔裂隙发育情况将煤体强度由近及远进行分级，厘定煤层节理及孔裂隙发育情况、煤体强度，并布置瓦斯抽采压裂钻孔；

s2：使用封孔装置对瓦斯抽采压裂钻孔进行高效封孔；

s3：使用水力压裂装置对瓦斯抽采压裂钻孔进行逐级跃升式水力压裂。

进一步，所述步骤s1具体包含：

s11：基于透明空间地球物理理论建立空间数字模型，利用地质勘探技术及装备进行地质数据采集，精确掌握区域地质构造分布；

s12：结合现代高清ct扫描成像技术、核磁共振测试、傅立叶红外光谱分析、x射线衍射技术及有机溶剂萃取技术，综合分析煤体结构物理化学性质，厘定煤层节理及孔裂隙发育情况及煤体强度；

s13：生成动态瓦斯地质数字化信息图，输出最优科学瓦斯抽采压裂钻孔布置位置。

进一步，所述步骤s3具体为：

s31：水力压裂过程中的注水压力划分为多个强度等级；

s32：通过注水管向瓦斯抽采压裂钻孔内注水，根据注水管上压力表的读数将注水管压力控制在最小的强度等级，并保持一段时间，使得周围煤岩体中的裂隙在水压作用下充分发育；

s33：调节注水管水压，根据注水管上压力表的读数将注水管压力提升一个强度等级，继续向瓦斯抽采压裂钻孔内注水，并保持一段时间，使得周围煤岩体中的裂隙在水压作用下继续发育；

s34：根据煤层的孔裂隙的延伸情况，重复步骤s33，最终使得裂隙充分扩展。

本发明的有益效果在于：本发明在保证煤岩体内裂隙充分发育的情况下进一步延伸，从而达到有效压裂煤岩体、强化瓦斯抽采、有效治理瓦斯灾害的目的，并能够应用于各种地质条件下的井下巷道。

本发明成本较低，可操作性较强，通过精准化的数据指导钻孔布置位置，科学化指导现场钻孔数量，减少不必要的施工浪费，同时根据现场煤岩体实际强度，采用逐级跃升水力压裂方法，能够在保证煤岩体内裂隙在充分发育的情况下得到最大限度的延伸。既避免了高压水力压裂对软煤体破坏损伤，造成裂隙闭合；又避免了低压水力压裂的动力不足，压裂范围较小的缺陷，极大的提高了水力压裂在软煤层的增渗效果。对后续瓦斯高效抽采提供了强有力的技术支持，具有良好的经济和社会效益。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的瓦斯抽采钻孔逐级压裂示意图；

图2为本发明的封孔装置结构示意图；

图3为本发明的水力压裂装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的瓦斯抽采钻孔逐级压裂示意图，如图1所示，本发明包括如下步骤：

一、基于透明空间物理理论进行井下地质构造精准化识别与划分，准确掌握的地质构造分布。结合现代测试技术，厘定煤层节理及孔裂隙发育情况、煤体强度。在此基础上科学布置瓦斯抽采压裂钻孔1。

二、对瓦斯抽采压裂钻孔1进行高效封孔；

三、对瓦斯抽采压裂钻孔1进行逐级跃升水力压裂。

步骤一中，布置瓦斯抽采压裂钻孔1时：

首先基于透明空间地球物理理论建立空间数字模型，利用精细的地质勘探技术及装备(大功率无线电波透视、地震波反射探测技术和高精度地质雷达动态探测)进行地质数据采集，精确掌握区域地质构造分布；

然后，结合现代高清ct扫描成像技术、c13核磁共振(nmr)测试、傅立叶红外光谱(ftir)分析、x射线衍射(xrd)技术及有机溶剂萃取技术，综合分析煤体结构物理化学性质，厘定煤层节理及孔裂隙发育情况及煤体强度。智能生成动态瓦斯地质数字化信息图，经计算机大数据云计算，输出最优科学瓦斯抽采压裂钻孔1布置位置，根据现场煤岩体5强度，合理划分注水压力强度，指导现场钻孔施工。

步骤二中，通过封孔装置对瓦斯抽采压裂钻孔1进行高效封孔，图2为本发明的封孔装置结构示意图，如图2所示，封孔装置包括囊袋ⅰ11、囊袋ⅱ26、注浆管6和注水管9，其中囊袋ⅰ11与囊袋ⅱ26通过连接管24连接，连接管24上安装单向阀28，注水管9和注浆管6均穿插在囊袋ⅰ11上，注浆管6后端设有注浆阀7，注水管9前端连接筛管13，封孔时，将注水管9前端连接的筛管13送至瓦斯抽采压裂钻孔1孔底处，囊袋ⅰ11固定在瓦斯抽采压裂孔1孔口处，注水管9前端穿插在囊袋ⅱ26上，囊袋ⅱ26固定在瓦斯抽采压裂钻孔1底部，注浆泵22通过注浆管6将注浆液注入到囊袋ⅰ11内，囊袋ⅰ11内压力逐渐升高，并冲破爆破阀ⅰ25，随后注浆液从连接管24注入到囊袋ⅱ26内，随着注浆的持续进行，囊袋ⅱ26内压力逐渐升高，并冲破爆破阀ⅱ27，注浆液注入封孔段12内，直至注浆液从注水管9返回，停止注浆，待注浆液凝固后，再进行步骤三。

注水管9前端设有注水阀8，能及时调节水流大小，并在注水管9前端设有压力表10，实时监测瓦斯抽采压裂钻孔1内水压。

步骤三中，对瓦斯抽采压裂钻孔1进行水力压裂封孔时，将瓦斯抽采压裂钻孔1内封孔装置的注水管9连接水力压裂装置，最后通过瓦斯抽采压裂钻孔1向煤岩体5进行逐级跃升水力压裂。

水力压裂装置包括：供水箱21、注水泵18、高压水箱16，其中供水箱21通过水管ⅰ23连接注水泵18，并在水管ⅰ23上设置水流阀20，注水泵18通过水管ⅱ19连接高压水箱16，并在水管ⅱ19上安装流量计17，同时高压水箱16上安装有压力表15，高压水箱16通过注水管9向瓦斯抽采压裂钻孔1内注水，其中高压水箱16与注水管9连接处增设水箱泄压阀14，注水管9上安装注水阀8与压力表10，以确保操作方便。

逐级跃升水力压裂过程为：

首先根据现场煤岩体实测区域地质构造分布、煤体节理及孔裂隙发育情况将煤体强度由近及远进行分级。

强度一区为钻孔周围较小范围，采用较低一级的水压力压裂，并保持一定的压差△p(逐级跃升压力差较小不易损伤煤体)，持续一定的时间便于提供充足动力，避免压差损失，让钻孔周围煤体充分浸润，致使煤体破损，次生裂隙在一定时间内得到充分扩展。

随着煤体浸润范围扩大，煤体裂隙得到充分持续冲刷，水压力△p也逐渐损失，然后逐级提升水压力进入强度二区，形成新的能量势，并保持一定时间，使得煤体次生裂隙得到进一步扩展。

以此逐级跃升不断地扩大钻孔周围的塑性区逐级增大水力压裂增渗范围。既避免了高压水力压裂对软煤体破坏损伤，造成裂隙闭合；又避免了低压水力压裂的动力不足，压裂范围较小的缺陷，极大的提高了水力压裂在软煤层的增渗效果。

本实施例将强度区划分为三个来对本发明方法进行介绍：

首先根据现场煤岩体实测强度，将水力压裂过程中的注水压力划分为强度一、强度二和强度三，在通过注水管9向瓦斯抽采压裂钻孔1内注水时，控制水力压力表10的读数为强度一，并保持一段时间，使得周围煤岩体中的裂隙在水压作用下充分发育，将此阶段裂隙延伸区域命名为第一压裂区2；调节水压，控制水力压力表10的读数为强度二，并保持一段时间，使得充分发育的裂隙在水压作用下再次延伸发育，将此阶段裂隙延伸区域命名为第二压裂区3；再次调节水压，控制水力压力表10的读数为强度三，并保持一段时间，使得充分发育的裂隙在度水压作用下进一步地延伸发育，将此阶段裂隙延伸区域命名为第三压裂区4，使得煤体孔裂隙得到充分扩展、并逐级延伸。

本发明的工作原理如下：工程现场瓦斯抽采施工的过程是，先依靠经验确定瓦斯抽采钻孔位置，然后在指定位置打瓦斯抽采钻孔，利用封孔装置进行封孔注浆，待注浆液凝固后，利用水力压裂装置对瓦斯抽采钻孔进行水力压裂，最后进行瓦斯抽采工作。一种软煤逐级跃升水力压裂增渗方法采用精细的地质勘探技术及装备进行地质数据的采集，建立动态瓦斯地质数字化信息图，经计算机大数据云计算，输出最优瓦斯抽采压裂钻孔布置位置，指导现场钻孔施工，在水力压裂过程中采用逐级跃升压裂增渗方法进行瓦斯抽采钻孔压裂，可以有效解决现场瓦斯抽采难题。

本发明所采用的逐级跃升压裂增渗方法原理如下：首先，通过较低的压力水让瓦斯抽采压裂钻孔1周围的次生裂隙在一定时间内充分扩展；其次，逐步升高的水压力在一定时间内充分扩展、贯通煤岩体中的次生裂隙，使得瓦斯抽采压裂钻孔1周围的次生裂隙进一步扩展；最后，在裂隙不断扩展、延伸的过程中，不断地扩大瓦斯抽采压裂钻孔1周围的塑性区，降低了煤岩体5的有效应力，减缓裂隙的闭合，使得裂隙能够持续提供瓦斯运移通道，同时压力水不断地侵蚀煤岩体5，使得大量吸附状态的瓦斯被解析为游离状态的瓦斯，从而实现了高效瓦斯抽采的目的。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。