矿井下长距离压裂-注砂-测井一体化设备及方法

本发明涉及采矿工程，具体涉及矿井下长距离压裂-注砂-测井一体化设备及方法。

背景技术：

1、我国油气资源丰度较低，供需矛盾突出。从可持续发展战略考虑，开发利用煤层气既是资源综合利用并节约能源的重要措施之一，也是我国21世纪可靠的重要接替洁净能源之一。煤层气主要成分为甲烷，每单位燃烧后释放的co2比煤、石油少，且不产生灰烬，不释放毒素，是一种较清洁能源。同时，开采煤层气，除了提供经济价值外，还降低了煤层甲烷含量、煤层内气体压力，大幅度降低煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸事故发生的概率，有效保障煤矿安全高效生产。

2、然而，我国86％煤层都属于低透气性煤层，渗透率一般介于0.052～1.120md，煤层气开采较为困难，常采用水力压裂、co2相变致裂、氮气致裂等方式改造煤层，激活主裂缝两侧的层理与割理，形成相互贯穿的复杂裂缝网络体系，增加煤层内部空隙率，提升其渗透性。压裂还改变了煤层裂缝区域应力分布，打破煤层气的吸附解析平衡状态，使吸附气体变为游离态，易于煤层气抽采。压裂的关键是能否形成具有较高导流能力的裂缝。然而，在闭合应力作用下，裂缝易于闭合，因此在压裂施工过程中，为保证泵注停止和返排后裂缝处于张开状态，需要在压裂液中加入支撑剂支撑裂缝，维持裂缝的导流能力。

3、水力压裂后，部分压裂裂缝由于支撑剂参数、流体参数和地层参数的影响，压裂效果可能不理想，如何在压裂后对裂缝的抽采效率进行实时监测是一个重要的难题。同时，目前矿井瓦斯抽采逐渐趋向于采用定向长钻孔，实现定向长钻孔内的定点压裂、定点注砂和定点测井是重要技术难题。因此，亟需建立矿井下定向长钻孔压裂-注砂-测井一体化方法及设备。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供矿井下长距离压裂-注砂-测井一体化设备及方法，其能够适应矿井下工作环境，可在千米钻机施工的定向长钻孔内实现压裂-注砂-测井一体化，实现定点压裂-准确注砂-实时监测等功能，通过监测压裂段的瓦斯抽采数据，为压裂裂缝内形成最优的支撑剂分布方式提供指导，优化压裂参数设计，从而适用于矿井下压裂-注砂-测井的多种需求环境，保证裂缝长时有效导流能力，增加瓦斯有效抽采时间，提高瓦斯抽采效率。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供矿井下长距离压裂-注砂-测井一体化设备，包括压裂设备、支撑剂注入装置以及测井设备；

4、所述压裂设备包括分别连接水-支撑剂两相混合器的脉冲泵和高压泵，所述水-支撑剂两相混合器入口连通水箱和砂罐，所述砂罐内填充支撑剂；所述压裂设备能够向压裂-注砂-测井杆组内注入水-支撑剂两相混合液；所述支撑剂注入装置用于向水-支撑剂两相混合器内注入支撑剂形成水-支撑剂两相混合液；

5、所述压裂-注砂-测井杆组包括从右到左依次连接的压裂-抽采转换接头、高压管柱、第二近孔口封孔器、第一抽采杆、压裂杆、第二抽采杆、第一近孔底封孔器以及堵头；

6、所述压裂-抽采转换接头、高压管柱、第二近孔口封孔器、第一抽采杆、压裂杆、第二抽采杆、第一近孔底封孔器相互连通且均是由内套管和外套管组成的双层抗高压杆，内套管和外套管之间通过若干连接板连接固定；所述压裂-注砂-测井杆组中内套管的腔体形成气-水多相流通道，内套管与外套管之间腔体形成水-支撑剂运移通道，所述压裂-抽采转换接头上设有连通气-水多相流通道的注水高压球阀和抽采阀；

7、所述压裂杆上设有两排连通水-支撑剂运移通道的高压出水口，高压出水口通过定压球阀控制流体进出；所述第一抽采杆、第二抽采杆的内套管通过连接管连通外套管上开设的通孔，所述通孔上设有适配的定压球阀；所述第一近孔底封孔器、第二近孔口封孔器外壁开设有连通水-支撑剂运移通道的入水口并包裹有封孔胶囊；所述压裂-抽采转换接头的抽采阀上连接抽采管路；所述抽采管路上设有co监测仪、瓦斯流量监测仪、瓦斯浓度监测仪。

8、优选地，所述水-支撑剂两相混合器入口连通水箱和砂罐的出口，所述砂罐内填充支撑剂并在其出口设有加砂阀，所述脉冲泵和高压泵的出口分别接入主管路，所述主管路接入压裂-注砂-测井杆组入口并设有卸压阀、流量传感器、测控仪、压力传感器；所述脉冲泵的入口和出口分别设有脉冲泵入口阀和脉冲泵出口阀，所述高压泵的入口和出口分别设有高压泵入口阀和高压泵出口阀；所述流量传感器和压力传感器用于实时监测主管路的流体流量和压力并通过测控仪实时显示并记录；所述支撑剂注入装置用于向水-支撑剂两相混合器内注入支撑剂。

9、优选地，所述支撑剂注入装置包括通过输气管依次相连的气泵、气压变频控制器、气动旋转装置、砂罐，砂罐出口设有定量控制转轴和加砂阀，加砂阀出口连通水-支撑剂两相混合器；

10、所述气压变频控制器通过气压变频控制器测线与砂量控制仪连接，通过砂量控制仪调节输气量进而改变气动旋转装置的转速，从而改变定量控制转轴的输砂量；所述砂量控制仪的砂量测线接入砂罐内，实时监测砂罐内的砂量，当砂罐内的支撑剂不足时反馈信号，从而及时利用砂罐上的补砂口及时向砂罐内加砂。

11、优选地，所述砂罐并联有若干个，通过控制每个砂罐对应的加砂阀开关向水-支撑剂两相混合器内注入不同类型的支撑剂。

12、本发明还提供所述矿井下长距离压裂-注砂-测井一体化设备的使用方法，包括以下步骤：

13、s1、压裂工序；用钻机实施定向长钻孔并向钻孔中送入一个压裂-注砂-测井杆组，打开测控仪，打开注水高压球阀，关闭加砂阀，关闭抽采阀，通过脉冲泵向压裂-注砂-测井杆组内注入脉冲水，脉冲水进入封孔胶囊使其膨胀封闭定向长钻孔，同时脉冲水在经过压裂杆时打开定压球阀贯通高压出水口，使脉冲水进入到压裂测井区间内进行压裂；

14、s2、注砂工序；压裂完成后停止脉冲泵工作，再利用高压泵向压裂-注砂-测井杆组内注水，注水一段时间后，打开砂量控制仪，打开加砂阀，利用支撑剂注入装置向水-支撑剂两相混合器内注入支撑剂，使水-支撑剂两相混合液流入到压裂测井区间内，并进入压裂裂缝网络；当注入水-支撑剂两相混合液到设定时间后停止注入，利用高压泵注入高压水从而将管路内残留的水-支撑剂两相混合液输送到裂缝内；

15、s3、测井封孔工序；关闭注水高压球阀，闭加砂阀，利用高压泵将高压水注入中压裂-注砂-测井杆组，通过高压泵出口阀将压力调到低于高压出水口上定压球阀的压力，控制水排量；高压水进入到封孔胶囊使其膨胀，封闭定向长钻孔，在经过压裂杆时，水压力较低无法打开定压球阀，高压水仅达到封孔的目的；

16、s4、抽瓦斯工序；保持步骤s3的封闭定向长钻孔，打开抽采阀，接入抽采管路，通过抽采负压将压裂区域的瓦斯抽出，瓦斯气体进入到抽采管路，通过抽采管路布设的光纤co监测仪、瓦斯流量监测仪、瓦斯浓度监测仪实时记录该压裂段的瓦斯浓度、瓦斯流量数据，通过一段时间的数据分析该段压裂的效果；

17、s5、卸压撤杆工序；瓦斯抽取完毕后关闭抽采阀，停止瓦斯抽采；关闭高压泵，通过卸压阀对管路进行卸压，当压力较小或不再喷高压水时，再卸压3～5min，保证管路内的压力完全卸除；拆除压裂-抽采转换接头和指定数量的高压管柱，移动到下一压裂点位；

18、s6、重复步骤s1-s5步，实现定向长钻孔分段压裂-注砂-测井工艺，获取各个压裂点的数据并分析压裂效果。

19、s7、一个钻孔各段压裂-注砂-测井完毕后，拆除全部压裂-注砂-测井杆组32，接上抽采管路对该区域煤层进行瓦斯抽采，并实时记录该钻孔瓦斯数据。

20、s8、将整个设备移动到下一个钻孔，重复步骤s1～s7，实现该工作面或指定区域的卸压、测井、抽采作业。

21、本发明的有益效果在于：

22、1.本套系统设计了压裂、注砂和测井一体化的设备，给出了压裂、注砂和测井一体化的方法，实现矿井下定向长钻孔压裂-注砂-测井一体化工艺。

23、2.本套系统设计了压裂-抽采转换接头，通过压裂-抽采转换接头可实现压裂、注砂和测井三种工艺的转变。

24、3.本套系统给出了矿井下压裂-注砂-测井的接续方法及流程，便于压裂完成后直接对压裂段的效果进行监测。

25、4.本套系统设计的压裂-注砂-测井杆组均为用连接板的双层抗高压杆。

26、5.本套系统设计的压裂杆上设有两排高压出水口，高压出水口通过高压球阀控制流体进出；抽采杆的内外套管之间通过连接管相连。

27、6.本套系统通过砂量控制仪调节输气量，改变气动旋转装置的转速，从而改变定量控制转轴的输砂量；砂量控制仪实时监测砂罐内的砂量，当砂罐内的支撑剂不足时，反馈信号，通过砂罐上的补砂口及时向砂罐内加砂。砂罐可并联，通过控制加砂阀的开关，向裂缝内注入不同类型的支撑剂。