[发明专利]井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿安全控制方法，尤其涉及一种煤矿井下强化瓦斯抽采的高效水力压裂方法。

背景技术

“水力化”作为高效瓦斯抽采及瓦斯灾害治理技术近年来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，“水力化”技术具有广泛的应用前景。水力压裂具有卸压范围广、工艺操作简单等优点，大大减少了钻尺量，提高了效率。但随着煤层埋深的不断增加，地应力分布的复杂化，导致起裂压力不断增大，裂缝无序扩展，从而引起煤层顶底板原生裂隙贯通、形成次生裂隙，使顶底板破碎程度增大，支护难度加大。同时，高地应力加剧了压裂裂缝闭合，裂缝导流能力降低，现场试验表明实施水力压裂后，裂缝仅在1-2周内保持较高的导流能力，之后因裂缝的闭合恢复到原始水平。如何控制裂缝始终在煤层中扩展及强化裂缝导流能力尤为重要。

国内对于水力压裂的专利均专注于工艺及装置。如专利公开号为：CN101581231、名称为“穿层钻孔水力压裂疏松煤体瓦斯抽放方法”的专利，利用钻孔疏松煤体使裂缝始终在疏松煤体中扩展，但由于受钻孔直径的限制，只能疏松附近小范围内煤体，所以如果要保证方法的顺利实施，仍需较大钻孔工作量。专利公开号为：CN102071921A、名称为“井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺”的专利仅着重于水力压裂工艺，而没有考虑裂缝的扩展及闭合。专利公开号为：CN202023547U，专利“煤矿井下脉动水力压裂设备”的专利，采用脉动注水泵产生的脉动压力进行压裂，同样没有考虑裂缝的扩展及闭合。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供了一种控制压裂裂缝在煤层中扩展的方法，避免了裂缝的无序扩展对煤层顶底板造成次生灾害，同时该方法能够降低压裂区域内有效应力，减缓裂缝的闭合、强化裂缝的导流能力，继而达到有效治理瓦斯、高效抽采瓦斯的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种井下煤层水力压裂裂缝导向扩展的方法，包括如下步骤：（一）钻进压裂钻孔以及导向钻孔，压裂钻孔为一个，导向钻孔为环绕压裂钻孔周圈间隔设置，对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行径向的水射流割缝，水射流割缝通过高压水射流割缝装置实现，（二）对压裂钻孔以及每个导向钻孔均分别进行封孔，（三）对压裂钻孔进行水力压裂。

步骤（一）中，水射流割缝时：首先确定水射流割缝深度R_s：

上式中，R_s为水射流割缝深度（单位mm），C_f为水的动摩擦系数，d为高压水射流割缝装置的喷嘴直径（单位mm），为煤的抗压强度（单位MPa），P为高压水射流割缝装置的喷嘴出口压力（MPa），为阻尼系数，u为高压水射流割缝装置的钻杆旋转速度（r/s）；d₁为钻杆直径

根据水射流割缝深度计算塑性区半径R_p的大小：

式中，R_p为塑性区半径（单位m），P₀为原岩应力（单位MPa），c为内聚力（单位MPa），为内摩擦角（单位°）；

    确定压裂钻孔位置后，按照确定压裂钻孔与导向钻孔的间距，在压裂钻孔周边呈环形布置导向钻孔，D为压裂钻孔与导向钻孔的中心间距。

在步骤（二）中，通过封孔装置对压裂钻孔以及导向钻孔进行封孔，封孔装置包括木塞、注浆管和注水管，注浆管和注水管均穿插在木塞上，注浆管后端设有球形第二截止阀，注水管前端口周圈固定有棉纱，注水管前端口与一根筛管的后端口对接，筛管的管壁设置筛孔，筛管的前端口内设堵头，封孔时，将注水管前端的筛管送至钻孔孔底处，木塞固定在钻孔孔口处，注浆管的前端口位于木塞与棉纱之间，注浆管后端连接注浆泵，通过注浆泵将水泥浆注入钻孔内，直至水泥浆浆液从注水管返出，停止注浆，水泥浆凝固后，再进行步骤（三）。

导向钻孔内的封孔装置注水管后端设有第二压力表和开关阀，开关阀位于第二压力表后侧。

所述高压水射流割缝装置包括钻机、钻机上设置的钻杆、与钻杆后端连接的第一输水管路、连接在钻杆前端的钻头以及设置在钻杆与钻头之间的割缝器，割缝器设有径向的喷嘴，第一输水管路设有密封输液器，第一输水管路通过密封输液器连接钻杆后端。