CN115559771B - 井场集中供液与分布式压裂区域超前瓦斯治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，属于煤矿瓦斯抽采技术领域。本发明在地面设置集中压裂井场，通过施工地面井与煤矿井下采区集中井场贯通，在煤矿井下采区上下山特定钻场沿煤层或顶底板的走向或倾向施工区域超前定向长钻孔并进行全段或分段封孔，采用压裂管路将地面集中压裂井场经煤矿井下采区集中井场与区域超前定向长钻孔进行连接，利用地面集中井场的压裂装备对区域超前定向长钻孔实施分布式全段或分段压裂，最后对区域超前定向长钻孔进行联网抽采。本发明可以有效解决煤矿井下压裂装备受作业巷道尺寸限制无法进行区域超前煤层压裂的问题，进而实现煤矿井下区域超前煤层瓦斯高效抽采。

Description

井场集中供液与分布式压裂区域超前瓦斯治理方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法。

背景技术

据统计，我国50%以上的矿井属于高瓦斯或突出矿井，具有煤层瓦斯含量高、瓦斯涌出量大等特性，而矿井瓦斯大量涌出会严重影响煤矿安全生产，因此《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》明确指出高瓦斯或突出矿井必须进行瓦斯抽采，同时《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出细则》也规定了突出矿井的防突工作必须坚持区域措施先行的原则。预抽煤层瓦斯区域防突措施可采用的方式主要包括地面井预抽和井下钻孔预抽，其中地面井预抽存在地面征地拆迁困难、钻井难度大、施工和维护成本高等缺陷，仅在沁水盆地、鄂尔多斯盆地等少数矿区得到应用。在井下钻孔预抽的区域防突措施中，近年来定向长钻孔逐渐得到推广，但鉴于我国高瓦斯或突出矿井煤层松软、低透等赋存特点，单一的定向长钻孔抽采半径小、效率低，很难短时间实现煤层瓦斯抽采达标。水力压裂作为一种煤层瓦斯抽采的增透措施，已经成功研制出了井下小型压裂设备并取得了一定的效果，但利用井下小型压裂设备通过定向长钻孔对煤层或顶底板进行压裂时，受井下巷道条件的限制导致压裂设备排量小（一般小于1m3/min）、加砂难度大、挪动困难，无法达到地面压裂装备能力。因此，有必要将地面压裂设备和井下定向长钻孔相结合，实现区域超前瓦斯治理的效果。

现有技术中公开了一种煤矿井下瓦斯钻孔压裂方法（专利号ZL2010102521787），采用地面压裂设备通过巷道上方施工的地面钻井对巷道两帮的顺煤层长钻孔进行压裂，对于井下区域超前瓦斯治理来说，这种方法需要根据不同的巷道位置布置多个地面井场，这个缺陷限制了这种方法的应用。现有技术中还公开了一种地面辅助井下长钻孔瓦斯强化抽采方法（专利号CN2018105437516），采用地面压裂设备通过抽采工作面中间巷道区域布置的输送孔对该工作面的瓦斯抽放孔进行压裂，这种方法实现了一个工作面的区域瓦斯治理，但仍无法解决井下区域超前瓦斯治理的问题。现有技术中还公开了一种碎软低渗煤层井上下联合压裂区域瓦斯高效抽采方法（专利号CN2020103806585），利用地面压裂装备通过与采区大巷或作业巷道贯通的透巷井对能覆盖一个采区多个工作面的定向长钻孔沿煤层顶板或底板进行压裂，这种方法适用于对井下碎软低渗煤层进行改造，但仍无法从技术层面完全解决能覆盖一个采区所有工作面的区域超前瓦斯治理问题。

因此，针对目前煤矿井下压裂装备受巷道尺寸限制无法进行区域超前煤层压裂的技术难题，提出一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，实现煤矿井下区域超前煤层瓦斯高效抽采，对于保障煤矿安全生产具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1. 一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，所述方法具体如下：在地面设置集中压裂井场1，在集中压裂井场1与煤矿井下采区的集中井场3之间通过施工形成地面井2，在煤矿井下的采区上下山特定钻场6设置区域超前定向长钻孔7，对所述区域超前定向长钻孔7进行全段或分段封孔，采用压裂管路4将地面的集中压裂井场1、煤矿井下采区的集中井场3和区域超前定向长钻孔7进行依次连接，利用地面的集中压裂井场1的压裂装备5对区域超前定向长钻孔7实施分布式全段或分段压裂，最后对区域超前定向长钻孔进行联网抽采。

优选的，在矿井范围内同一水平的一个采区设置一组地面的集中压裂井场1和煤矿井下采区的集中井场3。

优选的，所述压裂装备5的施工排量大于区域超前定向长钻孔7压裂后煤岩储层吸液能力且不小于800L/min，所述区域超前定向长钻孔起裂压力不小于30MPa。

优选的，所述区域超前定向长钻孔7在松软的煤质中沿煤层顶板13或煤层底板14布置并实施一次性压裂，在中硬以上的煤质中顺着煤层布置并实施分段压裂。

优选的，所述区域超前定向长钻孔7包括开口设置在采区上下山特定钻场6处的区域超前定向长钻孔Ⅰ7-1、采区边缘已掘进的煤层巷道8处的区域超前定向长钻孔Ⅱ 7-2、采区中部已掘进的煤层顶板或底板处的巷道9处的区域超前定向长钻孔Ⅲ 7-3中的任意一种或几种。

优选的，所述区域超前定向长钻孔Ⅰ 7-1沿煤层、煤层顶板13或煤层底板14中的任一方向施工覆盖一个回采工作面。

优选的，所述区域超前定向长钻孔Ⅱ 7-2沿煤层、煤层顶板13或煤层底板14中的任一方向倾向施工覆盖一个采区一侧多个回采工作面。

优选的，所述区域超前定向长钻孔Ⅲ 7-3沿煤层、煤层顶板13或煤层底板14中的任一方向倾向施工覆盖一个采区两侧多个回采工作面。

优选的，所述煤矿井下采区的集中井场3在距离区域超前定向长钻孔7的开口位置汇总距离最短的采区上下山10的联络巷11位置。

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，具有以下优点：（1）本发明在同一水平的一个采区布置一组地面的集中压裂井场和煤矿井下的采区集中井场，能够大幅减小地面和井下建设成本、钻井成本和实施水力压裂施工成本；（2）本发明采用地面集中井场压裂装备进行井下定向长钻孔施工，能够大幅提高压裂装备的施工排量，确保钻孔内起裂压力，同时可降低压裂装备成本、增加煤层瓦斯抽采效果；（3）本方法根据煤层坚固性系数不同，沿煤层、煤层顶板或煤层底板布置区域超前定向长钻孔实施不同工艺压裂施工，能够大幅提高定向长钻孔长度、降低了压裂施工难度，增加煤层瓦斯抽采效果；（4）本发明在一个采区不同区域施工覆盖一个或多个回采工作面的定向长钻孔并实施分布式压裂，实现一个采区的区域超前瓦斯高效抽采，能够大幅提高压裂施工效率，缩短压裂施工时间，减少瓦斯抽采成本；（5）本发明将煤矿井下采区集中井场的井位设置在采区上下山联络巷位置，能够大幅缩短压裂作业时高压管路长度、减少压裂施工成本、降低压裂作业安全风险。因此本发明的方法是煤矿瓦斯抽采技术领域的重要突破，可以有效解决煤矿井下压裂装备受巷道尺寸限制无法进行区域超前煤层压裂的问题，进而实现煤矿井下区域超前煤层瓦斯高效抽采，确保煤矿采掘抽平衡和矿井安全生产。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法的煤矿区域布置示意图；

图2为图1的A-A’剖面图；

图3为图1的B-B’剖面图；

图4为图1的C-C’剖面图；

其中，1为集中压裂井场、2为地面井、3为煤矿井下采区的集中井场、4为压裂管路、5为压裂装备、6为采区上下山特定钻场、7为区域超前定向长钻孔、7-1为区域超前定向长钻孔Ⅰ、7-2为区域超前定向长钻孔Ⅱ、7-3为区域超前定向长钻孔Ⅲ、8为采区边缘已掘进的煤层巷道、9为采区中部已掘进的煤层顶板或底板处的巷道、10为采区上下山、11为联络巷、12为煤层、13为煤层顶板、14为煤层底板。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，该方法中对煤矿区域的布置示意图如图1所示，具体的方法如下：

在矿井井田范围内的地面选择合适的地点设置集中压裂井场1，在集中压裂井场1与煤矿井下采区的集中井场3之间通过施工形成地面井2，在煤矿井下的采区上下山特定钻场6（其中特定钻场指尽量选择在使得定向长钻孔容易施工和综合距离最短的位置）设置区域超前定向长钻孔7（其中区域超前定向长钻孔7根据开口设置的位置包括开口设置在采区上下山特定钻场6处的区域超前定向长钻孔Ⅰ 7-1、采区边缘已掘进的煤层巷道8处的区域超前定向长钻孔Ⅱ 7-2、采区中部已掘进的煤层顶板或底板处的巷道9处的区域超前定向长钻孔Ⅲ 7-3中的任意一种或几种），并对区域超前定向长钻孔进行全段或分段封孔，采用压裂管路4将地面的集中压裂井场1、煤矿井下采区的集中井场3、区域超前定向长钻孔7进行依次连接，利用地面压裂井场1的压裂装备5对区域超前定向长钻孔7实施分布式全段或分段压裂，最后采用煤矿井下瓦斯抽采管网对区域超前定向长钻孔7进行联网抽采。

地面的集中压裂井场1和煤矿井下采区的集中井场3的数量根据矿井范围分水平、分采区进行布置，在同一水平的一个采区布置一组地面的集中压裂井场（1）和煤矿井下采区的集中井场（3），实现同一水平的一个采区区域超前瓦斯治理，能够大幅减小地面和井下建设成本、钻井成本和实施水力压裂施工成本。

设置地面的集中压裂井场1中的压裂装备5的施工排量大于区域超前定向长钻孔7压裂后煤岩储层吸液能力，使得施工排量可以满足最远距离处的区域超前定向长钻孔7的压裂需求，同时考虑目前国内压裂装备5的能力，因此要求一般不小于800L/min。地面的集中压裂井场1处的压裂装备5的井口压力根据地面集中压裂井场1经煤矿井下采区的集中井场3到区域超前定向长钻孔7的沿程阻力进行计算，计算参数除考虑沿程阻力外，还应减除压裂管路4经过地面井2产生的液体重力影响。因此考虑目前国内压裂装备5的能力要求，保证最远距离处区域超前定向长钻孔的钻孔内起裂压力不小于30MPa。

区域超前定向长钻孔7根据煤层赋存情况进行布置，具体如下：当煤层较软时，沿煤层顶板13或煤层底板14布置区域超前定向长钻孔7，并对其实施一次性压裂，可以保证定向长钻孔的施工深度、降低施工难度，同时沿煤层顶板13或煤层底板14压裂后与煤层12形成贯通裂隙，最终有效提高煤层瓦斯抽采效果；当煤层较硬时，沿煤层12中部布置区域超前定向长钻孔并实施分段压裂，沿煤层12压裂后在煤层12中分段形成贯通裂隙，直接降低钻孔施工成本，提高煤层瓦斯抽采效果。

区域超前定向长钻孔Ⅰ7-1的开口布置在采区上下山特定钻场6，沿煤层12施工覆盖一个回采工作面并实施分布式压裂，区域超前定向长钻孔Ⅰ7-1交替压裂完成后对所有区域超前定向长钻孔进行联网抽采，降低压裂施工成本，实现一个回采工作面沿走向方向的瓦斯高效抽采（示意图如图2所示，即为图1中的A-A’剖面图）。

区域超前定向长钻孔Ⅱ7-2的开口布置在采区边缘已掘进的煤层巷道8，沿煤层12的顶板13倾向施工覆盖一个采区一侧多个回采工作面并实施分布式压裂，区域超前定向长钻孔Ⅱ7-2交替压裂完成后对所有区域定向超前钻孔进行联网抽采，降低压裂施工成本，实现一个采区一侧多个回采工作面沿倾向方向的瓦斯高效抽采（示意图如图3所示，即为图1中的B-B’剖面图）。

区域超前定向长钻孔Ⅲ 7-3的开口布置在采区中部已掘进的煤层顶板或底板处的巷道9，沿煤层12倾向施工覆盖一个采区两侧多个回采工作面并实施分布式压裂，区域超前定向长钻孔Ⅲ 7-3交替压裂完成后对所有区域定向超前钻孔进行联网抽采，降低压裂施工成本，实现一个采区两侧多个回采工作面沿倾向方向的瓦斯高效抽采（示意图如图4所示，即为图1中的C-C’剖面图）。

煤矿井下采区的集中井场3的井位根据采区区域超前定向长钻孔7的布置进行确定，设置在距离区域超前定向长钻孔7的开口位置汇总距离最短的采区上下山10之间的联络巷11位置，有效缩短煤矿井下采区的集中井场3与区域超前定向长钻孔7的压裂管路距离，降低管路敷设成本，减少地面的集中压裂井场中的压裂装备5的管路压力损失，确保区域超前定向长钻孔的压裂效果，有效提高一个采区多个回采工作面的区域超前煤层瓦斯治理效果。

综上所述，本发明公开了一种地面井场集中供液与井下分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，可以有效解决煤矿井下压裂装备受巷道尺寸限制无法进行区域超前煤层压裂的问题，同时减小地面和井下建设成本、钻井成本、实施水力压裂施工成本，提高压裂装备的施工排量、确保钻孔内起裂压力、降低压裂装备成本，提高定向长钻孔长度、降低压裂施工难度，提高压裂施工效率、缩短压裂施工时间、减少瓦斯抽采成本，缩短压裂作业时高压管路长度、减少压裂施工成本、降低压裂作业安全风险，最终实现煤矿井下区域超前煤层瓦斯高效抽采。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种井场集中供液与分布式压裂区域超前瓦斯治理方法，其特征在于，所述方法具体如下：在地面设置集中压裂井场（1），在集中压裂井场（1）与煤矿井下采区的集中井场（3）之间通过施工形成地面井（2），在煤矿井下的采区上下山钻场（6）设置区域超前定向长钻孔（7），对所述区域超前定向长钻孔（7）进行全段或分段封孔，采用压裂管路（4）将地面的集中压裂井场（1）、煤矿井下采区的集中井场（3）和区域超前定向长钻孔（7）进行依次连接，利用地面的集中压裂井场（1）的压裂装备（5）对区域超前定向长钻孔（7）实施分布式全段或分段压裂，最后对区域超前定向长钻孔进行联网抽采；

在矿井范围内同一水平的一个采区设置一组地面的集中压裂井场（1）和煤矿井下采区的集中井场（3）；

所述区域超前定向长钻孔（7）包括开口设置在采区上下山钻场（6）处的区域超前定向长钻孔Ⅰ（7-1）、采区边缘已掘进的煤层巷道（8）处的区域超前定向长钻孔Ⅱ（7-2）、采区中部已掘进的煤层顶板或底板处的巷道（9）处的区域超前定向长钻孔Ⅲ（7-3）中的任意一种或几种；

所述煤矿井下采区的集中井场（3）在距离区域超前定向长钻孔（7）的开口位置汇总距离最短的采区上下山（10）的联络巷（11）位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压裂装备（5）的施工排量大于区域超前定向长钻孔（7）压裂后煤岩储层吸液能力且不小于800L/min，所述区域超前定向长钻孔起裂压力不小于30MPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域超前定向长钻孔（7）在松软的煤质中沿煤层顶板（13）或煤层底板（14）布置并实施一次性压裂，在中硬以上的煤质中顺着煤层布置并实施分段压裂。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域超前定向长钻孔Ⅰ（7-1）沿煤层、煤层顶板（13）或煤层底板（14）中的任一方向施工覆盖一个回采工作面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域超前定向长钻孔Ⅱ（7-2）沿煤层、煤层顶板（13）或煤层底板（14）中的任一方向倾向施工覆盖一个采区一侧多个回采工作面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域超前定向长钻孔Ⅲ（7-3）沿煤层、煤层顶板（13）或煤层底板（14）中的任一方向倾向施工覆盖一个采区两侧多个回采工作面。