CN107083945A - 一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿井下低透气性、高瓦斯“三软”煤层瓦斯抽采技术领域，公开了一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法，包括水箱、压裂泵和高压管路，所述水箱的出水口通过出水管与所述压裂泵的进水口连接，所述压裂泵的一侧连接一动力系统，所述压裂泵的出水口与所述高压管路的一端连接，所述高压管路的另一端设有用于置入煤层顶板的水力压裂钻孔内的置入位；所述水力压裂系统实施方法包括如下步骤：开孔，压裂，抽采。本发明提供的一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法，结构简单，方便对瓦斯的抽采，实施方法简便易行，提高了瓦斯的抽采效率和安全系数。
Description
技术领域
本发明涉及矿井下低透气性、高瓦斯“三软”煤层瓦斯抽采技术领域，特别是涉及一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法。
背景技术
目前，我国绝大部分高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低渗煤层，透气性差，瓦斯抽采困难，效率偏低，特别对于含有“三软”煤层这种地质构造复杂、赋存条件差、煤层软、顶底板也软的煤矿，这些情况尤为突出，严重制约了矿井安全生产。作为一种低渗透煤层卸压增透措施，水力压裂具有工艺简单、影响范围大和危险性小等优点，近年来得到广泛应用。
目前，水力压裂主要采用穿层钻孔与顺层钻孔两种方式，这两种施工方式要求水力压裂钻孔和抽采孔全部或部分布置在煤层中，当增透目标是“三软”低透气性高瓦斯煤层这种松软的煤层时，由于强度低、易破碎，煤层中钻孔施工困难且危险，即使施工好的钻孔，受地应力、构造应力、采掘应力等因素的影响，在短时间内会出现坍塌、压实等现象，以至于执行后续的卸压措施时煤层钻孔已经严重变形甚至损坏，另外高压水在煤层钻孔里极易与软煤结合形成煤泥(浆)也会导致塌孔，此外，高压水作用于煤层钻孔四周松软煤体时更容易造成其塑性变形，煤体会进一步被压实，导致卸压增透范围很小，效果很差，甚至没有效果。因此，在“三软”低透气性高瓦斯软煤层中实施水力压裂增透措施往往达不到理想的效果，造成大量人力、物力及财力的浪费。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法，以解决现有矿井下低透气性、高瓦斯“三软”煤层瓦斯抽采困难效率低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤层顶板水力压裂系统，包括水箱、压裂泵和高压管路，所述水箱的出水口通过出水管与所述压裂泵的进水口连接，所述压裂泵的一侧连接一动力系统，所述压裂泵的出水口与所述高压管路的一端连接，所述高压管路的另一端设有用于置入煤层顶板的水力压裂钻孔内的置入位。
其中，所述压裂泵的出水口处设有一压力表和截止阀。
其中，所述压裂泵的出水口处通过变径接头与所述高压管路连通。
其中，所述水箱的进水口设置用于连接所述矿井巷道的水管的连接位。
其中，所述水力压裂系统还包括设置在所述矿井巷道的顶部的瓦斯探头。
其中，所述水力压裂系统还包括用于抽采瓦斯的抽采管路。
本发明还提供一种煤层顶板水力压裂系统的实施方法，包括以上任一项所述的水力压裂系统，其特征在于，所述水力压裂系统实施方法包括如下步骤：
开孔，选定水力压裂钻孔位置，并平行于煤层开设多个水力压裂钻孔；
压裂，保持水管向水箱内正常输水，开启压裂泵和动力系统，压裂水通过供水管进入水箱，在动力系统的作用下压裂水从水箱进入压裂泵，经过压裂泵压裂水变为高压压裂水，高压压裂水通过高压管路进入水力压裂钻孔，煤层顶板在高压压裂水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝；
抽采，断开压裂泵与变径接头的连接，将变径接头与矿井巷道内的抽采管路连接，完成瓦斯的抽采。
其中，多个所述水力压裂钻孔之间的间距为10m，所述水力压裂钻孔的深度为50m。
其中，所述压裂泵的出口处压裂水的压力范围为5～35MPa。
其中，所述抽采管路上设有接口用以测试抽采瓦斯的参数值。
其中，所述抽采步骤还包括：观察并记录瓦斯探头的读数，瓦斯探头监测瓦斯超限浓度为1％。
(三)有益效果
本发明提供的一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法，通过压裂泵提供高压压裂水，高压管路对“三软”低透气性高瓦斯软煤层顶板进行注水压裂，方便对瓦斯的抽采，结构简单，易操作；实施方法简便易行，提高了瓦斯的抽采效率和安全系数。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的水力压裂钻孔的布置图。
图中，1：煤层顶板；2：煤层；3：水力压裂钻孔；4：矿井巷道； 5：水箱；6：压裂泵；7：变径接头；8：高压管路；9：瓦斯探头； 10：水管；11：出水管；12：动力系统；13：压力表；14：截止阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例针对现有对“三软”低透气性高瓦斯软煤层中的瓦斯开采困难的问题，提供一种煤层顶板水力压裂系统。
如图1所示，一种煤层顶板水力压裂系统，所述水力压裂系统用于安装在矿井巷道4内，包括水箱5、压裂泵6和高压管路8，所述水箱5的出水口通过出水管11与所述压裂泵6的进水口连接，所述压裂泵6的一侧连接一动力系统12，所述压裂泵6的出水口与所述高压管路8的一端连接，所述高压管路8的另一端设有用于置入煤层顶板1的水力压裂钻孔3内的置入位。
其中，本发明实施例优适用于“三软”低透气性高瓦斯煤层，水力压裂系统结构简单，设置在矿井巷道4内，便于施工，水力压裂系统包括水箱5、压裂泵6和高压管路8，水箱5的进水口设置用于连接矿井巷道4的水管10的连接位，提供充足的压裂水。
进一步的，水箱5的出水口通过出水管11与压裂泵6的进水口连接，压裂泵6的一侧连接一动力系统12，在动力系统12的作用下压裂水从水箱5内进入压裂泵6，进而对压裂水加压。
进一步的，压裂泵6的出水口处设有一压力表13和截止阀14，实现严格监测压裂泵6施压以后压裂水的压力，压裂泵6出水口的端部通过变径接头7与高压管路8的入口端连接。
其中，高压管路8的出口端设在煤层顶板1的水力压裂钻孔3内，煤层顶板1设有多个水力压裂钻孔3，并逐一对水力压裂钻孔3注入压裂水，使煤层顶板1形成多个裂缝，实现煤层2的卸压增透。
进一步的，水力压裂系统还包括设置在矿井巷道4的顶部的多个瓦斯探头9，用监控矿井巷道4内瓦斯的浓度，水力压裂系统还包括用于抽采瓦斯的抽采管路，保证施工安全。
本发明实施例的实施方法，包括如下步骤：
开孔，选定水力压裂钻孔，以煤层顶板的伪顶厚度为1m～2m为佳，距离直接顶1m～1.5m处，且平行于煤层开设多个水力压裂钻孔；
试压，开启水力压裂系统，检验稳定后，将高压管路的出水口放入水力压裂钻孔内，检测高压管路的通畅性和水力压裂钻孔的严密性；
注水，保持水管向水箱内正常输水，开启压裂泵和动力系统，压裂水通过供水管进入水箱，在动力系统的作用下压裂水从水箱进入压裂泵，经过压裂泵压裂水变为高压压裂水，高压压裂水通过高压管路进入水力压裂钻孔，持续向水力压裂钻孔内注入压裂水至需求压力；
压裂，煤层顶板在高压压裂水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝，当压力迅速下降时或瓦斯探头实测瓦斯浓度升高时，低压注水 15min～25min后关闭水力压裂系统；
抽采，断开压裂泵与变径接头的连接，将变径接头与矿井巷道内的抽采管路连接，完成瓦斯的抽采。
具体实施过程如下：
如图2所示，开孔，选定水力压裂钻孔的位置，选厚度为2m的煤层顶板的伪顶，且距离直接顶1.5m处钻孔，保证水力压裂钻孔与下侧的煤层平行，并开设多个水力压裂钻孔，水力压裂钻孔的深度为 50m，间距为10m，保证间距在单个水力压裂钻孔的压裂有效影响半径之内。
试压，检查水力压裂系统正常后开启电源，开启压裂泵进行试运行5分钟，检验其稳定性；将高压管路的出水口放置到水力压裂钻孔中，并进行正式压裂前的试压，观察压力表，若出现压力在低位徘徊，确定是封孔不严漏水，则此孔作废，若出现压力急剧上升，可能是高压管路堵塞所致，此时需泄压、关停压裂泵，通畅高压管路后重新进行打压试验，若压力缓慢上升，且达到8.0MPa，无孔口漏水、高压管路堵塞等异常情况，则水力压裂系统为正常状态，关闭系统，直到水压正常之后将水力压裂钻孔的孔口密封。
注水，开启水力压裂系统，运转正常后，开启井下巷道的水管的水阀，保持水管向水箱内正常输水，压裂水通过供水管进入水箱，在动力系统的作用下压裂水从水箱进入压裂泵，经过压裂泵压裂水变为高压压裂水，高压压裂水通过高压管路进入水力压裂钻孔，持续向水力压裂钻孔内注入压裂水，进而对煤层顶板施压，该水力压裂系统采用动压注水，开始时压力先缓慢升到8MPa，以后每5min升压2MPa，对顶板进行压裂作业。
压裂，当压裂泵注压力达到需求压力，水压调节范围在5～35MPa，稳定一段时间后，压力迅速下降，并持续加压时压裂泵注压力无明显上升，或者通过对散发到巷道内的瓦斯用瓦斯探头9实测瓦斯浓度明显升高时，说明目标煤岩体内部产生大量裂缝，此时可以用低压大排量档位注水，扩大裂缝范围，20min后压裂泵的压力降为峰值压力的 30％左右，可以作为注水结束时间，关停水力压裂系统，打开卸压阀，压裂结束，整个压裂时间一般在2小时左右。
抽采，断开压裂泵与变径接头的连接，将变径接头与矿井巷道内的抽采管路连接，并在抽采管路上留有相应的接口，对抽采的瓦斯进行浓度、流量、负压等参数的测试，完成整个瓦斯的抽采。
其中，在整个实施过程中，观察并详细记录瓦斯探头的读数，掌握压裂期间巷道的瓦斯浓度变化情况，一旦发现瓦斯浓度异常，要及时进行泵注程序调整，若瓦斯探头浓度超限1％，则暂停注水，有异常情况要及时撤人，保证施工安全。
本发明提供的一种煤层顶板水力压裂系统及其实施方法，通过压裂泵控制水压，实现对“三软”低透气性高瓦斯软煤层顶板进行最适压力压裂，方便对瓦斯的抽采，结构简单，易操作；实施方法简便易行，提高了瓦斯的抽采效率和安全系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层顶板水力压裂系统，其特征在于，包括水箱、压裂泵和高压管路，所述水箱的出水口通过出水管与所述压裂泵的进水口连接，所述压裂泵的一侧连接一动力系统，所述压裂泵的出水口与所述高压管路的一端连接，所述高压管路的另一端设有用于置入煤层顶板的水力压裂钻孔内的置入位。
2.如权利要求1所述的煤层顶板水力压裂系统，其特征在于，所述压裂泵的出水口处设有一压力表和截止阀。
3.如权利要求1所述的煤层顶板水力压裂系统，其特征在于，所述压裂泵的出水口处通过变径接头与所述高压管路连通。
4.如权利要求1所述的煤层顶板水力压裂系统，其特征在于，所述水箱的进水口设置用于连接所述矿井巷道的水管的连接位。
5.如权利要求1-4任一项所述的煤层顶板水力压裂系统，其特征在于，所述水力压裂系统还包括设置在所述矿井巷道的顶部的瓦斯探头；
和/或，所述水力压裂系统还包括用于抽采瓦斯的抽采管路。
6.一种煤层顶板水力压裂系统的实施方法，包括权利要求1至5任一项所述的水力压裂系统，其特征在于，所述水力压裂系统实施方法包括如下步骤：
开孔，选定水力压裂钻孔位置，并平行于煤层开设多个水力压裂钻孔；
压裂，保持水管向水箱内正常输水，开启压裂泵和动力系统，压裂水通过供水管进入水箱，在动力系统的作用下压裂水从水箱进入压裂泵，经过压裂泵压裂水变为高压压裂水，高压压裂水通过高压管路进入水力压裂钻孔，煤层顶板在高压压裂水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝；
抽采，断开压裂泵与变径接头的连接，将变径接头与矿井巷道内的抽采管路连接，完成瓦斯的抽采。
7.如权利要求6所述的煤层顶板水力压裂系统的实施方法，其特征在于，多个所述水力压裂钻孔之间的间距为10m，所述水力压裂钻孔的深度为50m。
8.如权利要求6所述的煤层顶板水力压裂系统的实施方法，其特征在于，所述压裂泵的出口处压裂水的压力范围为5～35MPa。
9.如权利要求6所述的煤层顶板水力压裂系统的实施方法，其特征在于，所述抽采管路上设有接口用以测试抽采瓦斯的参数值。
10.如权利要求6-9任一项所述的煤层顶板水力压裂系统的实施方法，其特征在于，所述抽采步骤还包括：观察并记录瓦斯探头的读数，瓦斯探头监测瓦斯超限浓度为1％。
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