[发明专利]矿井下压裂及注支撑剂一体化装置及施工方法

说明书

本发明公开了矿井下压裂及注支撑剂一体化装置及施工方法，属于采矿工程技术领域，所述装置包括压裂系统和注支撑剂系统，所述装置实现了高压压裂连续注砂、高压压裂脉冲注砂、高压压裂多粒径多类型注砂、脉冲压裂连续注砂、脉冲压裂脉冲注砂、脉冲压裂多粒径多类型注砂等压裂‑注砂方法，可满足矿井下对压裂注砂方式的多种需求，具有普适性；另外，所述装置保证了压裂‑注砂系统的密封性、保持注砂过程中的压力平衡、保证注砂过程中的颗粒运移、精准匹配砂罐体积与压裂注砂工艺、高效交替压裂与注砂工艺、精准控制注砂量，同时实时监控管路内情况，能够及时控制各阀门、泵的启停，保证压裂‑注砂过程的安全。

技术领域

本发明属于采矿工程技术领域，涉及压裂-注支撑剂设备，具体为矿井下压裂及注支撑剂一体化装置及施工方法。

背景技术

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。这些优势使煤层气有望成为未来能源结构的重要组成部分。

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。

目前常用的压裂注砂方式主要分为地面压裂注砂和井下压裂注砂两种，其中，地面压裂注砂已经较为成熟，瓦斯抽采浓度较高，但是随着埋深增加，支撑剂运移距离较远，易出现砂堵现象，且瓦斯抽采成本较高；然而，目前由于井下作业空间有限，环境适应性要求较高，缺少井下压裂注砂设备，瓦斯抽采效率较低，有效抽采时间较短。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种能够适应矿井下工作环境，实现井下压裂-注砂一体化，实现连续/脉冲/多粒径多类型等多方式注砂，从而适用于井下注砂的多种环境需求，在压裂裂缝内形成最优的支撑剂分布方式，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；鉴于此，本发明提供了矿井下压裂及注支撑剂一体化装置及施工方法。

目前常用的压裂方法有常规压裂和脉冲压裂两种方法，常规压裂采用高压大流量泵向储层注入压裂液，储层中易形成主要水力裂缝，产生局部应力集中，分支裂缝较少。与常规压裂相比，脉冲压裂通过脉冲循环泵注，在高频脉冲水压力作用下，使煤体疲劳破坏，产生不受地应力控制的多个方向上的水力裂缝，同时高频脉冲水压冲击煤体，容易激活煤体原生裂缝，使得水力裂缝与天然裂缝沟通，形成复杂的裂缝网路。两种压裂方式均可用于储层增透，常规压裂形成的裂缝长，脉冲压裂形成的裂缝多。

连续注砂在裂缝内的支撑剂分布较为密集，裂缝的闭合速率较低，但是由于支撑剂占据的裂缝空间较大，导流能力相对较低；脉冲注砂在裂缝内的支撑剂呈柱状分布，裂缝的导流能力较高，但是未支撑区域的裂缝闭合速率较高，需合理控制支撑剂间距，使支撑剂柱之间的裂缝在闭合应力作用下依旧存在流体通道；多粒径多类型注砂可针对不同裂缝区域给定合理的支撑剂粒径和类型，例如在裂缝尖端需要小粒径高强度的支撑剂，中间段裂缝区域需要较大粒径或多粒径混合支撑剂，提高支撑剂区域的孔隙，而在裂缝入口位置应注入大粒径支撑剂防止在排采时小粒径支撑剂从裂缝内运移到钻孔内部，但是多粒径多类型注砂工艺较复杂。因此，在不同的储层地质条件和工作环境可采用不同的压裂方法和注砂方法。