一种煤矿井下水力加砂压裂系统及压裂方法
技术领域
[0001] 本
发明属于
煤层气开发领域，具体涉及一种煤矿井下水力加砂压裂系统及压裂方法。
背景技术
[0002] 在煤矿领域，以水力压裂为代表的水力化措施被广泛应用于煤层增透，以提高煤层瓦斯的抽采效果。随着煤矿矿井开采深度的不断增加，地
应力越来越大，采用清水压裂增透后，在高地应力的作用下，压出缝隙会重新闭合。不仅增透效果没有显著提升，反而浪费人力、物力。因此，需要在清水压裂的
基础上将
支撑剂压入煤层缝隙进行支撑，以增大煤层透气性，减小瓦斯抽采衰减系数，提高瓦斯抽采效果。虽然
页岩气领域的水力压裂加砂的应用已趋于成熟，但鉴于煤矿井下的特性，不能完全借鉴其加砂工艺。一是因为地面油气田空间广阔，压裂车可以多台并联提供高压力，压裂液有足够大的配液罐储存，而煤矿井下空间狭长，压裂设备及配液空间受限，不能进行大规模配液和大流量压裂，只能进行低
排量加砂；二是油气田地面压裂加砂一般为下向孔，采用常规
石英砂，而煤矿井下水力压裂钻孔一般为上向钻孔，需要配置高
密度压裂液将低密度压裂砂悬浮在压裂液中。鉴于以上原因，需要结合煤矿井下条件，在成熟的清水压裂的基础上，研制一种适用于煤矿井下条件的水力压裂加砂工艺及装备。
发明内容
[0003] 本发明的第一目的就是针对
现有技术的不足，提供一种煤矿井下水力加砂压裂系统，该系统通过双配液池和双压裂
泵的设置，减少配液池横向尺寸和单泵体积，在满足压裂液流量要求的前提下，方便配液池和压裂泵按长度方向布置，以适应于井下狭长空间的加砂压裂要求。本发明第二目的是提供一种适用于上向钻孔的加砂压裂方法，该方法依据实现第一发明目的的压裂系统实施，并按照清水造缝和压裂液携砂压力的方式进行压裂，以减少压裂液用量，且压裂液采用特有配方配制成高密度压裂液，以使低密度支撑剂能够悬浮在压裂液中，从而使支撑剂能够按设定要求可靠地分布到裂缝内。
[0004] 为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。
[0005] 一种水力加砂压裂系统，包括供水系统、配液系统、混砂系统、压裂系统和高压管汇系统；所述供水系统具有分别与配液系统和混砂系统连接的管路；所述混砂系统由混砂装置和混砂
增压装置组成，混砂装置的液体进口通道通过三通分别与配液系统的出口和供水系统对应供水管路连接，混砂装置的
混合液出口端与增压装置的进口端连接，混砂装置具有添加支撑剂的支撑剂添加口；增压装置的出口端与压裂系统连接；所述压裂系统由两台压裂泵组并联形成；所述高压管汇系统包括Y形三通，Y形三通的两个进口通道分别与两台压裂泵组的出口连通；Y形三通的出口通道通过高压直管通入压裂孔；所述配液系统包括两个配液池，每个配液池设有一压裂液供给泵，两个压裂液供给泵的出口通过汇
流管道与混砂装置的压裂液进口端连通。
[0006] 采用前述方案的本发明，系统具有两个配液池和两个压裂泵组，以在满足大流量压裂要求，并可方便的沿井下巷道长度方向布置两个配液池和压裂泵组，从而减小单个配液池和压裂泵组要求，可很好的适用于井下狭小或狭长空间环境。另外，通过供水管路可提供清水，便于压裂初期阶段通过清水压裂造缝，中期压裂液携砂压裂方式，后期管道及泵组清洗的全过程三阶段压裂，从而可有效减少压裂液消耗量，进而进一步减小配液池容积要求，适于井下狭长空间使用。
[0007] 优选的，所述供水系统由压力水管路和抽水管路组成；压力水管路的主管路与所述汇流管道接通，压力水管路的旁路分别与两个所述配液池连通；所述抽水管路一端与汇流管道接通，另一端与清水池接通，抽水管路上设有抽水泵。压力水管路可通过井下用水点接入清水，压力水管路同时为配液池和水压裂用水；清水池用于压裂用水增量要求，如采用清水单泵压裂时，可仅由压力水管路供水，当采用双泵清水压裂时，清水池可与压力水管路同时供水，从而消除供水不足隐患。
[0008] 进一步优选的，所述清水池建造于井下场地内；所述压力水管路与井下压力供水点连接。以充分利用井下石
门等地下空间形成备用水蓄水池；并通过井下供水点接入外部水源，解决井
下管路供水流量不足的问题，从而达到充分利用现有资源的目的，节约压裂成本。
[0009] 优选的，所述高压直管经过出口管径缩小的变径接头再接入压裂孔。以通过变径接头缩小通径，增大压裂液流速，从而进一步提升压裂液携砂运送效果。
[0010] 优选的，所述高压直管上设有泄压
阀。以在压裂中处理异常情况及压裂完成后拆卸管路时，通过
泄压阀对管汇系统卸压，保障压裂人员进入高压区域的人身安全。
[0011] 为实现第二目的，本发明采用以下技术方案。
[0012] 一种水力加砂压裂方法，该方法基于实现第一发明目的的水力加砂压裂系统实施，包括以下步骤：
[0013] 第一步，压裂准备：包括水力加砂压裂系统布设、压裂液配制、支撑剂备料，以及按先清水后压裂液携砂的压裂方式确定清水用量V清、压裂液用量V压和支撑剂用量V砂；
[0014] 在压裂液配制过程中，压裂液由稠化剂、交联剂、防膨剂、破胶剂和水按以下
质量体积比配制并搅拌混合均匀；具体配制比例为每100L水中加稠化剂0.25g、交联剂0.25g、防膨剂1.5g、破胶剂0.15g；
[0015] 所述支撑剂采用粒径为40～70目，且
体积密度为1.25g/cm3的低密度陶粒砂；
[0016] 第二步，清水压裂造缝：采用所述清水用量V清的清水进行压裂造缝，以使储层形成裂缝；
[0017] 第三步，压裂液携砂压裂：采用所述压裂液用量V压的压裂液，并通过加砂装置逐渐使压裂液携砂而进行压裂液携砂压裂，以通过支撑剂阻止压裂缝闭合。
[0018] 采用前述技术方案的本发明，通过压裂前在井下布设的压裂系统和配制的压裂液，以及陶粒砂实施，首先进行清水压裂，使煤体形成初始裂缝；然后，在用配制的压裂液进行携砂压裂，从可利用体积密度为1.25g/cm3的低密度陶粒砂能够悬浮于特制高密度压裂液中的特性，使裂缝中充填有设定量的支撑剂，从而有效避免裂缝闭合，达到煤层增透目的。其压裂技术成熟，压裂系统适于井下使用，压裂增透效果显著；特别是，自制的压裂液配方和支撑剂密度的合理选择，能够确保支撑剂在携砂压裂过程中支撑剂不沉积，在裂缝中分布符合预期效果。压裂液具有良好的悬砂性能，使得低密度陶粒砂剂更容易进入煤层，悬砂时间达12小时以上，满足了煤矿井下上向孔水力压裂加砂作业的工艺和时间要求，且该压裂液具有良好的防膨性能，能够避免煤矿井下压裂过程中煤层顶板黏土遇水膨胀后
挤压缝隙，导致缝隙重新闭合的问题，有效维持了压裂缝隙的大小；同时，该压裂液良好的破胶性能，可避免残渣含量过高对裂缝导流能力的影响，且对煤矿水源污染小，压裂后可直接排放，简化了煤矿井下水力压裂加砂工艺流程。
[0019] 在支撑剂全部加完后，通过供水系统供应清水，同样按照压裂方式进行压裂泵、压裂孔内管柱和孔外管路清洗，其用水量不小于孔内管柱和孔外管路容积之和。清洗完成后，使压裂孔保压，孔外管路卸压。
[0020] 优选的，所述搅拌混合通过压
风管向配液池内充气和矿用风煤钻搅拌配合实施。以充分利用井下现有设施或工具实施，可有效降低压裂成本，提高压裂效率。
[0021] 优选的，所述支撑剂用量V砂按下式计算：
[0022] V砂＝πr2n/ρ；
[0023] 式中：V砂-支撑剂用量，单位m3；
[0024] r-设计压裂半径，单位m；
[0025] n-铺砂浓度，单位Kg/m2；
[0026] ρ-支撑剂密度，单位Kg/m3；
[0027] 所述清水用量V清与压裂液用量V压之和为液体压入总量V总；其中，[0028] 液体压入总量V总按下式计算：
[0029]
[0030] 式中：V总-液体压入总量，单位m3；
[0031] r-设计压裂半径，单位m；
[0032] h-储层厚度，单位m；
[0033] -孔隙度，按％计算；
[0034] 压裂液用量由加砂比和加砂方式确定；加砂方式采用段塞式，携砂压裂初期采用1％的低砂比进行，之后，阶梯式提高加砂比例，直到设定砂比；每个加砂段之间间隔设定时间进行压裂液中顶；之后，持续执行加砂-中顶的过程，直至完成设计加砂量。
[0035] 通过压裂液用量的合理测算，在确保携砂压裂效果的同时，能有效减少压裂液消耗量，不仅可有效降低成本，还利于压裂效率提高。在低砂比压裂过程中，支撑剂能够打磨钻孔孔眼和由清水压裂阶段形成的近孔扭曲裂缝，以降低施工压力。支撑剂能够封堵近孔微裂缝，降低压裂液滤失，便于造主裂缝，提高压裂改造体积；每个支撑剂段塞进入煤岩体后，施工压力具有一定程度的上升，裂缝内静压力提高使清水压裂的裂缝张开，还可造新裂缝或实现裂缝转向，对于形成复杂的裂缝网络和增大储层改造的体积有重要作用。显然砂比的高低与施工压力正相关，逐渐增大砂比可有效避免系统压力陡升的情形发生，确保系统运行安全。段塞式加砂也可以分析
地层对某砂比的敏感性，方便及时调整施工参数，最大限度的避免砂堵。
[0036] 进一步优选的，每个加沙段之间的间隔时间为1min～2min；
[0037] 所述压裂液用量V压按下式计算：
[0038] V压＝∑V砂/m+∑T×Q中顶
[0039] 式中：V压-压裂液总用量，单位m3；
[0040] V砂-支撑剂用量，单位m3；
[0041] m-每个阶段确定的砂比；按％计算；
[0042] Q中顶-中顶段压裂液实时流量，单位m3/min；
[0043] T-中顶段持续时间，单位min。
[0044] 以获得更加准确的压裂液消耗量，确保压裂效果和效率。
[0045] 优选的，在压裂液配制过程中，采用的所述稠化剂为瓜尔胶或聚丙烯酰胺或丙烯酰胺和
丙烯酸的混合物；采用丙烯酰胺的方案中，丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为3∶1；所述交联剂为甜菜
碱或
硼砂或硼酸或乙二胺和环
氧氯丙烷的混合物；采用乙二胺的方案中，乙二胺和环氧氯丙烷的质量比为5∶16；所述防膨剂为氯化
钾或氯化
钙或氯化镁；所述破胶剂为过
硫酸铵和复合胺盐类的混合物，或者是硫酸
铁或硫酸铬；过硫酸铵和复合胺盐类的混合物的方案时，过硫酸铵与复合胺盐类的质量比为1∶1，且复合胺盐类为低温激活剂SDP-1。进一步确保压裂液特性，包括悬砂性能、防膨性能、破胶性能和环保性能等。
[0046] 本发明的有益效果是，压裂系统结构简单、布局合理，适于井下狭小或狭长空间携砂压裂使用；压裂方法构思巧妙，逻辑性强，自制压裂液具有的悬砂特性，能够适用于上向钻孔携砂压裂，并具有可直接排放的环保特性。
附图说明
[0047] 图1是本发明水力加砂压裂系统的结构示意图。
[0048] 本图也用于说明加砂压裂方法。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的
实施例范围之中。
[0050] 实施例1，参见图1，一种煤矿井下水力加砂压裂系统，包括供水系统、配液系统、混砂系统、压裂系统和高压管汇系统；供水系统具有分别与配液系统和混砂系统连接的管路；混砂系统由混砂装置1和混砂增压装置2组成，混砂装置1的液体进口通道通过三通分别与配液系统的出口和供水系统对应供水管路连接，混砂装置1的混合液出口端与增压装置2的进口端连接，混砂装置1具有添加支撑剂的支撑剂添加口；增压装置2的出口端与压裂系统连接；压裂系统由两台压裂泵组3并联形成，两台压裂泵组3的进口管路和增压装置2的出口管路均采用4时的水管；高压管汇系统包括Y形三通4，Y形三通4的两个进口通道分别与两台压裂泵组3的出口通过第一
单向阀17连通，第一单向阀17通过2时高压软管18和由壬接头与压裂泵组3的出口端连接；Y形三通4的出口通道通过高压直管9通入压裂孔5；配液系统包括两个配液池6，每个配液池6设有一压裂液供给泵7，两个压裂液供给泵7的出口通过汇流管道13与混砂装置1的压裂液进口端连通，汇流管道13、混砂装置1的压裂液进口端和压裂液供给泵7的出液管道均采用4时水管。
[0051] 其中，供水系统由压力水管路11和抽水管路12组成；压力水管路11的主管路与汇流管13道接通，压力水管路11的旁路分别与两个配液池6连通；以为配液池6提供清水，抽水管路12一端与汇流管道13接通，另一端与清水池14接通，抽水管路12上设有抽水泵8；清水池14建造于井下场地内；压力水管路11与井下压力供水点连接；为形成单独供液或供水，相应管路上均设有控制液体流通的
控制阀门16。
[0052] 高压直管9采用3时
钢管，高压直管9通过T型三通19设有远程控制的电动卸压阀10，高压直管9经过3时变2时的出口管径缩小的变径接头15再接入压裂孔5。在接入压裂孔5前，变径接头15的出口管路上设有第二单向阀20，第二单向阀20出口端连接的2时钢管管路上设有三通卸压旋塞阀21，第二单向阀20出口端的2时钢管管路通过2时高压软管和由壬接头连接有2时大小的旋塞阀22，旋塞阀22通过高压短节23与压裂孔5的封孔管
接口连接，且高压短节23上设有耐震压力表24。旋塞阀22用于压裂后压裂孔内保压，三通卸压旋塞阀21用于由两台压裂泵转换为单台压裂泵工作时憋压，以及孔外清水顶替后卸压，电动卸压阀
10主要用于单台压裂泵转换为两台压裂泵时，防止压力超限卸压，确保系统安全运行。
[0053] 实施例2，结合图1，一种水力加砂压裂方法，该方法基于实施例1的水力加砂压裂系统实施，包括以下步骤：
[0054] 第一步，压裂准备：包括水力加砂压裂系统布设、压裂液配制、支撑剂备料，以及按先清水后压裂液携砂的压裂方式确定清水用量V清、压裂液用量V压和支撑剂用量V砂；
[0055] 在压裂液配制过程中，压裂液由稠化剂、交联剂、防膨剂、破胶剂和水按以下质量体积比配制并搅拌混合均匀；具体配制比例为每100L水中加稠化剂0.25g、交联剂0.25g、防膨剂1.5g、破胶剂0.15g；
[0056] 支撑剂采用粒径为40～70目，且体积密度为1.25g/cm3的低密度陶粒砂；
[0057] 第二步，清水压裂造缝：采用所述清水用量V清的清水进行压裂造缝，以使储层形成裂缝；
[0058] 第三步，压裂液携砂压裂：采用所述压裂液用量V压的压裂液，并通过加砂装置逐渐使压裂液携砂而进行压裂液携砂压裂，以通过支撑剂阻止压裂缝闭合。
[0059] 第四步，清水顶替：采用不小于压裂孔管柱和孔外外管道容积之和的清水进行清水顶替，并对孔外管道进行卸压。
[0060] 其中，搅拌混合通过压风管向配液池内充气和矿用风煤钻搅拌配合实施。
[0061] 在第一步中，支撑剂用量V砂按下式计算：
[0062] V砂＝πr2n/ρ；
[0063] 式中：V砂-支撑剂用量，单位m3；
[0064] r-设计压裂半径，单位m；
[0065] n-铺砂浓度，单位Kg/m2；
[0066] ρ-支撑剂密度，单位Kg/m3；
[0067] 所述清水用量V清与压裂液用量V压之和为液体压入总量V总；其中，[0068] 液体压入总量V总按下式计算：
[0069]
[0070] 式中：V总-液体压入总量，单位m3；
[0071] r-设计压裂半径，单位m；
[0072] h-储层厚度，单位m；
[0073] -孔隙度，按％计算；
[0074] 压裂液用量由加砂比和加砂方式确定；加砂方式采用段塞式，携砂压裂初期采用1％的低砂比进行，之后，阶梯式提高加砂比例，直到设定砂比；每个加砂段之间间隔设定时间进行压裂液中顶；每个加沙段之间的间隔时间为1min～2min；之后，持续执行加砂-中顶的过程，直至完成设计加砂量；
[0075] 其中，压裂液用量V压按下式计算：
[0076] V压V压＝∑V砂/m+∑T×Q中顶；
[0077] 式中：V压-压裂液总用量，单位m3；
[0078] V砂-支撑剂用量，单位m3；
[0079] m-每个阶段确定的砂比；按％计算；
[0080] Q中顶-中顶段压裂液实时流量，单位m3/min；
[0081] T-中顶段持续时间，单位min。
[0082] 另外，在压裂液配制过程中，采用的所述稠化剂为瓜尔胶或聚丙烯酰胺或丙烯酰胺和丙烯酸的混合物；采用丙烯酰胺的方案中，丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为3∶1；所述交联剂为甜菜碱或硼砂或硼酸或乙二胺和环氧氯丙烷的混合物；采用乙二胺的方案中，乙二胺和环氧氯丙烷的质量比为5∶16；所述防膨剂为
氯化钾或
氯化钙或氯化镁；所述破胶剂为过硫酸铵和复合胺盐类的混合物，或者是硫酸铁或硫酸铬；过硫酸铵和复合胺盐类的混合物的方案时，过硫酸铵与复合胺盐类的质量比为1∶1，且复合胺盐类为低温激活剂SDP-1。
[0083] 在第四步中清水顶替步骤中，所用清水量V替按下式计算：
[0084] V替＝V外+K×V管；
[0085] 式中：V替-顶替液用量，单位m3；
[0086] V外-孔外管道的容积，单位m3；
[0087] K-修正系数，取值1.0～1.5；
[0088] V管-孔内管柱容积，单位m3。
[0089] 采用本实施例的方法在重庆某煤矿-225m水平进行了煤矿井下水力压裂加砂试验，共试验5个孔，现场成功的采用单泵和双泵并联进行压裂加砂，平均单孔压入液量50m3，压入砂量1000kg，压裂影响范围达70～80m，较清水压裂提高了40～60％，平均单孔抽采纯量0.1～0.14m3/min，较清水压裂提升了20～30％，展示出了水力压裂加砂工艺的优越性。
[0090] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多
修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由
权利要求书所确定的保护范围内。
