一种煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法

技术领域

本发明属于煤层气抽采及矿井水力压裂技术领域，具体涉及一种煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法。

背景技术

煤层气是一种高效清洁能源，同时也是煤矿生产过程中的重要危险源。煤层瓦斯的抽采与利用不仅有利于我国主体能源产业的健康发展，助力国家“双碳”目标的实现，也能有效预防矿井瓦斯灾害事故的发生，减少环境污染。然而，我国煤层气开采涉及的技术难关尚未完全攻克，储层地质条件复杂、突出煤体多、浅部煤体开采殆尽、深部煤体开发技术通用性差等问题仍然存在于许多矿区中，导致煤层气动用率低，相当数量的煤层气井产量难达预期。因此，需对煤层气储层进行高效的压裂增透改造，达成煤层气高动用率、高安全系数和低经济投入同时兼顾的最终目标。

近年来，国内的水力压裂改造方面进行了一些有益的探索，开展了机械封隔、水力射孔、水力割缝等分段压裂工艺，在改善煤体渗透性和提升瓦斯抽采运移通道导流能力方面有了很大提升。但定向射孔技术仍存在穿深不足、孔眼堵塞、气体流动阻力大等问题，无法达到理想的定向射孔效果，进而无法准确预测后期水力压裂造缝的趋势走向。加之，随着埋深、断层、褶皱和产状变化等地质条件的演化，原生煤体逐步变为构造煤体，构造煤体普遍具有承压强度低、裂隙网络系统发育、瓦斯解吸速率快和瓦斯含量高的特点，致使单一水力压裂模式下形成的裂缝开度十分有限，无法发挥水力压裂造缝的技术优势。碎软低渗煤储层松软、破碎的特点，导致压裂液滤失严重，高压能量无法集中释放，使得水力压裂储层裂缝走向多变，难以形成高效的瓦斯导流通道，从而出现造缝效果较差、产率难以有效提升的问题。所以，国内外学者为解决上述问题提出一系列措施，但仍未从根本上彻底解决相关实际工程问题。

因此，亟待提出一种新型的水力压裂增透方法解决水力压裂过程中出现的压裂液滤失性高、煤体增透效果差、裂缝走向无法预测、支撑剂在裂缝中输送距离短等难题，努力实现煤体瓦斯增透促产的生产目标，为有效有力控制甲烷排放提供技术支撑。

发明内容

针对上述现有技术的不足之处，本发明提出了一种煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法，改造构造煤抗压强度进而优化水力压裂效果，诱导水力压裂裂缝向预期方向扩展，进而提升煤层气解吸速率，实现深部煤层气开采的效能提升。

为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：

本方案提供的一种煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法，包括如下四个步骤：

S1预先向压裂段周围煤体的孔-裂隙中注入降滤剂：使用降滤剂对钻孔压裂段周围煤体的孔-裂隙进行有效固结，提高煤体力学强度，实时监测降滤剂的注入压力，调整降滤剂的注入频率和注入速率，当监测到注入压力达到煤体破裂压力的80％-90％时，维持降滤剂的注入压力不变，防止煤体因降滤剂注入压力过高而破坏，当再次监测到压力升高时，停止注入并抽出井筒内残余的降滤剂，静置一段时间，等待降滤剂生效后检测煤体的降滤固结效果，当煤体的抗压强度满足水力压裂的基本力学条件，准备进行下一步工作；

S2实施煤体压裂段定向预制微裂缝，确定水力压裂主裂缝的起裂位置和扩展路径：借助水力射孔装置，对降滤固结后的煤体实施定向预制微裂缝，根据设计方案和前期降滤效果，调整射孔位置和角度至预期压裂位置后开展水力射孔作业，确定高压压裂液能量释放的突破位点，为下一步水力压裂主裂缝的定向起裂、扩展做好准备；

S3启动水力压裂造缝，高压压裂液沿预制微裂缝侵入煤体：由于实施水力压裂前压裂段煤体的滤失性已经得到改善，在启动水力压裂后，压裂段内蓄积高压能量的压裂液沿预制微裂缝定向起裂、扩展，形成压裂开度更广、延展距离更远的主裂缝，实现定向压裂增透促产的目标；

S4利用支撑剂与井筒附近降滤剂之间的斥力，推动支撑剂高效铺至井筒远端裂缝：在支撑剂中加入与降滤剂同性的极性材料，使得二者具备同性相斥的特性，在支撑剂随压裂液泵入水力压裂主裂缝的过程中，利用支撑剂与井筒附近降滤剂之间的斥力，推动支撑剂向井筒远端裂缝运移，完成对水力压裂主裂缝的有效支撑，解决支撑剂在井筒近端裂缝堆积而无法远距离输运的难题；

所述的煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法，包括降滤剂、支撑剂、煤体、压裂管路、水力射孔装置和压力传感器，将降滤剂预先注入压裂段煤体周围的孔-裂隙内，实时监测降滤剂的注入压力，控制降滤剂的注入频率和注入速率，当监测到注入压力达到煤体破裂压力的80％-90％时，维持降滤剂的注入压力不变，防止煤体因降滤剂注入压力过高而破坏，当再次监测到压力升高时，停止注入并抽出井筒内残余的降滤剂，静置一段时间，等待降滤剂生效后检测煤体的降滤固结效果，若煤体的抗压强度可满足水力压裂的基本力学条件，则利用水力射孔装置对降滤固结后的煤体实施定向预制微裂缝，确定后期水力压裂造缝的扩展走向，启动水力压裂造缝，积聚的高压压裂液沿着预制微裂缝侵入煤体，将预制微裂缝定向拓宽并延伸至井筒远端，形成水力压裂主裂缝，此时，与降滤剂携带相同极性材料的支撑剂随着压裂液流入水力压裂主裂缝，支撑剂与降滤剂之间产生的斥力推动支撑剂向井筒远端裂缝运移，达成高压起裂、定向扩展和远端深入的水力造缝目标，进而提升了煤体增透促产的效果。

所述的降滤剂具备低密度、高流动性和强滞留能力的特点，低密度材料的流动性和渗透性俱佳，扩大煤体降滤固结范围；高流动性助力降滤剂在注入过程中的降阻提速，促使降滤剂快速作用于高滤失位点；强滞留能力维持长期降滤效果，避免降滤剂返流失效而煤体滤失性能持续恶化，影响后期高压水力压裂增透效果。

所述的水力射孔装置是应用于煤体上的定点破坏，目的在于引导水力压裂主裂缝沿设计延伸方向扩展，根据降滤后的煤体强度、裂缝发育特点及地应力分布特征，结合实际施工情况及储层改造需求，精准设定射孔位置和定向压裂方位角，同时，采用钻孔监测或微震方法监测预制微裂缝的开裂宽度和延伸长度，确定预制微裂缝的开裂程度达到下一步工作的要求。

所述的支撑剂在压裂液中受到的水力压力高于支撑剂与降滤剂之间的斥力，在高压作用下支撑剂先顺利流入水力压裂主裂缝，再利用支撑剂与降滤剂之间产生的斥力延长支撑剂的输运距离。

由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：

(1)本发明采用降滤固结-定向蓄能压裂的煤层增透方法，通过注入降滤剂固结压裂段煤体的方式提升了煤体的抗压强度，减少了后期水力压裂过程中压裂液的无效损失，营造了高压蓄能空间，为形成高压压裂液提供储层条件，使其满足水力压裂基本力学条件的同时，保证了煤体的渗流扩散通道未被阻塞，克服了煤体的高滤失性导致水力压裂无法达到最佳造缝开度的难题。

(2)本发明借助水力射孔装置对煤体压裂段实施定向预制微裂缝，确定了水力压裂主裂缝的起裂位置和延伸方向，诱导后期水力压裂主裂缝沿设计方向定向扩展，实现了人为诱导瓦斯定向流动的目标，形成了压裂开度更宽、开裂距离更远的瓦斯抽采输运通道。

(3)本发明基于同性相斥原理，在支撑剂中加入了与降滤剂具备相同属性的极性材料，利用二者间产生的斥力推动支撑剂定向远距离运移，避免了支撑剂在井筒近端的堆积阻塞现象，同时解决了支撑剂与降滤剂相互融合而无法发挥有效支撑作用的问题，提升了支撑剂的在水力压裂主裂缝中的运移效率，形成了强支撑性、高延展度的裂缝通道，进而长效维持瓦斯运移通道的导流能力，保证了瓦斯抽采输运全过程的高效实施。

附图说明

图1为本发明降滤固结-定向蓄能压裂增透的施工流程示意图；

图2为本发明降滤剂和支撑剂同性相斥的示意图

图3为本发明煤体实施降滤固结的示意图；

图4为本发明煤体完成降滤固结的示意图；

图5为本发明水力射孔装置定向预制微裂缝的示意图；

图6为本发明水力压裂主裂缝中支撑剂向远端裂缝运移的示意图；

图中：1、降滤剂；2、支撑剂；3、煤体；4、压裂管路；5、孔-裂隙；6、水力射孔装置；7、预制微裂缝；8、压裂液(含支撑剂)；9、水力压裂主裂缝；10、支撑剂的运动方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。

本方案提供的一种煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法，包括如下四个步骤：

S1预先向压裂段周围煤体的孔-裂隙中注入降滤剂：使用降滤剂1对钻孔压裂段周围煤体3的孔-裂隙5进行有效固结，提高煤体3的力学强度，实时监测降滤剂1的注入压力，调整降滤剂1的注入频率和注入速率，当监测到注入压力达到煤体3破裂压力的80％-90％时，维持降滤剂1的注入压力不变，防止煤体3因降滤剂1注入压力过高而破坏，当再次监测到压力升高时，停止注入并抽出井筒内残余的降滤剂1，静置一段时间，等待降滤剂1生效后检测煤体3的降滤固结效果，当煤体3的抗压强度满足水力压裂的基本力学条件，准备进行下一步工作；

S2实施煤体压裂段定向预制微裂缝，确定水力压裂主裂缝的起裂位置和扩展路径：借助水力射孔装置6，对降滤固结后的煤体3实施定向预制微裂缝7，根据设计方案和前期降滤效果，调整射孔位置和角度至预期压裂位置后开展水力射孔作业，确定高压压裂液能量释放的突破位点，为下一步水力压裂主裂缝9的定向起裂、扩展做好准备；

S3启动水力压裂造缝，高压压裂液沿预制微裂缝侵入煤体：由于实施水力压裂前压裂段煤体3的滤失性已经得到改善，在启动水力压裂后，压裂段内蓄积高压能量的压裂液8沿预制微裂缝7定向起裂、扩展，形成压裂开度更广、延展距离更远的水力压裂主裂缝9，实现定向压裂增透促产的目标；

S4利用支撑剂与井筒附近降滤剂之间的斥力，推动支撑剂高效铺至井筒远端裂缝：在支撑剂2中加入与降滤剂1同性的极性材料，使得二者具备同性相斥的特性，在支撑剂2随压裂液8泵入水力压裂主裂缝9的过程中，利用支撑剂2与井筒附近降滤剂1之间的斥力，推动支撑剂2向井筒远端裂缝运移，完成对水力压裂主裂缝9的有效支撑，解决了支撑剂2在井筒近端裂缝堆积而无法远距离输运的难题；

所述的煤体降滤固结-定向蓄能压裂增透方法，包括降滤剂1、支撑剂2、煤体3、压裂管路4、水力射孔装置6和压力传感器，将降滤剂1预先注入压裂段煤体3周围的孔-裂隙5内，实时监测降滤剂1的注入压力，控制降滤剂1的注入频率和注入速率，当监测到注入压力达到煤体3破裂压力的80％-90％时，维持降滤剂1的注入压力不变，防止煤体3因降滤剂1注入压力过高而破坏，当再次监测到压力升高时，停止注入并抽出井筒内残余的降滤剂1，静置一段时间，等待降滤剂1生效后检测煤体3的降滤固结效果，若煤体3的抗压强度可满足水力压裂的基本力学条件，则利用水力射孔装置6对降滤固结后的煤体3实施定向预制微裂缝7，确定后期水力压裂主裂缝9的扩展走向，启动水力压裂造缝，积聚的高压压裂液8沿着预制微裂缝7侵入煤体3，将预制微裂缝7定向拓宽并延伸至井筒远端，形成水力压裂主裂缝9，此时，与降滤剂1携带相同极性材料的支撑剂2随着压裂液8流入水力压裂主裂缝9，支撑剂2与降滤剂1之间产生的斥力推动支撑剂2向井筒远端裂缝运移，达成高压起裂、定向扩展和远端深入的水力造缝目标，进而提升了煤体增透促产的效果。

所述的降滤剂1具备低密度、高流动性和强滞留能力的特点，低密度材料的流动性和渗透性俱佳，扩大煤体3的降滤固结范围；高流动性助力降滤剂1在注入过程中的降阻提速，促使降滤剂1快速作用于高滤失位点；强滞留能力是维持长期降滤效果，避免降滤剂1返流失效而煤体3滤失性能持续恶化，影响后期高压水力压裂增透效果。

所述的水力射孔装置6是应用于煤体3上的定点破坏，目的在于引导水力压裂主裂缝9沿设计延伸方向扩展，根据降滤后的煤体强度、裂缝发育特点及地应力分布特征，结合实际施工情况及储层改造需求，精准设定射孔位置和定向压裂方位角，同时，采用钻孔监测或微震方法监测预制微裂缝7的开裂宽度和延伸长度，确定预制微裂缝7的开裂程度达到下一步工作的要求。

所述的支撑剂2在压裂液8中受到的水力压力高于支撑剂2与降滤剂1之间的斥力，在高压作用下支撑剂2先顺利流入水力压裂主裂缝9，再利用支撑剂2与降滤剂1之间产生的斥力延长支撑剂2的输运距离。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。