CN113006796B - 煤与接触共生油页岩压裂共采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤与接触共生油页岩压裂共采方法，通过在共采工作面靠近煤层顶板处斜向前方施工一排平行的压裂钻孔，压裂钻孔贯穿煤层上方的直接顶油页岩并延伸至上方的老顶岩层中，并设置脉冲压裂系统在直接顶油页岩产生脉冲压裂缝网、恒排量定向压裂系统在老顶岩层产生定向水压裂缝。共采支架尾梁处设放岩口，采煤机割煤通过前刮板输送机运输；架后垮落的直接顶油页岩从放岩口放出，并通过后刮板输送机运输。本发明提出了“直接顶油页岩脉冲压裂破碎+老顶定向压裂诱导矿压破岩”的煤层直接顶油页岩压裂弱化控制思路，充分破碎直接顶油页岩，显著改善上层油页岩的冒放性，降低油页岩冒落块度，达到从架后放岩口放出的块度要求。
Description
技术领域
本发明涉及矿山开采技术领域，具体涉及一种煤与接触共生油页岩压裂共采方法。
背景技术
中国已探明的大量矿床中，单一矿种的矿床相对较少，大部分都有一种或多种共伴生矿产。煤系又称含煤地层、含煤建造，是一套含有煤层并有成因联系的沉积岩系。煤系矿产资源指含煤地层中有成因联系的所有矿产资源，包括煤和煤系共伴生矿产。传统煤矿仅开采煤炭资源，对煤系共伴生矿产资源考虑较少或没有考虑，导致极大的矿产资源浪费。尤其是对于煤层上部直接赋存另外一种矿产资源的情况，如延安禾草沟煤矿、哈尔滨依兰矿区等煤层直接顶为油页岩，煤与煤系共伴生资源协调开采问题更加突出。
对于煤层直接顶为油页岩的情况，如果先开采下部煤层，上部直接顶油页岩会随着煤层的开采而破断垮落，破坏了油页岩的赋存状态，导致油页岩无法采出；如果先开采上部油页岩，则会破碎煤层直接顶，下部煤层开采时难以布置开采系统，导致煤炭资源无法采出。在现有开采技术条件下只能根据资源开采价值开采其中一种资源，而浪费另外一种资源。因此，需研发煤与接触共生油页岩共采方法，提高资源采出率。
针对煤与接触共生直接顶油页岩共采问题，可借鉴煤矿放顶煤开采技术，即开采煤层的同时，将煤层上部直接顶油页岩采用放顶煤的方法从架后放出，通过两套运输系统运输至地面。但由于油页岩相对煤层较硬，随着煤层的开采，架后直接顶油页岩难以及时冒落，且冒落块度大，会导致采出率极低。因此，采用放顶煤的形式进行煤与接触共生直接顶油页岩共采的核心关键技术难题是如何快速充分破岩，使得架后直接顶油页岩及时充分冒落，且冒落块度减小。
水力致裂弱化煤岩体的原理是利用钻孔水压力改变孔边岩体的应力状态，导致孔边起裂和裂缝扩展，进而利用裂隙水压力，控制水压裂缝的扩展。通过水压主裂缝和翼型分支裂纹的扩展实现对煤岩体结构改造，弱化煤岩体的整体力学特性；同时改善煤岩体的渗透性能，水通过裂隙向煤岩体内部渗透，导致煤岩体的含水量增大，从而弱化煤岩体的强度。
定向压裂是通过预割缝等定向措施，引导水压裂缝定向起裂并扩展，在岩体中形成一条沿预定方向的水压裂缝，实现对岩体的定向破裂，是一种安全高效的定向破岩技术。脉冲压裂是通过高频脉冲的泵注形式，利用脉冲疲劳冲击作用，在岩体中产生不受地应力控制的水压裂缝网络，充分破碎岩体，是一种安全高效的岩石破碎技术。
发明内容
针对煤与接触共生直接顶油页岩独立开采存在的相互影响及资源浪费等矛盾，以及共采时油页岩及时充分破碎的难题，本发明提出一种煤与接触共生油页岩压裂共采方法，采用共采液压支架，支架尾梁处设有放岩口，配套两部刮板输送机，采煤机割煤通过前刮板输送机运输；架后垮落的直接顶油页岩从放岩口放出，并通过后刮板输送机运输。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤与接触共生油页岩压裂共采方法，包括如下步骤：
S1：在共采工作面安装共采支架，共采支架下方从前往后依次安装采煤机、前刮板输送机、后刮板输送机；在回采巷道安装并调试脉冲压裂高压泵及恒排量压裂高压泵；脉冲压裂高压泵、恒排量压裂高压泵分别通过高压胶管与三通阀的第一、第二阀口连接，三通阀第三阀口通过高压胶管与变接头一端连接，脉冲压裂高压泵与三通阀第一阀口之间的高压胶管上设有第一开关阀，恒排量压裂高压泵与三通阀第二阀口之间的高压胶管上设有第二开关阀，三通阀第三阀口与变接头之间的高压胶管上设有泄压阀；
S2：在共采工作面靠近煤层顶板处斜向前方施工一排平行的压裂钻孔，压裂钻孔贯穿煤层上方的直接顶油页岩并延伸至直接顶油页岩上方的老顶岩层中，压裂钻孔倾角为45°～75°，压裂钻孔直径为32mm～75mm，压裂钻孔间距根据煤层顶板力学性质确定；
S3：变接头远离高压胶管的一端连接安装杆，安装杆远离变接头的一端连接下方脉冲压裂封隔器，下方脉冲压裂封隔器通过细钢管连接上方脉冲压裂封隔器，上、下方脉冲压裂封隔器分别通过封孔高压细软管与手压泵连接，通过安装杆将下方脉冲压裂封隔器、细钢管、上方脉冲压裂封隔器送入直接顶油页岩设计压裂位置；
S4：通过手压泵分别使上、下方脉冲压裂封隔器膨胀封孔，然后打开第一开关阀、关闭第二开关阀和泄压阀，开启脉冲压裂高压泵进行直接顶油页岩脉冲压裂；
S5：脉冲压裂15～20min或煤层表面出汗4～6min时，关闭脉冲压裂高压泵，打开泄压阀卸除压力，然后通过安装杆将下方脉冲压裂封隔器、细钢管、上方脉冲压裂封隔器从压裂钻孔退出，并拆除安装杆与下方脉冲压裂封隔器之间的连接；
S6：安装杆远离变接头的一端连接定向压裂封孔器，定向压裂封孔器通过封孔高压细软管与手压泵连接，通过安装杆将定向压裂封孔器送入老顶岩层中；
S7：通过手压泵使定向压裂封孔器膨胀封孔，然后打开第二开关阀、关闭第一开关阀和泄压阀，开启恒排量压裂高压泵进行老顶岩层恒排量定向压裂；
S8：恒排量定向压裂15～20min或煤层表面出汗4～6min时，关闭恒排量压裂高压泵，打开泄压阀卸除压力，然后通过安装杆将定向压裂封孔器从压裂钻孔退出，并拆除安装杆与定向压裂封孔器之间的连接；
S9：在所有压裂钻孔中分别执行步骤S3～S8，直至完成所有压裂钻孔的压裂，并根据压裂弱化范围确定压裂步距；
S10：压裂结束后，采煤机开始割煤；
S11：采煤机割煤后共采支架立即伸出前探梁支护新暴露的上方直接顶油页岩；采煤机通过后，向前移动共采支架，并伸出护帮板护住前方煤壁；
S12：向前移动前刮板输送机，并保证前刮板输送机移动后呈直线状；
S13：根据直接顶油页岩厚度及其破碎程度，确定放岩步距，将破碎的油页岩从共采支架尾梁处设置的放岩口放出；
S14：放完上方直接顶油页岩后向前移动后刮板输送机；
S15：重复步骤S10～S14，直至采煤工作面推进长度达到压裂步距，结束本轮煤与接触共生油页岩共采；
S16：重复步骤S2～S15，直至回采结束。
优选地，步骤S4中脉冲压裂高压泵产生的高压水依次通过高压胶管、三通阀、高压胶管、变接头、安装杆、下方脉冲压裂封隔器进入细钢管，并通过细钢管周向上均布的小孔作用于直接顶油页岩。
优选地，步骤S7中恒排量压裂高压泵产生的高压水依次通过高压胶管、三通阀、高压胶管、变接头、安装杆进入定向压裂封孔器与压裂钻孔孔底之间的空间，并作用于老顶岩层。
优选地，压裂钻孔倾角为60°，压裂钻孔直径为32mm，压裂钻孔间距9m。
优选地，压裂步距为压裂钻孔水平投影长度的0.8～1.0倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提出了煤与接触共生油页岩压裂共采方法，在煤层开采的同时，将煤层上方直接顶油页岩从共采液压支架尾梁的放岩口放出，实现煤与共伴生油页岩的共采，提高了矿产资源的采出率，避免了资源浪费。
(2)本发明提出了“直接顶油页岩脉冲压裂破碎+老顶定向压裂诱导矿压破岩”的煤层直接顶油页岩压裂弱化控制思路。通过脉冲压裂，在直接顶油页岩中产生大范围的水压裂缝网络，充分切割直接顶油页岩，改造直接顶油页岩的结构，同时降低其强度；然后通过定向水力压裂切断老顶岩层，使其重量直接作用于直接顶油页岩上，诱导矿压破岩。此外，通过脉冲压裂产生大范围的水压裂缝网络弱化煤层直接顶油页岩整体力学特性的同时，又可以改变油页岩的渗透性能，使其充分吸水湿润，进一步弱化油页岩强度。通过上述三个方面的综合作用，充分破碎直接顶油页岩，显著改善上层油页岩的冒放性，降低油页岩冒落块度，达到从架后放岩口放出的块度要求。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为煤与接触共生油页岩压裂共采平面图；
图2为图1Ⅰ-Ⅰ处的剖面图；
图3为脉冲压裂封孔示意图；
图4为恒排量定向压裂封孔示意图；
图5为脉冲压裂系统连接示意图；
图6为恒排量定向压裂系统连接示意图。
图中：1、共采工作面；2、回采巷道；3、共采支架；4、架后采空区；5、煤层；6、直接顶油页岩；7、老顶；8、底板；9、采煤机；10、前刮板输送机；11、后刮板输送机；12、放岩口；13、压裂钻孔；14、脉冲压裂缝网；15、定向水压裂缝；16-1、下方脉冲压裂封隔器；16-2、上方脉冲压裂封隔器；17、定向压裂封孔器；18、封孔高压细软管；19、安装杆；20、变接头；21、泄压阀；22、高压胶管；23、三通阀；24、第一开关阀；25、第二开关阀；26、脉冲压裂高压泵；27、恒排量压裂高压泵；28、手压泵；29-细钢管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
如图1-图6所示，以陕西某矿为例详细说明煤与接触共生油页岩压裂共采方法的实施过程。该矿所采煤层结构单一稳定，平均煤厚3.24m，直接顶为灰黑色油页岩，平均厚度为4.04m，老顶为灰白色细粒砂岩，平均厚度为3.07m。由于油页岩品味较高，且直接赋存于煤层上方，因此，可考虑煤与油页岩共采。
具体实施步骤如下：
S1：在共采工作面1安装共采支架3，共采支架3下方从前往后依次安装采煤机9、运输煤的前刮板输送机10、运输油页岩的后刮板输送机11；在回采巷道2安装并调试脉冲压裂高压泵26及恒排量压裂高压泵27；脉冲压裂高压泵26、恒排量压裂高压泵27分别通过高压胶管22与三通阀23的第一、第二阀口连接，三通阀23第三阀口通过高压胶管22与变接头20一端连接，脉冲压裂高压泵26与三通阀23第一阀口之间的高压胶管22上设有第一开关阀24，恒排量压裂高压泵27与三通阀23第二阀口之间的高压胶管22上设有第二开关阀25，三通阀23第三阀口与变接头20之间的高压胶管22上设有泄压阀21；
S2：在共采工作面1靠近煤层5顶板处斜向前方施工一排平行的压裂钻孔13，压裂钻孔13贯穿煤层5上方的直接顶油页岩6并延伸至直接顶油页岩6上方的老顶岩层7中，压裂钻孔13倾角为60°，压裂钻孔13直径为32mm，压裂钻孔13间距9m；钻孔深度11m；
S3：变接头20远离高压胶管22的一端连接安装杆19，安装杆19远离变接头20的一端连接下方脉冲压裂封隔器16-1，下方脉冲压裂封隔器16-1通过细钢管29连接上方脉冲压裂封隔器16-2，上、下方脉冲压裂封隔器分别通过封孔高压细软管18与手压泵28连接，通过安装杆19将下方脉冲压裂封隔器16-1、细钢管29、上方脉冲压裂封隔器16-2送入直接顶油页岩6设计压裂位置；
S4：通过手压泵28分别使上、下方脉冲压裂封隔器膨胀封孔，然后打开第一开关阀24、关闭第二开关阀25和泄压阀21，开启脉冲压裂高压泵26进行直接顶油页岩6脉冲压裂；脉冲压裂高压泵26产生的高压水依次通过高压胶管22、三通阀23、高压胶管22、变接头20、安装杆19、下方脉冲压裂封隔器16-1进入细钢管29，并通过细钢管29周向上均布的小孔作用于直接顶油页岩6产生脉冲压裂缝网14；
S5：脉冲压裂15～20min或煤层5表面出汗4～6min时，关闭脉冲压裂高压泵26，打开泄压阀21卸除压力，然后通过安装杆19将下方脉冲压裂封隔器16-1、细钢管29、上方脉冲压裂封隔器16-2从压裂钻孔13退出，并拆除安装杆19与下方脉冲压裂封隔器16-1之间的连接；
S6：安装杆19远离变接头20的一端连接定向压裂封孔器17，定向压裂封孔器17通过封孔高压细软管18与手压泵28连接，通过安装杆19将定向压裂封孔器17送入老顶岩层7中；
S7：通过手压泵28使定向压裂封孔器17膨胀封孔，然后打开第二开关阀25、关闭第一开关阀24和泄压阀21，开启恒排量压裂高压泵27进行老顶岩层7恒排量定向压裂；恒排量压裂高压泵27产生的高压水依次通过高压胶管22、三通阀23、高压胶管22、变接头20、安装杆19进入定向压裂封孔器17与压裂钻孔13孔底之间的空间，并作用于老顶岩层7产生定向水压裂缝15；
S8：恒排量定向压裂15～20min或煤层5表面出汗4～6min时，关闭恒排量压裂高压泵27，打开泄压阀21卸除压力，然后通过安装杆19将定向压裂封孔器17从压裂钻孔13退出，并拆除安装杆19与定向压裂封孔器17之间的连接；
S9：在所有压裂钻孔13中分别执行步骤S3～S8，直至完成所有压裂钻孔13的压裂，并根据压裂弱化范围确定压裂步距；压裂步距为压裂钻孔13水平投影长度的0.8～1.0倍。
S10：压裂结束后，采煤机9开始割煤；
S11：采煤机9割煤后共采支架3立即伸出前探梁支护新暴露的上方直接顶油页岩6；采煤机9通过后，向前移动共采支架3，并伸出护帮板护住前方煤壁；
S12：向前移动前刮板输送机10，并保证前刮板输送机10移动后呈直线状；
S13：根据直接顶油页岩6厚度及其破碎程度，确定放岩步距，将破碎的油页岩从共采支架3尾梁处设置的放岩口12放出；
S14：放完上方直接顶油页岩6后向前移动后刮板输送机11；
S15：重复步骤S10～S14，直至采煤工作面推进长度达到压裂步距，结束本轮煤与接触共生油页岩共采；
S16：重复步骤S2～S15，直至回采结束。
本发明提出了煤与接触共生油页岩压裂共采方法，在煤层开采的同时，将煤层上方直接顶油页岩从共采液压支架尾梁的放岩口放出，实现煤与共伴生油页岩的共采，提高了矿产资源的采出率，避免了资源浪费。本发明提出了“直接顶油页岩脉冲压裂破碎+老顶定向压裂诱导矿压破岩”的煤层直接顶油页岩压裂弱化控制思路。通过脉冲压裂，在直接顶油页岩中产生大范围的水压裂缝网络，充分切割直接顶油页岩，改造直接顶油页岩的结构，同时降低其强度；然后通过定向水力压裂切断老顶岩层，使其重量直接作用于直接顶油页岩上，诱导矿压破岩。此外，通过脉冲压裂产生大范围的水压裂缝网络弱化煤层直接顶油页岩整体力学特性的同时，又可以改变油页岩的渗透性能，使其充分吸水湿润，进一步弱化油页岩强度。通过上述三个方面的综合作用，充分破碎直接顶油页岩，显著改善上层油页岩的冒放性，降低油页岩冒落块度，达到从架后放岩口放出的块度要求。
Claims (4)
1.一种煤与接触共生油页岩压裂共采方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在共采工作面（1）安装共采支架（3），共采支架（3）下方从前往后依次安装采煤机（9）、前刮板输送机（10）、后刮板输送机（11）；在回采巷道（2）安装并调试脉冲压裂高压泵（26）及恒排量压裂高压泵（27）；脉冲压裂高压泵（26）、恒排量压裂高压泵（27）分别通过高压胶管（22）与三通阀（23）的第一、第二阀口连接，三通阀（23）第三阀口通过高压胶管（22）与变接头（20）一端连接，脉冲压裂高压泵（26）与三通阀（23）第一阀口之间的高压胶管（22）上设有第一开关阀（24），恒排量压裂高压泵（27）与三通阀（23）第二阀口之间的高压胶管（22）上设有第二开关阀（25），三通阀（23）第三阀口与变接头（20）之间的高压胶管（22）上设有泄压阀（21）；
S2：在共采工作面（1）靠近煤层（5）顶板处斜向前方施工一排平行的压裂钻孔（13），压裂钻孔（13）贯穿煤层（5）上方的直接顶油页岩（6）并延伸至直接顶油页岩（6）上方的老顶岩层（7）中，压裂钻孔（13）倾角为45°~75°，压裂钻孔（13）直径为32mm~75mm，压裂钻孔（13）间距根据煤层（5）顶板力学性质确定；
S3：变接头（20）远离高压胶管（22）的一端连接安装杆（19），安装杆（19）远离变接头（20）的一端连接下方脉冲压裂封隔器（16-1），下方脉冲压裂封隔器（16-1）通过细钢管（29）连接上方脉冲压裂封隔器（16-2），上、下方脉冲压裂封隔器分别通过封孔高压细软管（18）与手压泵（28）连接，通过安装杆（19）将下方脉冲压裂封隔器（16-1）、细钢管（29）、上方脉冲压裂封隔器（16-2）送入直接顶油页岩（6）设计压裂位置；
S4：通过手压泵（28）分别使上、下方脉冲压裂封隔器膨胀封孔，然后打开第一开关阀（24）、关闭第二开关阀（25）和泄压阀（21），开启脉冲压裂高压泵（26）进行直接顶油页岩（6）脉冲压裂；脉冲压裂高压泵（26）产生的高压水依次通过高压胶管（22）、三通阀（23）、高压胶管（22）、变接头（20）、安装杆（19）、下方脉冲压裂封隔器（16-1）进入细钢管（29），并通过细钢管（29）周向上均布的小孔作用于直接顶油页岩（6）；
S5：脉冲压裂15~20min或煤层（5）表面出汗4~6min时，关闭脉冲压裂高压泵（26），
打开泄压阀（21）卸除压力，然后通过安装杆（19）将下方脉冲压裂封隔器（16-1）、细钢管（29）、上方脉冲压裂封隔器（16-2）从压裂钻孔（13）退出，并拆除安装杆（19）与下方脉冲压裂封隔器（16-1）之间的连接；
S6：安装杆（19）远离变接头（20）的一端连接定向压裂封孔器（17），定向压裂封孔器（17）通过封孔高压细软管（18）与手压泵（28）连接，通过安装杆（19）将定向压裂封孔器（17）送入老顶岩层（7）中；
S7：通过手压泵（28）使定向压裂封孔器（17）膨胀封孔，然后打开第二开关阀（25）、关闭第一开关阀（24）和泄压阀（21），开启恒排量压裂高压泵（27）进行老顶岩层（7）恒排量定向压裂；
S8：恒排量定向压裂15~20min或煤层（5）表面出汗4~6min时，关闭恒排量压裂高压泵（27），打开泄压阀（21）卸除压力，然后通过安装杆（19）将定向压裂封孔器（17）从压裂钻孔（13）退出，并拆除安装杆（19）与定向压裂封孔器（17）之间的连接；
S9：在所有压裂钻孔（13）中分别执行步骤S3~S8，直至完成所有压裂钻孔（13）的压裂，并根据压裂弱化范围确定压裂步距；
S10：压裂结束后，采煤机（9）开始割煤；
S11：采煤机（9）割煤后共采支架（3）立即伸出前探梁支护新暴露的上方直接顶油页岩（6）；采煤机（9）通过后，向前移动共采支架（3），并伸出护帮板护住前方煤壁；
S12：向前移动前刮板输送机（10），并保证前刮板输送机（10）移动后呈直线状；
S13：根据直接顶油页岩（6）厚度及其破碎程度，确定放岩步距，将破碎的油页岩从共采支架（3）尾梁处设置的放岩口（12）放出；
S14：放完上方直接顶油页岩（6）后向前移动后刮板输送机（11）；
S15：重复步骤S10~S14，直至采煤工作面推进长度达到压裂步距，结束本轮煤与接触共生油页岩共采；
S16：重复步骤S2~S15，直至回采结束。
2.根据权利要求1所述的煤与接触共生油页岩压裂共采方法，其特征在于：步骤S7中恒排量压裂高压泵（27）产生的高压水依次通过高压胶管（22）、三通阀（23）、高压胶管（22）、变接头（20）、安装杆（19）进入定向压裂封孔器（17）与压裂钻孔（13）孔底之间的空间，并作用于老顶岩层（7）。
3.根据权利要求1所述的煤与接触共生油页岩压裂共采方法，其特征在于：压裂钻孔（13）倾角为60°，压裂钻孔（13）直径为32mm，压裂钻孔（13）间距9m。
4.根据权利要求1所述的煤与接触共生油页岩压裂共采方法，其特征在于：压裂步距为压裂钻孔（13）水平投影长度的0.8~1.0倍。
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