本發(fā)明涉及礦產(chǎn)開采，特別是涉及一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法。

背景技術(shù)：

1、隨著煤礦開采活動的日益加劇，礦井作業(yè)逐漸深入地下更深層，導致沖擊地壓災害問題愈發(fā)嚴重。特別是在這些深部的礦井中，經(jīng)常存在著一層乃至多層堅硬且厚度大的巖層。厚硬巖層通過傳遞應力、結(jié)合構(gòu)造應力以及煤層的相互作用，加劇了煤巖體內(nèi)靜載荷的積聚，為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了必要的靜載條件。隨著工作面的持續(xù)推進，采空區(qū)形成了懸空頂板。這些堅硬頂板在發(fā)生滑動、坍塌時，會釋放出強烈的地震波，以動載的形式擴散，促進了沖擊地壓的發(fā)生。在防治堅硬頂板引發(fā)的沖擊地壓中，首要任務是有效控制厚硬頂板的斷裂過程。國內(nèi)眾多學者已針對堅硬頂板破斷誘發(fā)沖擊地壓方面開展了深入研究，在致災機理、防治措施等方面取得了眾多成果。

2、水力壓裂技術(shù)的起源是在油氣田行業(yè)增產(chǎn)目的運用，其作用機理是指將壓裂液通過液壓泵泵入目的層，使得在目的層中產(chǎn)生延伸的裂縫。目前水力壓裂技術(shù)作為一種卸壓技術(shù)在煤礦堅硬巖層防沖治理中發(fā)揮了巨大的作用，而常規(guī)水力壓裂技術(shù)在巖層中存在濾失大，造縫效果差的問題。液氮壓裂是一種相對較新的非常規(guī)致裂技術(shù)，液氮壓裂不會引起黏土膨脹，更易產(chǎn)生復雜縫網(wǎng)，且成本更低。同時，液氮的溫度極低（-195.8℃），與巖層接觸后，可在巖石內(nèi)部形成極高的熱應力，產(chǎn)生熱損傷裂縫，從而改善巖層壓裂效果。

3、本發(fā)明基于常規(guī)水力壓裂技術(shù)的缺點和液氮低溫致裂特性，擬提出一種水力壓裂和液氮進行巖層循環(huán)凍融劣化的新思路，以達到致裂、軟化堅硬巖層，降低沖擊地壓發(fā)生的風險。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：本發(fā)明提供一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，包括如下步驟：

3、s1,水平井施工，鉆設兩口水平井，水平井按照總體三開井身結(jié)構(gòu)，依次完成一開、二開、三開鉆井工程，安裝井口，通井、刮管、洗井，安裝壓裂井口并試壓；

4、s2,壓裂液、支撐劑、液氮準備；

5、s3,第一段射孔；

6、s4,第一段壓裂及泵送橋塞射孔聯(lián)作裝置準備；

7、s5,第一段循環(huán)壓裂，試壓并持續(xù)用壓力表精確記錄壓力變化，打開壓裂液井口閘門，以預設的排量試擠，水力壓裂過程結(jié)束后，立即換液氮閥門，打開壓裂液井口閘門，開啟對巖層的液氮冰凍致裂，支撐劑與液氮混合泵送至壓裂鉆孔中，觀察地層吸液情況；

8、s6,第二段泵送橋塞射孔及循環(huán)壓裂；

9、s7，第三段到最后一段泵送橋塞射孔及循環(huán)壓裂；

10、s8，裂縫監(jiān)測；

11、s9，壓后排液、封孔、井口處理。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s2中，壓裂液選低傷害高粘活性膠壓裂液體，選擇顆粒裂縫復合暫堵劑和粉末裂縫復合暫堵劑組合式加入；支撐劑選100目石英砂打磨炮眼及降濾，40/70目石英砂支撐主裂縫。

13、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s4的具體過程為：

14、s41，根據(jù)井場條件擺放壓裂施工車組、泵送橋塞施工車組；

15、s42，連接地面高、低壓管匯；

16、s43，壓裂高壓管線采用雙管線方式連接到井口壓裂頭；泵送橋塞高壓管線單獨連接至壓裂井口；

17、s44，組裝防噴控制系統(tǒng)，確認井口主閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，安裝防噴系統(tǒng)變徑法蘭，依次連接液壓單閘板剪切防噴器，液壓三閘板電纜防噴器、防噴管、防噴控制頭，正確連接各條工作管線，并安裝壓力表；

18、s45，檢查防噴管密封面并涂抹密封脂，依次將防噴管連接起來，電纜分別穿過防噴控制頭和防噴管；

19、s46，制作電纜頭，連接馬龍頭。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s6中，第二段泵送橋塞射孔及循環(huán)壓裂的具體過程包括：

21、s61，將連接好的防噴管和試壓管串吊至井口，與井口防噴器可靠連接，試壓，試壓完畢釋放井口壓力，排出防噴管液體，拆卸防噴管，拆卸試壓管串，連接泵送橋塞管串；

22、s62，下入泵送橋塞射孔聯(lián)作管串，電纜下井；

23、s63，坐封橋塞；

24、s64，射孔；

25、s65，起出電纜，關(guān)井，卸壓；

26、s66，投壓裂球，開始實施第二段循環(huán)壓裂施工。

27、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s61中，試壓的具體過程為包括：

28、s611，啟動泵車小排量注滿防噴管匯，緩慢起壓至15-20mpa；

29、s612，觀察回脂管線有無氣體或液體溢出，發(fā)現(xiàn)有溢出后開啟遠程注脂系統(tǒng)，注脂壓力到40mpa；

30、s613，逐漸提高泵車壓力至50mpa，注脂壓力根據(jù)井口壓力進行調(diào)節(jié)，起壓過程中注意觀察防噴裝置的滲漏情況；

31、s614，試壓到50mpa穩(wěn)壓5min不滲漏，試壓完畢。

32、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s66中，投入壓裂球前后各用10方清水頂替。

33、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s8中，對全部壓裂井段進行監(jiān)測，工作面使用拾震器、微震探頭，分別布置在運輸巷和回風巷的不同里程，以獲得人工壓裂裂縫的方位、長度、高度、產(chǎn)狀等信息。

34、根據(jù)本發(fā)明提供的水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，s9中，壓后排液、封孔、井口處理的具體過程包括如下步驟：

35、s91，最后一段壓裂結(jié)束后，關(guān)井壓力擴散2小時；

36、s92，以2mm油嘴進行放噴，觀察監(jiān)控壓力、液量、氣量變化；

37、s93，逐漸增大油嘴尺寸，增大幅度為1mm，每個油嘴尺寸排液時間不短于24小時，如果發(fā)現(xiàn)返排液中含砂量顯著增加，則及時調(diào)整油嘴尺寸；

38、s94，待井口壓力擴散到1mpa時控制，下入排水設備，進行排水作業(yè)；

39、s95，排水完成后，對著陸點至井口井段進行封閉；

40、s96，封孔完成后，下挖2m，進行地埋處理；

41、s97，井口處理完成后，恢復井場地形地貌。

42、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

43、本發(fā)明中液氮壓裂液進入巖層后會在注入初期保持極低的溫度，裂縫周圍的煤巖會受到極大的冷沖擊作用，從而產(chǎn)生極高的熱應力。這種熱應力可以對巖石產(chǎn)生明顯的致裂作用，而且液氮的低溫冷凍，煤層中的水會凍結(jié)成冰。該相變過程中的體積膨脹會增大孔隙和天然裂縫的體積，提高了壓裂效果。

技術(shù)特征：

1.一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s2中，壓裂液選低傷害高粘活性膠壓裂液體，選擇顆粒裂縫復合暫堵劑和粉末裂縫復合暫堵劑組合式加入；支撐劑選100目石英砂打磨炮眼及降濾，40/70目石英砂支撐主裂縫。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s4的具體過程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s6中，第二段泵送橋塞射孔及循環(huán)壓裂的具體過程包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s61中，試壓的具體過程為包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s66中，投入壓裂球前后各用10方清水頂替。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s8中，對全部壓裂井段進行監(jiān)測，工作面使用拾震器、微震探頭，分別布置在運輸巷和回風巷的不同里程，以獲得人工壓裂裂縫的方位、長度、高度、產(chǎn)狀等信息。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，其特征在于，s9中，壓后排液、封孔、井口處理的具體過程包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種水力壓裂聯(lián)合循環(huán)凍融劣化厚硬巖層防沖方法，包括如下步驟：S1,水平井施工；S2,壓裂液、支撐劑、液氮準備；S3,第一段射孔；S4,第一段壓裂及泵送橋塞射孔聯(lián)作裝置準備；S5,第一段循環(huán)壓裂，打開壓裂液井口閘門，以預設的排量試擠，水力壓裂過程結(jié)束后，立即換液氮閥門，打開壓裂液井口閘門，開啟對巖層的液氮冰凍致裂，支撐劑與液氮混合泵送至壓裂鉆孔中，觀察地層吸液情況；S6,第二段泵送橋塞射孔及循環(huán)壓裂；S7，第三段到最后一段泵送橋塞射孔及循環(huán)壓裂；S8，裂縫監(jiān)測；S9，壓后排液、封孔、井口處理。本發(fā)明提出一種水力壓裂和液氮進行巖層循環(huán)凍融劣化的新思路，降低沖擊地壓發(fā)生的風險。

技術(shù)研發(fā)人員：李連剛,于元林,趙振中,郭紫金,郭康,彭俊豪,劉洋,王秋雨,顧鵬翔,季明
受保護的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15