[发明专利]一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法

权利要求书

1.一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：采集工作面上部坚硬厚岩层岩样样本，并测试被压裂目标岩层的物理力学性质及地应力状态：通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试，得到岩样的抗拉强度；

同时通过实验方法对待压裂岩层的地应力状态进行测试，得到目标岩层的铅锤应力及最大水平应力和最小水平应力；

步骤二：根据步骤一得到的目标岩层的铅锤应力和最大水平应力、最小水平应力，并根据回采巷道系统布置方式，设计压裂钻孔的实施方案；

所述步骤二中设计压裂钻孔实施方案的具体步骤如下：

步骤2.1：设置压裂钻孔主孔的钻孔布置形式；

步骤2.1.1：压裂钻孔主孔沿工作面走向贯穿整个回采区域上方坚硬顶板；

步骤2.1.2：压裂钻孔主孔在倾斜方向位于回采工作面中部，压裂钻孔主孔在垂直方向上压裂钻孔距离坚硬目标岩层底板的距离小于水力喷射压裂半径，即；

步骤2.1.3：当岩层整体厚度小于等于水力喷射压裂半径的2倍，则将压裂钻孔主孔的位置位于被压裂岩层的中部；

步骤2.2：设置压裂钻孔分支孔的钻孔布置形式：压裂钻孔分支孔间距根据顶板设计的周期垮落步距L确定，由于在主孔和分支孔都进行压裂，使得分支钻孔间距；

步骤2.3：设置压裂裂缝的布置形式：压裂裂缝的延伸方向垂直于钻孔走向，所需环空管水压力P满足，上式中：为抗拉强度，为钻孔方向正应力；

当钻孔设计为水平方向，钻孔方向正应力；

上式中：θ为钻孔与最大主应力夹角；

当钻孔方向在两个水平主应力夹角之内时，钻孔方向正应力的计算公式为：；

当钻孔方向在两个水平主应力夹角之外取时，钻孔方向正应力的计算公式为：；

步骤三：根据步骤二中设计的压裂钻孔的实施方案的压裂钻孔布置形式及钻孔方向，确定施工位置及钻孔实施工艺；

步骤四：根据步骤三的施工位置及钻孔工艺，确定压裂管分段水力压裂施工工艺完成坚硬目标岩层的整体压裂。

2.根据权利要求1所述的一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：所述步骤一中通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试的具体步骤如下：

步骤1.1：现场采取开采工作面上部的坚硬厚岩层岩样；

步骤1.2：通过实验方法对目标岩体的抗拉强度进行测试，所述实验方法包括直接拉伸法或劈裂法，所述直接拉伸法具体通过采用圆柱形试样，在试样的两端通过粘接或夹持的方式连接到拉伸试验机中，然后在试样的两端施加拉伸载荷，使试样产生拉伸破坏，从而得出试样的抗拉强度；所述劈裂法通过采用圆盘形试件，在试样的直径方向上施加载荷，使沿试样直径方向发生破坏，从而得出试样的抗拉强度；

所述圆柱形试样的高径比大于2:1，所述圆盘形试件的高径比为1:2。

3.根据权利要求2所述的一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：所述步骤三中施工位置及钻孔实施工艺的具体步骤如下：

步骤3.1：通过千米定向钻机在本煤层或近距离煤层的最下层煤采区准备巷道布置施工场地；

步骤3.2：根据钻杆的自然弯曲规律，采用带有弯角的螺杆马达设计开孔位置进行定向钻孔施工；

步骤3.3：现场技术人员根据设计轨迹及岩层具体状况实时调整螺杆钻具工具面向角，实现钻孔轨迹受控精确定向，使钻孔轨迹按照设计要求延伸至预定的目标层水平段，之后在坚硬岩层压裂部位保持水平；

步骤3.4：在完成主压裂钻孔施工后，采用后退式分支钻孔施工工艺，在规定的设计位置即步骤2.2中分支孔的钻孔布置形式进行分支钻孔施工，并完成冲孔排渣工作。

4.根据权利要求3所述的一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：所述步骤四中压裂管分段水力压裂施工工艺的具体步骤如下：

步骤4.1：分段压裂的施工工艺采用先分支孔后主孔的方式，实施方向采用后退式，采用水力喷射压裂工艺技术，联合完成水力喷射以及环空挤压；

步骤4.2：借助于水力喷射压裂，使岩层钻孔壁产生微裂缝，然后通过高压注水泵增加环空注水压力至设计水压；

步骤4.3：通过自动伸缩封孔器暂时封闭钻孔中被压裂钻孔段的前后部位，使产生的微裂缝得以扩展。