水力压裂增透技术在兴安煤矿的应用

为了解决煤层透气性较低的问题,提高本煤层钻孔瓦斯抽采率,降低煤与瓦斯突出危险性,在兴安煤矿井下进行水力压裂增透现场试验。为确定合理的注水压力,对煤层水力压裂进行了力学分析,并利用数值模拟的方法计算出该煤层裂纹起裂临界水压为12.4 MPa。水力压裂现场试验结果表明:煤层压裂后瓦斯抽采浓度和流量均有明显提高。     

不同侧压系数和坚固性系数对煤层水力压裂的影响分析

利用RFPA2D-Flow版本数值模拟软件对不同侧压系数和不同坚固性系数下煤层水力压裂的起裂压力和裂缝扩展延伸规律进行了模拟研究。最后结合现场工业试验验证水力压裂效果,结果表明:压裂后煤层瓦斯抽采流量和浓度明显增加,透气性显著提高。     

高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究

为实现高瓦斯低渗透煤层煤与瓦斯安全高效共采的目标,提出煤层切槽致裂增透新技术。理论分析了水力切槽与脉冲水力压裂联合作用于煤体时应力场-损伤场的重构和裂隙网构建效应,建立了煤层内预制切槽导向水压致裂的卸压增透模型,分析了煤层切槽与水压致裂的应力损伤联控机制,获得了切槽煤层水压致裂下的裂纹扩展及渗透率演化规律,实现了切槽卸压场与水压致裂场的有效结合,控制了水力压裂裂隙扩展方向,破除了孔槽周围应力集中圈的瓶颈效应,提高了煤层内整体增透效果。     

水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术研究

为了增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯的利用率和抽采效率,提出了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术,分析了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透的爆破致裂机理,建立了在爆轰气体作用下的裂纹应力强度因子方程和裂纹二次扩展半径方程。运用RFPA2D-Flow模拟软件对水力压裂后孔壁周围煤岩体裂隙的产生过程与裂隙扩展规律进行模拟。利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析模拟软件对不同长度预裂缝影响深孔预裂爆破后瓦斯抽采增透效果的程度进行模拟。同时在阳泉五矿8410工作面开展了现场工业性试验,以此验证煤矿井下进行水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后的瓦斯抽采增透效果。结果表明:使用水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后煤层的透气性与常规的深孔预裂爆破相比有显著提高,致裂孔的初始瓦斯涌出量是普通爆破孔的3.18倍,瓦斯含量的衰减强度降低了77.3%。深孔预裂爆破的有效影响半径随着爆破孔内预裂缝长度的增加而提高,而且二者呈线性关系。该研究中采用复合爆破后的有效影响半径可达到6.98 m,与数值模拟结果得到的有效影响半径6.763 m相近。同时数值模拟与现场工业性试验的结果均证明:提出的水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术,能够有效增加煤岩层的透气性,提高瓦斯的抽采效率,为其他低渗透高瓦斯煤层的瓦斯抽采增透技术提供了参考。     

底抽巷穿层钻孔卸压增透技术研究

针对底抽巷穿层钻孔预抽效果差的问题,结合新景公司3煤坚固性系数小、埋深大、瓦斯含量高等特点,提出了利用底抽巷穿层预抽钻孔进行卸压增透的方法,分析了水力冲孔造穴卸压增透和CO_2气相预裂爆破卸压增透技术原理。通过现场试验,与原底抽巷穿层钻孔预抽对比分析,水力冲孔造穴和CO_2气相预裂增透技术卸压增透效果明显,取得了良好的瓦斯抽采效果,为新景公司3煤解决煤层条带瓦斯提供一种新的思路和方法。     

煤矿井下穿层水力压裂钻孔布置优化分析及应用

为解决重庆地区低透气性松软煤层瓦斯抽采的难题,提出煤矿井下穿层水力压裂技术,分析得出其增透主要是高压水在煤体裂隙尖端产生拉应力增高区促使原始裂隙扩展、次生裂隙形成的过程,借助数值模拟对不同孔距的穿层水力压裂煤体塑性破坏区随注入高压水压力的变化规律进行研究,得到重庆逢春煤矿7号煤层起裂压力为33~35 MPa,而延伸压力略低于起裂压力,拟合出不同孔径下水力压裂有效范围与注入高压水压力的指数曲线,并将研究成果应用于该矿底板巷瓦斯抽采工程。结果表明:水力压裂后煤层在走向、倾向上单孔压裂有效范围分别达到60 m和50 m,煤层透气性系数提高195~370倍,瓦斯抽采纯量提高3.5倍,瓦斯抽采浓度提高5倍。     

豫西“三软”煤层水力压裂增透技术研究

水力压裂卸压增透技术是提高单一、低渗、高突煤层煤巷掘进工作面瓦斯抽采效率、降低其突出危险性的有效方法之一。通过理论分析、数值计算、数理统计等方法,对豫西"三软"煤层水力压裂后瓦斯抽采浓度、流量、起裂压力和裂缝形态等进行了研究。结果表明:水力压裂技术具有较好的增透效果,裂缝形态及起裂压力受地应力控制,该研究在相似瓦斯地质条件的矿区有良好的推广应用价值。     

低透气性煤层的点式水力压裂增透试验研究

针对煤层透气性低,抽采效果不佳的问题,开展水力压裂增透试验。利用数值模拟软件模拟单孔和三孔孔压裂情况下的起裂压力和裂纹扩展规律。基于数值模拟研究结果,确定水力压裂现场试验工艺参数,利用点式水力压裂装置进行了压裂试验。压裂后试验结果表明:煤层的透气性系数、单孔抽采量、抽采浓度分别是压裂前的18.9倍、2倍和2倍。     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。     

定向水力压裂增透消突技术研究与应用

针对低透气性突出煤层瓦斯抽采难的问题，提出了定向水力压裂增透消突技术。在研究低渗煤体水压致裂机理的基础上，采用FLAC^3D数值模拟软件分析了煤体应力和位移变化情况，揭示了定向水力压裂区域整体卸压机理。对比压裂前后的各项试验参数，认为定向压裂增透消突技术能够达到消突、增透和降尘的效果，增加了瓦斯抽采量，提高了掘进速度，最终实现了煤与瓦斯安全高效共采。     

注水压力对低透气性煤层水力压裂增透效果影响研究

对于低透气性煤层瓦斯瓦斯抽采难度加大问题，采用了水力压裂对煤层进行增透，与之同时，水力压裂中注水压力是一个控制压裂效果的关键参数之一。采用数值模拟方研究平煤十二矿己15-31040工作面煤巷条带区域注水压力煤层水力压裂效果的影响。从模拟结果可以看出，随着注水压力的增加，压裂影响半径亦随之增大。当注水压力增大到一定范围，注水压力的增大对压裂增透效果的影响意义不大。将数值模拟结果应用于现场实际工程中，在压裂施工中，未发生压裂事故，而且巷道顶板保持完好。压裂后本煤层瓦斯衰减系数原始区域减小了13.3倍，透气性系数比原始区域增大了21.2倍，而且与之同时，煤层进行水力压裂后，瓦斯抽采浓度和纯量大幅度提升，单孔抽采浓度和纯量为未压裂区域的2.94倍及13.5倍，压裂增透效果明显。     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

水力压裂技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为了解决某煤矿低透气性煤层难抽采的问题,分析了水力压裂增透裂缝扩展规律以及煤层水力压裂卸压增透机理,采用PFPA-2D数值模拟软件,研究了单注水孔以及双注水孔的水力压裂过程中的裂缝扩展规律及煤体位移和应力变化规律,实现大范围裂隙网的形成、贯通和发育,提高了煤体的透气性。通过现场试验,实现了低透气性煤层卸压增透的目的,验证了低透气性煤层水力压裂增透技术的安全性、有效性和适用性。     

松软煤层穿层钻孔超高压水力压裂技术研究及应用

为了增大煤层透气性，提高煤层的瓦斯抽采效率，保障工作面的安全生产，在N3704西瓦斯巷设计了穿层钻孔超高压水力压裂实施方案，并对压裂效果进行初步考察。结果表明，通过在7号煤层进行煤岩合层压裂，得出压裂后瓦斯抽采纯量效率提高10倍以上，煤层由难以抽采煤层、可抽煤层变为易抽采煤层，煤层透气性系数提高50倍以上|同时，7号煤层在埋深750m条件下，水量达109.72m3时，压裂之后的抽采半径可以达到50～70m，提高瓦斯抽采效率，改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面。     

煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用

为了提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯的抽采效率,提出了煤层脉动水力压裂卸压增透技术,进行了不同压力、频率条件下型煤试样的脉动水力压裂实验,分析了脉动水作用下煤体的疲劳损伤破坏特点及高压脉动水楔致裂机理。研究结果表明：煤体原生裂隙在强烈的脉动水压力作用下,会在缝隙末端产生交变应力,使煤体裂隙孔隙产生“压缩-膨胀-压缩”的反复作用,煤体将产生疲劳损伤破坏,煤体内部裂隙弱面扩展、延伸,形成相互交织的贯通裂隙网络。工业性试验结果表明脉动水力压裂比普通水力压裂卸压增透效果明显,钻孔瓦斯抽采浓度和流量均有较大幅度提高。     

碎软低渗高突煤层井下长钻孔整体水力压裂增透工程实践

针对阳泉矿区碎软低渗高突煤层开展了井下长钻孔整体水力压裂增透技术的工程试验研究,工程实现了井下一次性整体压裂煤孔段长度达307 m,单孔注入水量达1 510 m3,最大注水压力达26.09 MPa。效果检测表明钻孔压裂影响半径最大达58 m,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,百米钻孔瓦斯流量衰减系数降低了55%,230 d内钻孔日抽采纯甲烷1 395~2 810 m~3,平均2 173 m~3,钻孔累计抽采纯甲烷50.86×10~4m~3,抽采瓦斯浓度为49.38%~83.70%,平均64.31%。分析认为:水力压裂能改善煤层裂隙和孔隙的连通性、降低煤层有效应力、提高煤层渗透率,注水能促进煤层瓦斯从吸附态向游离态转化,是煤层压裂后钻孔高效抽采瓦斯的关键,依据填砂堵缝压裂技术原理提出了碎软低渗煤层长钻孔整体水力压裂煤层裂隙开启、扩展和延伸机制。工程试验成果及认识可为井下长钻孔整体水力压裂增透高效抽采瓦斯提供借鉴。     

煤矿高压封闭水力压裂卸压增透技术应用研究

针对煤层水力压裂过程中存在的压裂水压小、设备能力低、封孔质量差等问题,结合煤层具体条件,从压裂钻孔高压封孔工艺、水力压裂系统设备、现场压裂工艺等方面对鹤壁十矿水力压裂卸压增透技术进行了优化研究。现场压裂试验结果显示:压裂导致煤体卸压增透的区域达到30 m左右,煤层渗透率显著增大;压裂试验后,现场实测煤层残存瓦斯含量以及通过含量反算的残存瓦斯压力均明显要低于防突规定中的突出临界指标值;且压裂试验后,最大抽采浓度较压裂试验前增加了6.30倍,日均单钻孔抽放量增加了17.5倍,抽采效果显著改善,改进后的水力压裂工艺达到了减少施工量、提高抽采率、降低煤层突出危险性的目的。     

深层变质岩潜山油藏区块整体压裂技术

S628区块为变质岩潜山储层,自然产能低或无自然产能,必须进行压裂改造才能获得工业油气流。由于储层埋深大,施工压力高,天然裂缝发育,压裂加砂异常困难。为了降低压裂施工风险,提高区块采收率,通过压前储层综合评价、压后产量综合影响因素分析、压裂设计参数优化等的研究,结合国内外类似岩性储层压裂改造经验,确定了区块整体压裂方案。该方案中确定了不同渗透率条件下的裂缝长度和导流能力,根据储层特点优选了压裂液体系,优化了前置液百分数、排量、加砂规模等关键参数,结合目标区块的物性条件变化特征,确定了科学合理的施工参数。S628区块累计实施压裂15井次,施工成功率100%,压后普遍取得良好效果,累计增油超过35万t。     

超临界CO_2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

超临界CO_2压裂作为新兴渗透率强化技术以其对煤岩储层独特的物理化学力学特性改造,以及对储层近乎零损伤的特点受到了研究者的广泛关注。本文通过分析对比不同压裂介质作用下煤岩体的起裂压力与时间、裂缝扩展规律及渗透率变化,结果发现,水力压裂的裂缝扩展形式单一;液态CO_2压裂的衍生裂隙发育程度不高;超临界CO_2压裂形成的层理裂隙与衍生裂隙复杂程度高。特别地,超临界CO_2压裂煤体起裂压力比水力压裂低约39.48%,起裂时间是水力压裂的1.2倍以上,渗透率变化量是水力压裂的3倍左右。总体而言,超临界CO_2对煤储层的物理化学及力学特性的改造,为煤储层致裂增渗、增产煤层气理论与技术取得突破性进展提供了新思路与方法。