分支钻孔分段水力压裂技术研究及应用

结合定向钻机施工顶板分支孔及水力压裂大范围增透的优点,从技术改造和装备优选2方面着手,研究形成了顶板走向长钻孔分段水力压裂技术。在五阳煤矿应用效果证明:该技术体系运行稳定、可靠,平均单孔瓦斯抽采纯量提高了2倍以上,抽采浓度提高了30%以上,大幅度提高了煤层瓦斯抽采效果。     

特厚煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采技术及应用

为解决大佛寺煤矿特厚煤层透气性和瓦斯赋存差异性较大而导致的矿井抽掘采接替问题,提出“分段压裂延展裂隙+整体压裂沟通网络”的定向长钻孔水力压裂技术,通过增加煤层渗透性来提高矿井瓦斯抽采效率,并在40103工作面进行工程应用试验。共完成4个定向长钻孔分段水力压裂施工,累计压裂工程量2 190 m,最大泵注压力17.83 MPa,累计压裂注水量4 535 m³,总压裂时间10 853 min。相比于未压裂的预抽钻孔,压裂后瓦斯抽采浓度提高了2.20～4.22倍,百米抽采流量提高了4.93～11.03倍。试验结果表明,通过水力压裂后煤层渗透特性增加,瓦斯抽采效果显著提升,初步证实了长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术的适用性,为彬长矿区的矿井瓦斯高效抽采提供了技术支撑。     

煤矿井下定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术

为了提高煤矿井下单一低渗煤层瓦斯抽采效果,基于普通中、短钻孔水力压裂技术在瓦斯治理方面存在的弊端,结合煤储层地质条件和定向钻进技术特点,提出了井下定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术,总结了长钻孔整体压裂和围岩梳状孔分段压裂2种水力压裂模式,分析了施工工艺和关键技术,以阳泉矿区为例,进行了定向长钻孔水力压裂试验,并考察了其效果。结果表明:长钻孔整体压裂采用基于扩张式封隔器原理的快速封孔技术,可在10 min内实现封孔工具组合快速坐封。梳状孔分段压裂施工采用裸眼封隔器滑套分段压裂工艺,利用孔口投球方式依次打开各级投球滑套,完成各个分支钻孔注水压裂作业。水力压裂影响范围内煤体全水分随着与钻孔距离的增大呈现先增大、后减小的现象,煤层瓦斯含量与煤体全水分呈现相反的分布特征。压裂过程中巷道受力变形现象明显,放喷初期水流大量携粉,排粉量达到6.5 t。长钻孔整体压裂和梳状孔分段压裂的最大影响半径分别达到58 m和60 m,比常规压裂钻孔增大2.32倍和3.53倍,平均瓦斯抽采纯量达1.51 m3/min和0.25 m3/min,比常规压裂钻孔提高24.40倍和13.89倍。分析认为压裂过程存在水驱气效应,且压裂对煤储层改造效果在空间上存在不均衡性。煤岩体吸水后发生体积膨胀和软化现象,改变了钻孔周围应力场的分布,导致了巷道受到挤压破坏发生变形。梳状孔分段压裂过程中围岩中裂缝通过牵引作用与煤层中压裂裂缝沟通,进而形成新的煤储层裂隙网络系统,有利于提高瓦斯抽采效果。     

煤矿井下分段水力压裂梳状定向长钻孔钻进技术研究

随钻测量梳状定向钻进技术目前主要应用于煤矿瓦斯防治、地质异常体探测和探放水等领域。但该技术还未与水力压裂增透强化抽采技术相结合应用于煤层瓦斯防治领域,由于水力压裂增透强化抽采技术对钻孔特殊要求,相应钻探装备、钻孔设计和钻进成孔工艺均需要进行研究突破。本次研究成果融合了井下梳状定向长钻孔瓦斯抽采技术及水力压裂增透强化抽采技术的优点,形成了一套适合分段水力压裂梳状定向钻孔施工设备及工艺流程,能够满足对松软煤层瓦斯远距离与区域增透技术的需求,解决松软煤层透气性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题。     

梳状长钻孔预抽煤层瓦斯技术在青龙煤矿的应用研究

针对贵州毕节地区近距离煤层群开采定向钻孔瓦斯灾害综合治理体系的建设,特在贵州青龙煤矿16号煤层二采区一块段开展定向长钻孔预抽煤层瓦斯试验研究,分析定向长钻孔分支孔开孔数目、分支孔见煤段进尺对定向长钻孔瓦斯抽采效果的影响。试验结果表明:底板梳状定向长钻孔预抽煤层瓦斯效果显著,累计抽采385 d,共抽采瓦斯纯量3 006 163 m³,抽采浓度为60%～90%。同时,抽采效果受分支孔开孔数目及单个分支孔见煤段进尺共同影响,定向长钻孔单个分支孔见煤段进尺控制在60～80 m,抽采效果最佳,在此基础上,分支孔开孔数目越多越好。     

碎软煤层底板梳状孔分段压裂抽采瓦斯技术

为提高煤层的瓦斯抽采效果,以阳泉矿区15#碎软煤层为研究对象,对煤层及其底板岩层特征进行分析,融合煤层底板梳状长钻孔和分段水力压裂技术,形成针对各个梳状分支孔的分段压裂方式,并理论分析了该方式水力压裂裂缝扩展延伸规律。试验研究了满足分段压裂技术要求的梳状长钻孔设计与施工工艺,构建了基于裸眼封隔器+滑套投球分段压裂工具组合的压裂参数设计和压裂施工工艺流程,最终形成梳状长钻孔主孔长度534 m,分支孔5个,主孔下入分段压裂工具串490 m,实现了4个分支孔分段压裂,单段最大注水量611 m³,最大泵注压力17.18 MPa;与常规的穿层钻孔瓦斯抽采技术对比,试验后瓦斯抽采浓度提高了10.53倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.02倍。     

松软煤层煤巷掘进条带瓦斯治理技术研究

为提高煤巷掘进条带瓦斯治理效果,通过在新疆艾维尔沟矿区2130煤矿4号煤层24223运输巷开展基于定向长钻孔治理煤巷条带瓦斯的水力压裂试验,考察瓦斯治理效果。试验结果表明:相比于传统瓦斯治理手段,定向长钻孔高压水力压裂技术平均抽采瓦斯浓度和平均抽采瓦斯纯流量分别提升了2.4倍和4.0倍,抽采达标经济成本和时间成本分别降低了80%和67%,可以有效提高煤巷条带瓦斯治理效果,降低瓦斯治理成本。     

水平定向钻孔在大佛寺煤矿瓦斯抽采中的优势探讨

煤矿井下水平定向钻孔在煤矿瓦斯抽采中具有明显的技术优势。通过对大佛寺煤矿常规钻孔工作面瓦斯治理技术的分析,指出了其中不足;经过对定向长钻孔钻进工艺、布孔技术进行分析以及通过大佛寺煤矿现场应用,得出定向长钻孔有利于实现工作面瓦斯区域集中抽采的结论;瓦斯抽采统计数据分析对比证明定向长钻孔瓦斯抽采效率要明显优于常规钻孔。     

赵固二矿本煤层定向长钻孔水力压裂增透技术研究

为了提高井下低透气性煤层瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采效果,开发了适合中等偏硬低透煤层裸眼钻孔高压稳定封孔装备,采用了本煤层定向长钻孔整体水力压裂增透技术,分析了本煤层定向长钻孔水力压裂增透机理,并进行了水力压裂强化增透试验。根据压裂施工过程中压裂参数变化规律,利用压裂前后煤层全水分和钻孔瓦斯参数变化对比,综合考察和评价了水力压裂增透效果和影响范围。研究表明：压裂过程中最大注水压力24.6MPa,发生多次明显压降,最大压降5.2MPa。水力压裂增透后,煤层瓦斯日抽采纯量提高了12.70倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了 38m,平均超过30m,提高了瓦斯抽采效率。     

煤矿井下大直径定向钻进技术在水力压裂中的应用

为了解决碎软、低透气性煤层水力压裂非定向顺层钻孔成孔率低、成孔后易塌孔导致钻孔堵塞和非定向穿层钻孔有效孔段短的问题,提出了将煤矿井下底板穿层梳状定向钻进技术与水力射流冲孔技术相结合的增透方案,形成一套适应煤矿井下水力压裂的大直径定向钻进技术。现场应用结果表明：该技术既解决了成孔率低和成孔后塌孔导致的钻孔堵塞的问题,又解决了钻孔有效距离短、压裂后影响范围小造成的瓦斯抽采效果差问题|抽采最大浓度平均为5.22%,抽采流量平均为4.60m3/min,日均瓦斯抽采量平均值334.81m3/d,与普通穿层钻孔抽采数据对比,压裂增透后钻孔瓦斯抽采流量提高约5.23倍。对该矿区碎软煤层条件下的瓦斯强化抽采具有较强的指导意义。     

定向长钻孔抽采瓦斯技术在榆树田井的研究与应用

通过对定向长钻孔在榆树田井实际施工情况以及钻孔瓦斯抽采情况研究,总结得出利用定向长钻孔进行煤巷掘进条带预抽煤层瓦斯在技术上是可行的,并且能够发挥其相较普通钻孔具有精确定向钻进、钻孔深度深、预抽效率高的优势,在取得较好的瓦斯治理效果的同时,也取得了较大的经济效益,为高瓦斯煤层的煤巷掘进提供了安全保障。     

低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践

为解决低渗透煤层瓦斯抽采难题,在潞安矿区5 a多的研究和规模化现场试验基础上,提出了一种低渗透煤层CO_2气相定向多簇压裂瓦斯综合治理技术。该技术是应用改进后的CARDOX装置系统所产生的高压CO_2气体在煤层中进行定向多簇造缝,实现煤层的卸压和增透,均化和改善局部地应力集中和瓦斯含量/压力的异常分布状态,提高瓦斯抽采效率。研究表明,在气相压裂试验区段,瓦斯突出危险性降低,煤层渗透率提高1~2个数量级,瓦斯抽采浓度和流量提高1个数量级,抽采达标时间由原来的720 d减少到210 d,实现了高瓦斯煤层的安全掘采协调生产。     

本煤层脉动水力压裂卸压增透技术应用

针对余吾煤业S1206工作面煤层瓦斯含量大、煤层透气性系数低的特点,开展脉动水力压裂试验强化瓦斯抽采,研究了脉动水力压裂卸压增透机理,设计了脉动水力压裂的钻孔参数、封孔工艺和压裂参数。试验结果表明,与普通瓦斯抽采钻孔相比,压裂孔的瓦斯浓度平均提高4.7倍,纯流量平均提高了6.3倍;导向孔的瓦斯抽采浓度平均提高了3.7倍,抽采纯流量平均提高了3.9倍,实现了煤层的快速卸压增透,提高了瓦斯抽采效果。     

中硬煤层瓦斯抽采定向长钻孔高效钻进工艺

钻孔抽采瓦斯是治理瓦斯最直接有效的手段。根据煤矿井下本煤层定向钻进技术原理,提出一种适用于中硬煤层定向长钻孔的高效钻进工艺,该工艺是将复合钻进技术与煤矿井下定向钻进技术相结合实现定向长钻孔高效钻进的一种钻进方法。通过现场试验证明,该方法能使钻孔孔壁平滑,防止憋泵、卡钻,减少事故处理时间,提高钻孔成功率和钻进效率。经分析,使用该技术后,与常规定向钻进相比,平均机械钻速提高了26.8%,该技术为今后煤矿井下定向钻进技术的推广提供了新思路。     

定向长钻孔整体水力压裂增透技术在赵固二矿的应用

针对赵固二矿煤层透气性低、钻孔有效影响半径小，实施定向长钻孔代替底板岩巷进行区域瓦斯治理期间钻孔工程量大、瓦斯抽采效果不理想的问题。结合煤层赋存特征及钻孔施工情况，采用定向长钻孔整体水力压裂增透技术，理论分析了合理坐封位置、压裂参数，完成200 m煤巷条带一次整体压裂，最大泵注压力24.3 MPa、累计注水量1 613 m³。并基于煤层全水分变化，考察确定了单个钻孔压裂影响范围达到巷道两帮30 m，有效改善了煤体储层特性，提高了煤层瓦斯抽采效率。在实现定向钻孔对预抽煤巷条带可靠控制的同时，最大程度降低了钻孔工程量、缩短了瓦斯治理周期，为实现矿区“以孔代巷”及高效安全开采提供了技术支撑。     

突出矿井水力压裂增透技术应用研究

针对煤与瓦斯突出矿井煤层透气性差、瓦斯较难抽采的现状,为提高突出矿井的抽采效果,改善矿井抽掘采衔接紧张的局面,提出采用水力压裂增透技术,结合保安矿现场实际考察应用情况,详细介绍了适用于矿井的水力压裂工艺流程及参数。现场实践表明,水力压裂后,掘进条带区域的煤层瓦斯抽采纯量相比原始未压裂煤体的瓦斯抽采纯量提高1倍以上,煤层透气性系数相比原始煤层透气性系数提高8倍以上。水力压裂技术可精准提高矿井煤层的透气性,增大瓦斯抽采浓度和抽采量,大大缩短了瓦斯预抽时间,可进一步提升瓦斯抽采钻孔的抽采能力,有效缩短抽采达标时间,为采煤工作面本煤层预抽提供了瓦斯抽采空间,解决了矿井抽掘采衔接紧张问题,可为相似地质条件矿井提供参考。     

复杂煤岩层复合强排渣定向钻进工艺及应用

针对复杂煤岩层顶板高位孔定向钻进技术难题,提出复合强排渣定向钻进工艺,设计了以泥浆脉冲随钻测量系统与三棱螺旋钻杆为核心的强排渣定向钻具组合,分析了三棱螺旋钻杆强排渣技术原理,形成了复合强排渣定向钻进成套装备。在王坡煤矿3314采煤工作面进行了应用研究,结果表明：在以泥岩为代表的复杂顶板岩层中,完成顶板高位定向钻孔6个,成孔率达到100%,最大钻孔深度500m,日平均进尺不低于70m,累计定向钻孔进尺2325m,钻孔成孔效率与成孔率较常规定向钻进工艺大幅提升。为利用顶板高位定向长钻孔代替高抽巷进行工作面及采空区瓦斯抽采治理、保障采煤工作面的安全高效生产提供了技术支撑。     

穿层钻孔水力冲孔消突技术的应用研究

由于薛湖煤矿煤层透气性较低,且原始煤层瓦斯预抽效果较差,抽放达标周期长,为提高突出煤层的透气性,该矿在2306机巷实施了煤层底板穿层钻孔水力冲孔强化瓦斯抽采消突技术,介绍了该项技术的施工工艺、冲孔工艺及冲孔增透瓦斯抽采消突成果。结果表明,该技术有效的增加了煤体的孔隙率,提高了煤体的湿润度、透水性和可塑性,改变了煤体的物理力学特性,瓦斯抽放率得到了较大提高,有效地解决了措施施工和掘进相对集中的问题,为突出矿井的高产高效生产提供了理论依据和实践经验。