径向钻井技术开发沁水盆地煤层气工艺研究

针对沁水盆地碎裂煤煤体结构,提出采用水力喷射径向钻井与水力压裂等增产联作工艺。先在煤层实施水力喷射径向钻井作业,以形成呈辐射状的径向水平孔,沟通煤储层发育的天然孔隙和裂隙,然后根据储层条件再进行水力压裂改造措施,确保沿着径向孔方向诱导水力压裂裂缝,以增加水力压裂在煤层中形成的裂缝数目,并通过变排量技术控制裂缝在煤层中的延伸高度,最终延长煤层中的有效压裂裂缝长度,使支撑剂填充在有效的煤层裂缝中。同时在水力压裂之后,可根据煤储层地质特征,增加酸化作业,以酸溶煤储层割理中的可溶性矿物质,达到进一步提高煤储层渗透率的目的。     

低透煤层化学改性增透技术研究现状及展望

我国煤储层的赋存特征概括为微孔隙、强吸附、低渗透,这些赋存特征严重抑制了煤层气的开采,在此基础上,储层改造技术被广泛提出。针对低透气性煤层,国内外学者提出水力压裂、水力割缝、预裂爆破等储层增透技术,这些技术均存在增透范围小、裂隙闭合快、水锁效应等问题。有学者提出采用化学方法改造煤层,利用化学试剂改变煤层理化性质继而达到促进煤层气解吸、渗流的目的。化学储层改造方法主要包括煤层酸化、氧化、萃取、电化学处理,酸化增透即通过酸液溶蚀煤中矿物质,从而疏通孔裂隙、增大渗透率;氧化增透则是利用氧化剂腐蚀煤层割理表面或溶解部分煤基质来增加煤层割理孔径;萃取增透则使用有机溶剂提取煤体中的有机小分子,疏通孔隙;电化学处理就是通过电化学反应使得煤结构发生变化、产生气体和煤体温度升高,瓦斯运移通道增大。回顾国内外低透气性煤层化学改性增透技术的研究进展,从酸化、氧化、萃取、电化学处理4个层面深入分析了煤层化学改性的增透机理,阐释了目前化学储层改造技术所面临问题与未来的发展趋势。     

煤层气储层水力压裂裂缝扩展模型分析及应用

以往对于水力压裂裂缝扩展模型的研究,主要集中在砂泥岩储层,而对煤储层的研究较少。以沁水盆地安泽区块煤层气储层为例,建立了水力压裂裂缝扩展模型并对该模型的现场应用进行了研究。首先通过煤储层水力压裂裂缝形态的分析,选取相应的裂缝模型;然后运用滤失经典理论并结合煤储层应力敏感性特征,提出了动态滤失系数计算方法,进而建立了裂缝扩展数学模型并对影响缝长的主要因素进行了评价;最后,应用模型对煤层气井的裂缝几何参数进行计算,并与现场裂缝监测数据比较,提出了模型适用的地质条件。研究结果表明:安泽地区煤储层水力压裂以形成垂直缝为主;考虑煤储层应力敏感性后,研究区综合滤失系数从3.36 mm/min1/2增大到4.24 mm/min1/2,在影响缝长的诸多参数中,排量、滤失系数和压裂时间是最主要的3个因素;模型计算缝长和裂缝监测数据吻合较好,但模型应用也有一定的限制条件,适用于水力压裂不压开煤层顶底板,以及天然裂缝发育较少的煤储层。     

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。     

保德区块中低阶煤层压裂施工砂堵原因分析及技术对策

针对保德区块中低阶煤储层压裂过程中容易出现砂堵影响储层改造效果的问题,根据研究区块的地质条件,结合水力压裂时裂缝在煤层中的扩展规律,分析了保德区块煤层水力压裂出现砂堵的4类主要原因,分别为煤储层裂隙相对发育造成压裂液滤失量增加、压裂沟通高渗透性的顶底板、煤储层本身有效厚度大滤失量增大及多层合压造缝不充分。在此基础上,提出了相应的技术对策,使用清洁压裂液、适当提高并稳定施工排量及优化压裂施工设计,为现场的水力压裂施工和提高煤储层改造效果提供重要指导。     

水力割缝辅助定向压裂煤体的割缝间距模型研究

为研究定向水力压裂的割缝间距,引入弹塑性力学理论与分形维数理论,分别建立缝槽力学模型与煤层注水渗透范围模型,分析缝槽的塑性区宽度及煤层注水的渗透范围。结合2个模型推导出定向水力压裂的割缝间距。以高家堡煤矿为例,检验割缝间距的合理性。同时,分析侧压系数、分形维数、迂曲度对割缝间距的影响效果。采用修正的Morris筛选法对影响定向水力压裂割缝间距的各因素进行灵敏度分析。研究结果表明:1)定向水力压裂割缝间距的理论值与现场实测值最大相对误差为8.643%,最大绝对误差为0.817 m,偏差较小,可为现场设计定向水力压裂的割缝间距提供理论参考。2)煤层注水渗透范围对定向水力压裂割缝间距的影响明显强于缝槽塑性区宽度。3)侧压系数对割缝间距影响较小,迂曲度与割缝间距呈现负相关性,分形维数与割缝间距呈现正相关性。4)煤层孔隙最大直径的灵敏度最大,迂曲度的灵敏度最小。     

水力割缝(压裂)综合增透技术在丁集煤矿的应用

介绍了水力割缝(压裂)综合增透技术的工作原理、设备、工艺以及现场试验情况。通过水力割缝扩大穿层钻孔煤孔段的直径,从而达到增加钻孔的煤层暴露面积和卸压范围,增大钻孔抽排瓦斯量,提高钻孔的抽排效果。通过水力压裂使钻孔周围煤体产生更多裂隙,改变煤体物理性质。水力割缝(压裂)综合增透技术为提高低透气性煤层的瓦斯抽放效果提供了一个经济可行的技术途径。     

低渗透煤储层缝网压裂工程技术研究

为了研究低渗透煤储层的增透机理,国内外近几年提出缝网压裂理论,利用特定的工程技术手段,在储层中制造出多缝系统,从而最大限度的对储层进行增透改造,但是多缝系统的形成受水平最大主应力和水平最小主应力,水力裂缝与天然割理夹角还有排采工艺等因素的影响,文章通过计算,初步得出煤储层中多缝系统形成的控制因素和那些因素所符合的的理论条件,为以后的煤层气开发工程实践提供相应的理论依据。     

变流量缝网压裂技术在松软煤层中的研究与应用

水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的常用增透措施之一,在常规水力压裂的基础上,根据松软煤层缝网压裂的机理及力学原理,推导出了含天然裂隙的松软煤层产生缝网,需施工裂缝内的净压力大于煤储层水平应力之间的差值,同时对裂缝进行模拟,得出变流量注入可以提高裂缝内净压力,形成缝网结构,并在平煤十二矿己₁₅-31040采面进行水力压裂现场试验。试验结果表明:采用变流量缝网压裂水力压裂保压压力、累计注水量等相关参数以及单孔瓦斯抽采浓度、纯量均高于原始煤层及稳定流量常规压裂,说明变流量缝网压裂增透效果明显较好,该方法可以作为水力压裂增透技术借鉴的一种方法。     

低渗透煤岩体水力压裂的数值模拟

建立了模拟低渗透煤岩体水力压裂裂纹扩展以及固液耦合作用的数学模型，并推导了该模型的数值解法，通过潞安矿务局王庄煤矿低渗透性３号煤层注水的实例分析，结果表明：水力压裂过程中，裂缝的宽度不随水压升高的而无限增大，所需的扩缝压力随裂缝增长而降低，这对于提高低渗透性煤岩体水力压裂的效果有重要的指导意义。     

低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术及应用

如何实现深部煤层瓦斯的高效抽采是保障我国煤炭企业安全生产的重要问题,而低透气性煤层瓦斯储层增产改造则是其中的核心技术和热点问题。为解决低透气性煤层瓦斯高效抽采技术难题,研究提出了地应力条件下优势射孔致裂方向的确定方法及低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术,现场试验及应用研究形成了液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法。研究表明:孔壁破裂压力受钻孔方位角、倾角影响具有明显的方向性,并确定了试验区液态CO_2相变定向射孔优势致裂方向;该技术可有效增加煤样孔隙度、孔径、比表面积、可见孔比例等,改善煤岩体内孔隙结构及渗流能力,提高瓦斯抽采纯流量9~12倍,降低煤层瓦斯抽采流量衰减系数92%;现场试验及PFC2D数值模拟研究确定了该技术的影响半径为9~13 m;应用表明液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法,可有效预防低透气高突煤层巷道掘进期间的瓦斯超限问题,提高巷道掘进速度4~5倍。     

清洁压裂液与水对煤层渗透率影响对比试验研究

针对煤矿井下采用不同压裂液增加煤层透气性的工程问题,开展了多组有效应力作用下烘干、含水与含清洁压裂液3种煤样的渗透率对比试验,并利用多孔介质和流体力学理论分析了压裂液影响煤层渗透率的机理。研究结果表明：饱和清洁压裂液煤样渗透率比饱和水煤样渗透率平均高出177.83%,随着有效应力增加,煤样渗透率均呈指数关系降低;压裂液对煤层渗透率的影响受表面张力影响,表面张力大,液体会在煤体内占据更多瓦斯运移通道,从而降低煤层透气性,与清水相比,清洁压裂液有效降低了煤体内部孔隙表面液体张力,增大了瓦斯运移通道,提高了煤层渗透率,有利于煤层气的抽采。     

高应力和构造应力区联合增透抽采技术研究

为了解决矿井高应力和构造应力影响作用下煤层透气性差、钻孔塑性变形垮孔严重的问题，以松藻煤电公司逢春煤矿M7、M8煤层为试验对象，采用水力压裂和水力割缝相结合的方式，对煤层进行增透，以提高瓦斯抽采效率。介绍了穿层钻孔区域防突措施设计方案，开展了水力压裂钻孔、瓦斯抽采钻孔设计以及注水压力、注水量和保压时间等水力压裂工艺参数试验。通过比较水力压裂、水力割缝增透措施结合硬套管封孔技术及普通钻孔瓦斯抽采情况，表明水力压裂和水力割缝后钻孔瓦斯抽采浓度分别提高16%~36%和4%~16%，瓦斯抽采量（纯量）分别提高了6倍和3倍，可为同类地质条件瓦斯抽采提供参考。现场试验结果表明，复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术在煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。     

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。     

低渗煤层液态CO2相变射孔破岩及裂隙扩展力学机理

液态CO2相变射孔致裂增透技术作为一种有效的低渗煤层强化抽采方法，已被广泛的应用研究。但由于该技术在破岩及裂隙扩展力学机理方面研究不足，在一定程度上影响该技术进一步发展及应用。基于热工学、弹性力学、断裂力学等理论基础，建立了液态CO2相变气体射流压力模型，理论分析了液态CO2相变射孔破岩力学机理、地应力条件下裂隙扩展力学机理。采用PFC2D离散元颗粒流分析软件，进行数值模拟研究，分析了不同地应力及射流压力条件下液态CO2相变射孔破岩及裂隙分布特征。在以上研究基础上，在川煤集团白皎煤矿进行现场试验，研究表明该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采效率。     

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。     

水力压裂增透技术在单一低透气性煤层中的应用

豫东地区陈四楼煤矿煤层为单一低透气性突出煤层，瓦斯预抽存在难度大、效率低的问题，严重制约了煤矿安全生产。为增加煤体透气性，提高瓦斯抽采效果，井下水力压裂是一种行之有效的措施。依据瓦斯赋存情况，在煤体瓦斯含量低于5 m³/t区域进行水力压裂增透试验，既能大幅降低钻孔工程量，加快区域治理进度，又能有效保证压裂过程中施工安全，防范压裂期间瓦斯异常涌出，引起瓦斯事故，对低瓦斯区域实现科学治理、精准施策具有重要意义，同时也能为高瓦斯区域进行压裂尝试提供借鉴。     

煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔爆破中的研究与应用

针对高瓦斯低透气性煤层，从理论上探讨了煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔中爆破时，炸药爆炸冲击波初始峰值压力和传播到孔壁处的入射压力以及孔壁煤面上的透射冲击压力。建立了炮孔周围煤体中的动态应力场，分析了爆源区径向裂隙区的形成和扩展半径。最后将裂隙区半径应用于煤层爆破孔和抽采孔布置参数设计，提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破孔和瓦斯抽采孔的合理间距，并进行工程实践。结果表明该方法为高瓦斯低透气性煤层增透，进而为解决煤层瓦斯抽采提供了一条有效的解决方案。     

深部低透气性煤层上向穿层水力压裂强化增透技术

煤层气的长时间、高效抽采的是当前煤层气灾害治理与煤层气资源利用过程中亟需解决的问题。利用数值模拟实验与工程试验相结合的方法,系统地研究了井下底抽巷对目标煤层进行水力压裂强化增透技术。研究发现,水力压裂的裂隙扩展过程经历了能量与应力累积、微裂隙产生、局部压裂损伤、煤体抵抗失效与裂隙迅速拓展以及压裂水能量再蓄集再扩张循环5个阶段,水力压裂产生了大量的裂隙,再加上顶底板碎胀作用而使煤层卸压,使得煤体透气性大幅提高。水力压裂工程试验验证了压裂水的运移轨迹,与数值模拟与分析结果相吻合,实现了大范围增透和长时效的煤层气抽采,从而为深部低透气性煤层强化增透和煤层气高效抽采提供了技术保障。     

寺河井田3号煤层人工压裂裂缝形态特征研究

裂缝形态特征是储层压裂改造效果评价、压裂工程设计及优化、煤层气井井网布置及优化等的重要研究内容。为摸清寺河井田3号煤层气主力开发煤层人工压裂裂缝形态特征,对井田内微地震裂缝监测资料进行了研究。结果表明:浅埋深、厚煤层、中小型压裂规模及中小排量压裂情况下,裂缝长度171.3~284.2 m,平均219.7 m;裂缝高度13.3~16.5 m,平均14.9 m;裂缝方位为北东42.5~47.9°,平均45.9°;受煤的非均质性和应力状态影响,在压裂规模及压裂参数相近的情况下,各压裂井的裂缝形态特征有所不同。