低渗透煤层液态CO2压裂增透研究

针对高瓦斯低的难题,渗透煤层抽采效率低,以山西某煤矿为实验矿井,基于液态CO_2压裂本构模型,采用FLAC数值模拟软件对液态CO_2压裂后的影响区域进行分析,确定了钻孔间距,并根据模拟结果进行了应用分析,研究结果表明,液态CO_2爆破压裂最优的钻孔爆破间距为8.5m;液态CO_2爆破后具有很好的消突效果,爆破后瓦斯抽采浓度增加了45.7%;液态CO_2爆破后,煤层透气性大幅提高,煤层透气性系数提高了18.3倍。     

高瓦斯煤层注液态CO2压裂增透技术试验研究

基于液态CO₂的低温冻结及相变增压特性能够有效致裂煤体,可以达到煤层增透的目的。在淮南矿区张集北矿17246工作面开展了煤层注液态CO₂压裂增透技术工业性试验,沿工作面走向布置2个压裂钻孔、12个抽采钻孔,分2个阶段进行压裂试验,压注液态CO₂共计4.0 t。对Y₁、Y₂压裂钻孔的压力、流量及泵压进行在线监测,实测压裂后连续26 d瓦斯抽采效果。研究结果表明：试验过程中压裂液流量随压力升高呈现波动特性,试验工艺系统稳定;抽采支管的瓦斯纯流量是压裂前的2.1~3.2倍,瓦斯浓度是压裂前的1.6~3.1倍,累计26 d的瓦斯抽采总量为32 288.57 m³,与普通密置钻孔抽采瓦斯技术相比,经液态CO₂压裂后煤层瓦斯抽采效率明显提高。     

低透煤层液态CO2压裂增透理论与成套技术

低透煤层液态CO₂压裂兼具裂隙改造和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是一项易于与其他技术联合使用,具有规模化应用潜力的增透技术。提出了低透煤层液态CO₂压裂增透理论体系及成套技术框架;依据应力叠加原理和最大拉应力准则,考虑压注过程液态CO₂相态变化和低黏强渗透性,建立了液态CO₂压裂起裂压力确定模型;以I型断裂准则为裂缝扩展判别条件,建立了恒定注液流量下压裂孔口压力与裂缝扩展距离之间的量化表征关系,阐明了注液压力、压裂液黏度、裂缝产状对裂缝扩展的影响规律。依此为基础,提出了决定液态CO₂压裂增透煤层成套装备性能的4个关键参数及其计算方法,研制了国内首套井下压裂增透成套装备,研发了压裂增透施工工艺,分别在淮南矿区、彬长矿区等进行了推广应用。     

液态CO_2压裂增透技术在松软煤层瓦斯治理上的应用

为提高松软煤层瓦斯治理效果,基于液态CO_2低温、低黏度、相变高压膨胀等特性,对松软煤层进行液态CO_2压裂增透实验,考察分析压裂实验后瓦斯抽采效果,研究其变化规律。实验表明:压裂孔周围形成了由壁面位移区、纵向裂隙发育区和多裂隙发育区的压裂影响区域,压注有效影响半径不少于20 m,压裂区域抽采效果提升显著,抽采混量总体呈上升趋势,抽采浓度、抽采纯量提高近1倍,压注间隔周期为10 d,10 d后呈衰减趋势;与传统的增透方式相比在安全性、时效性存在较大优势。     

煤层液态CO_2深孔爆破增透技术

为提高低透气性高瓦斯突出煤层瓦斯抽放率,将液态CO2深孔爆破增透技术运用于煤矿低透性高瓦斯突出煤层,考察CO2爆破对煤层透气性、百米钻孔瓦斯流量、瓦斯抽放量、抽放浓度以及突出预测敏感指标的影响。采用液态CO2爆破增透技术后,增大了钻孔瓦斯有效抽放半径和高瓦斯煤层透气性,显著地提高了瓦斯抽放放率。     

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。     

煤层液态CO2相变致裂增透技术试验研究

液态 CO２ 相变致裂煤层增透技术可以有效解决煤层渗透性差、瓦斯抽采率低等难题.以长治矿区３号煤层为工程背景,通过理论分析导向裂隙、初始裂隙和裂隙扩展３个阶段的裂隙区半径,利用数值模拟研究单孔、多孔以及不同钻孔间距下的液态 CO２ 相变致裂低透气煤层裂隙扩展规律,并进行 了 现 场 工 业 性 试 验.研 究 结 果 表 明:单 孔 液 态CO２ 相变致裂爆破煤层的最大破坏范围为６m,爆破孔中间设置空孔可以扩大相变爆破致裂的破坏范围;实施液态CO２相变致裂技术后,３号煤层平均瓦斯抽采率由０．５７％增加到０．９２％,单孔瓦斯抽采率提高了１．２５~２．９１倍,瓦斯抽采率明显提升.该研究为液态 CO２ 相变致裂煤层增透技术提供 了理论依据和现场指导.     

石门揭煤区液态CO_2致裂增透加速消突技术

针对低透气强突出煤层在石门揭煤过程中消突工程量大、作业环节复杂及揭煤周期长等特点,在揭煤前布置的瓦斯抽采孔内实施液态CO_2相变致裂增透卸压技术,经理论计算和现场考察确定4号煤层的增透半径为6 m。该技术在-650运输巷揭穿4号煤层的工作面进行了试验,结果表明:致裂前后,钻孔平均抽采瓦斯浓度从20.2%提升至42.6%,单孔平均日抽采量从1.56 m3/d提升至3.76 m3/d,且近20 d内保持高效抽采,在1个月内完成抽采达标和消突任务,抽采率为48.16%,缩短抽采时间43%;在揭煤区取样测试煤体的残余瓦斯含量平均值为5.41m3/t,反演残余瓦斯压力平均值0.27 MPa,采用钻屑解吸指标法测试钻屑量S最大值4.7 kg/m,钻屑解吸指标△h2最大为140 Pa,所有测值均小于突出临界值;煤层揭穿期间回风流瓦斯浓度仅有4%,实现安全高效快速揭煤。     

大湾煤矿CO_2预裂煤层增透技术的试验

针对大湾煤矿地质构造复杂、瓦斯含量高、透气性系数低、瓦斯抽采效果差等特点,在大湾煤矿中井Z1021工作面底抽巷进行CO_2预裂煤层增透技术试验。通过施工12组穿层钻孔对比,CO_2预裂孔的抽采浓度在46.4%~50.8%,比普通钻孔平均抽采浓度高出近20%,抽采衰减度减少44%,有效预裂钻孔抽采半径达20 m以上。该技术能够有效提高瓦斯抽采量和抽采速度,可在地质条件类似矿井进行推广。     

综掘面迎头CO_2气相压裂卸压增透技术研究

巷道掘进过程中地质条件复杂,常有瓦斯异常涌出现象,严重制约着工作面的快速掘进。为了提高巷道瓦斯涌出的均匀性、杜绝瓦斯突然涌出造成瓦斯预警超限,通过CO_2的液-气两相转化释放能量对工作面煤体提前卸压、增加导通裂隙、驱替煤层瓦斯达到煤体增透、掩护掘进。     

宏发煤矿低渗透性煤层CO2致裂增透技术试验研究

为了研究CO_2致裂增透技术对贵州低渗透煤层瓦斯抽采的影响,以贵州宏发煤矿1903工作面回风巷为研究对象,进行CO_2致裂增透试验研究。研究表明:煤层致裂后,其透气性系数平均为原始煤层的3.05倍,煤层的透气性显著提高;煤层瓦斯平均抽采浓度增大了4.19倍,平均抽采纯量为原始煤层的3.99倍;在钻孔瓦斯抽采率方面,单孔的瓦斯抽采效果提高了2.58~3.92倍;钻孔工作量降低了4倍,抽采达标时间缩短了55d,瓦斯涌出量降低了40%,煤层瓦斯抽采效益显著。CO_2致裂增透技术为解决贵州矿区低透煤层的瓦斯抽采技术难题提供了参考和借鉴。     

CO2气相压裂增透技术在王庄煤矿的应用

针对王庄煤矿540回风大巷一掘进面煤层透气性较差、煤层瓦斯难以抽放的特点,采用CO2高能气体预裂增透技术对该工作面进行了CO2气相压裂增透技术试验。试验结果表明,预裂后防突指标快速下降,工作面响煤炮现象明显减少,工作面割煤循环时间缩短,抽采效果显著提高,抽采效率提高了1倍,单孔平均抽采纯量提高2.4倍,单孔最大抽采纯量提高5.8倍,抽采达标时间明显缩减。     

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。     

低透气性煤层多组分酸化压裂增透技术研究

为了解决富含碳酸盐类矿物煤层透气性差的问题,提出多组分酸化压裂增透技术。通过实验室测试煤样酸化前后渗透率的变化,确定了适用于三元煤矿的压裂酸液配比：w(HCl)为9%+w(CH₃COOH)为3%+ρ(KCl)为20 g/L。现场工业试验结果表明,三元煤矿采用多组分酸化压裂后,抽采瓦斯混合流量和瓦斯浓度比普通抽采钻孔平均提高了1.34倍和1.70倍。对比传统水力压裂增透技术,多组分酸化压裂通过物理增透和化学增透的联合作用,更有利于煤体孔隙裂隙网络结构的发育,且反应生成的二氧化碳对瓦斯产生了驱替作用,有利于瓦斯抽采;同时扩大钻孔孔径可以有效提高压裂接触面和抽采自由面面积,进一步提高增透抽采效果。     

气相压裂增透技术强化煤层瓦斯抽采效果的研究

针对高瓦斯低透煤层瓦斯抽采效果差、抽采成本高、抽采时间长等问题,通过应用气相压裂增透技术来强化煤层的瓦斯抽采效果,实验和现场测试分析压裂前后煤样的孔隙裂隙基本参数变化情况,明确增透强化的机理。结果表明:气相压裂煤层孔容和比表面积均以大孔为主;在不同吸附平衡压力和粒径下,压裂煤层的扩散系数随着时间的延长减小的幅度存在差异;气相压裂后煤层孔隙裂隙基本参数都呈现增大的趋势,有利于缩短瓦斯扩散路径,提高瓦斯扩散系数;气相压裂后,钻孔有效抽采半径、煤层透气性系数和渗透率分别提高了2.1~4.3倍、54~96倍和7.54~30.40倍,从而判定压裂煤层由原始难抽采煤层转化为易抽采煤层,气相压裂增透强化瓦斯抽采效果明显。     

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。     

松软低透气性煤层水力压裂增透瓦斯抽采技术研究

为解决松软低透气性煤层瓦斯抽采难度大、效率低的难题,以新景煤矿3^#煤层为研究对象,采用PFC^2D颗粒流数值模拟软件和控制变量法,研究不同注水流量和压裂时间对煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的影响。研究结果表明：松软低透气性煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目与注水流量和压裂时间均呈幂函数形式增长。基于松软低透气性煤层的特点,引入压裂液效率,得到了压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的修正计算公式。基于新景煤矿3^#煤层实际工程地质条件,在南五底抽巷进行了现场水力压裂试验。试验结果表明：当泵注压力为20~25 MPa、注水量为90~100 m³时,水力压裂半径约为50 m;水力压裂区域煤层透气性系数、平均抽采瓦斯浓度、百米巷道瓦斯抽采量和单孔平均抽采瓦斯纯流量分别为未压裂区域煤层的22.0、2.2、2.4、2.7倍,为新景煤矿3^#煤层水力压裂参数选取和瓦斯抽采设计提供了技术指导。     

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。     

重复水力压裂技术在深井低透气性煤层中的应用

随着井下煤矿开采深度的不断加大,煤层透气性进一步降低,煤层瓦斯抽采难度亦同时增加,对于单一无保护层煤层来说,大多数需要人为地增加渗透率,水力压裂因其增透范围广,性价比相对较高而取得广泛的应用。对于深井低透气性煤层来说,为了进一步提高瓦斯抽采效率,单次的水力压裂增透技术已然不能满足需要,因此提出了井下重复水力压裂技术,并且论述了重复压裂原理及工艺流程。根据十二矿己_(15)-31040工作面地质情况,设计了相关水力压裂参数,并进行了重复水力压裂和压裂之后瓦斯抽采的效果检验。结果表明:煤层经过重复水力压裂后,煤层残余瓦斯含量较单次压裂降低明显,而且瓦斯抽采浓度和纯量亦增加显著。试验结果表明重复水力压裂可以明显提高深井低透气性煤层瓦斯抽采效率,具有一定瓦斯防治的应用价值。