应用瞬变电磁虚拟波场成像方法检测井下煤层气水力压裂效果的试验研究

水力压裂是煤层气增产改造的常用手段,对压裂效果的好坏有重要意义,对比压裂前后的瞬变电磁探测数据是一种对其有效的评价方法。探讨了瞬变电磁波场变换理论,实现了对瞬变电磁信号中波场特性的提取,提出了基于虚拟波场波形特征的速度分析反演成像方法。计算了三维数值模型数据的反演结果,对存在较小形态变化的裂缝取得了良好的成像效果。开展了两次工程试验,对瞬变电磁虚拟波场反演成像方法检测井下煤层气压裂裂缝形成情况的实用性和可靠性进行了检验。研究表明:瞬变电磁虚拟波场反演成像方法能够有效应用于井下煤层气水力压裂效果检测。     

掘进工作面顶板水力压裂防灾技术应用研究

高瓦斯、高地应力掘进工作面顶板围岩动力现象频繁出现，严重制约了矿井安全生产。为防止煤岩动力灾害事故发生，五阳煤矿采用水力压裂技术开展掘进工作面顶板围岩卸压增透试验，以减小巷道上方应力效应、预先释放顶板瓦斯。利用瞬变电磁仪检测煤层裂隙电阻率变化以表征顶板水力压裂试验开展情况，通过对比顶板水力压裂前后工作面瓦斯浓度、煤炮响应次数及微震事件，研究顶板水力压裂技术的防灾效果。研究表明，煤层电阻率受顶板水力压裂效果影响巨大，同时压裂防灾效果明显，施工前后各项指标均有明显降低，瓦斯浓度降低40%，煤炮响应次数减小85%，微震事件减小76%。     

煤矿井下水力压裂裂缝监测技术研究

针对煤矿井下水力压裂裂缝扩展规律及增透范围不明确的问题,提出了在压裂过程中实施微地震监测技术。分析了煤矿井下水力压裂微震监测震源定位原理,建立煤岩体破裂的走时方程。进行了水力压裂过程中煤岩体破裂激发能量正演计算,证明选用的YTZ3微震监测系统满足要求,并确定了微震监测流程。随着注入水压力的增加,微震数量明显增加,最大振动能量明显增加,微震信号的初至时距关系及能量关系基本一致。     

基于瞬变电磁法探测煤体内水力压裂流场的运动规律

基于瞬变电磁的工作原理,利用煤层孔隙-裂隙结构电阻率的变化,分析煤层水力压裂后流场特征、煤体破裂、裂隙延伸扩展以及含水性增大的过程。通过采用瞬变电磁法对煤层水力压裂流场进行了相关探测,得出了在高压水流场的作用下,水力压裂影响半径可达30 m以上并且压裂影响区域具有不均匀性,在应力释放区容易出现水流通道,形成卸压带。如若煤层的顶、底板较为坚硬完整,则水力压裂一般只会限制在煤层进行,同样由于煤层赋存地质条件的不均匀性,因此可利用瞬变电磁探测含瓦斯煤体的水力场,为水力压裂工艺的优化提供依据,以期达到理想的压裂效果。     

水力压裂增透效果综合物探检验技术研究

为检验煤矿瓦斯治理工程中水力压裂增透影响范围,采用电磁波CT法、矿井瞬变电磁法及矿井高密度电法等3种物探方法,分别在水力压裂前后对工作面穿层钻孔压裂区进行探测试验,研究了各物探方法对水力压裂的地球物理响应特征,并验证其有效性。研究结果表明:压裂钻孔周围煤岩层的电性参数在注水压裂后发生了明显变化,电磁波CT法表现为在压裂钻孔位置5～15 m内的围岩场强衰减增大,瞬变电磁法表现为在压裂钻孔附近约20 m范围的视电阻率降低约1. 5～2. 0倍,矿井高密度电法表现为相对低阻区由压裂钻孔侧向探测巷道方向延展的特征。瓦斯抽采及回采揭露情况与试验结果基本相符。     

浅埋特厚硬煤层过沟谷开采超前区域弱化控制技术

针对沟谷区域浅埋特厚硬煤层工作面回采过程截割困难、回采进尺低下、采煤设备损耗严重等问题,采用数值模拟和工程应用等综合方法,研发了煤矿井下本煤层定向长钻孔分段压裂弱化技术,探讨了分段水力压裂厚硬煤层弱化作用及裂缝形成机理,并在典型工作面开展了应用。结果表明:工作面回采方向与沟底走向夹角大于75°时,工作面超前支撑压力低,是造成厚硬煤层难截割的关键原因。通过分段水力压裂施工,可在煤层中形成走向、径向交互裂缝,与天然裂缝沟通形成裂缝体系,弱化煤体强度。孔内瞬变电磁探测显示,单个钻孔形成6个低阻异常区,压裂弱化影响范围最大为35 m。压裂后煤壁形态由直立完整变为明显破碎状,回采进尺由单日平均8.00 m提升至12.13 m,增幅51.6%,验证了特厚硬煤层弱化的有效性。     

特厚煤层地面L型水平井分段压裂技术应用研究北大核心

特厚煤层开采过程中,煤层上方坚硬顶板强度高、破断步距大、难垮落,特别是开采扰动范围广,大面积坚硬顶板岩层破断失稳,造成采场冲击动力显现更加强烈;井下大孔径卸压、煤层爆破卸压以及井下长钻孔水力压裂技术仅限于局部卸压和小范围顶板弱化,不能有效对煤层上方高位大面积坚硬岩层进行弱化改性。提出了地面L型水平井分段压裂技术,通过对岩层破断方向进行理论分析并综合岩层特性给出了压裂关键层位范围,结合井上下微震一体化联合监测技术,形成了地面水平井分段压裂控制技术体系,并进行了地面压裂工程实践。井下微震-地音联合监测表明:压裂期间微震监测总能量达到16.93×10^(4)J,地音监测总能量达到1.36×10^(8)J,压裂过程可对井下围岩的宏观破裂具有明显的诱发作用;地面压裂裂缝扩展范围广,2口压裂井裂缝扩展长度分别达到790、851 m,裂缝宽度最大达到380~390 m,裂缝高程达到375~450、390~410 m,裂缝扩展均可覆盖工作面及两巷道,并穿透目标层位。井下采场矿压监测表明:工作面周期来压期间,支架阻力降低32%,煤壁片帮率降低34%,工作面超前支护范围无底鼓、帮部收敛等现象,微震监测总频次及总能量均降低达到90%以上。因此,地面水平井分段压裂可有效减小采场上覆岩层的强矿压,进而降低工作面回采期间的冲击地压灾害。     

基于井下煤层水力压裂的微震时空发育规律研究

为了研究井下煤层水力压裂过程中的微震活动规律,以龙凤煤矿首采区1905工作面开展的UDFD瓦斯治理项目为工程背景,采用KJ1073微震监测系统对压裂过程进行实时、动态的监测。监测研究表明：（1）微震事件的发育具有时间效应,发育范围随压裂时间的增加逐渐扩大,微震事件能量具有周期性,分析与煤岩体裂隙扩展相关：煤岩体弹性压缩→加速扩展→减速扩展→煤岩体弹性压缩的一个循环过程;（2）微震事件发育方向与压裂液体流动的方向、煤体的倾角方向基本一致,发育范围最长为184 m,最短为100 m,垂向集中在9#煤层顶、底板10 m以内;（3）对微震数据进行分类,并采用置信椭圆分析,表明LF7-1、LF7-2压裂孔之间裂隙发育,发生联通,得到了有效的压裂,在后期的瓦斯抽采中得到验证。上述研究探明了压裂裂缝延伸扩展方向和影响范围,对进一步指导现场施工,优化压裂钻孔布置提供依据。     

基于TEM探测煤岩水力压裂有效影响范围的实验研究

基于瞬变电磁法的工作原理,分析了探测煤岩水力压裂过程中高压水的流动方向和扩展范围的可行性,并在新安矿14230工作面进行了实验研究。通过对实验区域水力压裂前后煤层及其顶板二次电磁场变化规律的探测和分析,直观地确定了煤岩体遭受水力压裂后高压水沿煤层走向、倾向以及法向的流动方向和影响范围。     

煤层水力压裂过程中的微震活动规律及其时频特征

为了研究煤层水力压裂过程中的微震活动规律及特征,以山东某深部矿井煤层水力压裂试验数据为基础,提出基于奇异值分解SVD法的微震信号去噪方法,并结合煤层应力监测、管内压力监测等手段,利用短时傅里叶变换STFT法研究了典型水力压裂微震信号的时频特征,最后初步尝试了基于微震指标的水力压裂效果表征。结果表明,伴随水力压裂"注水-起裂-扩展-结束"过程的开展,微震信号特征呈现出规律性变化:信号的振幅值先增后减(由6.64 m V迅速跃升至97.51 m V,后回落至30.61 m V);信号频率普遍分布在30~250 Hz,呈现出缓增趋势(由64.0 Hz升高至109.5 Hz,并短暂维持在105.3 Hz)。最后利用微震事件的空间分布和能量分布,初步表征了水力压裂影响范围及煤层应力迁移规律。上述研究成果为后期利用微震数据解译、评价水力压裂效果提供了参考。     

悬顶采空区分类分区勘探及防控技术研究

为了解决悬顶采空区突然塌陷的安全隐患，将悬顶采空区划分为同煤层、上部煤层、下部煤层及地表建(构)筑物下4类类型，按照隔离煤柱及密闭、压架、蹬空开采、建(构)筑物等典型要素的危险性划分为危险区、较危险区和一般危险区。针对4类悬顶采空区致灾因素进行了勘探技术研究，设计了几种典型勘探技术，采用单点地震法和矿井瞬变电磁法对隔离煤柱/密闭厚度进行探测，采用地震波CT和槽波地震法对应力集中区进行探测，采用矿井瞬变电磁法对“两带”发育高度进行探测、采用高密度电法对建(构)筑物下悬顶采空区范围进行探测，为后续评估、治理提供了依据。针对悬顶采空区提出了几种典型治理与监测技术，采用水力致裂卸压防治上部悬顶采空区对下部煤层综采压架，采用隔离煤柱加固技术对同煤层悬顶采空区进行治理，采用地表岩移监测和井下受威胁区域监测技术监测悬顶采空区。     

基于矿井瞬变电磁法的煤矿井下水力压裂效果评价初探

以重庆松藻矿区的石壕煤矿N1632上工作面机巷53~#顺层水力压裂探测资料为例,开展了压裂前、后的视电阻率等值线物探成果图对比分析研究工作,并经矿方验证了矿井瞬变电磁法评价水力压裂效果方法的可靠性、准确性,得出了顺煤层水力压裂的上、下扇形探测的顶、底板未穿水的判别标志,同时也是判断顺层压裂有效性的前提条件。     

煤层水力压裂增透范围理论分析与试验研究

为了确定煤层水力压裂增透的影响范围,根据水力压裂原理,在分析煤层水力裂缝几何形态和滤失系数的基础上,以连续性方程为基础构建了煤层水力压裂增透影响范围理论模型,然后通过五阳煤矿井下水力压裂生产实践进行了验证。结果表明:模型计算结果与生产实践基本一致,五阳煤矿水力压裂增透的影响范围为20m,水力压裂钻孔间距以15m为宜。     

水力压裂技术在放顶煤工作面初次放顶中的应用

针对神东保德煤矿81307工作面顶板砂岩厚度大、强度高,在工作面初次放顶时极易造成大面积悬顶,安全隐患大的问题。采用水力压裂技术对工作面坚硬完整顶板进行弱化处理,并通过瞬变电磁法对水力压裂效果进行了验证,瞬变电磁探测结果中的相对高阻异常区应该为水力压裂后裂隙发育区,与实际顶板跨落区域完全吻合,取得了良好的应用效果。     

沁南地区煤体结构对煤层气开发的影响

为了研究煤体结构对煤层气开发的影响,对比了沁南地区3号煤层中原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等不同煤体结构的钻井、压裂、排采资料,并对部分煤矿进行了井下观测分析。研究发现煤体结构越破碎,井壁稳定性越差,井径、抽采孔钻屑量越大,同时,储层污染范围与井径大致呈正相关关系;碎粒煤及糜棱煤发育处,井筒周围形成厚层的水泥环,水力压裂初始施工压力将快速上升,导致水泥环破裂,同时压裂液的大量滤失会降低压裂裂缝的延伸范围,甚至导致砂堵等工程问题;在排采过程中,煤层水及煤层气均有携带煤粉的能力,易造成排采通道的堵塞,导致气井产能迅速降低,同时也容易造成裂缝闭合,降低解吸范围,煤体结构越破碎,煤粉产出越多,裂缝闭合越严重。     

煤矿回采工作面钻孔注水联合探测试验研究

为了解决工作面水害隐患和初步探测水力压裂影响范围,工作面形成后在正常煤层区域利用钻孔进行高压注水,促进煤层孔隙和裂隙发育,同时模拟工作面富水区,基于高压水的流动扩散性与富水区显著的物性差异,采用矿井高密度电法、矿井瞬变电磁法、高频电磁波CT对该区域注水前后进行联合探测试验,对综合物探成果进行对比分析,研究其电性参数的变化规律和初步圈定水力压裂后煤层的影响范围。探测试验研究表明:注水点附近煤层的视电阻率和衰减系数在注水前后发生明显变化,扩散半径约30 m范围内视电阻率降低2～4倍,扩散半径约10 m范围内衰减系数增幅20%左右。     

煤层定向水力压裂防治冲击地压的试验研究

利用定向水力压裂方法对煤层卸压,从而防治矿井冲击地压。同时采用KBD5电磁辐射监测仪对试验结果进行了监测。结果表明:实施定向水力压裂后,压裂孔周围10~20 m内电磁辐射值较压裂前明显下降,出现了一个应力降低区,地应力较压裂前有所减小;压裂孔径向大于15 m外范围出现一个应力升高区,说明压裂孔周围煤体应力向外发生了移动。在煤体降低压区内,钻孔施工顺利,孔深100 m以上都无异常,而在两侧的应力升高区,当钻孔打到24~30 m处出现严重喷孔现象。     

导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用

针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题,提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布,分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展,揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制,研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用,结果表明：利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔,使得煤中产生形似圆柱孔洞,穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比,钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法,裂隙扩展明显,瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备,主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头,结合井下水力化作业远程监测和控制,现场监测结果表明,通过增透作业钻孔的方法,平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2.75倍和1.81倍,说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。     

一种通过围岩开采煤层气的方案

常规的煤层气开采需要对煤层进行水力压裂以增加其透气性而提高产量,但中国煤层具有低透气性和强塑性特点,压裂效果并不理想。文章提出首先应用水力压裂等方法改造煤层围岩的透气性,使围岩能传递井中产生的压降,煤层因而可在与围岩接触面处解吸出所吸附的煤层气,并经围岩作为通道流入井中。由于围岩的可压裂性远高于煤层,因此此方案较常规方法更加可取。     

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。