千米深井高瓦斯煤层W-S-W水力压裂强化增透试验研究

水力压裂是增加煤岩体透气性的有效方法之一,针对深部水力压裂存在的问题,提出了"水-砂-水"(W-S-W)水力压裂强化增透技术,以千米深井高瓦斯煤层为研究背景,开展了W-SW水力压裂强化增透试验和常规水力压裂试验,并对增透效果进行了考察。结果表明:煤体的非均质性和孔隙裂隙分布的非均匀性导致了煤体非对称性增透,在水力压裂的作用下裂缝的扩展演化是递进循环式的,并依次经历了能量缓慢增长、微裂隙萌生、局部损伤破坏、裂缝迅速扩展、裂缝网络循环扩展演化5个阶段。高压水对煤体内部结构产生切割,形成一种高压水驱动裂隙弱面不断扩展、延伸的连锁效应,并使支撑剂(砂)楔入到裂缝端部,抑制了裂缝的闭合,增加了煤体的透气性。采用W-S-W水力压裂强化增透区域煤层的百孔抽采量最高达1.2 m~3/min,平均百孔抽采量与瓦斯体积分数分别为0.77 m~3/min,52%,与常规水力压裂区域的平均百孔抽采量0.44 m~3/min和瓦斯体积分数31%相比分别提高了0.75倍、0.68倍,与未压裂区域的平均百孔抽采量0.32 m~3/min和瓦斯体积分数24%相比分别提高了1.4倍、1.2倍,W-S-W水力压裂强化增透区域煤层的百孔抽采量与瓦斯体积分数均具有明显的峰值阶段,且稳定抽采阶段可持续45 d以上,瓦斯抽采时效性明显,实现了千米深井高瓦斯煤层大范围增透和长时高效抽采瓦斯。     

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。     

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。     

深部低透气性煤层水力压裂强化增透技术研究

利用数值模拟计算与现场工程技术试验相结合的方法,系统的研究了在底板抽采巷实施水力压裂技术对煤层的强化增透效应与效果;研究获得了水力压裂过程中裂隙发育规律、应力重新分布规律以及渗透系数变化规律,分析获得了增透范围,并利用现场工程技术试验的方法进行了验证。将数值模拟效果应用于工程实践,实现了煤层瓦斯的高效抽采,在压裂后的1个月里,压裂区瓦斯抽采纯量达到未压裂区的3.6倍,抽采达标时间与未压裂区相比缩短了近40%,实现了煤层的长时间增透和瓦斯高效抽采。     

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。     

松软突出煤层采煤工作面水力压裂增透技术应用

为了解决淮南矿区突出煤层透气性差,原始煤层中钻孔抽采瓦斯流量小,预抽时间长的难题,开展了水力压裂增透技术研究,并在1351(3)工作面进行了试验,对水力压裂效果进行了考察。试验表明:水力压裂增透技术可以扩大煤层中的孔隙和裂隙,增加煤层的透气性,水力压裂影响半径不小于60 m,受水力压裂影响区域与原始煤体区域相比,单孔抽采量增加了260%,单位面积抽采纯量增加了45%,钻孔量减少40%。     

新田煤矿水力压裂增透技术试验

新田煤矿煤层透气性低、瓦斯含量大,抽采效率低。为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效果,提出在新田煤矿1402工作面回风顺槽底抽巷40-41#钻场中间位置,实施水力压裂作业的试验研究。通过水力压裂增透试验,考察了新田煤矿穿层钻孔水力压裂工艺可行性及相关技术参数。现场试验后表明:通过水力压裂使水力压裂钻孔与之前的抽采钻孔周围煤体裂缝产生沟通,使煤层整体卸压增透,提高了瓦斯抽采效果。     

顺层钻孔水力压裂增渗技术在单一低透气性煤层的应用

常规技术与参数进行瓦斯抽采难以满足要求,故采用水冲击压裂煤层在单一低透气性煤层改善低透气性,利用冲击力二次破坏煤体使原生裂隙扩展贯通,从而提高煤体透气性。寺家庄矿15301工作面采用顺层钻孔水力压裂增渗强化抽采技术,结果表明,压裂区相较非压裂区平均瓦斯浓度与瓦斯纯量有明显提高,瓦斯浓度提高6倍。     

点式水力压裂装置的试验研究与应用

为了增加煤层的透气性,提高瓦斯抽采效果,利用点式水力压裂技术对本煤层进行增透,介绍了点式水力压裂装置作用原理,并通过实验室试验确定了压裂装置合理的技术参数,在潘北煤矿进行了工业试验,利用地应力统计结果计算出了试验煤层起裂压力分别为23.6、23.0 MPa。工业试验表明:煤层压裂后压裂组的平均抽采瓦斯流量为普通抽采组的2.5~3.5倍,平均瓦斯浓度是普通抽采组的1.9~2.5倍;点式水力压裂增透技术能够在低透气性煤层取得较好的增透效果,并且压裂时间短,可大幅增加煤层瓦斯的涌出量与抽采量,能有效提高煤层气产量,在提高煤层透气性的应用上具有广阔前景。     

水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用

为了提高低透气性突出煤层的瓦斯抽采量,达到抽采消突的目的,在李子垭南二井进行了水力压裂增透技术现场试验,对水力压裂技术在高瓦斯、低透气性突出煤层中的运用效果进行了试验考察,并分析了水力压裂煤体致裂增透机理.试验结果表明:对煤层进行钻孔水力压裂后可有效提高煤层的透气性和钻孔瓦斯抽采效果,压裂前后钻孔瓦斯自然流量提高127.6倍以上,水力压裂钻孔在煤层走向方向上的影响半径可达50m以上.     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透数值模拟及应用

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采钻孔施工量大、效率低等问题,研究了水力压裂技术的破煤理论及高压水对煤层的卸压增透理论,提出水力压裂强化抽采瓦斯的措施,以岩土工程数值模拟软件FLAC3D对煤层进行水力压裂数值模拟,得到煤层水力压裂过程中裂纹扩展规律,确定了水力压裂现场试验的工艺参数、压裂装备及抽采系统,完成封孔及压裂试验。     

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。     

单一低透煤层脉动水力压裂脉动波破煤岩机理

针对单一低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采困难的现状,采用理论研究、物理实验和现场测试相结合的方式,研究了高压脉动压裂过程中脉动应力波的产生、传播及对煤岩体的破坏机理,通过实验室试验,研究了脉动压裂与常规压裂的不同。研究表明：脉动应力波的反射与叠加使某些位置应力增大,某些位置应力减小,加之煤岩体的能量积聚作用,可以以较小的脉动压力产生比较大常规压力更好的压裂效果。应用该原理开发了高压脉动压裂卸压增透技术,经现场实施表明：脉动压裂起裂压力为8 MPa,为常规压裂起裂压力的1/2,压裂影响半径为8 m,脉动压裂后单孔瓦斯抽采量为普通抽采孔的3.6倍,最高为50 L/min,抽采流量为未压裂孔的4倍,是常规压裂孔的1.2倍。     

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。     

水力压裂增透范围及其在瓦斯抽采中的应用

为了提高瓦斯抽采率及增加煤层透气性,研究了水力压裂增透范围以及其在瓦斯抽采中的应用,分析了瓦斯渗透率与含水率关系、煤层应力—渗流规律,采用数值模拟软件,研究了孔隙水压力分布、孔隙最大主应力、不同测压系数下最大主应力变化、宏观裂隙长度变化规律以及渗流量、空隙水压、最大主应力的变化曲线。应用实践表明:当采用水力压裂技术时,抽采效果提高了3~5倍。研究可为类似工程条件的瓦斯抽采提供了借鉴。     

穿层钻孔水力重复压裂增透技术研究及应用

基于张集矿煤层地应力高、透气性低的特点，为了改善张集矿井下瓦斯抽采效率，采用相似模拟与工程试验相结合的手段，研究得出了水力重复压裂煤层过程中裂隙发育、扩展演化特征以及上覆岩层卸压、增透机制。并提出了穿层钻孔“重复压裂”及“先压后冲”相结合的压裂技术增加煤层渗透性，并根据模拟结果合理选择现场压裂施工参数进行现场工程试验，结果表明，该水力压裂技术可以有效提高煤层瓦斯抽采量，缩短抽采达标时间。     

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。     

水力压裂增透技术在南桐煤矿的应用研究

为探索低渗煤层的瓦斯抽采增产关键技术,提高瓦斯抽采效率,缩短抽采达标时间,针对南桐煤矿瓦斯治理中的难题,开展了煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯技术研究。研究结果表明:水力压裂可在煤层中形成一组沿最大主应力方向延伸、最小主应力方向张开的径向张性裂缝,明显提高煤层的透气性;南桐煤矿K2煤层最大破裂压力为32.0MPa,选择压力为38.0MPa的设备工况进行压裂,单孔平均压入水量400m3左右;-325m7511工作面压裂后钻孔平均每米抽采贡献量是传统工艺的49倍,减少了预抽钻孔工程量,降低了成本,提高了瓦斯抽采效果。     

煤层气井多井压裂效果的数值分析

地面钻井抽采瓦斯已成为解决高瓦斯矿井安全问题的有效方法,但我国煤层的渗透率普遍较低,需要进行人工增透,其最有效的方法之一就是水力压裂。在对瓦斯抽采单井压裂效果分析的基础上,利用有限元分析软件RFPA对多井压裂效果进行了数值分析,结果表明:单井压裂时,裂缝在井周两侧沿最大水平主应力方向延伸;多井压裂设计时,采用对角线沿最大水平主应力方向的菱形布井方式,能在煤层中产生充分发育的裂隙和损伤区域,达到压裂煤层的目的;模型的边界条件对模拟结果产生较大影响,施加围压更符合实际情况。