碎软低透煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究

针对碎软低渗煤层成孔难、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快、抽采有效影响半径小、达标期长等问题。以千米定向长钻孔为基础,结合自主研发的分段水力压裂成套装备,提出了底板梳状长钻孔分段水力压裂强化增透技术并开展了碎软煤层典型矿区工程应用试验。研究结果表明:①实现了一次性裸眼分5段压裂增透施工,累计注水量达到2 865 m~3,最大注水压力达17.18MPa;②压裂增透后,煤层透气性系数增加至压裂前的16.63倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低至压裂前的7.6%,最大压裂影响半径达60m,与普通穿层压裂钻孔相比,采用底板梳状长钻孔分段水力压裂后钻孔抽采浓度提高了12.8倍,瓦斯日抽采纯量提高了2.53倍;③压裂增透过程可分为"高压注水通道打开—煤层起裂—周期性明显破裂"3个阶段。保压阶段孔内压力具有"快速下降—缓慢降低—平衡不变"的变化特征。④分析认为压裂增透过程可分为"高压注水通道打开—煤层起裂—周期性明显破裂"3个阶段变化。分段水力压裂增透过程中,通过高压注水作用下,周期性携带离散煤颗粒形成封堵带,压裂段循环增压,形成多点段三维立体裂隙网络。将压裂增透区域划分为紊流区、渗流区、过渡低渗及扩散区,通过卸压裂隙带的渗流及扩散和高压水的甲烷置换作用,加速瓦斯解吸和增大瓦斯裂隙运移通道,实现碎软煤层瓦斯增透高效抽采。     

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。     

松软低渗突出煤层定向水力压裂增透消突实践

针对松软低渗突出煤层瓦斯含量大、难抽采,石门揭煤过程中易发生突出等问题,研究了定向水力压裂增透消突技术。首先,阐明了定向水力压裂增透机理,通过理论计算得出煤层起裂压力、流量、注水量分别为22.8～30.5 MPa、130～200 L/ min和 216 m3。据此,在揭煤预抽巷道内布设4个水力压裂孔和2个裂隙导向孔。压裂过程中,泵压、平均注水流量、单孔注水量分别达到28～31 MPa、140～177L/ min和260～330 m3,同理论计算的数据基本吻合。试验结果表明:定向水力压裂影响半径大于30 m,煤层透气性系数达到0.840 m2/ ( MPa2-d),是原始煤层的60 倍﹔单孔瓦斯浓度提高50%～80%,百孔抽采纯量达 1.9 m3 / min,瓦斯抽采量提高90%。采用定向压裂后,揭煤钻孔工程量缩减64%,抽采达标时间比预计工期提前了36 d。该技术可为类似瓦斯治理工程提供借鉴。     

低渗煤层控制水力压裂增透技术研究及应用

针对低渗煤层水力压裂存在裂缝扩展范围小、增透效果差和在增透影响范围内容易留下空白带等问题,将控制水力压裂引入低渗煤层水力压裂实践。分析了低渗煤层控制水力压裂增透机理,提出了低渗煤层控制水力压裂增透技术及封孔方法,并在夏店煤矿进行了工程应用。结果表明:控制水力压裂使水力裂缝沿着控制孔的方向扩展延伸并有效增加煤层渗透性;组合式封孔技术封孔效果好、成本低,实现了一孔多用;控制水力压裂技术应用后,煤层渗透率有效增大,钻孔瓦斯抽采纯流量为原始煤层的4.969倍,3117工作面瓦斯预抽效果达标,回采期间回风巷瓦斯浓度始终低于0.5%,实现了工作面的安全高效开采。     

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。     

松软煤层井下水力压裂增透技术及应用

针对松软煤层弹性模量、抗压强度和抗拉强度较低,泊松比、孔隙压缩系数较高,易发生塑性变形等特点,将松软煤层井下水力压裂划分为煤体压密、裂缝起裂与裂缝扩展3个阶段,提出压裂工艺参数选择的参考原则,并在松软煤层典型矿区开展水力压裂现场试验。对压裂效果进行考察分析表明,在合理选择压裂工艺参数的前提下,水力压裂对于松软煤层增透作用明显。     

碎软低渗煤层水平井水力喷砂射孔工艺优化

针对碎软低渗煤层水平井煤粉产出危害,提出采用水力喷砂射孔压裂来实现“射孔-增透-控粉”为一体的压裂改造理念,具体工艺包含水力喷砂射孔、高压射流、环空压裂以及水力补射孔清洗。通过成本及工艺对比,选择油管拖动水力喷砂射孔方式进行压裂,并对工艺和关键工具进行优化。首先,优化防反冲蚀破坏一体化硬质合金圆锥收敛型喷嘴,能实现排量2.0～2.5 m³/min时,射流压力为16.5～25.8 MPa。其次,优化喷射器本体,能有效射穿套管、水泥塞,并射入岩石一定深度。配套一体化管柱顺利完成了煤层气U型水平井压裂和补射孔施工各8段,每段射孔时间15 min以上,并充分顶替返排煤粉,投产3年后产气量仍达到3500 m³/d以上,表明优化工艺达到了碎软低渗煤层改造效果。与连续油管分段压裂技术相比,油管拖动水力喷射压裂单段压裂作业成本降低了28.5%。     

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。     

告成矿“三软”煤层压裂增透技术研究

针对告成矿“三软”煤层瓦斯抽采遇到的难题,对水力压裂增透技术机理进行深入研究,并进行了现场试验.试验结果表明,水力压裂前的瓦斯抽采量4.6％,日平均抽采瓦斯量0.970 m3;水力压裂后的瓦斯抽采浓度达到22.1％,日平均抽采瓦斯量10.437 m3,效果明显.     

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。     

煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展

为了解地面直井水力压裂增透技术对阳泉矿区复杂构造带低渗透高瓦斯突出煤层的改造增透效果,在研究区断层附近布置了9口煤层气井,采用地面直井水力压裂技术对3^#、8^#和15^#主采煤层进行压裂增透改造。结果表明：经地面直井水力压裂增透技术改造后,位于向斜构造控制的封闭性逆断层构造带和冲刷带附近的煤层气井能够取得较高产气量,开发效果较好,压裂改造形成的高渗区与断层附近形成的高渗区相互沟通,显著提高了煤层气井有效瓦斯抽采范围和抽采效果,降低了采掘巷道的突出危险性。

     

长钻孔分段压裂增透技术在抽采煤层瓦斯中的研究与应用

针对重庆地区地质条件的复杂性,在研究定向长钻孔分段压裂技术装备的基础上,成功在松藻煤矿实施了定向分枝长钻孔分段压裂试验,实现对每个分支孔的单独压裂施工。与该煤矿常规压裂钻孔相比,定向分支长钻孔分段压裂后,平均瓦斯抽采流量提高了7.12倍,平均瓦斯抽采浓度在30%以上,取得了良好的效果,达到了大幅提高煤矿瓦斯抽采效率、缩短抽采达标时间、降低瓦斯治理成本的目的,提升了煤矿的安全水平,为煤矿安全高效生产奠定了基础。     

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。     

不稳定流量水力压裂对深部低透气性煤层增透效果的影响

为了进一步提升深部低透气性煤层水力压裂增透效果,在煤层水力压裂相关理论研究及现场试验的基础上改进水力压裂工艺,根据相关的力学原理,推导得到压裂孔周边的应力随注水流量的变化情况,提出以控制注入水流量为原则,在水力压裂过程中采用不稳定注入水流量的方法,在平煤十二矿己₁₅-31040工作面进行水力压裂试验。试验结果表明：通过注入不稳定水流量,克服了煤层深部高地应力对水力压裂施工的影响,且压裂过程顶板保持良好;经过测定与己₁₅-31040工作面相邻的己₁₅-31030工作面的常规稳定水流量压裂、未压裂区域瓦斯抽采数据,不稳定水流量压裂单孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量比常规水力压裂及未压裂区域均有明显提升。该方法对深部煤层水力压裂增透具有一定的指导作用。     

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。     

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。     

基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道快速揭煤防突技术研究

为实现瓦斯隧道安全快速有效地揭煤,以正习高速公路天城坝隧道揭煤工程为背景,分析了水力压裂大范围增加煤层透气性原理与增透效果影响因素,基于水力压裂增透技术建立了多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术体系,探讨了以超前探测、初探、精探、区域瓦斯防突及检验、工作面防突及检验、验证揭煤等为核心的揭煤防突流程,优化了瓦斯隧道水力压裂防突技术...