水力压裂煤储层卸压增透技术的适用性分析

水力压裂煤储层技术在不同矿区应用过程中受不同煤体破坏类型和围压条件的影响,其卸压增透效果差异性较大.为了明确该项技术的井下适用条件,优化其实施工艺,切实提高煤层瓦斯抽采率,通过分析和总结河南省不同矿区实际煤储层的水力压裂试验数据资料发现,水力压裂增透技术对Ⅰ,Ⅱ破坏类型煤体的增透效果比较明显,而在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ破坏类型的松软煤层中适用性则具有一定的局限性,具有压裂范围小、裂缝闭合快、增透效果不明显等特点.所得结论对于选择合理的水力压裂储层并进一步优化完善高效预抽本煤层瓦斯技术具有一定的指导意义.     

低透气性煤层顺层钻孔水压预裂增透消突技术研究

通过对顺层钻孔增透消突技术的现状及存在问题分析的基础上,介绍了一套新型的增透消突技术—水压预裂增透消突技术,该技术通过在李子垭煤矿的现场应用和考察,有效解决了低透气性煤层的瓦斯治理及防突问题,大大改善工人的工作环境,提高了煤矿生产的效率和安全状况。     

深部高瓦斯低透突出煤层水力化增透技术模拟分析及试验研究

本文以淮南矿区低透气性煤层为试验区,考察钻孔采取水力化措施,形成水力增透理论。水力冲孔后,储层内孔隙压力发生很大变化,导致地应力场的变化,并在钻孔的煤孔段形成较大的圆柱体状的洞穴,煤体卸压范围扩大,裂隙入渗进一步扩大,透气性增强。在对淮南潘二矿 A 组煤工作面进行水力冲孔试验,取得了较好的效果,抽采半径增加 1.25 倍,抽采量增加 2.68 倍,煤体的透气性系数增加到原来的 2.5 倍,衰减系数只有原来的 1/3,降低了煤层的突出危险性,保证了安全生产。     

低透难抽煤层等离子体致裂增透机制及研究进展

瓦斯抽采是实现灾害防治与瓦斯资源化利用的根本措施,但我国大多数煤层渗透率低、瓦斯吸附性强、抽采难.以物理放电为基础的等离子体技术,以其快速可控、洁净增渗等特性,在煤层增透领域受到高度关注,对提高瓦斯抽采效率与防治瓦斯灾害具有重要应用价值,但其增透机制尚不明确.本文在多年研究工作的基础上,从电破碎的角度出发,回顾了等离子体致裂低渗煤体的发展历程,并从等离子体对煤体微观官能团结构、孔隙结构以及宏观裂隙结构等多个角度出发,深入分析了等离子体击穿煤体的基础理论,并总结了等离子体对煤体内瓦斯的解吸及渗流的影响规律及其主要影响因素,结合笔者所在研究团队多年来的研究工作及国内外最新研究进展,指出了当前等离子体技术在低渗煤层应用中亟待解决的瓶颈问题和方向,并提出了等离子体技术结合其他增透技术联合使用的新思路,在面向深地瓦斯资源开发与灾害防治方面具有重要科学意义.     

松软煤层穿层钻孔水力压裂实验研究

分析了煤层水力压裂增透的原理,设计了两个穿层钻孔(一个压裂对象为构造软煤,另外一个为软煤的坚硬顶板)的压裂方案,在淮北矿业(集团)有限责任公司临焕煤矿进行了现场试验,采用压裂后钻孔瓦斯抽采浓度与流量等指标考察压裂效果.试验表明,水力压裂对松软煤层效果甚微.针对这一问题,提出了对松软煤层的坚硬顶板进行压裂以达到对该煤层卸压增透的目的,现场结果表明松软煤层顶板压裂能大幅增加松软煤层的渗透率,增强瓦斯抽放的效果.     

上向穿层钻孔水力冲孔卸压增透技术研究

为考察水力冲孔卸压增透技术的消突效果,在潘二煤矿A组煤底抽巷穿层钻孔中进行试验。在煤层段每米冲孔时间不低于60min条件下,单孔冲出煤量约2.0t/m,可形成直径约1.3m孔洞,水力冲孔后钻孔周围的卸压范围显著增加,钻孔瓦斯抽采量提高3倍,透气性系数由原来0.19m2/(MPa2.d)提高到1.71m2/(MPa2.d),钻孔流量衰减系数降为冲孔前的1/3,有效影响半径达到5m,降低了瓦斯突出潜能和危险性,卸压增透效果明显。     

穿层钻孔与顺层钻孔抽采半径差异性研究

为了研究两种钻孔有效抽采半径之间存在的差异,以朱集西煤矿11-2煤层为例,采用压力降低法测定了穿层钻孔的有效抽采半径,采用SF6气体示踪现场实测结合COMSOL软件模拟的方法测试了同一煤层顺层钻孔的有效抽采半径。现场测试结果表明,试验煤层在13 k Pa抽采负压、抽采90 d的条件下,穿层钻孔和顺层钻孔的有效抽采半径分别为4.5 m和7.8 m,穿层钻孔的有效抽采半径明显小于顺层钻孔的有效抽采半径,这对抽采设计中合理选择钻孔间距具有十分重要的意义。     

水力冲孔措施的卸压增透效果考察分析

为了考察水力冲孔措施的卸压增透效果,以淮南矿业集团潘二矿11124工作面为试验点,通过考察水力冲孔单孔出煤量、冲孔前后抽采瓦斯体积分数、单孔抽采量以及冲孔前后钻孔瓦斯涌出初速度q等参数,分析了水力冲孔防突措施的卸压增透效果．实验结果表明,水力冲孔防突措施的卸压增透效果明显,抽采瓦斯体积分数由冲孔前的7．8％（平均）增至冲孔后的56．9％（平均）,钻孔瓦斯涌出初速度也由冲孔前的24．2L／min（平均值）下降到冲孔后的2．28L／min,比原来下降90．57％．     

顺层钻孔瓦斯抽采有效半径确定方法研究进展及展望

瓦斯抽采有效半径是确定钻孔布置间距的基础参数和重要依据,其准确测定对于节省钻孔施工工程量、提高瓦斯抽采效率乃至最终实现瓦斯抽采达标至关重要。为了科学地确定瓦斯抽采有效半径,从有效半径与影响半径的定义出发,论述现行有效半径确定方法,分析各种方法存在的问题,最后指出:基于多物理场耦合,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法确定有效半径,是该领域今后的总体发展方向;弹塑性损伤耦合模型与热-流-固耦合模型的构建、有效半径快速测定技术与便携式装备的研发等问题是下一步研究的重点。     

顺层长钻孔预抽瓦斯孔径确定及应用效果分析

针对丁集矿煤层瓦斯高、地应力大及透气性差等特点,在巷道掘进工作面及煤壁两侧采取顺层长钻孔预抽瓦斯卸压消突措施。通过RFPA-Gasflow软件对钻孔周围煤的变形破坏特征、瓦斯流动特点及应力集中的变化进行数值模拟,获得合理瓦斯抽放钻孔参数,保证措施安全有效。结合模拟结果和现场钻孔施工实际确定抽放钻孔直径为133 mm,此时钻孔周围煤水平、竖直方向最大破坏范围达到520 mm和360 mm,掘进工作面前方煤卸压消突效果显著。     

采煤工作面长钻孔瓦斯抽采效果数值模拟

根据现场对煤层瓦斯基础参数的测定,在实验室对顺层长钻孔在异径条件下瓦斯浓度、抽放半径和流量等参数变化规律进行数值模拟计算,并在白山坪煤矿1265采煤工作面的溜子道进行抽放半径的效果检验,发现数值模拟计算结果与实测结果吻合较好。最终结果表明,为保证采煤工作面安全生产,钻孔直径应当75~100 mm较好。     

煤层顶板分段水力压裂应力及裂缝演化试验研究

煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术,该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件中布置应变砖来监测两段压裂的应力时空演化全过程,获得了水力压裂裂缝附近诱导应力场特征,应用声发射技术监测水力裂缝的动态扩展过程,研究了在诱导应力影响下不同排量、不同顶板岩性、不同煤岩界面强度和不同地应力条件下的裂缝延伸形态.最后针对不同储层条件探讨了工艺参数优化方案.研究结果表明：起裂压力受岩石物理力学性质和应力环境的影响.起裂压力随着垂向地应力、泵注水压、岩体抗拉强度的增大出现上升的趋势.当裂缝扩展方向垂直于压裂钻孔时,第一段压裂产生的诱导应力会增加钻孔方向压应力从而导致第二段压裂起裂困难;当裂缝平行于钻孔方向扩展,第一段压裂裂缝会削弱第二段压裂孔附近岩体强度并降低起裂压力.3个影响因素对水力裂缝穿层扩展的影响机制不同.较大的垂向应力差能引导裂缝垂向扩展;较高的煤岩界面强度使得裂缝能够扩展穿过煤岩界面;提高泵注排量主要是增大了岩体的整体破坏范围,从而增加了裂缝扩展到煤层...     

水力喷射定向深穿透压裂技术研究与应用

与常规射孔方式不同,水力喷射钻孔可针对储层有利部位实现定向喷射,以高压水射流钻孔的方式在油层与井筒间形成长度为100m微井眼。利用水力喷射钻孔孔眼的导向作用,继续实施水力压裂改造工艺,在压裂目的层中形成深穿透人工裂缝,以达到储层高效改造的目的。介绍了该技术的工艺原理及实施步骤,结合辽河油区的储层特点,优化了工艺关键参数,提出了火山岩改造的针对性措施,在辽河东部凹陷的探井中成功实施了"水力喷射定向深穿透压裂技术",获得高产工业油流。水力喷射定向深穿透压裂技术在国内应用尚属首次,为火山岩以及其他难动用储层改造开拓了一条新的思路。     

孟津煤矿顺层抽采钻孔合理封孔深度

瓦斯抽采钻孔作为瓦斯抽采的源头,其合理封孔深度直接影响着瓦斯抽采的效果.为了确定适宜孟津煤矿顺层抽采钻孔的合理封孔深度,采用钻屑解吸指标法、钻屑量法测定了卸压区的范围.在卸压区范围的基础上,使用瓦斯运移规律测试装备考察分析了顺层抽采钻孔在不同封孔深度下的轴向瓦斯运移规律,并确定了瓦斯运移负压影响区.最后,根据瓦斯运移负压影响区,确定了孟津煤矿顺层抽采钻孔的合理封孔深度并提出了"抽采钻孔合理封孔深度应超出瓦斯运移负压影响区"的理论.通过在孟津煤矿的现场应用,表明使用该方法确定的合理封孔深度科学、可靠,有效地提高了预抽瓦斯体积分数,进而提高了瓦斯抽采效率;同时,可为其它矿井合理封孔深度的确定提供了分析参考.     

液态CO_2相变致裂二次增透技术

针对平煤十三矿瓦斯压力高、含量高,前期水力冲孔效果不理想,钻孔后期抽采效率低等情况,将液态CO_2相变致裂技术应用于煤层二次增透。采用理论分析与现场试验相结合,阐述相变致裂机理,分析液态CO_2相变致裂技术优势,考察相变致裂效果。现场试验表明,相变致裂后,煤层裂隙大幅增加,抽采54 d,煤层瓦斯单孔平均抽采纯量为致裂前的1.08~1.73倍。     

基于残余瓦斯含量的顺层钻孔抽采有效半径阶梯式测定法

为确定瓦斯抽采合理钻孔间距,有效减少或消除抽采空白带,基于瓦斯抽采相关标准与行业规范,以突出煤层采煤工作面瓦斯含量临界值、采煤工作面回采前煤体可解吸瓦斯含量、采煤工作面瓦斯抽采率和预抽率作为抽采达标的4项基本指标,根据4项基本指标计算得出残余瓦斯含量最小值,将其作为考察指标,对顺层钻孔瓦斯抽采有效半径测定方法进行探索,提出阶梯式测定法.使用该测定法对山西霍尔辛赫煤业有限责任公司3号煤层瓦斯抽采有效半径进行现场测试,同时基于含瓦斯煤的流固耦合动态模型对测试结果进行数值模拟验证.结果表明:阶梯式测定法现场测试结果与数值模拟结果基本吻合,在该矿合理预抽期内,抽采有效半径为1.52 m,合理钻孔间距为2.50 m.研究结果对于完善瓦斯抽采有效半径测定方法、确保瓦斯抽采达标具有参考作用.     

近距离突出煤层群瓦斯治理技术优化的研究

近距离突出煤层群工作面受上下邻近煤层卸压瓦斯的影响,致使回采工作面瓦斯涌出量大、工作面回风隅角及回风巷中的甲烷传感器频繁报警,瓦斯治理消耗大量的人力、物力和时间,严重制约了矿井的安全生产。通过对几种瓦斯治理方案进行分析论证,得出将整个煤层群作为一个治理单元,统筹考虑,将煤层厚度、瓦斯含量相对较小的弱突出煤层作为关键保护层,配合打钻进行立体式抽采,实现上下递进保护,最大限度地抽采邻近煤层的卸压瓦斯的方案。现场实践结果表明,保护层工作面在回采期间瓦斯抽采率高达90%以上,回风隅角瓦斯浓度降至0.6%以下,回风巷风流中瓦斯浓度降至0.2%以下,工作面月平均回采长度由原来的120 m提高至200 m。同时,从根本上解决了被保护层工作面回采期间瓦斯带来的安全威胁。     

钻杆钻进扰动下顺层瓦斯抽采钻孔孔壁失稳机制

为了探讨钻杆钻进扰动对顺层瓦斯抽采钻孔孔壁失稳破坏的影响规律,基于赫兹接触理论,推导钻杆与瓦斯抽采钻孔发生摩擦时滑动接触应力分量计算公式,建立钻杆钻进扰动下孔壁附近复合应力场的分析计算模型,分析孔壁的复合应力场,运用有限元分析软件Abaqus对计算结果进行验证;最后,依据Mohr-Coulomb强度准则,对防止孔壁失稳的临界钻进参数进行分析。结果表明：钻杆位于瓦斯抽采钻孔正下方时,孔壁复合应力场中的最大主剪应力取得最大值;最大主剪应力位于接触表面,若超出煤岩的抗剪强度,则会在此处发生剪切破坏;降低钻杆公转率以及钻杆与瓦斯抽采钻孔孔壁的摩擦系数可以提高钻进过程中孔壁的稳定性;钻杆与瓦斯抽采钻孔之间的环空间隙越大,临界钻压越小。研究结果可为顺层瓦斯抽采钻孔钻进工艺参数选择提供理论指导。     

突出煤层深孔水力致裂驱赶与浅孔抽采消突研究

通过三角形布置水力致裂钻孔、互为卸压孔和观测孔、深封孔短封孔长度等保障了突出煤层掘进头超前深孔水力致裂驱赶的安全性.采用现场试验观测了水力致裂的裂缝扩展与瓦斯驱赶范围,分析了水力致裂前后突出危险性指标、打钻难易程度、迎头瓦斯体积分数、瓦斯抽采效果和消突效果的变化.在水力致裂导致的孔隙水压力和瓦斯驱赶作用下,水力致裂结束后立即钻区域抽采孔较困难;4h后打钻就非常容易,很少出现吸钻、喷孔、煤炮声等现象.薛湖矿4条煤巷掘进的实践表明该技术区域消除了突出危险性.突出煤层掘进节省了10个区域孔的工程量和施工时间,区域消突瓦斯抽采时间减少8.3h以上.