松软煤层穿层钻孔超高压水力压裂技术研究及应用

为了增大煤层透气性，提高煤层的瓦斯抽采效率，保障工作面的安全生产，在N3704西瓦斯巷设计了穿层钻孔超高压水力压裂实施方案，并对压裂效果进行初步考察。结果表明，通过在7号煤层进行煤岩合层压裂，得出压裂后瓦斯抽采纯量效率提高10倍以上，煤层由难以抽采煤层、可抽煤层变为易抽采煤层，煤层透气性系数提高50倍以上|同时，7号煤层在埋深750m条件下，水量达109.72m3时，压裂之后的抽采半径可以达到50～70m，提高瓦斯抽采效率，改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面。     

松软煤层超高压水力压裂技术研究及应用

为了增大煤层透气性,提高煤层的瓦斯抽采效率,保障工作面的安全生产,在N3704西瓦斯巷设计了穿层钻孔超高压水力压裂实施方案,并对压裂效果进行初步考察。结果表明,通过在7号煤层进行煤岩合层压裂,得出压裂后瓦斯抽采纯量效率提高10倍以上,煤层由难以抽采煤层、可抽煤层变为易抽采煤层,煤层透气性系数提高50倍以上;同时,7号煤层在埋深750m条件下,水量达109. 72m3时,压裂之后的抽采半径可以达到50～70m,提高瓦斯抽采效率,改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面。     

水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用

为了提高低透气性煤与瓦斯突出煤层的瓦斯抽采量,达到抽采消突的目的,新元矿进行了底抽岩巷穿层钻孔水力压裂增透技术试验。试验结果表明:压裂前后瓦斯抽采浓度提高了14倍以上,瓦斯抽采纯量提高了18倍以上,水力压裂能够较好的改善煤层透气性,提高本煤层瓦斯抽采钻孔抽采浓度及抽采纯量。     

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.     

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。     

肥田煤矿水力压裂增透技术试验

肥田煤矿煤层透气性差,瓦斯含量高,抽采效率低,为了提高煤巷条带穿层钻孔的预抽效果,增加煤层透气性,提出在肥田煤矿103底板瓦斯抽放巷内对9#煤层实施条带水力压裂增透试验。试验结果表明:在经过水力压裂后,煤层透气性系数λ变为原始煤层的2. 3倍,瓦斯平均抽采浓度提高到原始区域煤层平均抽采浓度的1. 39倍,单孔瓦斯抽采纯量较未进行压裂区域提升近1. 24倍。     

定向长钻孔水力压裂增渗技术预抽煤巷条带瓦斯的应用研究

为提高低渗、高瓦斯突出煤层煤巷条带瓦斯抽采效率,实现低渗、突出煤层煤巷条带瓦斯的快速有效治理,在2130煤矿4号煤层24223运输巷开展了井下定向长钻孔水力压裂增渗技术试验研究。试验结果表明,试验区内4号煤层水力压裂影响半径为30 m,煤层透气性提高了4.59倍,缩短了瓦斯抽采时间,提高了瓦斯抽采效果。     

水力压裂技术在王行庄煤矿的应用

针对王行庄矿二1煤层透气性、瓦斯预抽率低等问题,提出了水力压裂增透技术,分析了水力压裂增加煤层透气性机理,确定了水力压裂工艺及参数,并在二1煤层11091运输巷进行了水力压裂技术试验。结果表明:实施水力压裂后,煤层瓦斯平均抽采浓度提高了5.3倍,瓦斯抽采量提高了6.1倍,提高煤层透气性和瓦斯抽采率的效果较理想。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究

为提高中兴煤矿松软煤层透气性,有效解决传统钻孔瓦斯抽采难题,通过现场工业试验及瓦斯抽采效果对比相结合的方法,对2号松软煤层水力压裂增透技术及工艺进行了研究。结果表明：水力压裂方案实施后,煤层透气性提高明显,瓦斯抽采浓度、流量分别增幅3.6倍、2.7倍,抽采巷风排瓦斯量平均降低0.68m³/min,减幅27%,水力压裂可有效提升煤层瓦斯抽采效率。     

低透气性强突出煤层瓦斯抽采导流通道的构建及应用

基于芦岭煤矿低透气性强突出煤层瓦斯治理的需要,提出了地面钻井压裂抽采以削弱突出危险、保护层开采以消除保护范围突出危险和穿层钻孔强化抽采以消除保护边界外突出危险的瓦斯治理顺序,考察研究了对应抽采技术导流通道的特征及应用效果。结果表明,地面钻井压裂抽采,砂层是瓦斯抽采的导流通道,单个钻井长期可获得1 500 m 3 /d的煤层气产量;保护层开采,层间离层裂隙是瓦斯抽采的导流通道,煤层透气性可提高1 930倍;穿层钻孔群排煤抽采,孔群间的连通裂隙是瓦斯抽采的导流通道,单孔平均瓦斯流量可增加4倍,煤层透气性可增加200倍以上。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水力压裂消突技术在低透气性煤层瓦斯治理的应用

为提高低透气性突出煤层瓦斯治理效果,基于水力压裂的低温、高压、瓦斯解吸快等特性,对低透气性煤层进行水力压裂消突增透试验。试验表明:压裂周围形成裂隙发育区,压裂区域抽采效果提升显著,煤层平均含水率增大1.8倍,单孔抽采浓度提高3.12倍,抽采率提高40%~50%。由于增加裂隙发育以及水驱气的双重作用下,抽采半径由原来的的3 m增加到20 m。水力压裂增透消突技术更加安全、高效。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。