水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响

脉冲水力压裂技术是改造低渗储层的一种重要手段,通过水楔效应和脉冲疲劳损伤双重作用沟通裂隙网络,提高低渗储层导流能力。在脉冲水力压裂室内试验中,试样中预制孔的密封问题是决定水力压裂试验成败的关键,而起裂压力又是评价脉冲封孔段密封效果的重要指标。通过煤岩脉冲水力压裂室内试验,建立了封孔段薄弱结合面与煤岩基体力学性质的关联,研究不同频率对煤岩起裂压力的影响,最终拟合相关数据得到:基于煤岩脉冲作用下起裂压力的预制孔封孔压力经验公式。研究结果为脉冲水力压裂室内试验的试样预制孔密封提供依据。      

基于不同弹性本构方程的塑性区宽度及封孔长度研究

煤层注水是煤矿开采过程中重要的增透卸压手段,而封孔长度是影响注水压裂效果的一个关键因素。为了确定出合理的封孔长度,根据Lippmann煤层失稳基本理论,选取了6种不同的弹性区本构方程,引入非线性动态瓦斯压力分布的表达式,构建了含瓦斯煤层力学理论模型,得到煤层垂直、水平应力和塑性区宽度的解析式,之后结合高家堡的现场情况,对比分析6种弹性本构方程下的煤层应力分布曲线及塑性区宽度,并进行了现场封孔试验。结果表明：封孔长度在9.5 m时孔洞漏水量小、未出现异常现象,封孔效果良好,最终确定出了合理的封孔长度为9.5 m;相对于其他3种弹性本构方程,选取第i、v、vi种弹性本构方程对封孔长度进行理论计算分析,更加符合现场实际情况。     

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。      

煤矿井下瓦斯抽采钻孔三段式自动封孔器研究

针对煤矿井下瓦斯抽采钻孔需人工下入封孔器并注入封孔料完成封孔,封孔工艺自动化程度低,研发煤矿井下瓦斯抽采钻孔三段式自动封孔器,其外形尺寸与钻杆相仿,可被自动钻机下入钻孔,并可实现自动注入封孔料。采用有限元分析的方法,选用Mooney-Rivlin超弹性本构模型表征应变能函数,获取封孔器动密封机构橡胶密封圈的受力情况,并获得不同材料封孔器胶套在不同膨胀力作用下的膨胀情况,为动密封机构滑动推动力数值的确定和胶套材料的选择提供参考;采用理论计算的方法对工作状态下三段式自动封孔器的流道进行水力计算,获得三段式自动封孔器封孔用水的流量和压力,为自动封孔参数的确定提供参考;利用有限元分析的方法校核封孔时封孔器储液腔的受力情况,分析三段式自动封孔器核心部件结构设计合理性,确保封孔器正常工作。制作实验样机,开展三段式自动封孔器室内封孔实验和封孔效果对比实验。室内封孔实验显示封孔器动密封机构动密封效果良好,封孔料自动注入模拟钻孔中,天然橡胶胶套自动膨胀充满模拟钻孔且可有效封堵封孔料,三段式自动封孔器具有可行性。封孔效果对比实验显示,自动封孔器封孔效果与现有的聚氨酯压注法工艺封孔效果相近,且优于传统的聚氨...     

煤矿井下自动封孔装置坐封与注浆压力研究

注浆压力和坐封压力是设计煤矿井下自动封孔装置所需的主要参数,同时也是自动化封孔施工设计的重要依据。以浆液的有效封堵半径为基础,采用理论计算、数值模拟等方法分析了不同注浆压力条件下的封孔效果,结合橡胶的Mooney-Rivlin本构模型的力学特征、挤压密封等原理,研究并确定最佳注浆压力和坐封压力。结果表明,注浆压力为2~4 MPa时浆液的径向封堵范围达2~4 m,可以满足对钻孔的封堵要求;当钻孔直径为96~100 mm时,坐封压力范围为2.2~8.4 MPa,可以使装置达到最佳坐封效果。研究结果可为装置的设计提供理论基础,为装置应用所需技术参数的确定提供理论依据。      

顺煤层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺

瓦斯抽采效果在很大程度上取决于封孔方法和封孔质量。针对祁南矿原有封孔工艺封孔深度不够和材料本身的弱点,对钻孔封孔原有的工艺进行了改进。通过增加封孔深度、采用新式封孔材料等,避免了短路风流,减轻封孔管路中负压的消耗,并使抽采瓦斯的体积浓度提高了25%~50%,提高了生产效益。      

韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践

韩城矿区碎软煤层发育,煤层透气性差,本煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。顶板梳状孔水力压裂技术结合了水力压裂技术和定向钻进技术二者的优势,是解决碎软低渗煤层瓦斯抽采难题的有效技术途径。在韩城矿区王峰煤矿3号煤层顶板粉砂岩中施工长钻孔并向煤层开分支,采用套管+封隔器座封的整体压裂方式进行水力压裂工程试验。钻孔总长度344 m,有效压裂长度284 m,累计注水量874.79 m3,最大泵注压力9.4 MPa。试验结束后对钻孔瓦斯抽采相关参数连续监测86 d,钻孔瓦斯抽采体积分数27%~51%,平均42.11%,钻孔瓦斯抽采纯量8.25~21.41 m3/min,平均17.02 m3/min,钻孔累计抽采瓦斯量约210万m3。与常规的穿层钻孔水力冲孔技术相比,该技术百米钻孔瓦斯抽采量提高了11.48倍,初步证明了该技术在碎软煤层瓦斯强化抽采领域的适用性。      

倾斜煤层水力压裂起裂压力计算模型及判断准则

针对目前倾斜煤层起裂机制不明确,导致水力压裂时盲目升高压力或增大注水量来增加煤层透气性的问题,根据最大拉应力理论,分析真实环境下倾斜煤层压裂钻孔周围应力状态,建立压裂钻孔周围煤岩体起裂压力计算模型及判断准则,并在重庆松藻煤电公司同华煤矿进行了验证,结果表明,根据实测压裂区域地应力状态,起裂压力随煤层倾角增大而增大,钻孔起裂位置随煤层倾角增大逐渐向走向方向偏转;现场试验起裂压力与理论计算相符,随煤层倾角增大而增大,从而验证了计算模型的正确性。     

低透煤层井下长钻孔水力压裂增透技术

针对我国低透气性煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的现状,提出了利用大直径长钻孔水力压裂对煤层进行增透的技术措施,探讨了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了煤矿井下煤层水力压裂瓦斯抽采试验。在成功施工顺层长钻孔的基础上,研发了一套适合井下水力压裂施工的快速封孔工具组合,分析了压裂过程中参数变化规律,提出了水力压裂影响范围、压裂效果和瓦斯抽采效果评价方法,并进行了考察和评价。研究表明:该技术克服了传统井下水力压裂存在的封孔质量差、压裂影响范围小等问题,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了58 m,压裂后连续抽采130 d累计抽采纯瓦斯量为31.39万m3,日最高抽采量2 668 m3,瓦斯体积分数平均70.05%,百米钻孔瓦斯抽采纯量达到0.55 m3/min。      

封孔用料的计算问题

封孔用料的计算问题江明根（山东煤田地质局３队加祥２７２４０４）关键词封孔;用料量;孔径中国图书资料分类法分类号Ｐ６３４·８１引言煤田地质勘探队在钻孔施工完毕之后要求按封孔设计封闭钻孔。为了保证封孔质量,必须有足够的封孔用料。是不是封孔用料越多越好呢？...     

煤矿井下高压端连续水力加砂压裂增透技术与装备研究

针对煤矿井下作业空间小,供电供水能力有限,地面加砂压裂装备无法直接应用于煤矿井下的现状,提出了高压端加砂压裂的技术思路。基于液动冲击混携砂原理,研发了高压端连续水力加砂压裂装备。该装备不需要外部动力源进行混砂,而是通过压裂液流态和流场的变化形成旋流冲击实现混砂和携砂。理论分析、数值模拟和室内仿真试验均表明,该装备在原理上是可行性的,能够有效混砂和携砂。研发的装备整体耐压达到55 MPa,一次可装石英砂750 kg,可实现单个或者多个穿层钻孔的连续加砂压裂。配套设计了三通道并联的煤矿井下高压端连续水力加砂压裂控制系统,该系统通过矿用压风实现开关的开合,与压裂泵的控制系统协同对加砂过程实现远程集中控制,确保加砂过程安全可靠。运用该装备在安徽淮南矿区潘三煤矿进行了5个底板穿层钻孔的现场试验。结果表明:该装备携砂能力较强,仅需开启通道二即可实现有效加砂,最大连续加砂量150 kg,最大注水量316 m3,加砂压裂钻孔瓦斯抽采纯量、百孔瓦斯抽采量分别是清水压裂钻孔的2.38和2.03倍,增透效果明显。研发的装备可应用于煤矿井下高压水射流、水力切割以及水力加砂压裂等领域。      

煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备

针对碎软煤层渗透率低、瓦斯抽采衰减快、压裂不均匀、裂缝易闭合、瓦斯抽采效果差、无法实现区域瓦斯超前预抽的问题,提出了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的技术思路,研发适合煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透技术,研制了成套的煤矿井下水力加砂压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置及工具组合、防砂封隔器及工具组合。水力压裂泵组装备最大排量90 m3/h,最大泵注压力70 MPa,最大携砂能力20%,支撑剂粒径小于等于1 mm;定向喷砂射孔装置通过水压驱动喷射器定向,最大旋转角度180°;防砂封隔器最大承压70 MPa,最大膨胀系数为2。研发的定向长钻孔连续定向喷砂射孔工艺技术和定向长钻孔拖动式水力加砂分段压裂工艺技术,在山西阳泉新景煤矿井下开展工程试验,完成2个压裂钻孔(孔深均为609 m)共计16段水力加砂分段压裂施工,累计实施80次定向喷砂射孔作业,石英砂的体积分数2%~3%,定向喷砂射孔压力22.6~28.6 MPa,共计使用石英砂19.8 t;水力加砂分段压裂单段注入压裂液153.8~235.1 m3、核桃壳砂的体积分数2.02%~2.56%,累计注入压裂液2 808.57 m3,注入核桃壳砂36.47 t;综合评价本次水力加砂分段压裂影响半径为20~38 m,统计分析压裂后2个钻场100 d瓦斯抽采数据,1号钻场、2号钻场日均瓦斯抽采纯量分别为1 025、2 811m3。试验结果表明:压裂装备加砂量大,施工排量大,能够实现连续作业,压裂后煤层透气性显著增加,极大地提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量。研究成果对碎软煤层区域瓦斯增透提供新思路,为我国类似矿区区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。      

托普台区块高渗透地层随钻堵漏剂配方优化

托普台区块上部地层以砂泥岩层、砾质砂岩为主,容易发生漏点不明确、漏失段长的高渗透性漏失。通过对堵漏材料的配伍性评价及合理级配,优选出了一种适合高渗透性漏失地层的随钻堵漏剂。该堵漏剂对钻井液流变性影响小,可降低钻井液API滤失量,对沙床封堵后承压能力＞10 MPa,在TP328X井的应用表明,高强度弹性石墨颗粒复合凝胶堵漏对于高压差、高渗透漏失的工况,可以有效封堵漏层,特别适用于对于漏层不明、漏涌同层、裸眼等复杂井况。     

中硬低渗煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术与应用

针对黄陇侏罗纪煤田中硬煤层渗透性差、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快等问题,利用自主研发的水力压裂成套工艺设备,提出煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术,并在黄陇煤田黄陵二号煤矿进行工程应用试验。现场共完成5个定向长钻孔钻探施工,单孔孔深240~285 m,总进尺1 320 m;采用整体压裂工艺对5个本煤层钻孔进行压裂施工,累计压裂液用量1 557.5 m3,单孔最大泵注压力19 MPa;压裂后单孔瓦斯抽采浓度及百米抽采纯量分别提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍;相比于普通钻孔,压裂孔瓦斯初始涌出强度提升2.1倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低39.6%。试验结果表明:采取水力压裂增透措施后,瓦斯抽采效果得到显著提升,煤层瓦斯可抽采性增加,为类似矿区低渗煤层瓦斯高效抽采提供了技术支撑。      

关于地下断层封闭性的讨论——以东营凹陷为例

本文回顾并分析了前人进行断层封闭性评价的一些基本思路,并根据孔隙压力和有效应力原理提出了断层封闭性评价的新见解,断面的力学性质取决于该断面上有效直应力和剪应力的大小和方向;有效直应力为压性,则断面为封闭的,有效直应力的性质受控于有效地应力,而有效地应力的大小与流体压力密切相关;以前对断层封闭性的评价中所考虑的影响因素是不全面的,完全忽略了流体压力对断层封闭性的影响;断层封闭性不但是变化的,而且其变化是一种瞬时的、多次所复的过程;在探埋藏条件下,断层一般是封闭的。自然界中至少存在着两种引起地层压力快速上升并导致深部断层开启的机制：一是地震触发高压致裂;二是深部流体注入引最的连锁压裂。     

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践:压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。