煤矿井下分段水力压裂梳状定向长钻孔钻进技术研究

随钻测量梳状定向钻进技术目前主要应用于煤矿瓦斯防治、地质异常体探测和探放水等领域。但该技术还未与水力压裂增透强化抽采技术相结合应用于煤层瓦斯防治领域,由于水力压裂增透强化抽采技术对钻孔特殊要求,相应钻探装备、钻孔设计和钻进成孔工艺均需要进行研究突破。本次研究成果融合了井下梳状定向长钻孔瓦斯抽采技术及水力压裂增透强化抽采技术的优点,形成了一套适合分段水力压裂梳状定向钻孔施工设备及工艺流程,能够满足对松软煤层瓦斯远距离与区域增透技术的需求,解决松软煤层透气性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题。     

松软煤层瓦斯抽采孔PVC管护壁技术应用研究

针对晋城煤业集团赵庄煤业矿区地质构造复杂、煤层松软及透气性差,瓦斯抽采孔由于煤层松软引起孔壁稳定性差,成孔提钻后,短时间内孔壁坍塌,导致瓦斯抽采通道堵塞,抽采率低,抽采效果差的问题。利用在钻孔施工完成后不提钻杆,先在钻杆内部下入抽采筛管进行护壁,提钻后形成瓦斯抽采通道,应用结果表明：该技术与传统提钻后下套管工艺相比,下管效率大幅提高,下管深度达到孔深的98%以上,有利于提高瓦斯抽采效率,对煤矿安全具有重要意义。     

新集一矿地面抽采瓦斯钻井成井技术

地面钻井抽采工作面上覆采动区的煤层瓦斯,能很好地解决低透气性煤层的瓦斯抽采难题,但因钻井的成井率低,严重限制了该技术的推广应用。通过对钻井布置、钻井结构、钻井采气及井底层位、钻井施工技术与管理等影响成井的关键因素的研究,并将地面抽采瓦斯钻井成井技术在新集一矿进行实际应用,发现施工的12个地面抽采瓦斯钻井百分之百成井,为地面钻井法抽采瓦斯的成功应用提供了参考。      

底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性

底板岩巷穿层钻孔抽采技术和本煤层定向长钻孔抽采技术是目前高瓦斯和突出矿井回采工作面最为主要的瓦斯治理措施。晋城矿区赵庄矿煤层具松软低透气性特点,主要采用岩巷穿层钻孔消突为主,本煤层顺层钻孔消突为辅的瓦斯治理方法。但底板岩巷穿层钻孔存在工程量大、施工周期长及成本高等缺点,本煤层钻孔存在钻孔抽采不均匀、钻孔覆盖密度不足等技术缺陷。为对比考察底板梳状长钻孔与底板岩巷穿层钻孔的抽采效果,在赵庄矿1307采面开展了2种瓦斯治理方法。结果表明:抽采条件和抽采范围相同条件下,5个底板梳状长钻孔的瓦斯抽采总量占到底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采总量的75.4%,而底板梳状长钻孔的经济投入仅占底板岩巷穿层钻孔经济投入的29.2%。由此得出,研究区梳状长钻孔替代穿层钻孔的瓦斯抽采技术是可行的。该研究为底板梳状长钻孔替代底板岩巷的技术可行性提供了实践参考,为松软低透的高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理提供了更为经济可行的治理方案。      

松软煤层瓦斯钻孔失稳分析及动态密封技术

松软煤层钻孔在钻进及抽采瓦斯过程中,容易发生钻孔形变、缩径、坍塌甚至堵孔等工程问题,造成瓦斯钻孔成孔率低、密封性差、服务时间短及瓦斯抽采阻力大等抽采问题。针对上述技术难题,基于松软煤层的构造演化过程,分析了自重应力、构造应力、采动应力及瓦斯应力等因素对松软煤层瓦斯钻孔稳定性的影响,得出了松软煤层钻孔的多应力耦合作用失稳机制。同时,针对松软煤层瓦斯钻孔失稳规律,提出以护孔为基础,自适应动态密封为关键的"护-封"一体化松软煤层瓦斯钻孔密封技术。工程试验结果表明,该技术可使单孔瓦斯抽采体积分数增加至90%以上,单孔瓦斯体积分数提高2~3倍,且抽采浓度稳定。      

单一松软煤层瓦斯抽采工艺数值模拟

借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法,对单一松软煤层的瓦斯抽采工艺进行了研究分析。根据单一松软煤层特点,提出了单一松软煤层的几何模型技术——单直径球型孔隙模型,在此基础上建立了煤层瓦斯抽采的地质和数理模型,并根据网格差分方法推导出数值解。以实际生产数据对新模型及其数值解进行验证,结果表明该模型可以用于指导单一松软煤层瓦斯抽采工艺的确定。     

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。      

SF_6气体示踪法测定低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽放半径

针对目前应用较多的瓦斯抽放半径测定方法——相对瓦斯压力测定法与实际情况偏差较大问题,以神华乌海能源公司平沟煤矿16号低透气性高瓦斯煤层为研究对象,在井下1606工作面施工瓦斯抽放试验钻孔,采用SF6气体示踪法测定工作面瓦斯的抽放半径,并比较了不同抽放半径的瓦斯抽放效果。实测结果表明,SF6气体示踪法所测定的瓦斯抽放半径使瓦斯抽采效率显著提高,该方法为煤层预抽瓦斯钻孔间距的设计提供了依据,可以在低透气性高瓦斯煤层的瓦斯抽放半径测定中推广使用。     

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。      

快速下套管抽采瓦斯技术在新庄孜煤矿中的应用

阐述了快速下套管抽采瓦斯技术原理、施工设备、施工工艺及注意事项。并介绍了快速下套管抽采瓦斯技术在安徽淮南新庄孜矿松软突出煤层顺层抽采瓦斯钻孔中的应用情况。     

低渗煤层压裂机理及应用

构造煤由于煤层渗透性低,地面煤层气开发进程迟缓。通过研究低渗煤层的地质模型,结合以往工程实践经验分析,探讨了低渗煤层中采用水力压裂技术进行储层改造增产的机理,并在淮北矿区芦岭煤矿地面煤层气井中进行了应用。研究表明,采用高强度水力压裂技术工艺可在低渗煤层中产生比较长的裂缝,取得比较理想的产气效果。研究结果对我国碎软低渗煤层开展地面煤层气开发具有一定的推动作用。      

贵州省煤层气(瓦斯)开发适用性技术分析

近年来在煤层气勘探开发实践中遇到诸多技术瓶颈,针对其中关键技术适用性开发问题,基于贵州地区煤储层呈薄煤层群赋存且构造复杂的地质背景,结合贵州地区煤层气成功开发、利用案例,提出了适用于贵州复杂地质条件下的煤层气开发及利用技术。贵州地区不同薄煤层群可根据实际间距情况采用光套管合层压裂、可捞式桥塞分段压裂等技术,煤层松软地区要加强防煤粉压裂技术及缝内转向技术的综合利用;松软低透煤层群应优选首采层,采动卸压后瓦斯抽采效果较好,同时加强定向长钻孔"以孔代巷"、松软煤层全程下套管、低透煤层CO₂相变致裂或水力割缝等技术的综合应用,实践证明可有效增强瓦斯抽采效果。      

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。      

煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加,碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此,碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面,总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况,分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题,提出了改进完善建议,分析了内控导向式旋转定向钻进技术,多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展,为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。      

碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术应用研究

针对碎软煤层空气定向钻进存在空气螺杆马达降温润滑, 煤尘降尘处理和孔内煤层出水处置技术需求, 在分析钻渣运移特性的基础上, 通过集成稳定高效发泡、“机械+泡沫”复合排渣和“空气+泡沫”复合钻进等关键技术, 配套定向钻机、泡沫发生灌注系统、空气螺杆马达、异形钻杆和随钻测量系统等关键装备, 开发了碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术。在安徽省宿州市某矿开展了应用试验, 在出水碎软煤层中顺利施工了主孔深度232 m顺煤层定向钻孔, 与应用空气定向钻进技术施工的2个钻孔相比, 成孔深度分别提高了97%和105%, 显著提高了顺煤层定向钻孔成孔深度, 增强了碎软煤层瓦斯抽采效果, 同时达到了降温润滑空气螺杆马达, 降低孔口返出煤尘目的, 可为碎软煤层定向钻孔施工提供一种新的技术途径。      

煤层气井合层开发层间干扰分析与合采方法探讨 ——以平顶山首山一矿为例

多煤层合层开发是提高煤层气井单井产量的关键技术,然而工程实践中大部分煤层合采存在层间干扰问题,致使合采产气量提升不明显。为了提高合层开发煤层气井的产气量与开发效率,以平顶山首山一矿煤层气合采四2煤层和二1煤层为例,基于煤层气赋存的地质条件,分析了合采层间干扰的影响因素及干扰规律,并提出了煤层合层开发层间干扰的控制方法。结果表明:造成四2煤层和二1煤层合层排采产量低的主要因素是储层压力梯度、临界解吸压力和渗透率。其中,两层煤的储层压力梯度分别为1.05 MPa/hm和0.519 MPa/hm;渗透率分别为0.25×10–3 μm2和1.4×10–5 μm2;临界解吸压力分别为1.16~1.69 MPa和0.40~0.46 MPa;另外,两煤层间距大,平均170 m左右。以上主要影响因素差异,造成两层煤合采时层间矛盾突出,干扰严重,总体产量低,井组煤层气开发效率低。基于现状问题,探索提出大间距多煤层大井眼双套管分层控制合采工艺方法,以实现两层煤分开控制达到合采产能叠加的目标,从而提高煤层气井合采产量和开发效果。研究认识将为平顶山及类似地质条件的矿区多煤层煤层气高效合层排采提供新的技术途径。      

贵州官寨井田煤层气直井压裂工艺分析

以贵州官寨井田GZ-01井为例,针对地质条件复杂、煤层破碎松软、透气性较差以及煤层单层厚度薄且层数多的特点,分别从目标层(段)、射孔、压裂液配方、支撑剂、压裂方式与规模等方面探讨了适合该井田地质与储层条件的煤层气压裂工艺。结果表明,贵州官寨井田煤层膨胀性较低,加入1.0%的KCl可抑制煤层膨胀;采用高砂比、大液量、中排量的压裂规模进行分段多层压裂。      

气爆对煤体渗透性影响的实验研究

我国煤层的渗透率普遍偏低,采用常规增产改造和降压开发技术难以奏效。因此,提出了一种全新的卸压增透技术-气爆。阐述了气爆的实验原理、实验过程及气爆前后渗透率的对比。通过对40组气爆实验数据的分析研究可知:在气爆压力相近的情况下,当煤的硬度系数f为0.5~0.9,且渗透率k为0.001~0.005 D时,气爆效果更明显,部分煤体的渗透率甚至增加了10倍;同时,爆破孔深度、位置和气爆压力的大小也是影响渗透率变化的重要因素。实验结果为气爆技术的实际应用提供了数据支持。