“三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验

水力冲孔是实现"三软"煤层瓦斯高效抽采的有效途径之一。通过应力应变-煤体结构-渗透率的耦合实验,揭示了"三软"煤层渗透率随煤体结构和应力变化的演化规律,发现软煤在卸压后渗透率得到大规模提升。以Hoek-Brown准则为理论依据,通过数值模拟,发现水力冲孔出煤后的卸压增透范围显著增加。采用自主研发的"瓦斯抽采孔水力作业机",在郑煤集团大平煤矿21141底板抽放巷进行了水力冲孔试验,使得水力冲孔更加安全、高效,并使得老孔的修复成为现实。现场试验充分检验了装备的可靠性和理论分析的准确性,显著提高了煤层瓦斯的抽采效率。      

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。      

井下高压水射流切割煤层增透效果数值模拟

针对井下高压水射流切割煤层增透技术,利用FLAC3D数值模拟软件,建立三维有限元模型,对不同煤体结构（软煤、硬煤）、切割深度和切割环数等因素的卸压增透效果进行数值模拟分析。模拟结果表明:在水力切割相同半径下,软煤的卸压范围约为硬煤的1.8倍,变形量约为硬煤的2.6倍;水力切割半径由0.5 m增至1 m时,煤体中应力降低为90%的区域和煤体变形量分别提高到1.56倍和1.66倍;相邻切割缝槽之间出现了交互影响,钻孔的卸压范围和煤体变形量显著增大,水力切割区域煤体呈现整体卸压状态。将数值模拟的卸压范围与理论公式计算结果进行了对比,二者之间的误差为0.46%~9.84%,表明采用数值模拟技术研究水力切割增透效果是可靠的。      

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。      

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。      

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。      

低透高瓦斯强吸附性煤层超高压水力割缝增透技术及试验研究

针对云南省老厂矿区部分矿井开采C_(7+8)煤层期间面临的预抽钻孔密度大造成串孔,孔口负压大造成抽采管凹陷破损,预抽达标时间长造成生产接续失调等问题,提出超高压水力割缝增透技术,对其增透原理、装备及工艺进行了分析、试验研究,结果表明,某煤矿C_(7+8)煤层合理割缝压力为80MPa,单缝合理排屑量为0.35t,合理缝槽间距为5m;割缝条带相较于2m间距钻孔的普通条带,钻孔抽采瓦斯浓度提高约0.85倍,瓦斯纯量提高约0.5倍,抽采达标时间缩短约42.9%,掘进面瓦斯浓度平均值减小了56.3%。     

复合水力化增透技术在低渗突出煤层瓦斯抽采中的应用

为增加低渗突出煤层的透气性,提高煤层瓦斯抽采率,提出"钻扩一体化+水力压裂"复合水力化增透技术。介绍了该技术的原理及工艺系统组成等,并在重庆南川宏能煤矿进行了工程试验。试验结果表明,与采用单一"水力压裂"和单一"钻扩一体化"水力化技术的钻孔相比,采用复合水力化增透技术的钻孔,其瓦斯抽采纯量较前二者分别提高了3.37倍和2.80倍,瓦斯抽采体积分数分别提高了3.35倍和2.64倍。      

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。      

可控电脉冲波增透技术在低透气性煤层中的应用

可控电脉冲波增透技术作为低透气性煤层增透改造的理想措施之一，施工方案优化问题亟待解决。选择山西保德煤矿低透气性煤层，采用可控电脉冲波增透技术开展钻孔增透施工方案优化。试验结果表明，在钻孔内平均增透作业范围为131 m、冲击密度为0.5次/m条件下，增透钻孔组日均瓦斯抽采量较常规孔提高4.7倍，可控电脉冲波增透效果最佳。增透钻孔组日均瓦斯抽采量由高到低依次是5 m观测孔、15 m观测孔、30 m观测孔和增透孔，表明增透效果随着距离的增加逐渐衰减，影响半径确定为大于30 m。结合对比验证试验综合分析认为，可控电脉冲波能够显著提高煤层瓦斯抽采量，而冲击密度和钻孔内增透作业范围是增透效果的重要影响因素。在较硬煤层中以钻孔内平均增透范围100 m、0.5次/m冲击密度作业增透效果最佳。研究成果为可控电脉冲波增透技术在我国低透气性煤层的增透施工方案设计中提供参考。      

Cracking mechanism of coal under high-pressure water jet and its applications for enhanced coalbed methane drainage

This paper is concerned with the mechanism of coal breakage under high-pressure water jet (HPWJ) and its applications. A model of HPWJ impinging on coal target was established to study the cracking mechanism of coal under impact load. The characteristic and pressure distribution of HPWJ, the propagation characteristics of stress wave in coal, the mechanical properties of different coal particles, and the fracture characteristics of coal under HPWJ erosion were investigated theoretically and numerically. The results show that the shock wave and water wedge pressure are the main factors that cause coal breakage and crack propagation. The damage to the far-field coal particles affected by HPWJ is primarily caused by tensile stress, and the damage to the near-field coal particles affected by HPWJ is caused by the coupled effects of tensile stress and compressive stress. An erosion cavity is formed in the coal model with diameters of 1.25 to 2.5 times that of the jet at different depths. Meanwhile, the strong quasi-static pressure at the crack discontinuities further promotes the propagation of radial cracks around the erosion cavity to form a fracture zone, and the diameter of the fracture zone at different depths is 3.5 to 4.0 times that of the jet. In addition, the results of field application show that there is a significant difference between the methane parameters in the hydraulic flushing borehole and the conventional borehole; the average methane volume fraction and the average methane flow rate in hydraulic flushing boreholes are 3.85 and 3.67 times, respectively, that in conventional boreholes. Indicating hydraulic flushing can effectively promote the initiation and propagation of coal cracks. These results are of great significance to improve coalbed methane drainage technology and prevent gas disaster accidents in coal mines.     

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。     

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。      

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。