煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术.依托"十三五"国家科技重大专项课题,围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术,采用理论分析、数值模拟等手段,对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态,研究水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角对裂缝转向扩展的影响,分析多簇射孔条件下裂缝的竞争扩展现象....     

代替高抽巷瓦斯地面水平井抽采技术

针对余吾煤矿待采工作面煤层瓦斯超限问题,为解决高抽巷掘进工程量大、投入大、成本高等问题,采用了煤层顶板水平井代替高抽巷抽采瓦斯技术,利用ZJ40石油钻机和E-link电磁波无线随钻测量定向仪器,在煤矿N2202工作面实施了2口多分支水平井。成井后,地面建立负压泵站抽吸瓦斯混合气。结果表明,工作面平均产量达到1.0万t/d,抽采瓦斯混合气5.00万m3/d。研究成果实现了地面水平井抽采代替高抽巷瓦斯,为瓦斯抽采提供了新的技术方法,不仅降低了费用,而且还提高了生产过程中的安全系数,具有巨大的经济效益和生产价值。     

应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律

穿层压裂是提高煤层顶板水平井产气量的关键技术,而应力干扰对煤层顶板水平井穿层分段压裂效果具有重要影响,为此,建立顶板水平井穿层分段压裂数值模型,研究应力干扰对穿层分段压裂裂缝扩展的影响规律。结果表明：煤层的岩石力学参数、压裂段间距和压裂施工方式是影响顶板水平井穿层压裂段间干扰的3个重要因素,随着煤层泊松比的降低,叠加应力逐渐增加,段间干扰程度增加;随着段间距离的增加,叠加应力逐渐减少、应力干扰逐渐减弱;顶板岩层内的叠加应力和应力干扰程度明显大于煤层;渗流扩散泄压施工产生的叠加应力明显低于连续压裂施工,段间干扰程度明显降低。研究得出连续施工的中硬煤层分段间距在90 m左右,软煤层分段间距在70~80 m较合理。扩散泄压压裂施工段间距相应降低,中硬煤层的分段间距在70 m左右、软煤层分段间距在60 m左右较合理。工程实践表明,顶板水平井分段压裂裂缝穿透了煤层,形成了较长裂缝,取得了较好的产气效果,实现对煤层的高效穿层压裂改造,研究结果为顶板水平井穿层压裂段间距优化提供了理论依据。     

新场气田分段压裂水平井裂缝布局优化

新场气田属于大型多层致密砂岩异常高压气藏,储层物性差,非均质性强,气井动用储量低。目前,为大幅度提高气井产能,提高储量动用长度,该气藏多采用多段压裂水平井开发。因此,迫切需要论证裂缝参数及其组合对多段压裂水平井开发效果的影响,为气藏下步科学高效开发和持续高产稳产提供理论基础。以川西新场气田为研究对象,采用数值模拟法深入研究了压裂水平井裂缝几何布局对气井产能的影响,包括非均匀裂缝长度、非均匀裂缝间距、压裂规模与裂缝数量、裂缝长度与间距的匹配、裂缝夹角与间距的匹配。结果表明:对于多段压裂水平井,U型模式的裂缝长度布局最优;均匀裂缝间距开发效果优于非均匀裂缝间距;水力压裂时,少段数长缝能取得更佳的开发效果;0. 67~1倍缝长的裂缝间距布局、垂直于井筒的正交裂缝布局有利于改善压裂水平井开发效果,裂缝间距的增大能有效降低非正交裂缝低夹角对产量的影响。     

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。     

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。     

煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

针对硬煤层瓦斯抽采衰减快,抽采周期长、效率低等问题,提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象,在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征;利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性;在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明：煤层在加载压力15 MPa,保压48 h,煤体的孔隙、裂隙数量增多,孔径尺寸增大,且连通性增强,裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中,封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形,内压15 MPa、外压10 MPa时,可保持硬煤钻孔结构完整同时,产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工,孔深540～568 m,每孔分8段压裂,单孔注液量910～1 154 m³,累计注液量3 011 m3;压裂后,利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34～46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72～1.73 m³/min,平均抽采瓦斯体积分数42.60%～67.48%;对比试验区常规钻孔,瓦...     

水平井分段完井不同分段模式优化研究

运用势的叠加原理和镜像反映原理,导出了水平井任意分段模式下井筒与油藏渗流耦合产能计算模型,用该模型可以计算任意分段模式下来平井的产能,通过对比不同分段模式下的水平井产能,可以对分段进行优化,从而指导分段完井方案的制定.研究结果表明:当打开程度一定时,不同分段模式对产量影响不大;产量随着打开程度的提高而增加,但当打开程度大于40％时,产量增幅趋于平缓,因此,打开程度必须大于打开临界程度,这样既减小了因分段而牺牲的产量又达到了分段的目的;井筒摩阻对产量影响较大,在进行分段优化时,必须考虑井筒摩阻的影响,从而优选盲管段的位置.     

淮北芦岭煤矿煤层顶板水平井煤层气抽采效果分析

淮北芦岭煤矿为高瓦斯突出矿井,煤层碎软低渗,瓦斯抽采困难。应用“十二五”期间开发的紧邻煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采技术,试验井已取得产气突破。为了深入分析评价地面煤层气抽采对煤矿瓦斯灾害的防治效果,基于目标煤层特征,分析煤层顶板水平井的产气规律,利用产能数值模拟技术,对生产井数据进行了历史拟合,在此基础上,进行水平井产能预测,分析水平井抽采过程中煤层气含量和储层压力变化趋势。结果表明：水平井抽采影响范围主要为裂缝和近井筒区域,井筒-裂缝系统外部区域受影响较小;水平井影响范围随抽采时间的延长逐渐增大,预测1、3、5、8、10 a的影响面积分别为0.113、0.193、0.242、0.311、0.350 km²;随着水平井抽采时间的延长,剩余含气量和储层压力逐渐降低,预测水平井抽采5 a,水平井控制范围内瓦斯含量最低可降至2.86 m³/t,平均可降至4.2 m³/t,降低50.6%。储层压力最低可降至0.85 MPa,平均可降至2.30 MPa,降低66.2%。煤层顶板水平井技术对煤层气开发和瓦斯灾害防治效果显著,是实现碎软低渗煤层瓦斯地面预抽的有效手段。     

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。     

顺层钻孔布置间距对煤层瓦斯抽采效果影响的物理模拟试验研究

基于自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同顺层钻孔布置间距条件下的瓦斯抽采物理模拟试验,对瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力及抽采流量的演化规律进行了探讨。研究结果表明:煤层内不同测点的气压随着与抽采管之间距离的减小,下降速率加快;当受抽采叠加效应影响时,在相同距离条件下抽采管之间区域的气压下降速率大于外侧,且在抽采开始后该气压差异迅速到达峰值后呈下降趋势,而距离抽采管越近的区域,或随钻孔布置间距增加,叠加效应均减弱;在煤层垂直于钻孔的断面上,气压梯度与抽采瞬时流量存在幂函数关系,随着钻孔布置间距减小,或数量增加,同一位置的气压下降速率增大,抽采瞬时流量下降速率加快,累计流量增加,煤层渗透性系数ɑ值增大,说明煤层瓦斯抽采效率更高。研究结果可为现场合理布置抽采钻孔提供一定的理论依据。     

穿层钻孔各煤层瓦斯抽采比例计算方法及应用

为了测定穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采比例及残余瓦斯含量,分别提出了相应的解决方法。计算穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采比例时,提出将煤层厚度、原始瓦斯含量、透气性系数的乘积作为瓦斯抽采相关量,将瓦斯抽采相关量归一化处理来计算,考虑了影响穿层钻孔瓦斯抽采的主要因素;预测穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层残余瓦斯含量时,利用原始瓦斯含量与吨煤瓦斯抽采量来计算,吨煤瓦斯抽采量与穿层钻孔瓦斯抽采总量、穿层钻孔在该煤层的瓦斯抽采比例及该煤层的质量有关。结果表明：提出的穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采比例计算方法,与贵州省青龙煤矿现场实测结果的最大相对误差仅为2.03%,能够满足工程实践的需要。     

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。     

淮南刘庄煤矿定向水平井施工技术研究

刘庄煤矿的定向水平井,为首采工作面的沿煤层定向水平瓦斯抽排井,成井总进尺为1116.60m,终孔直径215.9mm。根据淮南矿区13-1煤层开采显现的三带岩移规律和瓦斯抽放效果的具体分析,该抽排井水平段的设计位置在内错风巷30m和13-1煤层顶板之上25m左右,基本上按照13-1煤层的走向延伸。施工后的实际结果为:水平方向,水平段内错上风巷最小19.88m,最大34.98m;垂直方向,水平段距13-1煤顶板最小距离20.79m,最大距离26.8m;与设计目标基本一致,后期瓦斯抽放效果良好。从介绍该井的井身结构和剖面设计入手,着重对该井在施工过程中的钻具组合、钻探施工、下管固井技术和定向技术进行了详细的说明,最后分析了该定向水平井施工技术取得的主要成效。     

顶板高位定向钻孔在青龙煤矿瓦斯治理中的应用

顶板高位定向钻孔是进行上隅角瓦斯治理的关键技术措施。针对青龙煤矿顶板裂隙瓦斯治理需要及复杂顶板高位定向钻孔成孔难题,阐述了顶板高位定向钻孔的技术原理和技术优势;基于“三带”理论综合确定了高位定向钻孔的层位,并优化钻具组合和钻进工艺参数。在青龙煤矿11615工作面完成5个顶板高位定向钻孔的施工,最大孔深达到612 m,单孔最大瓦斯纯流量达到2.79 m3/min,瓦斯浓度达到23.4%,有效地保证了工作面的安全回采。     

瓦斯抽采钻孔间距优化三维数值模拟量化研究

为了识别钻孔间距对煤层瓦斯抽采的影响及如何实现高效抽采,基于流固耦合模型,建立三维几何模型,使其更接近现场实际,借助COMSOL软件模拟某煤矿钻孔不同间距的瓦斯抽采过程,利用瓦斯压力为0.74 MPa等压面三维立体图使有效抽采区域可视化,通过计算有效抽采区域体积大小,量化分析钻孔间距对抽采效果的影响。结果表明:单一钻孔抽采120 d时,有效抽采半径约为1.5 m;当布置多个钻孔且钻孔间距d为5 m,抽采120 d时,瓦斯压力为0.74 MPa的等压面围绕所有钻孔近似呈圆柱状但向内部凹陷（即出现空白带）;钻孔间距d为2.1、3、4、5、6 m时,有效抽采区域体积V的大小顺序随着时间的增长而改变,抽采120 d时,V_{d=5 m}>V_{d=4 m}>V_{d=3 m}>V_{d=2.1 m}>V_{d=6 m}。综合分析瓦斯压力等压面三维立体图和有效抽采区域体积的大小顺序,确定该矿钻孔的较优间距为4 m。研究提出的以有效抽采半径、叠加效应、三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法,可为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考。      

基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究

针对煤层碎软、渗透性低、工作面瓦斯抽采难度大且效率低的问题,提出两端对接分段压裂顶板水平井组的工作面瓦斯抽采全覆盖模式。选取淮北煤田宿县矿区某矿井为例,依据研究区地应力与工作面展布特征,结合研究区内瓦斯地质条件及煤层力学性质分析,利用交叉偶极子声波测井方法优选水平井水平段布置方位,采用Fracpro PT的压裂模拟技术确定水平井水平段距离7₁煤层的范围,即布置在煤层顶板2 m以内;采用抽采模拟技术对研究区试验工程进行预测,结果显示,抽采3 a后工作面的瓦斯含量和压力都大幅度降低,达到了工作面瓦斯抽采全覆盖的要求。提出的抽采模式为国内类似地质条件煤矿地面瓦斯高效抽采提供一种手段。     

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。     

高产高效矿井煤层瓦斯抽采工艺优化

瓦斯灾害因成灾类型多,瓦斯矿井分布广,灾害事故影响大,已成为我国多数煤矿常见自然灾害之首。当前瓦斯治理较为广泛的方法是运用瓦斯抽采技术,降低煤层残余瓦斯含量,而采用何种抽采工艺既能高效的消除瓦斯灾害威胁,又能保证良好的效益是需要权衡的关键问题。以我国高产高效工作面为试验区,通过开展多种瓦斯抽采工艺的对比试验,揭示了各类抽采钻孔在不同抽采孔径、不同间距、不同布置类型等工艺条件下的抽采参数特征,进而得出符合矿井实际的最优工艺类型及最优参数,为矿井的高效抽采提供重要依据。     

底板梳状钻孔在碎软煤层瓦斯治理中的应用

针对碎软煤层顺层钻孔成孔深度浅、成孔率低、存在抽采盲区等突出问题,基于贵州省青龙煤矿煤层及顶底板岩层赋存特征,提出利用底板梳状钻孔进行碎软煤层长距离、区域瓦斯抽采与治理。首先分析了底板梳状钻孔的施工工艺原理及技术优势所在,从布孔层位、分支点位和钻孔间距的选择等方面总结了底板梳状钻孔的设计原则。通过钻进装备的优选、钻进工艺参数和钻具组合的优化,成功穿越破碎煤岩层孔段,并实现了127 mm套管全程护孔下放,在21605底抽巷施工完成了多组底板梳状定向钻孔。瓦斯抽采效果表明：底板梳状定向钻孔瓦斯抽采流量大、浓度高、衰减速度慢,单孔瓦斯抽采浓度60%～85%、抽采纯量08～25 m3/min,实现了碎软煤层瓦斯高效抽采。为碎软煤层矿井区域瓦斯抽采与治理提供了重要的借鉴。