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。     

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m3/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m3/d和1 559 m3/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m3/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井?地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。      

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。      

复杂地层梳状定向长钻孔在区域瓦斯治理中的应用

针对贵州毕节地区某煤矿瓦斯治理预抽时钻孔抽采距离短、成孔性差、孔内事故频发等难题,提出在某煤矿采用底板穿层梳状定向长钻孔的技术方法。通过优化钻孔布孔形式、布孔层位和分支孔施工工艺,保证钻孔主孔成孔深度和分支孔见遇煤层率。试验期间,施工钻孔主孔深度均大于600 m,分支孔见遇煤层率达到60%。钻孔成孔明显得到改善,单孔最大瓦斯抽采浓度达到85%,最大瓦斯抽采纯量达到2.5 m³/min,同时节省了施工成本,为毕节矿区瓦斯治理提供了新的方案。     

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...     

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

井地联合压裂是煤矿井下长钻孔分段压裂的发展趋势之一,压裂液经地面压裂泵加压后通过地面贯通井、煤矿井下长输管路进入煤矿井下长钻孔实施大排量压裂。支撑剂在长输管路中的悬浮运移规律对于优化设计加砂参数、避免管路中砂堵具有重要意义。通过室内实验评价压裂液的流变性能和携砂性能;基于欧拉−颗粒流理论构建数值模拟模型,研究水平管内支撑剂悬浮运移规律及其影响因素;探讨压裂液携带支撑剂运移的流态以及临界沉降流速的计算模型。结果表明：1%降阻剂的加入能够使活性水压裂液黏度提高3~5倍,支撑剂密度越小,压裂液黏度、砂比越高,支撑剂在压裂液中的沉降速度越小;支撑剂在水平管内的流动受到多因素的综合影响,压裂液流速越小,支撑剂密度和粒径越大,支撑剂在管道底部的沉积越严重,携砂效果越差;随着管路直径的增大,管道出口截面支撑剂体积分数最大的位置由管道中下部移动至管道底部,支撑剂流动对于管路的磨损加重;砂比越大,支撑剂间的相互作用越强,压裂液携砂能力降低;优选采用疏浚技术规范推荐的模型计算活性水携砂条件下的支撑剂临界沉降速度,随着管路直径的增大,所需的临界携砂排量呈指数式增大,提高压裂液黏度可降低携砂所需的临界排量。建立的携砂运移临界排量模型和总结的支撑剂运移规律可对管路直径和压裂液排量进行优化匹配,为井地联合压裂施工提供理论支撑。

     

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。     

煤矿井下定向钻进钻孔事故的预防及处理

钻孔事故是煤矿井下定向钻孔安全、高效施工的巨大威胁。介绍了定向钻进常见卡钻、钻具断落和喷孔事故;分析了其成因、预防措施和处理工艺经验。认为对待钻孔事故应坚持“预防为主,处理为辅”的原则;结合装备现状,应开展适用于煤矿井下定向钻进事故处理的专用技术及装备研究。     

煤矿井下水平定向钻进技术的发展

国内外煤矿井下水平定向钻进技术(HDD)的发展具有不同的技术路线,这涉及钻进设备和钻具、钻孔监测仪器的研发,钻孔轨迹控制理论的研究等。本文阐述了煤矿井下HDD技术在国内外的发展特点及我国在该领域未来几年的发展方向。     

煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术

为解决煤矿井下硬岩深孔滑动定向钻进过程中因钻柱托压效应引起的给进压力大、钻进效率低、钻孔深度受限等问题,提出了采用孔底水力加压方式提高钻头钻压的技术思路。通过借鉴石油钻井领域水力加压器结构并结合煤矿井下近水平孔钻进工况进行了孔底水力加压器结构设计,运用理论计算和数值模拟方法进行了水力参数设计。对样机进行了室内测试,测试结果表明,采用φ12 mm、φ13 mm、φ14 mm活塞水眼在流量200~450 L/min范围内输出轴向压力2~10 kN。在淮南张集矿进行了现场试验,并总结出了一套孔底水力加压和水力辅助加压工艺,试验结果表明,滑动定向钻进方式下钻孔深度由464 m顺利延伸至578 m,深孔钻进时最大钻效由之前托压孔段的1 m/h以下提高至3 m/h以上,试验进尺内平均给进表压较托压孔段降低了23.8%、平均钻效提高了137%。     

井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制

针对煤矿井下定向钻进过程中由于托压效应引起的钻进摩阻大、钻进效率低、钻孔深度受限等问题,提出通过钻柱振动减阻的技术思路。采用理论分析和数值模拟进行激振力、激振频率等关键技术参数的设计,研制ø89 mm小直径通缆水力振荡器。在室内测试碟簧和圆柱弹簧两种辅助复位原件结构的振荡器性能,并在淮南张集煤矿井下进行实钻试验。结果表明：碟簧式水力振荡器在300 L/min流量时,最大压降1.9 MPa、激振力8.11 kN、频率13 Hz,适合安装在近钻头位置辅助减阻;圆柱弹簧式水力振荡器频率在300 L/min流量时,模拟测试150 m通缆定向管柱最大变形量2.86 mm,最大复位力7.98 kN,频率11 Hz,适合安装在钻柱中间主要减阻;在张集矿井下-600 m疏水巷10号孔定向钻进产生明显托压时使用圆柱弹簧式水力振荡器,使平均钻压降低33%,钻效提高126%,显著降低钻进摩阻,提高定向钻进效率。研制的ø89 mm小直径通缆水力振荡器为煤矿水平定向钻进中托压问题提供一种新的解决方法。     

煤矿井下定向钻进工艺技术的应用

定向钻进技术以其精确控制钻孔轨迹逐渐被应用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔及防治水钻孔施工中。从定向钻进技术的原理入手,以国内多家煤矿企业井下施工定向钻孔的实际资料,研究了定向钻进技术在煤矿井下进行瓦斯抽采、地质构造探测及防治水施工的适用条件、布孔方式和成孔原理。结果显示,定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采、地质构造探测及防治水领域的应用效果显著。     

煤矿井下近水平随钻测量定向钻孔轨迹设计与计算方法

以定向钻进基础理论为依据,结合煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术特点,研究煤矿井下定向钻孔轨迹设计内容、计算方法及设计流程。通过定义钻孔轨迹基本参数,建立钻孔设计坐标系以及规定钻孔轨迹图形表示方法,形成一套包括钻孔轨迹平面设计、剖面设计及轨迹参数校核等关键环节的钻孔轨迹设计和计算方法。实践证明,该设计和计算方法满足了定向钻孔设计的精度要求,为定向钻孔施工起到了良好的指导作用。     

煤矿井下定向钻进防塌乳液研究

治理煤矿瓦斯最有效的办法是通过钻孔对其进行抽采。以聚丙烯酸酯（PCM）、三醋酸纤维素（TCA）为单体,采用反相乳液聚合法合成了MZ-1乳液。通过室内实验评价其流变性能、防塌护壁性能及抗煤粉污染能力,并在冀中能源东庞煤矿三水平通风绕道2号钻场9号钻孔进行了现场试验,结果表明：MZ-1乳液配制的冲洗液具有良好的流变性,较低浓度条件下具有较高的黏度和切力;防塌护壁能力也较国外进口的A乳液、B乳液、植物胶及PHP强;具有较强的抗煤粉污染能力,在煤粉体积分数达到10%时,仍然具有较好的流变性。     

国产随钻测量定向钻进系统在汝箕沟煤矿的应用

采用我国自主研发的随钻测量定向钻进系统及钻孔轨迹设计与分析软件,结合宁夏汝箕沟煤矿巷道现场试验情况,对该系统的组成、性能、使用情况等作了总结;对随钻测量得到的钻孔轨迹参数进行了分析处理,为今后定向钻孔轨迹设计和实测轨迹分析提供了参考。结果表明,无论是系统还是软件,均能满足煤矿井下随钻测量要求。     

定向钻进技术与装备在穿层定向长钻孔中的应用

针对硫磺沟煤矿工作面常规施工单孔深度不足、有效孔段短、钻进施工效率低、钻孔孔径小等诸多问题,提出采用窄体式ZDY4000LD（C）型履带钻机、第二代随钻测量系统（YHD2-1000（A）型）等附属定向设备进行穿层定向长钻孔成孔技术,以提高钻孔成孔精度、钻孔深度,增大钻孔孔径等参数,减小煤层因受采动影响,导致工作面瓦斯涌出量增大的问题。现场试验施工了4个大直径穿层定向长钻孔,孔深300 m以上钻孔成孔率达到100%,孔深最深399 m,最大钻孔孔径193 mm,钻进总进尺1581 m,平均孔深395.25 m,钻孔抽采效率显著增加。其中3号钻孔最大抽采混合流量8.3 m³/min,最大抽采纯量1.6 m³/min,瓦斯抽采浓度51%,瓦斯抽采效果显著。     

15 000 N·m大功率定向钻机关键技术研究

基于本煤层超长距离定向钻孔和顶板高位大直径定向钻孔施工对钻机的实际需求,以及复合定向钻进技术对于钻机的功能配套问题,提出了采用模块化方式对大功率定向钻机进行功能开发的技术思路。针对大功率配套、大能力输出和产品紧凑布局设计存在的矛盾,对15 000 N·m大功率定向钻机的总体布局设计、大能力回转器与托板分析、大开口夹持器设计、动力与液压系统设计、关键部件的模块化设计等关键技术进行研究,并对钻机进行了负载性能测试,钻机的各项性能参数达到设计要求。钻机的设计可有效提高各类瓦斯抽采钻孔施工效率,对于煤矿瓦斯的综合治理和降本增效具有明显作用。     

煤矿井下定向钻进配套钻头的选型与使用

合理选配和使用钻头是提高钻进效率和节省钻进成本的关键。结合煤矿井下定向钻孔施工的特点,提出了配套钻头的一般要求。介绍了目前常用钻头的类型和特点,重点介绍了3种不同冠部形状的导向钻头的适用性及选型依据。总结了钻头合理使用的注意事项,为煤矿井下定向钻孔施工合理选择和使用钻头提供了参考依据。