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。     

松软低透气性煤层跟管钻进及压裂抽采技术研究分析

针对我国松软低透气性煤层瓦斯抽采难题,提出了采用跟管钻进和水力压裂技术提高松软煤层钻孔深度和煤层透气性,通过布孔设计、应力分析论证了该方法的施工可行性,讨论了该方法的施工步骤。该技术有望成为解决松软低透气性煤层瓦斯抽采难题的新工艺方法。     

突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO₂气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K₁值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K₁值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO₂气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。      

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...     

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。     

煤矿井下水力压裂钻孔封孔力学模型及试验研究

针对目前煤矿井下水力压裂钻孔封孔理论缺乏,封孔材料密封效果差、成本高,封孔长度不合理等问题,建立了水力压裂钻孔封孔力学模型,得出封孔材料能够承受的最大水压与封孔材料性质、封孔长度等参数之间的关系。综合分析了密封条件、抽采条件以及施工条件下压裂孔的合理封孔长度,并进行现场试验验证。结果表明：封孔材料性质和封孔长度是影响封孔材料能够承受最大水压的主要因素,封孔材料能够承受的最大水压随封孔材料强度、弹性模量以及封孔长度的增大而增大;当封孔长度达到某一定值后,封孔材料能够承受的最大水压随封孔长度的增大而趋于定值。以重庆松藻矿区为例,确定出穿层压裂孔的合理封孔长度为10 m,本煤层压裂孔的合理封孔长度为13 m,现场试验结果与理论分析基本一致。     

“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\     

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。     

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。     

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。     

深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出机制探讨

为深入探讨硬煤的煤与瓦斯突出机制,对深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出的相关理论和模型试验进行研究。根据断裂力学、岩石力学及煤与瓦斯突出有关理论,提出深部开采过程中硬煤掘进工作面薄板理论假设,并将该理论应用于深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出模拟试验研究。对硬煤掘进工作面薄板理论分析,认为工作面尺寸、煤的弹性模量、围岩侧压系数、瓦斯压力等因素对硬煤掘进工作面突出具有较大影响。试验结果表明,在围岩应力、煤的坚固性系数较大的情况下,硬煤突出临界条件主要受围岩应力、煤的弹性模量、围岩侧压系数及工作面尺寸等因素影响,而受瓦斯压力影响相对较小;在围岩应力、试样的坚固性系数较大且煤的弹性模量和侧压系数稳定不变的情况下,发生突出的临界轴向应力随模拟工作面尺寸增大而近似呈线性减小。试验结论基本符合本硬煤突出薄板模型理论公式,在一定程度上验证了硬煤掘进工作面煤薄板模型理论及硬煤掘进工作面突出机制假设。     

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。     

巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出模拟试验系统

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力−应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20 MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明：(1) 含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2) 当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3) 能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4) 围压16、20 MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5) 煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。