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。     

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。      

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。      

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。      

煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式研究

针对煤矿碎软低渗煤层,提出了煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式。通过建立应力-渗流-损伤耦合的理论模型,运用数值模拟的方法模拟了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程,结果表明紧邻煤层顶板岩石的裂缝能够延展至煤层,且在顶板岩石的撕裂作用下,煤层内的裂缝能够快速延展。应用产能模拟的方法对分段压裂水平井的产能进行了模拟,分析瓦斯抽采的效率,优选了分段压裂的压裂缝长度、压裂段数,认为在淮北矿区祁东煤矿的地质条件下,压裂裂缝的长度为80 m,裂缝间距为63 m,抽采效果最佳。通过工程验证,说明煤层顶板水平井分段压裂技术是国内碎软低渗煤层地面瓦斯高效抽采的有效模式。     

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。     

煤矿井下大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备

以顺煤层超长定向钻孔组覆盖整个工作面,对矿井大盘区瓦斯进行采前预抽是区域瓦斯治理的新模式。从大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔施工工艺出发,介绍了顺煤层超长定向钻孔成孔的几大关键技术,包括钻孔递进式轨迹延伸技术、复合钻进轨迹控制技术、水力加压减阻钻进技术、正反扭转减阻钻进技术及复合侧钻分支技术等。还介绍了顺煤层超长定向钻孔施工的主要配套装备,包括ZDY15000LD大功率定向钻机、BLY460/13泥浆泵车、YHD3-3000泥浆脉冲测量系统、无缆大通孔钻杆、水力加压螺杆马达等。利用该技术与装备在保德矿二盘区进行了工程示范应用,应用结果表明,该套工艺技术与装备具备施工长度超过3 300 m顺煤层超长定向钻孔能力。最后对瓦斯抽采效果进行了分析,结果显示超长定向钻孔抽采周期长,抽采量高,可以对大盘区瓦斯进行超前综合治理。      

气动定向钻进技术在松软煤层条带瓦斯预抽中的应用

针对淮北矿区松软煤巷条带消突采用“底板巷—穿层钻孔”成本高且效率低现状,采用顺层气动定向钻进技术,按钻孔设计精准控制钻孔轨迹于预抽条带煤层中,通过钻孔抽采瓦斯实现煤巷条带消突。根据淮北矿区松软煤层特性,开展煤巷条带预抽瓦斯定向孔设计、气动定向钻进装备选型、软煤定向孔成孔与护孔工艺、抽采效果评价等研究。该技术成功应用于淮北某矿Ⅲ635工作面煤巷条带消突,试验7个孔深均大于300 m钻孔,且全程下筛管,创造两淮软煤矿区顺层钻孔372 m最深记录,成功保障煤巷掘进,减少底板巷和穿层钻孔,为软煤矿区煤巷条带瓦斯高效治理探索出新方法。      

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。      

液态CO2相变致裂技术在布孔参数优化中的应用

为了实现液态CO₂相变致裂技术在低透气煤层强化消突领域经济高效消突的目的,在河南平煤十三矿进行了液态CO₂相变致裂穿层强化预抽煤层瓦斯试验,在致裂影响半径研究的基础上,通过数值模拟优化和现场验证的方法,对液态CO₂相变致裂技术布孔参数进行了研究。通过不同布孔方式、孔排间距等参数下的模拟和试验,研究结果表明:先致裂孔能为后致裂孔提供爆破自由面,使爆破易向自由面上发展,区域性致裂时为减弱自由面的影响,布孔方式上易采用线性程度低的梅花形布孔方式,合理的孔间距为0.5~0.6倍的单孔致裂有效影响半径。