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。

煤矿井下穿层钻孔多方位极小半径冲孔技术

碎软煤层渗透性差,瓦斯含量高、压力大,常规穿层钻孔抽采瓦斯时单孔抽采范围小,需密集布孔,钻孔工程量大,易造成采掘接替紧张。基于此,提出穿层钻孔多方位极小半径冲孔造穴抽采瓦斯技术设想,设计了能够固定方向极小半径弯曲的冲孔钻具,通过孔口钻机的推送和孔底施加给射流喷头的阻力实现钻具的固定方向弯曲冲孔,通过动力头握持钻具旋转、固定实现弯曲方位的控制,以此形成穿层钻孔多方位极小半径多分支孔。分析了固定方向弯曲短节弯曲角度、短节长度和钻具曲率半径的关系,为短节的设计提供理论支持;通过测试试验获取了固定方向弯曲钻具的抗拉强度和耐压参数;理论分析了多方位冲孔的可行性,设计了工艺流程;采用试制的钻具在地面进行了模拟试验,在1个主孔中完成了不同方位4个分支孔的冲孔造穴,分支孔孔深6~8 m,证明了技术设想的可行性和钻具结构设计的合理性,能够达到穿层钻孔多方位极小半径冲孔功能要求。

碎软煤层底板梳状孔分段压裂抽采瓦斯技术

为提高煤层的瓦斯抽采效果,以阳泉矿区15#碎软煤层为研究对象,对煤层及其底板岩层特征进行分析,融合煤层底板梳状长钻孔和分段水力压裂技术,形成针对各个梳状分支孔的分段压裂方式,并理论分析了该方式水力压裂裂缝扩展延伸规律。试验研究了满足分段压裂技术要求的梳状长钻孔设计与施工工艺,构建了基于裸眼封隔器+滑套投球分段压裂工具组合的压裂参数设计和压裂施工工艺流程,最终形成梳状长钻孔主孔长度534 m,分支孔5个,主孔下入分段压裂工具串490 m,实现了4个分支孔分段压裂,单段最大注水量611 m^(3),最大泵注压力17.18 MPa;与常规的穿层钻孔瓦斯抽采技术对比,试验后瓦斯抽采浓度提高了10.53倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.02倍。

基于气测解释的黄陵矿区延安组含油气性研究

黄陵矿区延安组含煤地层油、气共存,在煤炭开采过程中出现油、气异常涌出。为研究煤层围岩的含油气性,利用矿区气测录井数据,在选择全烃含量和异常倍数的基础上,采用烃类比值法和三角形图版法进行储层烃类流体性质综合判别,认为延安组砂岩储集层全烃含量和烃平衡比较小,烃湿度比大,三角形图版指数多处于小或倒三角形区间,储层流体类型更倾向于含油或油层伴生气。基于气测数据解释矿区地层含油气性的结果可用于井下瓦斯高浓度区域预测,指导矿井瓦斯抽放作业。

水力裂缝在煤岩界面处穿层扩展规律的数值模拟

为研究水力压裂裂缝在煤层与顶板界面处的穿层扩展规律,在分析煤岩界面性质的基础上,应用有限元法研究煤岩界面处裂缝从顶板起裂后的延伸情况,探讨了相关地质参数和施工参数对裂缝跨界面穿层扩展的影响。结果表明:地质因素中的地应力、煤岩界面强度为煤岩界面处裂缝能否穿层扩展的主要影响因素,垂向应力差异系数越大、界面抗剪切强度越大,越有利于裂缝穿层扩展沟通煤层;煤层与顶板间的弹性模量差异、抗拉强度差异是裂缝从顶板穿层进入煤层的有利因素;现场压裂施工应根据地层情况选择合适的施工参数(排量、注入点与界面的距离)以促进裂缝穿层扩展。研究成果能够为煤层顶板分段压裂水平井地面煤层气高效抽采技术的应用提供参考。

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 m^(3)/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2811 m^(3)/d和1559 m^(3)/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2491 m^(3)/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。

赵庄井田3~#煤层碎粒-糜棱煤分布预测

以赵庄井田3#煤层为研究对象,通过煤芯和煤壁观测描述确定了区内煤体结构类型。分析了不同煤体结构的测井响应特征,选择有利于判识煤体结构的关键测井曲线。根据测井曲线幅值变化特征和分层划分原则,探讨该区煤体结构划分方案,重点对区内碎粒-糜棱煤的分布进行了预测。研究结果表明,赵庄井田3#煤层的煤体结构有碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构,利用测井曲线判识将其划分为碎裂结构和碎粒-糜棱结构2类较为合理,预测碎粒-糜棱煤主要位于3#煤层下部,厚度0.9 m左右,区内南北厚、中部较薄。

黔西海陆过渡相煤系页岩气成藏条件及储层特征研究

为深入研究黔西海陆过渡相煤系页岩气成藏条件及储层特征,针对毕节大方背斜区域的龙潭组富有机质泥页岩,采用了总有机碳质量分数(TOC)、镜质体反射率(Ro)、岩石热解、X-射线衍射、薄片鉴定、高压压汞、比表面积及联合孔径等测试分析方法,研究了海陆过渡相龙潭组富有机质泥页岩的有机质特征、矿物组成及孔隙发育特征。研究结果表明:该区龙潭组泥页岩单层厚度薄(平均1.8~2.8 m),与煤层频繁互层,累计厚度大,泥地比平均达70%;泥页岩有机碳质量分数较高(0.23%~22.10%,平均3.51%,主要分布1%~7%);有机质热演化程度高,均处于过成熟阶段(Ro为2.67%~3.06%,平均2.85%),生气充分;较高的有机质丰度、较充分的生气过程为页岩气成藏提供了有利基础;矿物组成主要由黏土构成(48.4%~81.6%,平均66.3%),次为石英(7.4%~27.2%,平均16.5%),方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿等矿物质量分数较少,总体为2%~7%;黏土矿物以伊/蒙混层为主(73.0%~94.0%,平均85.1%),绿泥石次之(2.0%~23.0%,平均10.5%),含少量伊利石(1.0%~7.0%,平均3.5%),部分样品含极少量高岭石,脆性指数平均27%,天然裂隙发育及人工造缝扩展条件较同区海相页岩差;区内龙潭组泥页岩表现出典型的低孔、低渗特征,有效孔隙度平均3.66%,渗透率平均0.0056×10-3μm^(2),孔隙度与黏土质量分数表现出正相关关系,与脆性矿物质量分数之间则表现出负相关关系;泥页岩孔隙为开放型纳米级孔隙,其中介孔提供了泥页岩主要的孔隙空间和表面积,孔容平均0.01988 cm^(3)/g,孔表面积平均10.86131 m^(2)/g,为页岩气吸附、储集提供了有利条件。

黄陵矿区煤层围岩油气测井识别研究

黄陵矿区含煤地层中油、气共存,在巷道掘进和回采过程中均出现油、气异常涌出,影响煤炭安全开采。利用矿区测井资料,分析了煤层围岩延安组和延长组地层的岩性和储层电性特征,通过与邻近水层对比研究,估算围岩油气异常地层电阻增大率小于2,储层流体判别对比度低。选择了合适的测井解释模型,计算得出储层孔隙度和渗透率较低,含油气饱和度低于30%,解释为含油水层。综合认为,矿区煤层围岩油气层属于含油气丰度较低的低电阻率油气储层。在此基础上,运用地质方法进行巷道掘进或回采前油气预测,可以指导矿井瓦斯抽放作业。

黄陵矿区煤层围岩油气测井识别研究

黄陵矿区含煤地层中油、气共存,在巷道掘进和回采过程中均出现油、气异常涌出,影响煤炭安全开采。利用矿区测井资料,分析了煤层围岩延安组和延长组地层的岩性和储层电性特征,通过与邻近水层对比研究,估算围岩油气异常地层电阻增大率小于2,储层流体判别对比度低。选择了合适的测井解释模型,计算得出储层孔隙度较低,含油气饱和度低于30%,解释为含油水层。综合认为,矿区煤层围岩油气层属于含油气丰度较低的低电阻率油气储层。在此基础上,运用地质方法进行巷道掘进或回采前油气预测,可以指导矿井瓦斯抽放作业。