煤矿井下封压一体化分段水力压裂封孔器的研制

以分段水力压裂封孔器的设计原则为依据,对封孔器的研发开展了有益探索,研制出了煤矿井下封压一体化分段水力压裂封孔器,并详细阐述了该封孔器的整体结构和关键部位设计,重点分析了封孔器的工作原理及其主要特点。

基于PHF-LSM模型岩石分段水力压裂应力阴影效应

采用PHF-LSM(permeability-based hydraulic fracture-level set method)水力压裂数值计算模型,模拟并分析了均质与分层岩石材料中分段压裂过程引起的应力阴影效应.通过与单一裂缝诱发应力理论解的对比,验证了PHF-LSM考虑应力阴影效应的可行性.以此模型为基础分析了单一裂缝发展过程中,岩石材料参数与初始应力条件对诱发应力场的影响,以及均质与分层岩石材料的多裂缝起裂过程中不同压裂间距与压裂顺序产生的应力阴影效应.数值计算结果表明:泊松比、抗拉强度与孔隙率的增加会增大裂缝引起的诱发应力与净压力比值的峰值,而弹性模量和水平主应力差的增大会减小该峰值;裂缝间距的扩大可以减弱裂缝间应力阴影效应;两步压裂与顺序压裂的裂缝总面积均大于同时压裂时的面积,但顺序压裂与两步压裂会带来更高的起裂压力;产层厚度与压裂间距的减小会增大应力阴影效应.

煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价

针对坚硬顶板易形成悬顶导致应力集中及大面积悬顶突然破断形成动载扰动并诱发冲击动力灾害等问题,以东滩煤矿6303工作面为研究背景,提出定向长钻孔分段水力压裂区域坚硬顶板治理技术。在顶板关键层共布置4个钻孔,钻孔长度最深达792 m,累计完成28段压裂。为评价顶板致裂效果,利用光纤光栅三维应力长期动态监测系统和SOS微震系统对水力压裂前后三维采动应力和微震事件进行实时监测。研究结果表明:定向长钻孔分段水力压裂实施后,顶板岩层应力集中程度明显降低,主应力方向改变,超前支承压力影响范围减小,采动影响下应力集中系数由2.20下降到1.32,弹性应变能密度峰值由200 kJ/m^(3)下降到80 kJ/m^(3);压裂后大能量微震事件明显减少,微震事件日平均能量由100 kJ/d下降到10 kJ/d,能量释放缓和且均匀,空间平均释放能量保持在4~8 kJ/m,且由低频高能释放形式转变为高频低能释放形式。

煤层定向分段水力压裂增透装置应用试验研究

煤层定向分段水力压裂技术是增加煤层透气性的有效方法,通过介绍定向分段水力压裂增透技术的基本原理,在实验室内试验了考察所研制的分段水力压裂关键装置的特性,并在淮南潘四东煤矿进行了现场工业试验,结果表明:高压封孔胶囊具有良好的膨胀性和抗收缩性,封孔效果良好,注水器的端堵扭矩在现场应用中应设定在3 N·m以上,13-1煤层的起裂压力在28～30 MPa,单段压裂10 m距离所用的时间为1 h,耗水量10～13 t,压裂时间和耗水量均远小于全孔段水力压裂工艺;实施定向分段水力压裂增透措施后,煤层的平均瓦斯体积分数提高了1.72～3.04倍,平均混合流量提高了2.00～4.04倍,平均日抽采量提高了2.94～10.87倍,能够有效增加煤层透气性。

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。

定向长钻孔分段水力压裂技术在布尔台煤矿的应用

为解决坚硬顶板和遗留煤柱影响下综放工作面强矿压显现问题,分析了定向长钻孔分段水力压裂原理,提出了考虑工作面“见方”影响的压裂设计方案,并在神东布尔台煤矿42202综放工作面实施应用。结果表明:在工作面“见方”范围内实施定向长钻孔分段水力压裂技术后,42202工作面压裂区域来压步距和强度降幅明显,来压步距减小了4.3%,来压时支架平均阻力降低了6.9%,动载系数较小了4.2%;工作面煤壁基本无明显片帮现象,机尾采空区垮落充分;42202工作面辅运煤巷两帮移近量减小了30.0%,顶底板移近量减小了24.2%,副帮应力最大值减小了32.1%,辅运煤巷围岩稳定性整体得到提升;压裂区域的巷道锚索受力出现了大幅度的降低,锚杆受力出现明显波动现象,证明定向长钻孔分段压裂技术可有效解决工作面远场覆岩结构,使上覆基本顶有序垮落并形成稳定的“砌体梁结构”,保证了“采空区垮落矸石-液压支架-工作面煤壁”支撑体系的整体稳定性。

煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究与工程实践

针对阳泉矿区3#煤层钻孔成孔性差、煤层渗透率低、瓦斯抽采困难等问题。提出了煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术,并在阳泉矿区新景矿进行工业性试验。钻探施工底板梳状长钻孔总进尺1278 m,包含5个分支孔,主孔长度650 m;分5段压裂施工,累计注液1863 m^(3),最高压力22.26 MPa,孔底至孔口最高压力呈下降趋势。压裂完成后,统计分析90 d钻孔瓦斯抽采数据,日均瓦斯抽采纯量0.23~0.89 m^(3)/min,平均0.46 m^(3)/min,钻孔瓦斯抽采体积分数27.82%~93.67%,平均50.88%,较未压裂区域瓦斯抽采体积分数提高了3.52倍,日均瓦斯抽采纯量提高了8.3倍。

分段水力压裂弱化采场坚硬顶板围岩控制技术研究

针对神东矿区布尔台煤矿42煤层覆岩存在坚硬顶板,回采生产中采空区顶板大范围悬顶不垮落诱发的强矿压显现限制了矿井安全生产这一现状,通过理论分析以及现场工业试验,对坚硬顶板覆岩结构简化力学模型进行分析,分析了坚硬顶板悬顶受力特征及其对矿压显现的影响;进一步提出了对工作面顶板施工定向水力压裂措施来弱化坚硬顶板岩层,控制其垮落,揭示了水力压裂弱化坚硬顶板降低回采期间矿压显现的机理;结合42202工作面现场工程条件,确定了顶板坚硬岩层层位,并对水力压裂方案、参数进行优化设计,并在施工中监测水力裂缝扩展、水压及注水量变化,分析水力压裂技术对坚硬顶板岩层的控顶效果。综合研究结果表明:对42202工作面覆岩粉砂岩层施工水力压裂措施后,顶板岩层有效弱化,压裂卸压影响区域内工作面来压强度整体降低,尤其是来压峰值压力降幅明显,降低约10%;来压步距降低4%;来压前支架平均阻力降低2.6%;来压时支架平均阻力降低6.8%;动载系数降低4%;工作面煤壁片帮得到遏制;同时,辅运巷道两帮及顶底变形量分别减小100、30 mm;辅运巷道浅部及深部围岩应力分别降低2.5、1 MPa,锚杆、锚索受力分别下降29、22 kN,反映出对坚硬顶板施工定向水力压裂能有效降低工作面矿压显现,避免形成强烈冲击,可满足安全生产要求。

基于数值模拟的煤矿井下分段水力压裂技术研究

针对阳泉矿区碎软低透煤层发育、瓦斯抽采效果差、治理成本高的难题,利用煤矿井下煤层底板梳状定向钻孔分段水力压裂增透工艺技术,改善煤层透气性,提高煤层瓦斯预抽效果。为了提升该技术的应用效果,基于FLUENT流体力学模拟软件,对各分支孔初始段水力压裂过程中孔内压裂液的速度与压力变化情况进行模拟,提出了分段水力压裂重点部位群概念,从水压和流速的角度对水力压裂进行分析。研究结果表明:在主孔分支处,出现了局部水流速度与应力急增急减现象,增减幅度最高可达5倍,局部伴有回流现象;分支孔的有效面积、长度和孔壁的完整性,直接影响水力压裂时伴生裂缝的数量和延展效果。实践证明,煤层底板梳状定向钻孔分段水力压裂技术是煤矿井下瓦斯增透行之有效的手段。

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。

定向长钻孔分段水力压裂技术在 冲击地压防治中的应用

为了提高冲击地压矿井防冲工程的卸压效果与效率,针对现有防冲手段无法对工作面进行大面积超前区域治理的现状,提出利用定向长钻孔分段水力压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前区域弱化的治理思路。运用能量理论分析了分段水力压裂的卸压原理及防冲可行性,建立了水力压裂层位判识方法。利用判识方法确定了工作面上方覆岩硬层位置,覆岩中能量积聚的重点层位及能量释放的集中层位。通过建立多物理场数值计算模型探究了水力压裂形成的孔隙水压力场与钻孔距离的关系,最终确定了压裂钻孔布置层位为煤层顶板以上33 m及73 m,同一层位钻孔间距为75 m。基于上述结果在现场开展了工程应用,并采用煤体应力监测与微震监测对防冲效果进行了验证。结果表明,经过定向长钻孔分段水力压裂后与其他工作面相同区域相比,浅孔应力波动降低65.7%,深孔煤体应力波动降低69.6%;微震事件在空间中的发育范围超前工作面距离减少28.0%,侧向发育距离减少34.9%,最大发育高度减少42.4%;微震事件总能量、事件频次及单刀能量分别降低73%、66%及72%,验证了定向长钻孔分段水力压裂技术在冲击地压防治领域中应用效果显著。

碎软低透煤层分段水力压裂增透技术研究

碎软低透煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的问题,加剧了生产接替矛盾,也对矿井安全高效生产影响尤为突出,亟待解决。以阳煤寺家庄公司15#煤层增透技术为研究对象,分析了碎软低透煤层瓦斯抽采的技术难点,探讨了梳状长钻孔分段水力压裂增透机理,进行了井下梳状钻孔钻进工艺试验。在此基础上,形成了适合碎软低透煤层水力压裂增透技术和工艺,采集和监测了增透过程中参数变化规律,完成了增透效果考察和评价。

煤层顶板分段水力压裂应力及裂缝演化试验研究

煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术,该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件中布置应变砖来监测两段压裂的应力时空演化全过程,获得了水力压裂裂缝附近诱导应力场特征,应用声发射技术监测水力裂缝的动态扩展过程,研究了在诱导应力影响下不同排量、不同顶板岩性、不同煤岩界面强度和不同地应力条件下的裂缝延伸形态.最后针对不同储层条件探讨了工艺参数优化方案.研究结果表明:起裂压力受岩石物理力学性质和应力环境的影响.起裂压力随着垂向地应力、泵注水压、岩体抗拉强度的增大出现上升的趋势.当裂缝扩展方向垂直于压裂钻孔时,第一段压裂产生的诱导应力会增加钻孔方向压应力从而导致第二段压裂起裂困难;当裂缝平行于钻孔方向扩展,第一段压裂裂缝会削弱第二段压裂孔附近岩体强度并降低起裂压力.3个影响因素对水力裂缝穿层扩展的影响机制不同.较大的垂向应力差能引导裂缝垂向扩展;较高的煤岩界面强度使得裂缝能够扩展穿过煤岩界面;提高泵注排量主要是增大了岩体的整体破坏范围,从而增加了裂缝扩展到煤层中的程度;压裂产生的诱导应力改变了原始地应力场,使裂缝扩展偏离垂直方向,并降低裂缝扩展程度从而减弱裂缝穿层扩展能力.对顶板分段水力压裂进行了工程探讨,较高的垂向地应力差和较强的煤岩界面强度是裂缝穿层扩展的最有利储层条件,较高的泵注排量和较低的诱导应力是控制裂缝穿层扩展最有利的施工工艺.

基于水平井分段压裂技术的专利现状

为了提高水平井采收率,需要对石油钻采领域中占有重要位置的水平井分段压裂技术进行研究。本文重点分析全球及中国范围内有关水平井分段压裂的专利申请信息、专利布局、重点申请人的技术构成以及技术发展状况等。技术概述通常将水平井分段压裂技术分为三种:化学隔离分段压裂技术,先对第一段进行射孔,然后通过油管压裂,最后用液体胶塞和砂子隔离完成压裂;机械封隔分段压裂技术主要应用于套管井;水力喷射分段压裂技术,利用专用喷射工具产生高速流体在孔道内将动能转化为压能,形成方向单一的裂缝。

煤层分段水力压裂渗流诱导应力场的数值模拟

水力压裂是煤层增透和煤层气增产的关键技术。压裂过程中的渗流诱导应力对煤层分段压裂效果具有重要影响。建立分段压裂渗流诱导应力的理论模型,采用有限差分法进行煤层分段水力压裂数值模拟,探究压裂过程中应力场演化规律及渗流诱导应力的作用机制。设计正交试验,以水平主应力差作为指标进行方差分析,探究初始水平主应力差、泵注排量、分段间距对渗流诱导应力的影响程度和作用机制,并提出压裂优化方案。研究结果表明:注水初期会产生较大的渗流诱导应力,导致有效应力峰值下降,使后续起裂位置起裂压力增大,增加起裂难度;压裂过程中与压裂后的渗流诱导应力影响机制不同,压裂过程中泵注流量的影响滞后于分段间距滞后于原始水平主应力差,压裂后3个因素影响程度排序为:分段间距>泵注流量>原始水平主应力差。根据原始地应力差异,提出压裂优化措施:当原始主应力差较大时,可以适当降低分段间距,并增大泵注流量;当原始主应力差较小时,可以适当增大分段间距,并减小泵注流量,据此在保证无卸压盲区的同时可以达到较大的压裂范围。以上分析可以为压裂施工参数优化设计提供参考。

煤层坚硬顶板定向长孔水力压裂技术研究及应用

针对煤层顶板坚硬采空区大面积悬顶后突然垮落易引发强矿压动力灾害等问题,采用定向长钻孔分段水力压裂技术弱化煤层顶板,并在布尔台煤矿42108工作面进行现场应用,分别从压裂层位选择、压裂钻孔布置、定向钻孔施工、分段水力压力施工等方面论述了定向长钻孔水力压裂技术,现场结果表明,超前治理工作面中部坚硬顶板面积230.1万m^(2),压裂后顶板来压步距降低了20.83%~27.27%,动载系数较未压裂段降低了5.03%~10.32%,同时利用音频电透视方法对压裂效果检测,判识单个压裂段的弱化影响范围30 m左右,单个压裂钻场弱化影响范围为走向300 m,倾向230 m,实现了对整个工作面坚硬顶板区域性有效弱化治理。

碎软低透煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究

针对碎软低渗煤层成孔难、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快、抽采有效影响半径小、达标期长等问题。以千米定向长钻孔为基础,结合自主研发的分段水力压裂成套装备,提出了底板梳状长钻孔分段水力压裂强化增透技术并开展了碎软煤层典型矿区工程应用试验。研究结果表明:①实现了一次性裸眼分5段压裂增透施工,累计注水量达到2 865 m^3,最大注水压力达17.18MPa;②压裂增透后,煤层透气性系数增加至压裂前的16.63倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低至压裂前的7.6%,最大压裂影响半径达60m,与普通穿层压裂钻孔相比,采用底板梳状长钻孔分段水力压裂后钻孔抽采浓度提高了12.8倍,瓦斯日抽采纯量提高了2.53倍;③压裂增透过程可分为"高压注水通道打开-煤层起裂-周期性明显破裂"3个阶段。保压阶段孔内压力具有"快速下降-缓慢降低-平衡不变"的变化特征。④分析认为压裂增透过程可分为"高压注水通道打开-煤层起裂-周期性明显破裂"3个阶段变化。分段水力压裂增透过程中,通过高压注水作用下,周期性携带离散煤颗粒形成封堵带,压裂段循环增压,形成多点段三维立体裂隙网络。将压裂增透区域划分为紊流区、渗流区、过渡低渗及扩散区,通过卸压裂隙带的渗流及扩散和高压水的甲烷置换作用,加速瓦斯解吸和增大瓦斯裂隙运移通道,实现碎软煤层瓦斯增透高效抽采。

水力分段射孔压裂喷射器试验及应用研究

针对水平井分段有效压裂难题,研发了水力分段射孔压裂配套工具。该工具主要由万向接头、偏心定位器、喷射器、单流阀等组成。应用水力分段射孔压裂工艺对吴平1井、吴平6井等6口井进行了作业。应用结果表明,美国喷嘴抗磨性能优于硬质合金喷嘴,压裂阶段排量保持在1.8 m3/min左右时,分阶段加大砂质量浓度对喷嘴损伤影响不大,目前喷射器设计壁厚28mm,安全系数较高,可以满足喷射压裂3段的安全需要。

水力喷砂分段压裂工艺在U型煤层气井中的应用

YP1井组是由一口筛管水平井YP1和直井YP1V组成的U型煤层气井。根据筛管水平井井况及特点,优化了施工管柱、水力喷射压裂工具尺寸和喷嘴组合方式。为防止φ114.3mm小直径筛管水平井压裂管柱砂卡,将拖动式水力喷射压裂工具与滑套式工具相组合,融合了二者施工工艺。水力喷砂射孔液体通过YP1V井排出,进一步减少水平井沉砂风险。顺利完成YP1井4个层段水力喷射分段压裂改造,共计加砂83m3,压裂管柱成功上提出井。该U型井压裂施工前无产量,压后对YP1V井实施排水降压,随井底流压下降,产气量最高上升至636m3/d。

水力喷射分段压裂技术在靖边油田水平井中的应用

靖边油田属低渗透油藏,具有储层物性差,非均质性强等地质特征。为了更好的提高产能,提高最终采收率,从而实现高效开发油田。2014年开展了水平井水力喷射分段压裂技术的应用,目前现场应用4口井,成功率100%,4口井全部投产,具有良好的增产效果,为靖边油田下一步水平井压裂改造工艺的实施奠定了有利的基础。