压裂区域降低钻孔喷孔瓦斯超限技术研究

我国是世界第一大产煤国,煤炭在我国一次能源消费中约占70%左右,因而煤炭行业是关系我国国家经济命脉的重要基础产业。然而,煤炭行业又是我国安全生产形势最为严峻的行业之一,预防和控制煤矿重特大事故的发生,促进煤矿安全生产形势的根本好转已成为国家和政府层面上急需解决的重大问题,也是我国安全生产工作的核心任务。

定向长钻孔区域压裂技术在深埋煤层顶板卸压的应用

为了对深部工作面顶板有效卸压,避免回采时顶板来压产生巨大的冲击载荷,降低冲击危险性,针对浅孔水力压裂卸压因深度和钻孔角度限制,压裂区域难以有效作用到整个回采工作面的上覆岩层区域的问题,以雅店煤矿ZF1407工作面为背景,采用定向长钻孔水力区域压裂技术对顶板进行预裂,改变围岩深部应力状态和能量积聚程度,以达到控制巷道围岩变形和高效卸压的效果。研究结果表明:压裂前后压裂层位内部裂隙分布发生了较大的变化,压裂岩层中产生了大量裂隙。微震事件分布向工作面聚拢,工作面超前分布距离降低80%,微震事件单日总能量平均值降低63.3%,微震事件单日总频次平均值降低72.5%。长钻孔区域压裂技术对厚硬岩层进行压裂控制,能够降低厚硬岩层的破断步距和能量释放强度,有利于减弱厚硬岩层破断失稳对下伏回采空间的冲击作用,卸压效果明显。

深埋厚顶板工作面采场应力演化规律及区域水力压裂卸压技术研究

针对深埋厚砂岩顶板赋存条件下工作面回采过程中采场应力高、两巷变形量大、顶板断裂能量大等强矿压显现问题,采用FLAC数值模拟了130207深埋高应力采场应力演化规律和采场位移演化规律,结果表明,工作面推进至一次见方和二次见方时,会出现高应力集中,集中系数最高可达2.5~4.0;二次见方期间回风巷帮部水平位移可达390 mm,底鼓量可达413 mm。为确保工作面安全回采,制定了区域水力压裂卸压方案,依据关键层理论和组合梁理论计算得出130207工作面关键致灾层位为22.83 m厚粗粒砂岩层和40.23 m厚粗粒砂岩层,依据Hubbert-Willsi非渗透性地层破裂压力计算公式得出起裂压力为13.06 MPa。区域水力压裂后,工作面周期来压步距、来压持续距离明显减小,超前支承压力影响范围及应力集中系数明显降低,工作面日最大能量和日平均能量明显减小,这说明定向区域水力压裂技术效果良好。

顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征

为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征,进而为区域压裂防治顶板主导型冲击地压提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果,刻画了微震缝网的平面扩展形态,并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分;然后基于理论分析揭示了区域压裂超前释放累积应力和能量、覆岩结构调控控制载荷源以及压裂层自身“缓冲吸能”作用机理;之后分析了不同回采区域的微震事件迁移特征、日总能量频次特征、能量频次核密度分布特征及工作面超前和倾向的采动影响范围;最后对比分析了不同回采区域的矿压显现宏观特征及支架工作阻力变化特征。研究结果表明:微震活动时空响应特征与区域压裂程度有着密切联系,压裂充分区、压裂不充分区和未压裂区3个回采区域分别呈现“高频次、低能量”“高频次、高能量”和“高频次、高能量”微震响应特征,微震能量频次核密度分布与其具有一致性,区域压裂后微震活动度和丛集效应降低,且微震事件分布呈现从工作面前方向工作面后方迁移和聚集的趋势;覆岩采动影响范围与区域压裂程度成反比,区域压裂能够缩小悬臂长度,切断载荷传递路径,从而减小超前和倾向采动影响范围,压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比,超前采动影响范围分别减小20.6%、14.7%,倾向采动影响范围分别减小21.5%、10.0%;区域压裂能够有效缓和矿压显现强度,区域压裂对厚硬岩层整体性及其强度进行弱化,使覆岩破断块体减小且能够有序及时垮落,压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比,周期来压规律不明显、来压强度低,持续来压时间缩短,来压时间间隔增大,来压次数减少;综合不同回采区域覆岩采动响应特征,在针对厚硬顶板开展水平井区域压裂施工时,应确保区域压裂缝网有效覆盖工作面及巷道两侧煤柱区域,且避免在工作面形成未压裂区。

厚煤层坚硬顶板工作面定向长钻孔区域压裂技术及应用

煤矿开采中常用全部垮落法管理工作面采空区顶板,当工作面上覆岩层存在坚硬顶板时,一旦顶板悬顶重量达到自身承载极限时,极易发生大面积冒顶事故,造成设备损毁和人员伤亡。针对雅店煤矿工作面回采时上覆坚硬顶板难垮落,长距离悬顶问题,采用定向长钻孔区域压裂技术,打破坚硬顶板在垮落时出现的整体性、瞬时性问题。结果表明,压裂后微震能量同比下降约15%,压裂中期、后期各自30 d内高能事件数量分别下降67%和11%;采动影响范围缩小,压裂区域整体来压步距明显降低,压裂区域的来压强度减小。保障工作面的安全高效生产,形成适合雅店煤矿地质条件下的区域卸压技术体系。

利用压裂停泵数据的大规模体积压裂改造区域反演方法及其应用

大规模体积压裂技术是目前最普遍的非常规油气藏增产方式。为达到判断压裂施工成功率并制定合理的压后开采制度的目的,针对改造后渗透率、裂缝半长、大规模体积压裂改造区域(SRV)面积等压裂效果评价问题,基于数字滤波压裂停泵数据反演方法,运用纽曼乘积法与杜哈梅原理,开展压裂施工过程中压力在地层中波及范围的计算工作,反演大规模体积压裂改造区域,并应用于国内某区块的一口多段压裂水平井。本文在适用于均质地层的数字滤波压裂停泵数据反演方法基础上,改进了地层压力分布求解算法,首次提出非均质地层压力分布的计算矩阵,并定义了压力传播时间的概念,通过矩阵求解和局部加密网格描绘出了SRV区域形态,形成了SRV区域数据反演技术。例井分析得出平均裂缝半长为145.8 m,SRV区域面积为545884 m^3,现场实测返排量总体相对误差为4.2%。以上方法可以大幅降低成本和提供后续的产能预测,具有重要的指导价值。

井上下煤层顶板区域压裂防治冲击地压系统及应用

针对冲击地压局部卸压范围小,连续性低,作业风险高等问题,开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明,从加载条件来分,顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型3种类型;厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体,以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点,提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统,开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性,使得载荷向更完整顶板区域迁移,从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境,也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验,工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验,实践效果显著,形成了冲击地压建设矿井“先压后建”,生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。

水平井大规模压裂试井解释案例分析

建立油水两相渗流方程,基于PEBI网格进行数值求解,对大庆油田某多段压裂水平井的压力恢复数据进行解释与分析。研究表明,数值试井解释方法能够解释出压裂改造区域(SRV)大小、裂缝的缝长及其闭合情况。压裂设计参数下的流动很难出现第一线性流,因而当实测压力导数出现第一径向流特征时,地层裂缝可能部分闭合,这将减弱裂缝间的流动干扰,有助于形成第一径向流。相关研究对实测压力数据拟合有指导意义。

多段压裂水平井裂缝数及渗透率敏感性分析

建立了基于PEBI网格与油水两相的数值试井模型,利用自主研发的软件进行了试井分析。在致密油中,对多段压裂水平井,只有人工设计的理想算例才会出现所有的流动段。在实际井例中,很多流动段都不会出现。敏感性分析表明,裂缝间距、ESRV的渗透率大小明显影响流动特征。裂缝间距越大,第一径向流特征越容易出现。渗透率越大,各种特征出现的时间会越早。这意味着,在实际参数拟合中,当计算的流动特征与实测的左右不一致时,可适当调整渗透率的大小。另外,裂缝间距对流动特征的影响大于渗透率对流动特征的影响。裂缝间距与渗透率大小的组合会使流动特征十分复杂。大庆油田致密油多段压裂水平井的压力恢复数据解释实例表明,瞬态压力分析可对压裂改造区域大小、缝长、SRV内的渗透率等进行有效评价。

低渗透油藏直井体积压裂改造效果评价方法

为评价低渗透油藏直井体积压裂改造效果及其动态变化过程,建立了油水两相渗流模型和井模型,在此基础上提出了基于生产数据及压裂液返排数据的改造效果评价方法,并进行了矿场实例分析。将压裂后主裂缝附近区域划分为不同的改造区域,用改造区域渗透率和面积分别表征压裂后缝网的改造强度和规模,并将改造区域导流能力定义为改造区域渗透率与面积的乘积。进行了参数敏感性分析,发现裂缝半长和核心区域渗透率主要影响近井端流体流动规律,即生产早期规律,基质渗透率主要影响裂缝远端流体流动规律。以长庆油田典型老井为例,评价了该井两轮次体积压裂后的压裂改造效果及其变化,发现第1次体积压裂后随着生产时间的增加,改造区域渗透率和导流能力逐渐降低,压裂效果逐渐变小直至消失;第2次体积压裂后,改造区域渗透率及导流能力又大幅增加。

煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用

水力压裂技术在煤矿坚硬、完整顶板岩层弱化及高应力巷道卸压方面得到越来越广泛的应用。以陕西曹家滩煤矿特厚煤层综放开采工作面、特厚稳定顶板岩层为工程背景,开展了顶板岩层地质力学测试、可压性试验,水力裂缝扩展理论分析及三维数值模拟,提出井下工作面定向钻孔区域水力压裂顶板层位、压裂钻孔布置与参数确定方法及压裂工艺。在井下进行了工业性试验和系统的地面微震实时监测,获得了顶板水力压裂裂缝空间展布特征。同时,进行了液压支架工作阻力,工作面周期来压步距及持续距离,来压动载系数及顶板岩层破断能量监测与分析,综合评价了水力压裂效果。初步建立了集压裂层位确定与参数设计,井下定向钻孔压裂工艺与装备,水力裂缝空间展布监测与压裂效果综合评价为一体的煤矿井下定向钻孔水力压裂成套技术。井下试验结果表明:在曹家滩煤矿井下地应力状态下(最小主应力为垂直应力),水力裂缝以水平裂缝为主,沿钻孔两侧扩展平均距离为80 m左右,有效弱化了工作面范围内上覆坚硬、完整顶板,实现了区域顶板改造。压裂区域工作面强矿压显现显著减弱,确保了工作面安全生产。最后,分析了水力压裂存在的问题,展望了技术发展方向。

考虑时变特性的煤层大巷群冲击地压机理及防治

针对正常使用的煤层大巷群屡次发生冲击地压问题,采用现场探测、力学分析、数值模拟等方法,基于时变特性揭示了煤层大巷群冲击地压机理,并提出了新的防治方法。结果表明,中央大巷构造区域,断层、褶曲、埋深等提供了高应力基础环境,服务周期长的大巷群围岩由于塑性区及破碎区范围随时间的延长而扩大,相邻巷道间煤柱弹性区范围不断减小,变为拥有共同的弹性区,两帮应力峰值随时间延长相互叠加,促使本来濒临临界状态的围岩应力达到准平衡状态,巷间煤柱静载荷高度集中,同时巷道内悬空面积增大的顶板断裂,产生动载荷对煤柱静载荷扰动诱发冲击地压启动;造成中央大巷巷间煤柱静载荷高度集中的根本原因是上覆厚硬顶板长梁式悬臂与下沉,并且随时间变化不断加剧,直至断裂产生了诱发冲击的动载荷;提出该类冲击地压防治,应该针对煤层上覆厚硬顶板人为致裂,使其长梁变短梁,从而不再具备悬臂功能,也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区,减小了顶板来压产生的集中动载,使动载效应减弱,冲击风险降低。采用千米钻机进行目标岩层深孔压裂试验,达到了降低巷道围岩载荷、防治冲击地压目的。

浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现规律及控制技术研究

针对榆神矿区曹家滩煤矿浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现强烈、强动载来压现象频发的问题,对工作面强矿压显现规律进行了研究总结。研究得出:工作面周期来压步距平均18.4m,来压持续距离平均11.5m,动载系数平均1.45,来压主要影响35#—125#支架,具有来压动载强、来压持续时间长、来压区域性明显、周期性出现强矿压等特点,工作面平均每间隔135m出现一次大周期来压,大周期来压时一般出现连续性强来压,并伴随支架安全阀大范围长时间开启(安全阀开启比例50%以上)、支架活柱持续性快速下缩(支架最大下缩量超过2.0m)等现象。为减小坚硬顶板带来的强矿压威胁,采用井下定向水平长钻孔区域压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前预裂。压裂后,工作面矿压显现强度明显减弱,未再发生顶板快速下沉的强矿压现象,顶板来压更加可控,支架工况得到明显改善,取得了良好的应用效果,对榆神矿区浅埋厚硬顶板工作面强矿压治理具有借鉴意义。

顶板“人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用

冲击地压矿井开展解放层(保护层)开采,能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度,从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井,为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标,提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“人造解放层”卸压防治冲击地压方法,并建立了工程力学模型,综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明,在冲击地压发生载荷供给历程中,通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷,可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚;针对顶板控制型冲击地压矿井,在开拓、准备、回采不同阶段,针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布,使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区,实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应;顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为:与压裂前相比,煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂,在走向上使其长梁变短梁,大块变小块,从而不具备大面积悬臂功能,降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷;在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;在陕西孟村煤矿401102综放工作面首次进行地面区域压裂“人造解放层”技术试验后,工作面回采期间微震事件呈现高频低能分布,顶板岩层断裂块度减小,顶板水均匀降落在采空区,工作面涌水量降低,采场及两巷压力及变形量降低显著,实现了解放层卸压效果。

致密油大规模多段压裂水平试井解释及外区渗透率对试井曲线的影响

多段压裂水平井试井解释能对压裂规模、主裂缝半长等参数进行有效评价,为产能评价等提供基础参数.然而当前缺少针对实际井例数据进行的深入分析.基于PEBI(perpendicular bisector)网格对油水两相渗流方程进行数值求解,利用无限导流的主裂缝与分支缝导致的区域渗透率扩大来描述SRV(stimulated reservoir volume),建立了致密油大规模多段压裂水平井瞬态压力分析方法.基于大庆油田的实测数据进行解释并进行渗透率敏感性分析,研究了复合区域下的参数调整方法.研究表明,当外区渗透率变小时,早期的压力导数变小,后期的压力导数变大,而不是所有的压力导数值都变大.压力导数由小到大的转折点时间与渗透率大小相关.因而,当前期的压力导数曲线拟合效果好、后期的压力导数拟合效果差时,不能仅通过调整外区的渗透率来拟合,还应调整其他参数.另外,大庆致密油藏多段压裂水平井实测曲线中的启动压力梯度特征不明显.相关研究结果对致密油大规模多段压裂水平井实测数据解释具有重要的指导意义.

“两硬”煤层条件下综放开采煤岩全区双效弱化技术研究

针对马道头煤矿坚硬顶板特厚煤层综放开采顶煤回收率低的问题,采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,分析了顶板结构与顶煤受力状态的对应关系,揭示了顶煤空间破坏特征,评价了地面压裂双效弱化技术应用效果,结果表明:顶板结构根据顶煤受力状态将分为“组合短悬臂梁”+“铰接岩梁”混合承载结构、“组合短悬臂梁”单独承载结构、“铰接岩梁”单独承载结构,采取措施后,覆岩结构稳定性变差,覆岩破坏高度增大,厚层砂岩悬顶消失,超前支承压力峰值明显降低,顶煤完整性遭到破坏,弱化措施可以有效降低工作面回采期间厚层坚硬顶板引起的悬顶长度、应力集中程度及顶煤完整性,压裂影响区内,非来压期间,循环末阻力下降25.4%,来压期间循环末阻力下降15.3%,地面压裂后覆岩分层破坏程度较高,坚硬厚层岩层薄层化,顶煤回收率得到了提高,比未经地面压裂弱化顶煤时回收率增加了6.1%。