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 m^(3)/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 m^(3)、核桃壳砂的体积分数2.02%~2.56%,累计注入压裂液2808.57 m^(3),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1025、2811m^(3)。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。

碎软低渗煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂工程应用

随着矿井采掘活动不断向深部延伸,碎软、低渗煤层瓦斯抽采难度增加,矿井瓦斯治理面临更大挑战。常规水力压裂煤层增透措施存在压裂不均匀、压裂排量低、压裂覆盖范围小及裂缝易闭合等不足。基于此,提出碎软煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透区域瓦斯超前预抽的技术方案,研发了“定向喷砂射孔+加砂分段压裂”复合工艺技术,形成了多手段、多角度考察分段加砂压裂影响范围和压裂后煤层瓦斯抽采效果分析为一体的压裂效果评价方法。在山西阳泉矿区新景煤矿保安区北六、北七工作面开展工业性试验,完成2个压裂钻孔(孔深均为609 m)定向喷砂射孔、水力加砂分段压裂工程试验。累计定向喷砂射孔80次,其中1号压裂孔定向喷砂射孔30次,2号压裂孔定向喷砂射孔50次,砂比2%~3%、定向喷砂射孔压力22.6~28.6 MPa,共计注入射孔液1 072 m^(3),使用石英砂19.84 t。实施水力加砂分段压裂16段,1号压裂孔分6段压裂,2号压裂孔分10段压裂,单段注入压裂液153.76~235.11 m^(3)、平均砂比2.02%~2.56%、共计注入核桃壳砂36.48 t、压裂液2 808.57 m^(3)。采用孔内瞬变电磁法、微量示踪剂法等手段确定压裂影响半径20~38 m。统计压裂后1号钻场、2号钻场100 d瓦斯抽采数据,其中1号钻场平均瓦斯抽采体积分数43.97%,平均瓦斯抽采混合流量1.61 m^(3)/min,日均瓦斯抽采纯量1 025.11 m^(3);2号钻场平均瓦斯抽采体积分数23.17%,平均瓦斯抽采混合流量8.56 m^(3)/min,日均瓦斯抽采纯量2 810.6 m^(3)。1号钻场、2号钻场较邻近区域顺层钻孔瓦斯抽采分数提高了3.36倍和6.38倍,百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了16.44倍和45.14倍;较千米钻孔瓦斯抽采体积分数提高10.53倍和19.99倍,百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了5.61倍和15.42倍。结果表明,该技术在煤矿井下实现大排量、高砂比,连续水力压裂作业,压裂后煤层透气性显著提高,为碎软煤层区域瓦斯治理提供技术借鉴。

煤矿井下煤层顶板分段加砂压裂增渗技术与应用

为解决碎软煤层水力压裂裂隙易闭合、压裂不均匀、压裂效果差、瓦斯抽采困难等问题,自主研发了定向喷砂射孔装备及工艺技术、水力加砂分段压裂装备及工艺技术,提出煤层顶板定向长钻孔“定向喷砂射孔+分段加砂压裂”增加煤层透气性的思路,并在阳泉矿区新景煤矿3#煤层顶板开展工程试验,形成了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂工艺技术。试验结果表明:成功实现了609 m煤层顶板长钻孔分6段加砂压裂,施工排量超过1 m^(3)/min,单段注液量超过150 m^(3),累计注液量967 m^(3);压裂孔底至孔口破裂压力呈逐渐减小,最大破裂压力为29.6MPa。注入核桃壳砂比例最高达到3%,单段最大注入核桃壳砂2.41 t,累积加入13.11 t。统计分析60 d瓦斯抽采数据,平均抽采瓦斯体积分数60.6%;单日最高瓦斯抽采纯量达到1 381.5 m^(3),抽采瓦斯体积分数较顺层钻孔和千米钻孔分别提高了8.81倍和3.96倍;百米钻孔抽采纯量分别提高了21.4倍和7.28倍,取得了很好的增透效果。