基于数值模拟高强度开采条件下天然气井受力及水平变形特征研究

针对煤-天然气同采区煤层高强度开采引起的覆岩移动变形导致气井失稳问题,基于小保当二号煤矿地质、开采技术条件及现场实测数据,通过数值模拟研究了超长超宽工作面高强度开采条件下,气井套管-水泥环组合体的剪切受力及水平变形特征,分析得到了沿套管轴向易发生变形的位置及岩层分布特征对气井稳定性的影响。结果表明,关键层以上至地表范围内覆岩以拉伸变形为主,关键层及下伏相邻岩层以剪切变形为主。倾向上132204-132206工作面多重采动影响下气井套管最大剪应力为208.5 MPa,为许用剪切强度255 MPa的81.76%,最大水平位移为87.3 mm。沿132205工作面走向留设180 m宽气井保护煤柱,工作面自二次切眼推进250 m后,套管达到最大剪应力169.5 MPa,为许用剪切强度的66.5%,最大水平位移为83.1 mm,留设180 m宽保护煤柱能够保障气井的完整性。研究结果对于合理确定小保当二号煤矿井田内其他气井保护煤柱尺寸、预防井筒失效、实现煤-天然气资源协同开发具有重要价值和意义。

Controlling Effects of Surrounding Rock to Coal Seam Gas Occurrence

Surrounding rock of coal seam was one of the important factors to gas occurrence. The coal seam gas occurrence was studied by the index of roof strata thickness or sand content rate;we found that there were certain shortcomings. In order to reasonably evaluate the influence of coal seam surrounding rock on gas occurrence in Panji mining area, we quantitatively evaluated the effect of coal seam surrounding rock on gas occurrence by influence coefficient of roof strata thickness, and built six mathematical models of the variational gas content in the mining area which is divided into six gas geological units. The results shows that the coal seam gas content is mainly influenced by 20 mroof strata in each gas geological unit, the gas content presents the tendency of increase, and with the influence coefficient of strata thickness increases, they exist a significant linear relationship.

平顶山矿区多煤层卸压立体抽采模式与工程示范

平顶山矿区多煤层发育、含气层段多,仅靠井下进行瓦斯治理工程量大、难度高。为了开辟平顶山矿区瓦斯抽采新模式,达到“采一层抽多层”的目的,采用气测录井与含气量测试相结合的方法精准判识了煤系主要含气层段和含气量;采用体积法评价了东部5对矿井采动区和采空区的煤系气资源量。基于“O”形圈理论和“防-抗-让”思想,分别优化设计了采动井、采空井的井位、层位和井身结构,构建了采动区、采空区多煤层卸压立体抽采模式并进行了工程示范。结果表明:(1)二_(1)煤层顶板200 m范围内存在四煤组、三煤组、二_(1)煤层顶板60 m范围内的砂岩/泥质砂岩互层段等3处主要含气段。平顶山矿区东部5对矿井的采动区和采空区资源量分别为26.36×10~8 m^(3)和20.00×10~8 m^(3)。(2)采动井最佳井位为0.17~0.28倍采长,且靠近回风巷条带区域;走向上,采动井的间距一般为80~100 m。创建了“大口径、避开岩体变形强烈区、P110梯型扣套管”的采动直井稳孔技术体系和“下行水平轨迹+提高套管强度”的采动L型水平井稳产技术体系,保证了产气通道的畅通性。采空井一般布置在距离回风巷30~50 m的区域,完钻位置一般为二_(1)煤层顶板40~60 m的范围;筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部。(3)建立了“地面采动直井/定向井-采动L型水平井-采空井”联作的卸压立体抽采模式,实现了多气源立体抽采。截至2024年4月30日,累计抽采纯量达5258.8万m^(3),总利用量达到3735.4万m^(3),率先在河南省实现了煤系气产业化开发,示范和引领带动作用显著。

河南平顶山矿区含煤地层沉积环境及其对煤系气成藏的控制

近几年来,河南省平顶山矿区煤系气勘探开发取得了新突破,采动井、采空井和预抽井的单井日抽采量分别达到40500 m^(3)、20000 m^(3)和4500 m^(3)。为了查明煤系气生成与赋存的沉积背景,本次工作采用地层学与沉积学的研究方法,开展了精细的地层、沉积特征和沉积序列以及气测录井资料分析,从而揭示出本区主要含煤地层山西组和下石盒子组中煤系气(煤层气、页岩气和致密砂岩气)生成与赋存的沉积环境,也就是潮坪上的泥炭沼泽(泥炭坪)、三角洲分流间湾沼泽和分流河道沉积环境控制了煤系气的成藏。基于地层沉积特征在垂向上的变化规律,划分出9种不同沉积环境的沉积序列类型,并在综合分析的基础上,提出了平顶山矿区山西组—下石盒子组煤系气赋存的沉积环境模式。研究还表明,区内煤系气含量变化及区域分布特征不仅与滨岸潮坪沼泽、三角洲分流河道砂体和分流间湾沼泽的时空变化密切相关,而且还与储集层厚度变化相关。该成果可为今后平顶山地区煤系气勘探开发井的设计、部署与施工提供科学依据。同时,对华北地区相同含煤地层的煤系气开发也具有重要借鉴意义。

采动影响下构造发育区煤层瓦斯运移规律研究

为研究采动影响下构造发育区煤层瓦斯运移规律,以桑北矿区为工程背景,综合运用理论分析、现场实测与数值模拟的方法,通过构建采动影响下煤体渗透率动态演化模型,结合煤岩应力场、变形场和渗流场相互作用,研究了瓦斯运移流固耦合机制。研究发现,桑北整合区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南,构造复杂,含褶曲、断层等,地应力受重力与构造运动双重影响,3^(#)煤层应力值普遍小于15 MPa。基于含瓦斯煤层应力-损伤-渗流多场耦合模型建立数值模拟,模拟不同抽采时间下瓦斯运移情况。结果表明:原始区域抽采时瓦斯压力变化区域随时间外扩,30 d变化明显,180 d后幅度变小;完全卸压区域瓦斯压力随时间降低,卸压程度越高受抽采钻孔影响越明显,降低幅度越大;构造发育区瓦斯压力变化受构造发育程度影响,发育程度越高影响越小,且随抽采时间增加压力变化区域扩大,前90 d变化明显。现场实测与模拟结果对比显示,原始区域、完全卸压区域和构造发育区瓦斯压力变化趋势分别基本一致。

淮南矿区煤层顶板分段压裂水平井抽采技术及效果研究

淮南矿区为典型高瓦斯矿区,煤层碎软、渗透率低、瓦斯含量偏高、抽采难度大,为探讨地面煤层气顶板分段压裂水平井在矿区的技术可行性与瓦斯治理效果,在分析矿区主要煤层13-1煤储层特征基础上,采用应力解除法进行了煤层三向地应力测试,结果显示三向应力场类型主要为σ_(h,max)>σ_(v)>σ_(h,min),具有实施顶板分段压裂水平井技术的充分条件;利用MFrac Suite软件分别模拟了水平段距离煤层1、3、5 m时的压裂缝参数,压裂缝半长最大107.33 m、最小89.47 m,具有理想的压裂效果,说明顶板分段压裂水平井在淮南矿区具有比较好的地质适应性与可行性。以潘一煤矿13-1煤层“L”型顶板分段压裂水平井CBM01井为研究对象,采用井下钻孔检测与数值模拟等手段综合分析了瓦斯治理效果,结果显示CBM01井抽采415 d即显著降低了煤层瓦斯压力与瓦斯含量,距离水平井50、65 m处瓦斯压力由6.4 MPa分别降至2.6、2.7 MPa,降低幅度均超过55%,水平段两侧各15~20 m范围内瓦斯含量由13.5 m^(3)/t降至最大9.11 m^(3)/t、最小6.92 m^(3)/t,平均7.92 m^(3)/t,约10 m范围均降至8 m^(3)/t以下。最后,采用数值模拟方法预测了CBM01井抽采10 a的产气效果及瓦斯治理效果,气井抽采10 a累计产气约272.08×10^(4)m^(3),水平段倾向单侧约150 m范围内气含量均降至8 m^(3)/t以下、压力均降至3 MPa以下。综合研究结果表明,煤层顶板分段压裂水平井技术在淮南矿区瓦斯治理方面均具有较大的优势和应用效果。

沿空留巷开采覆岩裂隙演化规律及卸压瓦斯抽采技术

沿空留巷开采是我国煤炭可持续发展的重要方向之一,其采动覆岩卸压瓦斯运移储集区演化与传统开采方式有所不同。为进一步准确辨识沿空留巷开采覆岩卸压瓦斯运移储集区,通过数值模拟及物理相似材料模拟,研究了切顶侧与未切顶侧的裂隙特征,分析了采动覆岩裂隙动态发育过程及应变分布规律,提出了沿空留巷开采卸压瓦斯抽采靶区位置判别方法,并进行了现场工程实践。研究结果表明:低位覆岩受切顶影响,易发生破断垮落;高位覆岩区域未切顶侧覆岩裂隙较为发育,切顶侧与非切顶侧裂隙发育高度相同。采动裂隙形态、覆岩应变形态均呈梯形,随覆岩周期破断,采动裂隙呈跃进态势向上发展。不同区域采动离层裂隙角度集中在0°~10°,竖向破断裂隙区角度主要集中在80°~120°。基于关键层判别、采动裂隙角度及数量、覆岩应变特征等,结合通风方式,提出沿空留巷开采卸压瓦斯抽采靶区判定方法,将抽采钻孔布置在“采动裂隙锐角发育区+高瓦斯体积分数”区域,判定得出试验工作面抽采靶区为与煤层顶板垂距30~46m、与辅运巷平距30~55m的区域。试验工作面开采期间整体瓦斯抽采效果良好,说明基于沿空留巷开采卸压瓦斯抽采靶区判定方法设计的抽采钻孔具有合理性,可为沿空留巷开采“Y”型通风方式下卸压瓦斯抽采钻孔设计提供一定参考。

准东煤田大井矿区煤中镓元素分布特征及富集机理浅析

新疆准东煤田大井矿区煤炭资源储量丰富,为结构简单稳定的巨厚煤层,勘探开发利用极高。前人对准东煤田镓、锗等元素含量进行了分析和总结,提出了准东具有寻找超大型煤-镓矿床的前景,引起了国内众多学者的关注。本文通过对大井矿区镓元素分布数据的收集整理,从横、纵向和叠合3个维度进行分析,发现区内北部井田B煤层煤中镓元素富机系数较高,极值达218μg/g。从沉积物源距离、古地理环境和构造特征等3个方面对全区B煤层煤中镓元素含量、分布和富集系数进行分析研究,认为接近物源区特定的地理位置和构造运动方面特殊的断层分布密集区域,是煤中镓元素富存系数较高的区域。本文对镓元素分布特征和富集机理之间的关系进行剖析,研究煤中镓元素的富集分布规律和赋存特征关系,为综合圈定煤中镓元素富集区提供可靠依据。全疆煤系关键金属的发现和研究,对聚焦实施新一轮找矿突破战略行动与矿产资源绿色发展,加快煤炭资源勘查进度和综合利用煤炭资源,具有重要的现实意义和战略前景。

准南地区水溪沟矿区下侏罗统煤系气赋存规律

准噶尔盆地南部水溪沟矿区下侏罗统八道湾组发育褐煤及长焰煤,蕴含丰富的煤系气资源。本文对水溪沟矿区煤储层特征及其主控地质因素进行了研究,主要取得以下认识和进展:①煤系主要为辫状河及三角洲沉积环境,主要可采煤层厚度变化呈现西北向东南由薄变厚再变薄的趋势,煤层厚度及埋深与含气量、甲烷浓度呈正相关性;②本区煤层渗透率变化较大,煤层非均质特点比较强,临界解吸压力、临储比较高,见气时间短,显示具有较好的产气潜力;③煤系储层的主控因素,体现在构造、埋深、沉积与水文地质作用等方面。

恩洪矿区主要煤层含气特征及主控地质因素

立足恩洪矿区地质背景及含煤性,统计分析大量实验测试结果,梳理三个主要煤层含气量的分布特点,研究了气成分组成以及吸附性能。结果表明,该区16煤比9煤吸附煤层气的性能更强,煤层埋深600 m左右吸附气量最大;主要煤层皆为欠饱和煤层,瓦斯分带以沼气带和氮气-沼气带为主,气体中甲烷占比随埋深增大而增高,但受煤层重烃浓度异常高以及气样采取时进入空气影响,煤层埋深800 m甲烷浓度仍低于80%;主要煤层含气量具有向斜控气的特征,从上到下煤层含气量递增。含气量受煤层厚度、埋深以及地下水活动综合影响,沉积作用和地质构造是影响该区煤层含气性的主控地质因素。

阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术,优化了气动定向钻进装备配套方案,并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路,有效解决了气动螺杆钻具的异常制动,实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具,保障了钻孔轨迹的精确调控,提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用,有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术,配套设计的专用可退式打捞筒,满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要,并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔,成孔深度均达到450 m以上,最大钻孔深度达到607 m,最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果,单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m^(3),实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径,具有显著的应用和推广价值。

湘中冷水江矿区煤层气地质条件分析

基于勘探资料和实验数据,分析了冷水江矿区煤层含气性和储层特征,估算了煤层气资源量。研究表明:研究区3、5煤层累计厚度3.5 m。3、5煤层含气量一般大于8 m^(3)/t,最高可达20.37 m^(3)/t。3、5煤层煤体结构较破碎,孔隙、裂隙发育,渗透性差,吸附性好,储层压力适中。研究区煤层气地质资源量28.37亿m^(3),资源丰度0.61亿m^(3)/km^(2),资源前景较好。

云南大河煤矿区中深部煤层气特征及含气量影响因素分析

通过对煤层气参数测试井实测含气量、镜下鉴定及收集等温吸附性实验数据等方法,对大河煤矿区煤储层煤岩煤质、渗透率、含气性等进行研究。研究表明,大河煤矿区浅部以低煤级的肥煤为主,深部以中、高煤级的焦煤、瘦煤为主。大部分可采煤层渗透率<1mD,煤层气含气饱和度14.17%~68.91%,储层压力梯度0.62~1.07 MPa/100m,临界解吸压力0.26~3.03MPa,煤层气含气量主要受聚煤环境、煤层厚度、埋深、构造等地质因素的影响。

保护层开采与卸压瓦斯协同抽采技术研究与应用

针对深部低透突出煤层群下保护层开采后上覆被保护层卸压瓦斯及下保护层瓦斯协同抽采的难题,新景矿采用“地面井预抽+高(低)位抽采巷”实现了被保护层卸压瓦斯及上隅角瓦斯的协同抽采。综合应用机械造穴、地面井压裂等增透措施,提高了新景矿15号煤层抽采效率。增透前后支管抽采瓦斯纯流量提高了2.27倍,缩短了保护层工作面预抽瓦斯的达标时间;通过对比15号煤层开采前后3号、8号及9号被保护层的卸压瓦斯地面井抽采瓦斯纯流量提高了1.85倍,实现了保护层与被保护层瓦斯的协同抽采,开采突出煤层群做到安全可控,对阳泉矿区煤层群安全高效开采具有重要的参考意义。

煤油气共生矿井顶板油气赋存特征及防治措施研究

为了提高煤油气共生矿井油气灾害治理的科学性,以富县矿区为例,采用钻探取芯、物探识别、分析化验等多种方法,研究了采掘工作面煤层顶板油型气赋存特征,并探讨了顶板油型气富集的主控因素。结果表明油气主要赋存于煤层顶板3套砂体中,油气富集受到沉积相带、构造鼻隆与厚层砂体的共同控制,建议加强油型气综合探查技术、油型气灾害预测预报技术、油型气综合抽采技术和智能化矿井建设等方面的研究。

万峰煤矿深部采区掘进期间瓦斯综合治理技术研究

为解决万峰煤矿深部采区掘进期间瓦斯涌出量大的问题,提出利用巷道施工的先后顺序,采用本煤层顺层钻孔、穿层钻孔交替掩护预抽煤层瓦斯的方式进行掘进施工。同时在煤巷施工期间结合了“四位一体”的综合瓦斯防突措施,利用抽采效果检验、抽采效果验证等方式,有效保证煤巷的安全施工。该技术的成功运用可为类似矿井掘进期间的瓦斯综合治理技术方案提供指导。

基于均压理论的寺河煤矿采空区瓦斯防治技术研究

寺河煤矿53032巷与5303采空区相邻,目前巷道变形严重,瓦斯抽采能力不足,具有严重的瓦斯安全隐患。本文基于均压原理,研究通风系统调控方案,以此对瓦斯抽采系统进行改造。结果表明:采空区两侧压差点大幅降低,瓦斯扰动减少,流场汇流点发生改变;瓦斯抽采系统改造当月53032巷内平均瓦斯浓度及风排瓦斯涌出量降幅达50%,7个月后降幅达78%。可见本文所得的均压调控措施有效解决了53032巷的瓦斯问题,可为类似条件矿井或区域提供瓦斯问题解决思路。

小窑火区下采空区有害气体防治技术研究

小窑火区下回采工作面易发生上隅角低氧和有害气体超限,严重制约着矿井安全生产。为理清采空区有害气体的运移规律,以达西定律、扩散定律、流体动力弥散定律为基础构建了采空区气体运移的数学模型,利用COMSOL Multiphysics反演了沙坪矿13102工作面采空区有害气体的运移过程。结果表明:新鲜风流从进风巷道以及工作面流入采空区,然后从上隅角流出,在风流的带动下CH_(4)和CO从上隅角流出,导致工作面上隅角CH_(4)和CO体积分数超限、工作面低氧,在此基础上提出上隅角埋管抽采和均压通风的措施防治工作面上隅角低氧、有害气体超限,数值模拟发现上隅角埋管抽采只能防治工作面低氧的问题,而均压通风既能够防治工作面低氧还能阻止采空区有害气体涌向工作面。

小窑破坏区复采期间瓦斯分布规律研究

为掌握复采煤层瓦斯分布规律及涌出规律,解决复采期间局部瓦斯异常涌出、积聚和瓦斯超限等难题,以腾晖煤业2#煤层三采区遗存采空巷(区)及煤柱为研究对象,研究了工作面与空巷(区)的位置关系,在瓦斯基础参数测试上,对下分层复采期间应力变化特征与瓦斯运移特征进行了分析。研究表明:在密闭空间内瓦斯体积分数超过28.4%时,瓦斯压力高达0.045 MPa;当工作面空巷揭露时,瓦斯瞬时气流速度可达440 m/s,之后迅速下降。

微震监测系统在矿区埋地天然气管道预警防护中的设计与实施

矿下埋地天然气管道对井下移动变形值的响应与敏感性具有显著的特殊性。通过研究矿下施工事件对埋地天然气管道变形的影响设计了一套微震监测系统,采取实时智能在线观察井下活动对埋地管道的影响,如地表下沉、水平移动、水平变形等事件;基于埋地管道采动变形特征,建立了半定量风险评估指标体系,以此来对事件的发生进行预警和防护。系统测试结果表明,微震监测系统可以很好地适应矿下活动对埋地天然气管道的影响监测需求。