碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好。基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考。

煤层层理对微波破煤增透效果的影响

层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验,探究了不同层理方向煤样微观孔隙结构与细观裂隙的演化特征,揭示了微波辐射下层理对煤体孔裂隙结构的数量、尺度与连通性的影响规律;对比分析了微波辐射前、后不同层理方向煤体的气体渗透特性,阐明了煤体在煤层层理与微波破煤叠加影响下的渗透率变化规律,揭示了煤层层理对微波破煤增透的影响机制。结果表明:①煤层层理对微波破煤增透效果的影响显著,层理面与加载方向之间夹角越大,微波辐射下煤体的束缚孔减少幅度与连通性裂隙增长幅度也更大;与原煤样相比,微波辐射后不同层理方向煤样渗透率之间的数量级差异有效减小,渗透率各向异性弱化明显。②微波辐射下煤体中细观裂隙发育具有显著的层理效应,具体演化过程为:沿层理面原生裂隙扩展→新的沿层理面裂隙萌生→与层理面相交的裂隙扩展。③煤基质与层理面的介电损耗和传热性质差异,使得微波对煤体的热应力分布受制于层理面。当层理面与加载方向垂直或平行时,煤体以张拉破坏为主;当层理面与加载方向斜交时,煤体以剪切滑移破坏为主。

水力压冲一体化增透抽采瓦斯技术

现有的水力压裂、水力冲孔、水力掏槽、水力割缝等煤矿井下水力增透技术工艺复杂、适应条件单一、劳动强度大,而钻冲一体化、钻扩一体化、水力冲/压一体化等技术对硬煤增透效果不理想,且存在工序繁琐、不能连续作业等问题。针对上述问题,提出了一种水力压冲一体化增透抽采瓦斯技术,在钻进过程中利用高压水射流定点(定向、分段)对煤层实施水力增透作业,可实现集打钻、对软煤水力冲孔及对硬煤水力喷射压裂的一体化作业。揭示了水力压冲一体化增透原理,即通过水力冲孔将软煤层的部分煤体冲出,实现软煤层出煤卸压增透,对硬煤层进行定点水力喷射压裂,实现硬煤层造缝增透;研制了水力压冲一体化钻具,满足高泵压、大排量的要求,具备较强的破岩和排屑能力,其工序简单、可操控性强;给出了高压水射流冲孔和水力喷射压裂时的钻具操控方法,探讨了钻进时冲压工艺和退钻时冲压工艺。在某矿16101底抽巷使用水力压冲一体化钻具进行了现场工程试验,结果表明:在软煤段进行水力冲孔作业,比传统水力冲孔缩短时间60%~80%,而单孔出煤量增加了约2倍,单孔平均百米瓦斯抽采纯量提高了1倍;在硬煤段进行水力喷射压裂作业,单孔平均百米瓦斯抽采纯量比传统水力冲孔提高了2倍。

导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用

针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题,提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布,分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展,揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制,研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用,结果表明:利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔,使得煤中产生形似圆柱孔洞,穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比,钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法,裂隙扩展明显,瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备,主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头,结合井下水力化作业远程监测和控制,现场监测结果表明,通过增透作业钻孔的方法,平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2.75倍和1.81倍,说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。

造穴-CO_(2)气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用185 MPa高压力CO_(2)冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段,研究造穴-气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明:①煤样在CO_(2)气相压裂应力波作用下,在煤基质表面新形成损伤坑(DM)和三翼型裂隙(TRW)典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开,形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝,该裂缝能够充分均化应力集中区,并使得煤层产生不可逆的破坏,其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂-造穴复合技术影响范围内,造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率,避免能量耗散在无效的震动区,充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝,使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。

CO_(2)致裂技术在贵州大运煤矿、宏发煤矿低渗煤层瓦斯治理应用研究

CO_(2)致裂技术是一种操作简便、使用环保的煤层增透技术,具有安全、高效以及可以重复使用的优点。为了探究CO_(2)致裂技术在贵州高瓦斯低渗透煤矿的应用效果,选取了贵州两处高瓦斯、低渗透煤矿进行现场实验并观测实验结果。通过检测CO_(2)致裂前后煤层瓦斯宏观参数变化,并进行对比分析,结果表明:CO_(2)致裂技术对煤层增透效果明显,相较于未作用煤层,透气性系数提高了3倍,结合瓦斯自然流量衰减系数,原煤层由较难抽采变为可抽采;瓦斯抽采体积分数、瓦斯抽采纯量均有明显提升,并且致裂后瓦斯抽采纯量在30 d范围内有先增加再降低的趋势,应该是致裂后CO_(2)驱替瓦斯导致;致裂后残余瓦斯含量低于5.5 m^(3)/t,小于原始煤层瓦斯含量,并低于《防治煤与瓦斯突出规定》规定的残余吨煤瓦斯含量临界值8 m^(3)/t。表明CO_(2)致裂技术在增透低渗煤层上具有良好的运用效果。

航天固体推进剂对煤储层致裂增透试验研究

高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效生产,必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层,可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性,首先以民用航天固体推进剂配方为基底,研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂,并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试,然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验,并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测,最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明:航天固体推进剂性能良好,具备防水、耐压和不产生CO等优点,能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段,孔壁压力上升时间约为18 ms;孔内压力峰值较低且分布不均匀,孔中压力峰值为118.1 MPa,孔底压力峰值为85.3 MPa。航天固体推进剂致裂过程中,模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成,应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主,应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供了参考。

基于CO_(2)相变致裂的高瓦斯煤层增透消突快速掘巷技术研究

为了有效解决平山煤矿11009工作面轨道巷瓦斯突出、煤层透气性差、抽采效果达标时间长、掘巷速度慢等工程难题,本文总结分析了巷道快速掘进的影响因素,提出了液态CO_(2)相变致裂增透消突-快速掘巷一体化技术,并给出了其致裂增透技术原理,优化了矿井抽采技术方案,确定了液态CO_(2)相变致裂增透技术参数及效果评价指标。研究结果表明:通过布置直径94 mm压裂杆20根/孔,每根压裂杆内充1.5 kg的液态CO_(2),并沿巷道掘进方向顺层布置,煤层压裂后的钻孔瓦斯抽采浓度较长时间内维持在40%以上,巷道回风流瓦斯浓度稳定在0.3%以内,煤层瓦斯含量平均减少6.09 m3/t,最高减幅达到58.83%,每百米巷道掘进瓦斯治理时间可减小33 d,瓦斯抽采效果与巷道掘进速度显著提高,可有效解决该巷道瓦斯抽采效果差、巷道掘进速度慢的问题。

地面压裂与井下钻孔联合抽采技术研究

针对段王煤矿本煤层瓦斯含量高、渗透性低的瓦斯治理难题,提出“地面压裂、井下打孔、井下抽采一体化”技术治理本煤层瓦斯。为研究地面压裂对井下抽采的影响,运用ABAQUS软件模拟压裂裂缝延伸扩展规律,通过微地震监测技术得到压裂范围;运用COMSOL软件模拟不同钻孔间距瓦斯抽采达标时间,为现场抽采钻孔的布置提供理论依据。研究结果表明:压裂影响范围长×高=212 m×10 m,最大宽度90 m;压裂区钻孔间距为18 m时,抽采180 d,瓦斯抽采达标;DW9-3压裂孔平均单孔瓦斯抽采纯量0.022 m^(3)/min,与普通顺层钻孔抽采量相比,提高近15倍;该技术模式能够大幅度增加煤层透气性、降低本煤层瓦斯含量降低施工成本和减少钻孔工程量,确保煤矿安全高效的开采。

彬长矿区中硬煤层长钻孔分段水力压裂瓦斯抽采技术

针对中硬煤层水力压裂区域超前抽采压裂施工过程中存在的工期长、孔内事故率高、风险大、经济性差等问题,以彬长矿区4号煤层为研究对象,采用试验分析、数值模拟和系统优化等方法,研究出4号煤层分段压裂合理泵注压力、排量以及新型节流器,采用改进后压裂工艺在大佛寺煤矿完成了3个长度500 m以上钻孔的分段水力压裂施工,累计压裂段数23段,泵注压力为7.56~9.70 MPa,排量为18.63~22.11 m3/h,均未出现孔内事故。改进后,单孔水力压裂工期由12 d减少至7~8 d,压裂钻孔初始瓦斯抽采量是常规方式的1.29和1.38倍,瓦斯抽采量衰减系数是常规方式的9.1%和6.8%,压裂钻孔抽采效果得到大幅提升。

碎软低渗煤层穿层钻孔水力压裂瓦斯抽采技术研究

碎软低渗煤层透气性差是制约煤层瓦斯治理效果的关键因素,水力压裂技术能够改善煤岩层透气性,提高瓦斯抽采效果。通过理论分析和数值模拟,发现碎软煤层水力压裂无法形成有效裂缝,而是通过高压水在碎软煤层中不断地挤胀和穿刺,使煤体发生位移,达到煤层增容、增透目的。在此基础上,以淮北矿区某矿山西组10号煤层为研究对象,开展了现场工程试验。结果显示,压裂过程中,目标煤层发生了多次的挤胀和穿刺作用,压裂影响范围超过25 m,压裂区域预抽钻孔平均瓦斯抽采浓度为63.45%,压裂区域百米煤孔瓦斯抽采纯量是未压裂区域的2.62倍,压裂区域抽采效果较未压裂区域显著提升。研究结果可为碎软低渗煤层瓦斯高效抽采提供借鉴。

高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究

为提高中兴煤矿松软煤层透气性,有效解决传统钻孔瓦斯抽采难题,通过现场工业试验及瓦斯抽采效果对比相结合的方法,对2号松软煤层水力压裂增透技术及工艺进行了研究。结果表明:水力压裂方案实施后,煤层透气性提高明显,瓦斯抽采浓度、流量分别增幅3.6倍、2.7倍,抽采巷风排瓦斯量平均降低0.68 m^(3)/min,减幅27%,水力压裂可有效提升煤层瓦斯抽采效率。

定向长钻孔分段水力压裂煤层增透技术体系与工程实践

针对我国煤层低透气特征制约安全生产的现状以及传统水力压裂面临的泵注能力不足、压裂不均衡的问题,研发了分段水力压裂配套装置,提出了井下定向长钻孔分段水力压裂技术与工艺,表明了井下水力压裂从传统点式压裂转变成了区域压裂。针对不同煤层坚固性特点,提出了基于坚硬煤层的定向长钻孔顺层分段水力压裂技术模式和针对软碎煤层定向长钻孔开分支孔分段水力压裂模式,并在陕煤玉华煤矿和潞安余吾煤矿分别进行了现场试验。玉华煤矿2个定向长钻孔有效压裂长度分别为275 m、257 m,累计注水15.67 m^(3),瓦斯抽采浓度和纯量较压裂之前分别提升34.32%和26.32%.余吾煤矿为了采前预抽以进行煤层增透,钻进施工355 m的定向长钻孔主孔并开7个分支孔,压裂累计注水35.4 m^(3),钻孔抽采在3个月内平均月瓦斯含量下降0.23 m^(3)/t.

不同因素对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

为揭示不同因素对水力压裂促进煤层瓦斯抽采的影响,保障煤矿安全开采,基于多物理场耦合理论,建立包含损伤场、应力场和渗流场的煤层压裂和抽采统一数学模型,运用Comsol联合Matlab软件求解,结合现场试验,验证统一数学模型的有效性,并模拟分析钻孔间距、注水压力、煤体弹性模量和地应力等因素对水力压裂及瓦斯抽采过程的影响。结果表明:现场试验与模拟得出的压裂贯通时间较吻合;压裂损伤区在抽采孔处贯通是有效抽采煤层瓦斯的关键;压裂贯通时间与煤层弹性模量成线性增加关系,与垂直地应力、钻孔间距成指数增加关系,与注水压力成指数降低关系。

可控冲击波增透保德煤矿8~#煤层的先导性试验

介绍了可控冲击波技术在保德煤矿的煤层增透先导性试验。试验设计了1个试验孔,2个近区观测孔和2个远区观测孔,对作业有效增透区域进行分析。试验结果表明:试验孔近区1号和2号观测孔瓦斯抽采量显著增加且呈明显的递增趋势,远区3号和4号观测孔瓦斯抽采量虽显著增加但递增不明显;揭示可控冲击波作业后裂隙场在近区发育丰富,远区相对较少的增透特点;初步确定冲击波致裂增透煤层的有效半径大于15m。通过数据对比分析证明冲击波增透煤层存在最佳作用次数。

爆破载荷作用下控制孔增透作用机理试验研究

为了研究爆破载荷作用下控制孔增透作用机理,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计了有控制孔和无控制孔两种不同的模型试件,以煤体工程分类为依据结合构造煤物理力学特性利用相似材料配比加工制备尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的两种模型试样进行爆破模拟试验。利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,采用超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用网络并行电法仪CT反演爆破前后模型试件电阻率的变化,分析两种模型试件在爆破载荷作用下裂纹扩展、动态力学和电性参数特性,进一步揭示了控制孔在深孔控制爆破卸压增透中的作用。结果表明,爆破载荷在固定端("硬"材料)产生反射压缩波,在控制孔全部反射成拉伸波;爆破试样在冲击波、应力波、爆生气体的共同作用下产生两段主要波形,测点径向应变峰值与切向应变峰值相近;爆破前后煤岩电阻率产生异常变化,前后的平均异常系数为6~9。研究成果可用于现场工程实践中利用深孔控制爆破技术卸压增透防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害。

低透煤层水力压裂促进瓦斯抽采模拟与试验研究

针对低透气性煤层瓦斯抽采难度大、工作量大、效率低等问题,采用水力压裂技术促进煤层瓦斯抽采。在多场耦合和弹性损伤理论基础上,建立煤层损伤-应力-渗流耦合模型,数值模拟马堡煤矿15108工作面水力压裂及瓦斯抽采过程,分析煤层弹性模量、渗透率和瓦斯压力的变化规律,确定压裂和抽采关键参数,并据此开展工程试验,对模拟结果进行验证。结果表明:高能压裂液能使煤层破裂,渗透率急剧升高,加快瓦斯向抽采钻孔运移;随着压裂时间增加,压裂损伤范围逐渐扩大;模拟得出水力压裂10 000 s时,2个压裂孔间的损伤区在抽采孔处贯通,压裂损伤范围达14 m;现场压裂试验后,瓦斯抽采平均和最高纯量分别达到63.79和126.57 m3/d,是未压裂的9.65倍和7.23倍,透气性升高了67倍。

我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考

煤炭是我国能源安全的“压舱石”,具有重要的兜底保障作用。随着我国煤炭开采逐步向深部进军,深部矿井所面临的构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等情况日趋严重,以煤与瓦斯突出为代表的灾害防治难度逐渐增大,严重制约着我国煤炭安全高效开采。大范围提高煤层透气性是消除突出危险性并提高煤层气抽采效率的关键。传统煤层增透技术如密集钻孔等单孔增透范围偏小、抽采效率较低;常规压裂技术受制于地应力作用常存在水力裂缝形态单一、易损伤顶底板等不足,且裂缝两侧增透“空白带”内遗留瓦斯在后续开采过程中易诱发灾害。近几十年来,以提高煤层透气性、瓦斯抽采效率,减少煤与瓦斯突出风险为导向,诸多水射流技术因其效果显著、清洁等特点,逐渐成为了煤储层卸压增透、强化瓦斯抽采的主要方法。梳理了我国水射流技术增透煤层强化瓦斯开发的研究历程及最新进展,系统性归纳了水力冲孔、水射流割缝卸压、割缝导向压裂、树状钻孔均衡增透强化瓦斯开发理论及技术研究现状。我国对能源安全战略布局不断深化,然而面对深部煤层瓦斯动力灾害的复杂性、特殊性和突变性,目前煤矿水射流卸压增透措施仍存在技术协同性不够等亟待攻克的难题。基于新形势下保障国家能源安全的极端重要性,针对性分析了水射流强化瓦斯开发技术在运用中所存在的不足与局限,提出了未来重点发展趋势及展望。

煤矿井下穿层水力压裂钻孔布置优化分析及应用

为解决重庆地区低透气性松软煤层瓦斯抽采的难题,提出煤矿井下穿层水力压裂技术,分析得出其增透主要是高压水在煤体裂隙尖端产生拉应力增高区促使原始裂隙扩展、次生裂隙形成的过程,借助数值模拟对不同孔距的穿层水力压裂煤体塑性破坏区随注入高压水压力的变化规律进行研究,得到重庆逢春煤矿7号煤层起裂压力为33～35MPa,而延伸压力略低于起裂压力,拟合出不同孔径下水力压裂有效范围与注入高压水压力的指数曲线,并将研究成果应用于该矿底板巷瓦斯抽采工程.结果表明：水力压裂后煤层在走向、倾向上单孔压裂有效范围分别达到60m和50m,煤层透气性系数提高195～370倍,瓦斯抽采纯量提高3.5倍,瓦斯抽采浓度提高5倍.

钻孔间距对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

针对定量确定合理钻孔间距困难问题,基于损伤力学和多场耦合理论,建立了水力压裂和瓦斯抽采的煤层流固耦合模型,包括瓦斯和水运移场、应力场以及孔隙度、渗透率演化方程,并采用Comsol联合Matlab求解,研究了不同钻孔间距时压裂和抽采过程中煤层弹模、损伤值、渗透率、瓦斯压力、抽采量和压裂贯通时间的变化规律。结果表明:耦合模型可较准确地模拟煤层水力压裂和瓦斯抽采过程;压裂贯通时间与钻孔间距呈指数增长关系;在马堡煤矿,当钻孔间距为4~8 m时,压裂损伤区在抽采孔贯通,渗透率呈"n"型曲线,瓦斯抽采后,瓦斯压力迅速下降,抽采有效区随间距的增加而增大;当钻孔间距为9~12 m时,压裂损伤区未贯通,煤层渗透率呈"m"型曲线,抽采有效区随间距的增加而减小,与间距4~8 m相比,瓦斯抽采量较小。