煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。

低透气煤层无泵式钻扩一体化增透技术与钻具研究

针对在低透气煤层常规机械掏穴、水力冲孔等增透施工中存在的施工效率低、掏穴装置稳定性差以及需要配备高压泵等问题,提出了无泵式钻扩一体化增透施工技术,研制了配套的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置,并进行了现场工业性试验。结果表明:钻扩一体化增透施工技术在煤矿井下静压水条件下,可实现一趟下钻完成先导孔和机械掏穴的同时作业,解决了常规掏穴装置刀翼开合不稳定、必须配套高压泵的问题,降低了该技术的使用成本;研发的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置工作灵活稳定且可靠性高,造穴段单孔直接扩大至原常规钻孔孔径的4.4倍,显著提升了瓦斯抽采效果,该技术的成功应用为煤矿井下低透气煤层瓦斯抽采钻孔施工提供了技术支撑。

低透气性煤层高压脉冲射流割缝-压裂增透技术应用研究

针对盘州平关镇大坪煤矿18采区20号煤层复杂地质条件及瓦斯抽采难题,提出一种高压脉冲射流割缝导向压裂增透技术。为验证该技术效果,分析了其增透技术机理,并设计了4种试验方案进行对比分析。结果表明,采用高压脉冲射流割缝导向压裂方案在瓦斯抽采效果方面显著优于其他方法,与普通抽采、高压脉冲射流割缝、高压水力压裂抽采瓦斯相比,其平均每日抽采瓦斯浓度分别提高了3.01倍、1.41倍和1.67倍;平均每日抽采瓦斯纯流量也相应提升了2.86倍、1.42倍和1.62倍。经过90 d的抽采,该方案的抽采影响半径达到了5.06 m,分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采方案的2.56倍、1.25倍和1.29倍;在抽采效果相同的条件下,钻孔施工时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了60%、32%和20%,瓦斯抽采达标所需时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了70%、50%和62%。高压脉冲射流割缝导向压裂技术对低透气性煤层瓦斯治理效果较为理想,可供类似矿井借鉴。

低渗煤层大直径钻孔瓦斯抽采参数优化研究

针对低渗煤层瓦斯抽采存在预抽难度大的问题,提出大直径钻孔预抽能够降低低渗煤层瓦斯含量的方法。但由于低渗煤层对气固耦合效应影响敏感,抽采中渗透率变化过程不明确,导致大直径钻孔抽采参数设计依据不足。首先分析了低渗煤体渗透率演化的主控因素,建立了煤层瓦斯运移理论模型,模拟研究了大直径钻孔不同工况下对低渗煤体的瓦斯抽采效果,对比分析不同孔径、负压、孔间距下煤层瓦斯渗流规律。结果表明钻孔孔径越大造成的煤体卸压区越大,瓦斯抽采量越高,瓦斯残余含量也越小,但抽采效果增加幅度逐渐降低。负压越大瓦斯抽采量越大,但差别较小,因此负压对提升抽采效率影响较小。受渗透率演化的影响,不同钻孔间距下瓦斯抽采总量差别较大,在间距为3 m时,40~120 d阶段内抽采量最高,后期抽采量缓慢下降。间距5 m时抽采总量最高,抽采范围内的瓦斯残余含量降低较多。现场优化抽采后的瓦斯抽采纯量与模拟结果一致,表明了研究结论可靠。该研究结果可为煤矿井下大直径钻孔瓦斯抽采参数设计提供理论依据与应用参考。

中国海油低渗及非常规油气藏储层改造技术进展及展望

中国海上低渗及非常规油气开发存在产能低、投资大、操作费用高、收益较低及单井经济任务重等问题。经过技术攻关,中国海油形成了平台压裂、钻井船压裂和拖轮压裂等海上储层改造作业模式,研发出集海上低渗储层改造液体系、海上控水支撑剂技术、低渗储层压裂管柱设计和海上储层改造监测技术为一体的海上低渗储层改造技术,以及适用于陆上深煤层大规模压裂技术。本文综述了中国海上低渗油气储层改造技术及陆上深煤层大规模压裂技术研究进展,展望了未来储层改造重点发展方向,对推动中国海油低渗及非常规油气开发技术进步有重要指导意义。

低变质程度煤层自然发火标志气体预警值和临界值确定

低变质程度煤层中具有较多活性基团,活性基团使煤层具有低温氧化特性,煤矿生产过程中,低变质程度煤层采煤工作面回风隅角CO体积浓度较高。为确定低变质程度煤层自然发火标志气体预警值和临界值,建立了采空区内部温度分布和回风隅角CO体积浓度预测数学模型,以122109工作面为例,利用该模型进行了测试。结果表明:回风隅角自然发火标志气体CO的预警值和临界值分别为94.4×10^(-6)、346.2×10^(-6),根据测试结果建立了煤层自然发火分级预警指标。通过案例测试表明,以采空区内部温度分布为基础的回风隅角CO体积浓度预测模型能很好地应用于低变质程度煤层。

深部高突低渗煤层超高压水力割缝卸压增透技术实践

峰峰集团九龙矿2号煤埋深大,瓦斯含量高,为保证工作面安全回采,开展了瓦斯卸压增透技术的研究。与其他致裂方式相比,超高压水力切缝卸压增透技术的成本低、安全性高,对地质条件的适应性强,是一种理想的低渗煤层增透方式。该技术可破坏钻孔的“瓶塞效应”,促进裂缝的产生、发育和贯通,由此提高透气性,加大煤层中瓦斯的释放。在15249N工作面的现场应用表明,割缝钻孔单刀出煤量0.78 t,等效割缝半径1.89~2.31 m,较普通钻孔瓦斯抽采浓度提升1.6倍,瓦斯抽采纯量提升3.79倍,取得了较好的增透效果。

瓦斯压力对低透性煤吸附-解吸特性及孔隙分布的影响

为了从微观的角度探究瓦斯压力对深部低透性煤层吸附-解吸特性及孔隙分布的影响,采用低磁场核磁共振技术(NMR),开展深部低透性煤不同瓦斯压力下的吸附-解吸试验。试验发现:瓦斯吸附态、游离态和自由态下,T_(2)谱幅值积分与瓦斯压力呈现较好的线性关系,其拟合结果R^(2)均大于0.973 48,微观自由态瓦斯在瓦斯压力等于3.739 MPa处瓦斯的吸附-解吸出现了迟滞效应。不同瓦斯压力下,孔径类型分布差距较大,煤样内部孔隙分布主要是小孔占据大部分,而中孔和大孔所占比列较小。研究结果对深部低透性煤矿资源开采具有一定的指导意义。

二连盆地富气凹陷低阶煤煤层气成因及成藏机制

内蒙古低阶煤煤层气资源丰富,煤层气成因与成藏机制研究对低阶煤煤层气资源选区评价至关重要。以二连盆地重点富气凹陷低阶煤煤层气为研究目标,利用煤层气组分、碳/氢同位素、煤层水水质、氢/氧同位素及放射性同位素^(3)H和^(14)C测试等多种实验手段,分析煤层气、水地球化学特征,揭示低阶煤煤层气成因来源及成藏机制。结果表明,二连盆地煤层气组分以甲烷为主,均为干气,其中甲烷体积分数随埋深增加而增大,CO_(2)体积分数随埋深增加呈先增加后降低趋势,在300~500 m范围出现高值区。甲烷碳、氢同位素普遍偏轻,δ^(13)C(CH_(4))分布在-70.3‰~-48.0‰,δD(CH_(4))分布在-285.5‰~-189.0‰,δ^(13)C(CO_(2))在-37.6‰~1.94‰变化。煤层水化学类型主要为HCO_(3)-Na型和Cl·HCO_(3)-Na型,现今煤层水体环境较为稳定,水动力较弱,煤层水表观年龄在1020~47490 a,主要来源于第四纪大气降水,没有或较少有现今地表水补给。二连盆地煤层气主要为原生生物成因气,混有少量早期热成因气,随着埋深加大,地层环境和产甲烷古菌类型发生变化,生物甲烷生成途径发生转变。其中吉尔嘎朗图凹陷早期以乙酸发酵产气为主,晚期转变为CO_(2)还原产气为主,并混有少量低熟热成因气;巴彦花和霍林河凹陷微生物产气途径均以乙酸发酵为主,其中霍林河凹陷还混有少量甲基发酵型生物气。研究区具有适合生物气生成的低地温、低矿化度和低热演化程度的“三低”煤层条件,其中,吉尔嘎朗图凹陷属于地堑式浅部厚煤层生物气成藏模式,巴彦花和霍林河凹陷属于半地堑式中深部承压区水力封堵生物气成藏模式。寻找适合生物成因气形成和富集的有利目标区,应是二连盆地煤层气未来勘探开发的重点方向,也是二连盆地低阶煤煤层气增储上产的现实保障。

基于FLAC^(3D)-COMSOL序贯耦合的钻割煤体三维卸压瓦斯流场数值分析

水力割缝技术通过高压水射流在煤层中构建人工裂隙,可实现低渗煤层的区域性卸荷增透和瓦斯高效抽采。然而,经典的COMSOL软件难以对钻割煤体的三维卸压瓦斯流场进行解算,严重制约了水力割缝技术的工程应用。鉴于此,采用FLAC3D-COMSOL序贯耦合的数值解算方法,以中厚煤层钻割卸荷增透为例,对不同割缝半径、割缝厚度、埋深和割缝方式下钻割煤体的三维卸压瓦斯流场进行了数值分析。结果表明:水力割缝过程中,钻割煤体发生了卸荷损伤,形成了较大范围的圆台形塑性损伤区,煤体渗透率可大幅提高2~3个数量级;随着割缝半径和割缝厚度的增加,煤体的增透范围和瓦斯抽采半径逐渐增大,但在相同出煤量情况下增加割缝半径更有利于中厚煤层的卸荷增透和瓦斯抽采;深部高地应力环境导致煤层初始渗透率下降,但也可提高钻割煤体的增透范围和增透幅度,因此钻孔早期瓦斯抽采效果好,后期抽采效果差,在抽采过程中应尽量增加钻孔密度,缩短抽采周期;割缝方式对中厚煤层的整体卸压瓦斯抽采效果具有显著影响,单缝钻孔平行布置情况下煤层卸压瓦斯抽采效果最好,单缝交错布置情况下次之,而双缝间隔布置情况下最差。

霍尔辛赫煤矿可控冲击波增透技术研究

为了增加煤层透气性,提高煤层瓦斯抽采效率,本文以霍尔辛赫煤矿3号煤层2103轨道顺槽为研究对象,应用可控冲击波增透技术对煤层进行了增透试验研究,在采帮区域常规钻孔影响区域与非采帮无任何采动影响区域共设置7个增透钻孔。试验结果表明,增透作业提高了钻孔瓦斯抽采流量,并初步优化了2号煤层增透工艺参数,实施单点增透6次的工艺参数下抽采效果最佳;在距增透钻孔不同距离上布置的观测孔的抽采效果,验证了可控冲击波的有效增透半径;经过对抽采数据的统计,无论从增透孔的日均抽采量、抽采量的变化趋势,还是观测孔的日均抽采量、抽采量变化趋势,都证明了可控冲击波增透煤层的有效性,保证了霍尔辛赫煤矿正常生产接续。

碎软低渗煤层水平井水力喷砂射孔工艺优化

针对碎软低渗煤层水平井煤粉产出危害,提出采用水力喷砂射孔压裂来实现“射孔-增透-控粉”为一体的压裂改造理念,具体工艺包含水力喷砂射孔、高压射流、环空压裂以及水力补射孔清洗。通过成本及工艺对比,选择油管拖动水力喷砂射孔方式进行压裂,并对工艺和关键工具进行优化。首先,优化防反冲蚀破坏一体化硬质合金圆锥收敛型喷嘴,能实现排量2.0~2.5 m3/min时,射流压力为16.5~25.8 MPa。其次,优化喷射器本体,能有效射穿套管、水泥塞,并射入岩石一定深度。配套一体化管柱顺利完成了煤层气U型水平井压裂和补射孔施工各8段,每段射孔时间15 min以上,并充分顶替返排煤粉,投产3年后产气量仍达到3500 m3/d以上,表明优化工艺达到了碎软低渗煤层改造效果。与连续油管分段压裂技术相比,油管拖动水力喷射压裂单段压裂作业成本降低了28.5%。

松软低透气性煤层瓦斯抽采技术的应用研究

为有效解决新源煤矿松软低透气性煤层瓦斯地面抽采难题,进行了超高压水力割缝增透技术的应用研究。采用COMSOL-Multiphysics仿真软件确定了有效抽采半径,找到了地面抽采难的原因,确定采用超高压水力割缝增透技术,并对超高压水力割缝装置和超高压水力割缝工艺进行了阐述。实践应用结果表明,对比普通钻孔瓦斯抽采技术,采用超高压水力割缝增透技术进行瓦斯抽采,其抽采体积分数和纯量均有大幅度的提高,抽采体积分数是普通钻孔抽采的2.24倍,抽采纯量是普通钻孔抽采的2.61倍。超高压水力割缝增透技术的应用有效解决了新源煤矿307工作面松软低透气性煤层瓦斯抽采难度大的问题。

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明:采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。

低渗透性煤层气液两相压注复合增透技术研究及应用

针对骆驼山煤矿低透气性煤层水力压裂后期钻孔瓦斯抽采衰减严重的问题,提出气液两相压注协同增透技术,现场试验表明:气液两相压注增透技术流量平均值是原有水力压裂技术的1.24倍,是单一空气压注钻孔的6.17倍,且流量衰减仅为原有水力压裂技术的64%,是单一空气压注钻孔的45%。对比原有水力压裂技术,气液两相压注增透技术协同增透效果明显,酸化压裂与注气增流相互促进,煤体内裂隙网络的连通性和注气增流作用影响范围都得到进一步的增强,保障矿井安全高效生产。

三软低透气煤层瓦斯高效抽采技术研究

松软低透气性煤层由于煤层透气性差、钻孔成孔困难以及抽采衰减快,瓦斯治理难度较高。增加煤层透气性是实现瓦斯高效治理的关键,为此将水力冲孔技术应用到5205综采工作面瓦斯治理中,并通过改进钻孔封孔工艺提高封孔质量,避免出现漏气情况。在5205底抽巷实施完成水力冲孔后,瓦斯抽采浓度及抽采纯量等均明显增加,均值分别达到32%~51%、0.014~0.035 m^(3)/min,相对于同区域其他未冲孔钻孔而言,瓦斯抽采浓度及纯量分别提升约2.13~3.4倍、20~125.7倍;煤层透气性系数也从0.004 4 m^(2)/(MPa^(2)·d)增加至0.276 m^(2)/(MPa^(2)·d),增加约62.73倍。在5205综采工作面采用的瓦斯抽采技术效果显著,可显著缩短采面瓦斯治理时间。

低透气性煤层瓦斯抽采封孔技术及实践

九鑫煤业2105工作面为松软煤层,煤层透气性差,瓦斯抽采钻孔封口困难,钻孔后期漏气严重。针对这一情况,研制了“封堵一体化”封堵器实施封孔工艺,具有注浆封孔和漏气封堵双重功能。实践应用结果表明,钻孔0~100 d的抽采时间内钻孔平均瓦斯体积分数从19.1%提升至41.1%,在30 d后进行漏气处置后钻孔平均瓦斯抽采体积分数为50.2%,该封孔工艺能有效解决钻孔封孔后期漏气问题,有效提高了钻孔后期瓦斯抽采体积分数。

单一低透气性煤层水耦合深孔预裂爆破增透技术研究与应用

为解决单一低透气性煤层瓦斯透气性差、抽采困难、传统爆破方式增透效果不佳等问题,提出采用水耦合装药替代空气不耦合的方式。通过ANSYS/LS-DYNA软件建立水耦合装药深孔预裂爆破模型,分析水耦合装药方式爆破后应力波传递和裂隙的延伸效果,得出了水耦合装药方式能够更好的传递爆破产生的应力波。在河南省新郑煤电有限责任公司14207下底抽巷开展水耦合深孔预裂爆破试验,爆破致裂后,煤层瓦斯浓度和标态瓦斯纯流量都有提高,与数值模拟结果相互验证,表明该方法可以较好的增加煤层的透气性,改善单一低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题。

低透气性煤层瓦斯抽采钻孔布置优化研究

针对阳煤一矿煤层瓦斯预抽采效果不佳、抽采周期较长等问题,为进一步提高抽采效果,对群孔模式下高瓦斯低透气性煤层钻孔布置方式进行优化和探究。首先采用数值模拟方法,在群孔钻孔方式下分析各项参数包括抽采时间、钻孔孔径、钻孔间距、钻孔负压、煤层渗透率等因素对有效抽采半径的影响。然后研究群孔钻孔间相互作用对瓦斯运移造成的影响,并对群孔瓦斯钻孔的排列模式进行分析,综合对比菱形与矩形阵列排布瓦斯抽采效果。通过实践可以看出,钻孔菱形阵列排布瓦斯抽采效果要好于矩形阵列排布瓦斯抽采效果,同时在钻孔孔径为94 mm,孔距为2 m,透气性系数为0.2 m^(2)/(MPa^(2)·d),抽采负压为14 kPa的条件下,将群孔间距设在3 m时综合效果最佳。

融入混合注意力的低缩放因子SeamCarving篡改检测算法

针对现有的Seam Carving篡改检测算法对于低缩放因子情况存在检测精度不高、鲁棒性不强的问题,提出一种融入混合注意力机制的Seam Carving篡改检测算法。首先,利用BayarConv2D约束卷积对图像进行预处理,充分学习图像的噪声特征,并通过矩阵乘法与RGB图像进行特征融合;然后,采用ResNet作为骨干网络进行特征学习,引入残差传播和残差反馈机制,凸显Seam Carving的操作痕迹;最后,利用混合注意力机制同时提取相邻位置和通道之间的特征,更好地捕捉全局特征,进而将其输入全连接层进行分类。实验结果表明,在BOSSbase1.01数据集上,当缩放因子为1%和9%时,检测精度分别达到了89.48%和97.94%,优于现有主流方法,同时具有较低的计算复杂度和较好的鲁棒性,能够抵抗JPEG压缩攻击。