井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践.pdf

中国煤炭行业知识服务平台 推荐阅读推荐阅读 综采工作面上隅角瓦斯流动活跃区形成机理研究 高瓦斯突出煤层综采工作面注水降尘技术应用研究 超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研究 风速对近距离煤层采空区漏风及煤自燃影响研究 深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术 水力冲孔压裂卸压增透抽采瓦斯技术研究 巷道火灾时期流场及瓦斯浓度变化规律数值模拟研究 高突低渗透煤层超高压水力割缝卸压增透研究 高瓦斯综采工作面定向高位钻孔瓦斯抽采技术研究 寺河井田煤层气产能分布特征及影响因素分析 我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展 基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究 松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势 综采工作面煤层注水防尘优化及效果研究 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 高瓦斯矿井高抽巷合理布置及终巷位置确定研究 原生结构煤与构造煤孔隙结构与瓦斯扩散特性研究 不同孔间距抽采孔对深孔预裂爆破增透效果影响研究 顺层瓦斯抽采钻孔封隔一体化封孔工艺研究 煤层瓦斯赋存特征及其关键地质因素影响研究 第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 陈冬冬孙四清张俭等.井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践.煤炭科学技术 / . . / 井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践 陈冬冬孙四清张 俭赵继展郑凯歌贾秉义 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西 西安 摘 要低渗煤层区域超前增透是实现瓦斯区域超前高效抽采的技术支撑 针对定向长钻孔水力压 裂面临的泵注能力不足和压裂不均衡问题研发了煤矿井下快速、定点、分段与可重复的水力压裂孔 内装备实现了煤矿井下水力压裂由传统的点式压裂向区域压裂的转变 结合不同煤岩层定向长 钻孔布孔方式提出并形成了碎软煤层顶底板梳状孔整体/ 分段、中硬煤层穿层定向孔顺煤层整体 及硬煤层顺层定向长钻孔整体/ 分段水力压裂煤层增透技术体系 以韩城矿区碎软煤层、黄陵矿区中 硬煤层和焦作矿区硬厚煤层为研究对象进行工程实践 结果表明韩城矿区碎软煤层顶板梳状主孔 、分 段压裂最大封隔深度 . 水力压裂半径 . 钻孔瓦斯抽采量是常规钻孔的 . 倍黄陵矿区中硬煤层主孔深度 、压裂段长度 孔压裂影响半径最小 钻孔瓦斯平均抽采量是未压裂钻孔的 . 倍赵固二矿顺层主孔深度 、封隔深度 . 、压裂 段长 水力压裂影响半径 钻孔瓦斯抽采量是常规钻孔的 . 倍 井下定向长钻孔水力压 裂技术融合了定向长钻孔瓦斯高效抽采及水力压裂强化抽采技术的优势实现了大区域煤层增透与 瓦斯超前强化预抽 关键词定向长钻孔分段压裂煤层增透瓦斯抽采 中图分类号 文献标志码 文章编号 .. 收稿日期责任编辑郭 鑫 基金项目国家科技重大专项资助项目中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目 作者简介陈冬冬男河南项城人副研究员硕士 . . . / / / . . . . . . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 陈冬冬等井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践 年第 期 . . . . . . 引 言 煤层瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯事故的有效措 施煤层瓦斯抽采效率很大程度上取决于煤层渗流 特性 我国煤储层渗透率比国外低 个数量 级煤层渗透性差导致煤层瓦斯抽采效率低、难度 大低透气性煤层瓦斯高效抽采是煤矿瓦斯治理的 技术难题 实践证明煤层增透是解决煤矿瓦斯 抽采技术“瓶颈”的关键 近些年煤矿井下水力压 裂技术得到长足发展具有增透范围大、效果显著等 特点诸多矿区采用该技术在低渗煤层瓦斯强化抽 采方面取得了较好效果并发展了定向水力压 裂、重复水力压裂、脉动水力压裂等 但现有井 下水力压裂煤层增透工艺技术仍主要集中在煤层 底顶板岩巷穿层钻孔和顺煤层短钻孔钻孔有效 压裂段短无法实现大面积区域煤层增透与超前预 抽 我国政府倡导“区域超前治理”理念坚持区域 措施先行、局部措施补充原则 防治煤与瓦斯 突出细则首次将定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦 斯作为区域防突措施 定向钻进工艺可跨盘 采区、采面进行钻孔施工实现了大区域、超长距 离、递进式煤层瓦斯精准高效抽采可大幅增加 钻孔抽采范围解决了高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井瓦 斯灾害治理的时空矛盾 根据不同煤储层条件及其 顶底板岩性组合已形成较为成熟的硬煤定向钻进、 碎软煤层顶底板梳状钻孔等定向长钻孔成孔工 艺技术 冲破常规水力压裂技术与方法束缚融 合井下定向长钻孔瓦斯高效抽采技术及水力压裂煤 层增透强化抽采技术优势实现大区域煤层增透与 瓦斯超前预抽是未来矿井瓦斯抽采的关键技术之 一 近年来笔者课题组在定向长钻孔水力压裂 煤层增透与强化抽采工艺技术和装备等方面进行了 攻关研究研发了适用于不同煤岩层特征的定 向长钻孔水力压裂工艺技术和成套装备初步形成 了煤矿井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术 体系 井下定向长钻孔水力压裂面临的问题与 对策 煤岩层具有多孔介质和非均质属性由层理、节 理、天然裂隙和孔隙等组成的裂隙系统较为复 杂其对水力压裂的影响体现在 个方面 必然存在相应的地层滤失率且钻孔越长地层滤 失效应越明显直接导致泵注压力和泵注排量无法 达到压裂煤岩层、延展裂缝的效果现有水 力压裂技术在短钻孔中无法实现煤岩层均衡增透 钻孔越长水力压裂的不均衡性越大增透空白带越 严重且无法避免 定向长钻孔一般钻进长度大于 由上可 知定向长钻孔中实施水力压裂工程既要保证现有 泵注能力达到破裂煤岩层又要尽可能避免压裂不 均衡性、实现均衡压裂 基于此课题组研发了定向 长钻孔孔内快速、定点、分段与可重复利用的水力压 裂工具组合针对矿井常用等瓦斯抽采钻孔孔径 、、 分别开发了匹配的成套工具 实现了单孔压裂 段的突破 该套工具可实现稳 定煤岩层定向长钻孔的任 点段、分支孔的封隔 和压裂即将定向长钻孔分为 段实施独立压裂可 有效封隔非目标层段钻孔、降低非必要地层滤失 优选 / 型压裂泵最高压力 、排量 . / 、/ 压裂泵组最高压力 . 、排量 . / 等高压力、大排量的 井下水力压裂泵组根据压裂实际需要采用双泵或 多泵并联形式以增加泵注排量达到压裂施工要求 孔内水力压裂工具组合配备大排量、高压力压裂泵 组构成了井下定向长钻孔水力压裂成套装备实现 了煤矿井下水力压裂由传统的常规点式压裂向区域 压裂的转变解决了井下定向长钻孔水力压裂与泵 注能力不匹配及整体压裂不均衡问题 孔内压裂工具组合与施工工艺 . 压裂工具组成与封隔技术 定向长钻孔水力压裂孔内工具组合由引鞋、单 流阀、封隔器、压差滑套、投球滑套、油管、反洗孔口 等部件组成其中封隔器为核心部件单个封隔器 长度 、最大扩张系数 .泵注压力大于 . 时即开始膨胀适用于裸眼钻孔快速封孔与 分段压裂 封隔器主要由胶筒、锁紧机构、密封原 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 件、中心管、浮动头等部件组成 座封时封隔器下 入孔内设计位置后通过高压泵从油管内注水打压 液体从中心管进入胶筒内囊腔靠液体压力撑开和 膨胀胶筒使胶筒外表面紧贴孔壁从而实现封隔 停止打压后胶筒内置单流阀可保持封隔器座封状 态 油管内压力解除后剪断上提油管以解封销钉 使内外压力平衡封隔器收缩解封 . 整体/ 分段水力压裂施工工艺 整体水力压裂 定向长钻孔施工完成后利 用钻机将水力压裂工具组合下入孔内下入深度不 小于 选取钻孔轨迹平滑、成孔性较好的孔段 进行座封 座封完成后继续开启高压泵对整个钻 孔进行一次性压裂施工结束解封封隔器退出 工具 分段水力压裂 根据定向长钻孔实钻轨迹 与施工参数设计封隔器座封位置、压裂段数、泵注 压力等确定油管长度、引鞋、单流阀、压差滑套、投 球滑套、封隔器间距和数量及整体连接顺序 利用 钻机输送压裂工具组合至煤岩孔内指定位置水 力压裂顺序为后退式即先压裂孔底段第 段再依 次压裂第 段、第 段图 工具组合输送至设 计位置后开启高压泵注水使多个封隔器同时膨胀 座封第 压裂段由封隔器 和压差滑套控制第 段和第 段通过由小到大逐级投球方式打开投球滑 套实现分段压裂 图 孔内分段压裂工具连接与工艺示意 . 定向长钻孔水力压裂技术模式及适用 条件 结合不同煤岩层定向长钻孔布孔方式研发 出适合于我国不同地质条件的煤矿井下定向长钻孔 水力压裂工艺技术即碎软煤层顶底板梳状孔整 体/ 分段压裂技术、中硬煤层穿层定向长钻孔顺层整 体压裂技术、硬煤层顺层定向长钻孔整体/ 分段水力 压裂技术 . 碎软煤层顶底板梳状孔整体/ 分段压裂技术 工艺技术简介 采用定向钻进技术在距碎 软煤层 .. 的顶底板稳定岩层中施工长 距离主孔并开分支孔进入目标煤层 成孔后下入 水力压裂工具组合进行裸眼快速封隔采用高压力、 大排量水力压裂泵组对钻孔进行整体压裂段 技术工艺如图 所示 在高压水动力条件下煤层顶底板岩 层发生起裂在钻孔与煤层之间产生相互交错的裂 缝体系形成以分支孔为一级裂缝、破裂岩体为二级 裂隙的多级渗流网络通道为瓦斯扩散运移提供 了良好通道实现了碎软煤层远距离区域的瓦斯高 效抽采 图 碎软煤层底板梳状孔分段压裂技术示意 . 适用条件 煤层顶底板岩层成孔性好主 孔层位以砂岩和泥质砂岩为主煤层松软煤的坚 固性系数 .、破碎、成孔性差地质构造复杂程 度属简单中等类型 应用目的 主要用于碎软低渗高瓦斯、煤与 瓦斯突出煤层的区域瓦斯超前预抽实现煤巷条带、 回采工作面或区段以及石门揭煤等区域的煤层增透 和瓦斯高效预抽 . 中硬煤层穿层定向孔顺煤层整体压裂技术 工艺技术简介 煤层硬度适宜施工顺层定 向长钻孔需满足水力压裂施工的有效封孔深度和 封孔质量 在煤层顶底板岩层或钻场开孔施工 穿层定向钻孔钻孔见煤后顺层钻进 成孔后在岩 孔段内下入压裂工具组合实现岩孔段的快速封隔 采用高压泵向煤层段长钻孔注入高压水对煤层进 行整体压裂随压裂液持续注入煤层原有裂缝不断 延伸和扩展并产生新裂缝形成丰富的裂隙网络技 术工艺如图 所示 图 中硬煤层穿层定向长钻孔整体压裂示意 . 适用条件 煤的坚固性系数满足 . .能够施工顺层定向长钻孔地质构造复杂程度 属简单中等类型 应用目的 实现煤层透气性的区域性整体 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 陈冬冬等井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践 年第 期 提升提高煤层瓦斯抽采效率增加钻孔有效抽采半 径降低抽采工程投入减少瓦斯抽采达标时间缓 解采掘接续紧张局面取消或减少突出煤层顶底 板岩巷数量 . 硬煤层顺层定向长钻孔整体/ 分段水力压裂技术 工艺技术简介 在硬煤层中施工定向长钻 孔成孔后下入水力压裂工具组合实施裸眼定点、 快速封隔采用高压泵实施顺层定向长钻孔整体 压裂段 技术工艺如图 所示压裂范围均匀可控改造煤 层原有裂隙系统提高煤层透气性 图 硬煤顺层定向长钻孔分段压裂示意 . 适用条件 具有一定的厚度且相对稳定的煤 层煤体结构较为完整.能够有效保证孔内压裂 工具的封隔质量煤层抽采难易程度属于较难抽采 可以抽采地质构造复杂程度属简单中等类型 应用目的 实现低透气性硬煤层的煤巷条 带、回采工作面或区段、以及石门揭煤等煤层区域增 透和瓦斯高效预抽 不同技术模式工程实践 . 韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔分段水力压裂 韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东缘主采二叠系 下统山西组 号煤层矿区瓦斯灾害严重 号煤 层透气性差钻孔瓦斯初始体积分数最大达 以 上很快衰减到 煤层瓦斯含量高 / 以上、压力大. 煤体松软 为 . .顺煤层钻孔一般施工深度为 局部仅 常规措施难以实现大区域瓦斯高效抽 采 试验地点选取桑树坪二号井 工作面 号 煤层平均厚度 . 煤层伪顶为泥岩厚度 . . 直接顶为灰黑色粉砂岩厚度 .. 较 致密坚硬具备定向长钻孔施工条件 钻孔开孔点 位于 号煤层由煤层进入直接顶稳定岩层采用前 进式开分支工艺施工主孔长度 、 个分支孔 累计进尺 主孔至煤层距离最大达 . 采用分段水力压裂工艺完成 段压裂施工封隔器 最大入孔深度 . 累计压裂液用量 、最大泵注压力 . 钻孔布置与分段压裂 如图 所示 压裂后实测水力压裂影响半径最大 达 . 抽采体积分数为 . .平均 .钻孔瓦斯抽采纯量为. . / 平均 . / 是该煤层常规钻孔的 . 倍 图 号煤层顶板梳状孔布置与分段压裂 . . . 黄陵矿区中硬煤层定向长钻孔水力压裂技术 黄陵矿区地处华北板块鄂尔多斯盆地陕北斜坡 带庆阳单斜东南角属煤油气共生矿区矿区主采延 安组 号煤层平均厚度 . 煤类为弱黏煤 地质类型属简单型煤层瓦斯分布不均衡最大达 . / 煤层透气性系数为 . / 为. . 试验点选取黄陵 号煤矿 工 作面 为防止常规水力压裂钻孔“钢管水泥砂岩”封 孔工艺对工作面安全回采所带来的风险和隐患提 出压裂钻孔“先入顶板后进煤层”的定向长钻孔布 置方式和可重复使用、定点封隔整体水力压裂工艺 从煤层巷道开孔进入煤层顶板并控制钻孔轨迹在 号煤层顶板岩层延深深度 随后进入 号 煤层顺层钻进 水力压裂工具位于顶板岩层中以 保证良好的封隔效果 共施工 个定向长钻孔 图 主孔深度 钻孔孔径 压 裂段煤层段长度 钻孔累计压裂液用 量 . 、最大泵注压力 实施水力压 裂后平均钻孔瓦斯抽采量 .. / 是 未压裂钻孔的 倍钻孔瓦斯抽采体积分数为. .实测水力压裂影响半径最小为 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 定向钻孔实钻轨迹与封隔位置 . . 焦作矿区硬厚煤层顺层深孔水力压裂技术 选择焦作赵固二矿该矿井为煤与瓦斯突出矿 井主采煤层为二叠系下统山西组二煤层属 号 优质无烟煤二煤层厚度为 .. 平均厚度 . 煤层瓦斯含量为 .. / 煤的坚 固性系数为 ..适宜施工定向长钻孔 但二 煤层透气性差、钻孔有效影响半径小导致抽采钻孔 工程量大、抽采效果不理想需采取煤层增透措施以 强化瓦斯抽采 压裂钻孔由 工作面回风巷开 孔穿过回采面向运输巷掘进区域施工对 工 作面运输巷掘进区域的二煤层实施超前压裂增透 与瓦斯预抽 施工钻孔主孔长度. 孔径 设计有效压裂段为 段长 采用顺煤层定向长钻孔整体水力压裂工艺裸眼封 隔器封隔方式累计下入压裂工具组合. 封隔 压裂段为 共下入 个封隔器分别位于孔深 .、.、. 处图 图 钻孔实钻与坐封位置 . 压裂段累计压裂液用量 最大泵注压力 . 施工过程中孔口不漏水表明封孔质量较 好能够满足水力压裂施工要求 压裂后实测水力压 裂影响半径达 钻孔瓦斯抽采量为 .. / 平均. / 是常规瓦斯抽采钻孔的. 倍 结 论 研发出快速、定点、分段与可重复利用的水力 压裂孔内工具组合其将定向长钻孔分为多段实施独 立压裂与配备的大排量、高压力压裂泵组构成了井 下定向长钻孔水力压裂成套装备实现了煤矿井下水 力压裂由传统的常规点式压裂向区域压裂的转变 形成井下定向长钻孔碎软煤层顶底板梳 状孔整体/ 分段压裂、中硬煤穿层定向孔顺煤层整体 压裂以及硬煤顺层定向长钻孔整体/ 分段水力压裂 煤层增透技术体系 在韩城矿区、黄陵矿区和焦作 矿区进行了现场实践韩城矿区碎软煤层实施了 顶板梳状孔主孔长度 、分 段压裂施工最 大封隔深度. 压裂半径达. 钻孔瓦斯 抽采量是常规钻孔的 . 倍黄陵矿区中硬煤层 实施了“先入顶板后进煤层”的定向长钻孔整体水 力压裂技术压裂钻孔瓦斯抽采量是未压裂的 倍 压裂影响半径最小为 焦作赵固二矿实施了 硬煤顺层定向长钻孔水力压裂主孔深度 封 隔深度 . 、压裂段长 水力压裂影响半 径 钻孔瓦斯抽采量是常规抽采钻孔的 . 倍 定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系为 不同煤储层条件下煤层瓦斯的“区域超前高效抽 采”提供了有效技术支撑特别是对碎软煤层可在 煤层顶、底板稳定岩层成孔并实施压裂突破了碎软 煤层大区域瓦斯预抽的技术瓶颈 参考文献 袁亮林柏泉杨威.我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究 进展及发展方向.煤炭科学技术. . . . 刘 毅张 禹.我国煤矿瓦斯防治与抽采利用技术进展. 煤炭科学技术. . / . . 张有狮.煤矿井下水力压裂技术研究进展及展望.煤矿安 全. . . . 徐幼平林柏泉翟 成等.定向水力压裂裂隙扩展动态特征 分析及其应用.中国安全科学学报. . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 陈冬冬等井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践 年第 期 . . 张 帆马 耕刘 晓等.泵注排量对煤储层水力压裂影响 的试验研究.煤矿安全. . . . 翟成李贤忠李全贵.煤层脉动水力压裂卸压增透技术研 究与应用.煤炭学报. . . . 袁 亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考.煤炭学报 . . . . 煤安监技装 号.防治煤与瓦斯突出细则. 姚宁平张杰李乔乔.煤矿井下近水平定向钻技术研究与 应用.煤炭科学技术. . . . 石智军李泉新姚 克.煤矿井下 水平定向钻进技术 与装备.煤炭科学技术. . . . 王耀锋何学秋王恩元等.水力化煤层增透技术研究进展及 发展趋势.煤炭学报. . . . 孙四清张 群闫志铭等.碎软低渗高突煤层井下长钻孔整 体水力压裂增透工程实践.煤炭学报. . . . 李国栋郑凯歌陈冬冬.赵固二矿本煤层定向长钻孔水力压 裂增透技术研究.煤炭工程. . . . . 王建利陈冬冬贾秉义.韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力 压裂瓦斯抽采工程实践.煤田地质与勘探 . . . . 郑凯歌.碎软低透煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技 术研究.采矿与安全工程学报. . . . 祝一搏.多孔介质孔隙结构特征及其输运属性分析.焦 作河南理工大学. 王登科于 充魏建平等.基于 方法的裂隙煤岩应力 应变过程中渗流特性研究.岩石力学与工程学报 . . . . 李 永林柏泉杨 凯等.注热蒸汽后的煤体微观孔裂隙演 化规律.煤炭科学技术. . . . 付江伟田坤云王公忠等.井下“双高”专用压裂泵组研制 与应用.煤炭工程. . . . 吴信波王 谦张 俊.彬长矿区煤层气井水力压裂效果影 响因素分析.非常规油气. . . . 史晓勇.韩城矿区松软突出煤层瓦斯抽采技术研究.煤炭 工程. . . . 陈冬冬.煤油气共生矿井围岩气多因素耦合区域预测技术以 鄂尔多斯盆地黄陵矿区为例.煤田地质与勘探 . . . . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et