定向长钻孔分段水力压裂煤层增透技术体系与工程实践.pdf
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1、收稿日期:2022 03 06基金项目:国家自然科学青年基金(52104222)作者简介:杨明建(1983-),男,河北唐山人,工程师,从事煤矿瓦斯抽采工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.003定向长钻孔分段水力压裂煤层增透技术体系与工程实践杨明建(山西潞安矿业(集团)余吾煤业有限公司,山西 长治 046100)摘 要: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
2、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 m3,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 m3,钻孔抽采在3 个月内平均月瓦斯含量下降 0.23 m3/t.关键词:定向长钻孔;水力压裂;煤层增透;瓦斯抽采中图分类号:TD324 文献标识码:A 文
3、章编号:1005 2798(2023)09 0010 04Technology System and Engineering Practice of Increasing Permeability of Coal Seam by Hydraulic Fracturing with Long Directional BoreholeYANG Mingjian(Yuwu Mining Co.,Ltd.of Shanxi Luan Mining(Group),Changzhi 046100,China)Abstract:Aimd at the present situation that the l
4、ow permeability of coal seam restricts the safe production in our country and the prob-lems of insufficient pumping capacity and unbalanced fracturing that the traditional hydraulic fracturing is facing,the matching device of subsection hydraulic fracturing is developed,the process and technology of
5、 subsection hydraulic fracturing in long directional borehole are put forward,which shows that the hydraulic fracturing in downhole has changed from traditional point fracturing to regional fractu-ring.In view of the characteristics of different coal seams,a new hydraulic fracturing technology model
6、 based on the hard coal seam and a new hydraulic fracturing model based on the branch hole of the long directional borehole in soft coal seam are put forward,field tests were carried out in Yuhua Coal Mine and Yuwu Coal Mine.The effective fracturing lengths of two directional long boreholes in Yuhua
7、 Coal Mine are 275 m and 257 m respectively,and the accumulative water injection is 15.67 m3.The concentration and purity of gas ex-traction are increased by 34.32%and 26.32%respectively compared with that before fracturing.In order to pre-draw before mining in Yuwu Coal Mine to increase coal seam p
8、ermeability,a 355 m long directional drilling hole was drilled and seven branch holes were opened,and the total fracturing water injection was 35.4 m3,the monthly average gas content in the borehole drainage decreased by 0.23 m3/t in 3 months.Key words:directional long drilling;hydraulic fracturing;
9、coal seam permeability enhancement;gas extraction 煤层瓦斯抽采作为煤矿瓦斯事故的有效防治措施,其较大程度上受制于煤层的透气性。目前,我国煤层的低透气性是造成瓦斯抽采效率低、难度大的主要原因1-2。近些年来,煤矿井下水力压裂技术得到较大发展,成为解决低透气性煤层的有效手段3。张玉旗等4通过数值模拟,研究水力压裂全过程中穿煤层钻孔的应力状态,得出穿煤层钻孔在采用水力压裂试试验验研研究究 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月中定向裂缝扩张规律。张国华5分析了煤分层中钻孔、分层层面钻孔及穿层钻孔水力
10、压裂的起裂机理,编制了钻孔起裂、弱面扩展延伸和次级弱面起裂的数值计算程序,并提出了本煤层瓦斯抽放集中水力压裂综合设计的设想。但是传统的水力压裂需要很大的液体压力和流量,才能达到破裂煤体的目的,因此对钻孔及封孔的工艺技术要求,目前的技术缺陷使得煤层封孔效率很低,经常出现高压水冲出钻孔这一问题。因此,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,针对矿井常用的瓦斯抽采钻孔孔径以及巷道有限作业空间开发了井下定向长钻孔分段水力压裂技术6。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
11、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。张帆7利用 RFPA2D-Flow 软件模拟了多种参数对突出煤层顶板分段压裂裂缝网络结构的影响,揭示了突出煤层顶板分段压裂增透机理。李偲8进行了煤体瓦斯多尺度流动数学模型进行水力压裂增透影响范围数值模拟,并就井下分段水力压裂技术工艺进行了系统性阐述。汪子凡9通过有限元模拟软件对不同注液速率、水平应力差和裂缝间距等因素对分段水力裂缝扩展延伸的影响进行了分析,并进行了模糊评价,探讨了单个因素作用的重要程度。实践证明,定向长钻孔分段水力压裂技术对低渗透率碎软煤层有着良好的卸压增透效果,可以有效提高煤层透气性,增加瓦斯抽采效率
12、10-12。1 定向长钻孔分段水力压裂技术模式煤层定向长钻孔分段水力压裂增透技术改造的基本思路是深入分析试验区域煤、岩层的赋存特征,优选压裂钻孔施工层位。利用成套钻探装备和成熟的钻进技术施工岩层定向长钻孔,并精确控制钻孔轨迹。依据钻孔施工参数、钻孔轨迹、钻孔遇岩性特征,确定压裂段数、压裂位置、水压等施工参数,利用后退拖动式逐段实施水力压裂作业,实现对低透气性煤层的增透改造效果。定向长钻孔分段水力压裂技术可适应性强,结合不同煤(岩)层定向长钻孔布孔方式,形成适合于不同地质条件的煤矿井下定向长钻孔水力压裂工艺技术模式。1.1 坚硬煤层定向长钻孔分段水力压裂在硬煤层中施工定向长钻孔,成孔后,下入水力
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