定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研究

针对寺河煤矿二号井15#煤层坚硬顶板难以垮落,易造成大面积悬顶致灾等问题,该文介绍了以往矿上采用的两巷深孔爆破技术治理K2石灰岩顶板的弊端,并指出其与定向水力压裂技术的区别,通过围岩地质力学测试,提出了坚硬顶板定向水力压裂弱化新技术的合理参数,并在151305工作面进行了工程实践。实践结果表明:水力压裂裂缝的扩展半径约为20~25m,顶板依次分层垮落,取得了明显的效果。     

含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形态及影响要素

随着煤矿开采深度向千米级发展以及大采高特大采高技术的研发应用,大空间远场坚硬顶板问题突出,其结构失稳显著影响工作面矿压以及工作面临空侧巷道变形。地面钻井水力压裂是治理远场坚硬顶板的防治措施之一,但是水压裂缝形貌受地应力控制、形态单一,难以达到顶板“横切纵断”目标,限制了其弱化远场坚硬顶板的效能。因此,基于试验和理论分析开展了含径向水力割缝钻孔导向压裂形成“横切纵断”裂缝的研究,揭示了水力压裂裂缝和导向裂缝的竞争扩展规律,建立了基于Iwrin等效模型的割缝导向起裂扩展模型、钻孔裸眼起裂扩展模型以及钻孔割缝压裂裂缝起裂模式判定准则,探究了塑性区临界特征长度、割缝半径、钻孔半径、埋深对于裂缝起裂模式的影响。研究结果表明：含径向水力割缝钻孔导向压裂存在3种裂缝形貌：“横切”型单一主裂缝、“纵断”型单一主裂缝、“横切纵断”复合型裂缝网络;割缝塑性区特征长度和钻孔塑性区特征长度与流体压力均呈正相关关系,形成“横切纵断”复合型裂缝网络对应的塑性区临界特征长度随割缝半径的增大而增大,但是随钻孔半径的增大而减小;储层埋深对含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形貌存在显著影响,随着埋深增加,裂缝形貌逐渐由“横切...     

深井高应力砂岩压裂裂缝扩展规律研究

针对深井高应力条件下,煤矿顶板坚硬难以垮落带来的冲击灾害问题,提出高应力条件下压裂方案并进行试验研究,采用大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置进行水力压裂物理模拟试验,研究不同注液速率、不同黏度压裂液介质对裂缝起裂扩展规律的影响.结果表明:注液速率的提升可以明显缩短高应力条件下砂岩的起裂时间;注液速率的改变对高应力条件下砂岩的起裂压力影响不明显;压裂液黏度的增加对裂缝宽度具有一定的影响;通过对注液速率和压裂液黏度的合理调控,在一定的试验条件范围内可实现对砂岩起裂压力和起裂时间的预测;高地应力条件是影响裂缝发育的主要因素,由于高水平地应力差的存在,裂缝基本不会发生偏转,形成一条垂直于最小主应力的主裂缝.研究结果对深井高应力致裂顶板具有一定的参考价值.     

定向水力压裂弱化坚硬顶板技术研究

晋煤集团寺河矿二号井15#煤层坚硬K2灰岩顶板难以垮落,易造成回风巷上隅角悬顶面积过大引起瓦斯超限安全隐患。为解决上述问题,以151305工作面为试验对象,通过地质围岩测试等技术手段确定了定向水力压裂试验方案。     

定向水力压裂技术弱化坚硬顶板效果分析

凤凰山矿XV5302综采工作面直接顶为K2石灰岩,其厚度达8 m,属于坚硬难垮顶板。为了保障工作面初采期间,采空区顶板能够呈现分层分次垮落,避免顶板大面积垮落对工作面设备造成损坏及对人员造成伤害。在切眼安装设备前,在切眼内回采帮向推进方向进行顶板打钻,采用定向水力压裂技术对工作面坚硬难垮顶板进行定向压裂,来削弱顶板强度和整体稳定性。并在初采期间,在工作面内安装矿压监测仪器来监测顶板的压力状况,通过监测的顶板压力曲线分析定向水力压裂技术的应用效果。     

坚硬顶板定向水力压裂技术的应用

针对某矿31305工作面存在一层厚度大且坚硬的顶板,易诱发工作面动载矿压灾害的问题,提出了定向水力压裂弱化顶板技术.根据现场实际条件选择了压裂层位,设计了钻孔长度、间距等关键参数,提出了分段压裂的施工工艺.通过对压裂前后31305工作面现场矿压特征进行分析,压裂后工作面来压步距降低了24.9％,来压持续距离降低了17....     

坚硬顶板孔内磨砂射流轴向切缝及压裂试验研究

为了提高坚硬顶板的预裂卸压效果,开发了孔内磨砂射流轴线切顶压裂防冲新技术,即施工完顶板钻孔后,在预设位置操作钻杆匀速前进/后退,同时,采用磨砂射流系统对钻孔孔壁进行定向切割,使孔壁形成一定深度的轴线裂缝,再采用封隔器封孔后压裂,在高压水的作用下,人造裂缝沿着预设方向定向扩展,从而达到精准切顶卸压的目的。现场切缝试验表明,在射流压力为50 MPa,切缝速度为0.1 m/min的条件下,孔内切缝半径可达300～500 mm。通过切缝后压裂试验表明,预制裂缝具有较好的导向作用,裂缝扩展主要沿着预制裂缝深度方向,试验泵压为40 MPa,压裂时间为20 min,裂缝扩展距离可达22 m以上。该技术可提高水力压裂裂缝方向的可控性,使裂缝沿着最佳切顶方向扩展,从而提高卸压效果。     

凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究

针对超前深孔预裂爆破弱化方式处理煤矿坚硬难垮顶板存在的问题,采用定向水力压裂技术在凤凰山煤矿XV4306和XV5302两个工作面进行井下试验。根据现场围岩地质力学特征,确定工作面两次压裂方案;通过现场施工,优化施工工艺;工作面回采后通过监测支架受力,得出预压裂工作面顶板初次来压步距在26~27m之间,水力压裂控制顶板效果良好,为该技术的推广应用提供了依据。     

坚硬顶板定向水力压裂技术在王台铺煤矿的应用

王台铺煤矿XV#煤顶板属于坚硬难垮顶板,由于条件限制和存在问题不宜采用传统的超前深孔预裂爆破弱化方式处理顶板问题,采用定向水力压裂技术在井下工作面进行现场试验,通过现场围岩地质力学特征测试确定定向水力压裂方案。工作面回采后通过监测支架受力,得出预压裂工作面顶板初次来压步距在26~27 m之间,水力压裂控制顶板效果良好,并且克服了深孔预裂爆破中存在的不足,为该技术的推广应用提供了依据。     

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。     

定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律

为研究水力压裂的机理和评价压裂效果,采用空心包体应变计,对水力压裂前后钻孔附近煤层应力的变化,及水力压裂实施后,随着工作面推进,前方煤层应力的变化进行了监测。通过分析监测数据,得到以下应力演化规律与结论：① 水力压裂前后,在压裂钻孔附近煤层中的主应力增量值、倾角和方位角均会出现突变。突变程度与至压裂孔的距离、水压、裂缝扩展方式及煤层力学性质等多种因素有关;压裂后主应力增量得到恢复,但比压裂前均有所降低,水力压裂可改变煤层的应力状态。②顶板压裂后,再受到工作面采动影响,煤层垂直应力增加,水平应力有降低的趋势,但采动引起的主应力增量变化幅度远小于压裂引起的变化,而且采动对主应力增量的倾角和方位角的影响不大;水力压裂可使顶板来压强度降低,工作面超前支承压力的影响减弱。③ 晋城王台铺煤矿坚硬顶板综采工作面进行水力压裂后,顶板的整体性和强度得到弱化,工作面采动影响减弱,顶板能够紧随工作面推进及时垮落,说明水力压裂效果良好。     

煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔水力压裂矿震防治技术研究

针对东滩矿工作面采掘期间易造成煤层巨厚砂岩顶板应力失稳产生矿震等灾害现象,以63上03工作面巷道及上覆岩层为施工区域,通过岩性分析、关键层判断及现场实际综合比较,确定关键层位施工顶板定向长钻孔,并进行水力压裂,为东滩矿煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔分段水力压裂矿震防治提供技术支撑。结果表明：选定二叠系山西组上段中砂岩层（30.9 m）、侏罗系三台组下段细砂岩层（163.70 m）为钻孔施工关键层位;完成4个顶板定向长钻孔钻探施工,形成了顶板连续滑动钻进工艺,单孔孔深为519~800 m,总进尺2517 m;通过4个钻孔的分段压裂工程施工形成了东滩矿煤层顶板双封单卡后退式分段压裂工艺,分段压裂施工累计25段,总注水量1286 m3,施工压力17.1～32.8 MPa,压力曲线明显反映了破裂点,最大压力降超过10 MPa;水力压裂施工大幅度降低了震级大于2 级和1~2级微震事件的发生频次,同时压裂后工作面支架循环末阻力平均值降低了1.2 MPa,周期来压步距降低了7.3 m,起到了治理矿震的效果。     

定向长钻孔水力压裂增渗技术预抽煤巷条带瓦斯的应用研究

为提高低渗、高瓦斯突出煤层煤巷条带瓦斯抽采效率,实现低渗、突出煤层煤巷条带瓦斯的快速有效治理,在2130煤矿4号煤层24223运输巷开展了井下定向长钻孔水力压裂增渗技术试验研究。试验结果表明,试验区内4号煤层水力压裂影响半径为30 m,煤层透气性提高了4.59倍,缩短了瓦斯抽采时间,提高了瓦斯抽采效果。     

超临界CO_2致裂页岩实验研究

超临界CO_2压裂技术作为一项环保的无水压裂开采技术,在页岩油气的商业开采中,越来越受到重视;但目前关于页岩气超临界CO_2压裂的裂纹扩展和延伸机理的认识还不够深入。采用实验室自主研制的超临界CO_2致裂增渗实验装置,对页岩进行了超临界CO_2压裂实验研究,结合声发射监测技术、CT扫描技术分析了压裂过程中的裂纹扩展规律,以及对压裂前后的渗透率进行比较,得到如下结论:页岩的裂纹扩展可以分为容腔充填区段、孔隙压力累积区段、压裂破坏区段等3个区段,在达到起裂压力点时声发射信号最为强烈,超临界CO_2在压裂页岩过程存在相态的变化;压裂后页岩渗透率可提高3~4个数量级,压裂增渗效果显著;CT图像显示裂纹延伸方向整体上与最大主应力方向趋于一致,最先在井壁弱面处发生起裂,超临界CO_2压裂能够形成复杂裂隙网络。研究结果可为页岩气储层超临界CO_2压裂施工参数的选择提供依据。     

分段水力压裂技术提高煤层块煤率的试验研究

为了解决陕北侏罗纪厚硬煤层综采能耗大、块煤率低的问题,采用水力压裂造缝技术提高煤层开采的块煤率、降低煤尘。以陕北某国有煤矿为例,在矿区回采工作面进行水力压裂试验及分析,并对试验段和非试验段的块煤率、煤层截割比能耗、含水率和工作面粉尘浓度进行现场统计,得出:水力压裂技术在煤层中的起裂压力、时间及扩散半径等参数。通过回采试验区和非试验区的对比,得出采用水力致裂煤层后,采煤块煤率、工作面粉尘浓度具体的改善程度。研究表明,对煤层进行超前水压预裂,具有清洁高效、提高块煤率及降低煤尘等优点,采用分段水力压裂技术可大幅度提高单孔的造缝率,具有很好的推广价值。     

碎软煤层底板梳状孔分段压裂抽采瓦斯技术

为提高煤层的瓦斯抽采效果,以阳泉矿区15#碎软煤层为研究对象,对煤层及其底板岩层特征进行分析,融合煤层底板梳状长钻孔和分段水力压裂技术,形成针对各个梳状分支孔的分段压裂方式,并理论分析了该方式水力压裂裂缝扩展延伸规律。试验研究了满足分段压裂技术要求的梳状长钻孔设计与施工工艺,构建了基于裸眼封隔器+滑套投球分段压裂工具组合的压裂参数设计和压裂施工工艺流程,最终形成梳状长钻孔主孔长度534 m,分支孔5个,主孔下入分段压裂工具串490 m,实现了4个分支孔分段压裂,单段最大注水量611 m³,最大泵注压力17.18 MPa;与常规的穿层钻孔瓦斯抽采技术对比,试验后瓦斯抽采浓度提高了10.53倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.02倍。     

煤层顶板裂隙高位定向长钻孔安全高效抽采技术的研究与应用

放顶煤开采期间,上覆岩层受到矿压的影响,形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带,工作面采空区遗煤和围岩涌出的大量瓦斯飘浮在上方裂隙带区域,造成瓦斯聚集并向外涌出,形成了安全隐患,因此必须将该区域瓦斯抽出来;以往治理采空区瓦斯主要采用顶板裂隙高位钻场、顶板高抽巷等措施,但是这2种方法施工成本较高,且施工周期长,对生产接替影响较大。煤层顶板裂隙高位定向长钻孔安全高效抽采采用大功率钻机+定向钻进技术,在裂隙带施工控制整个回采范围的长钻孔,减少采空区和邻近层瓦斯向工作面空间的流动,真正实现了“以孔代巷”,既节省了成本,又缩短了工期,还提高了采空区瓦斯抽采的连续性、稳定性,减少了采空区瓦斯向外涌出,提升了瓦斯抽采效果,促进了煤矿安全高效发展。