[01735934]煤矿井下割缝复合水力压裂增透技术及应用

1.任务来源 （1）国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发子课题《低透气性煤层增产技术与装备示范》,项目编号：2011ZX05065-003。 （2）国家自然科学基金资助项目《高压水射流提高松软煤层裂隙率和煤层长钻孔成孔的机理》,项目编号：50604019。 （3）教育部新世纪优秀人才支持计划项目《多相振荡射流在低透气性煤层抽采瓦斯的应用基础研究》,项目编号：NCET-06-0767。 （4）重庆市杰出青年基金《高压脉冲水射流提高煤层透气性和强化瓦斯解析机理研究》,项目编号：CSTC,2009BA6047。 2.应用领域和技术原理 （1）应用领域 本项目研究属于能源开发及煤矿安全领域,其方向是煤矿井下煤层气开发及瓦斯灾害防治。 （2）技术原理 煤矿井下割缝复合水力压裂增透技术,即在压裂孔周边合理布置导向钻孔,压裂孔及导向钻孔均采用水射流割缝,使其形成深度缝隙,裂隙的形成能够改变煤层受力分布状态,从而降低起裂压力并导向水压裂缝的起裂及延伸,减小因注水压力过大而引起煤层顶底板破坏。该技术能够控制水压裂缝在煤层中均衡扩展,避免裂缝的无序扩展出现瓦斯抽采“空白带”,同时该方法能够降低压裂区域内有效应力,减缓裂缝的闭合、强化裂缝的导流能力,继而达到有效治理瓦斯、高效抽采煤层气的目的。 3.成果的创造性与先进性 本项目在先期成功开发了水力割缝技术的基础上,通过分析西南矿区地质条件及煤层赋存特征和借鉴油气开发增产技术,成功开发出煤矿井下割缝复合水力压裂增透技术及配套装备。即在压裂孔周边合理布置导向钻孔,压裂孔及导向钻孔均采用水射流割缝,使其形成深度缝隙,改变煤层受力分布状态,从而降低起裂压力,导向水压裂缝的起裂及延伸,减缓裂缝的闭合、强化裂缝的导流能力,继而达到有效治理瓦斯、高效抽采煤层气的目的。围绕割缝复合水力压裂裂缝扩展及增透机理等关键科学问题开展了深入研究,建立了煤矿井下割缝复合水力压裂增透理论,开发出割缝复合水力压裂在煤层中集钻孔、切槽、定向致裂、强化瓦斯解吸为一体的瓦斯抽采关键技术及装备。研究成果较传统瓦斯抽采技术实现了大幅度的跨越,成功应用于石门揭煤、掘进条带、本煤层预抽,有效地解决了国内外矿业界一直致力于研究的松软突出煤层无法进行水力压裂技术难题。这是我国首次在煤矿井下松软突出煤层成功实现系列化多类型割缝复合水力压裂增透抽采煤层气的典范,具有创新性意义,对全国突出矿井煤层气高效抽采起到引领和示范作用。该成果的创造性、先进性主要体现在以下几个方面： ①提出了煤矿井下射流割缝复合水力压裂增透新方法,揭示了射流割缝复合水力压裂导向裂缝扩展机理及瓦斯运移富集规律,建立射流割缝复合水力压裂起裂压力计算模型,为煤矿井下射流割缝复合水力压裂技术的应用提供了理论基础。 ②基于煤层瓦斯含量、含水率、地应力等变化规律和物探手段,建立了煤矿井下射流割缝复合水力压裂增透影响范围与效果评价方法。 ③研发了集流量、压力自动调节装置、气水渣分离装置、封孔装置等为一体的井下射流割缝复合水力压裂的专有技术及配套装置;形成了适用于石门揭煤、掘进条带和本煤层的射流割缝复合水力压裂增透技术。 ④该成果已应用于重庆松藻、恒宇、天府、南桐等矿区下属所有矿井,并在四川、贵州、湖南、江西等部分煤矿区矿井进行推广应用,瓦斯抽采量增加3～5倍,揭煤预抽时间缩短5个月以上,平均月掘进单进提高50%以上,保护层回采单产大幅度提高,社会和经济效益显著。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 （1）技术的成熟程度 已经形成了适用于掘进条带、石门揭煤和本煤层的割缝复合水力压裂增透技术。 （2）推广应用范围 煤与瓦斯突出矿井和按照突出矿井管理的高瓦斯矿井。 （3）推广应用条件 矿井具有一定的煤层气开采及防治煤与瓦斯突出基础条件,具有压裂泵、高压管道、远程监控系统、计算机办公条件等。 5.应用情况及存在的问题 （1）应用情况 煤矿井下割缝复合水力压裂增透技术在重庆松藻、天府、南桐、中梁山矿区成功应用。与传统技术相比,石门揭煤预抽钻孔数量减少27%以上,瓦斯抽采量增加3～5倍,揭煤预抽时间缩短5个月以上,揭煤安全可靠;掘进条带预抽钻孔数量减少40%以上,瓦斯抽采量提高3～5倍,平均月掘进单进提高55%～90%,月最高单进达129m;本煤层预抽钻孔数量减少34%以上,抽采纯量提高2.96～4.2倍,采煤工作面月平均推进速度由26.4m提高至41.5m,最大达到52.5m,回采单产平均提高57%,经济效益和社会效益显著。 研究成果已在重庆其他矿区推广应用,并辐射到四川、云南、贵州、湖南、江西、山西等地。 （2）存在的问题及改进意见 压裂液促进复杂煤层井下水力压裂增透抽采煤层气机理,与低渗油气藏渗流机理相比存在本质区别,油气系统压裂液目的主要用于携砂,而对松软突出煤体,压裂液可改变其本身物理力学性质,对煤层气吸附、解吸等方面具有重要影响。因此,下一步将展开压裂液促进煤体煤层气解吸渗流机理方面的研究。