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深部水力化区域瓦斯治理关键技术研讨会

刘泽功

教授

安徽理工大学
2014 年 7 月 4 日

提 纲
一、国内外技术现状 二、现存重大问题

三、破解思路与对策建议

1

国内外技术现状

/> 一、国内外技术现状
水力压裂技术是在天然气和石油工业一步步发展成熟起来的
,用来增加气井和油井的生产能力。1947年,美国堪萨斯州 Hugoton气田Kelpper1井成功的进行了水力压裂试验,从此以 后拉开了学者们对水力压裂技术的研究。

水力压裂技术在煤层增透方面的增透最早开始于前苏联,马
凯耶夫煤矿安全科学研究院首先提出水力压裂增透理论。

目前,水力压裂技术在美国使用较多,且多为地面压裂井, 取得了一定的研究成果。

一、国内外技术现状
?美国,60多次的水力压裂中,有12次在井下看到它的效果。
? 1、波卡洪达斯三号煤层 在西弗吉尼亚州的这个煤层打了5个φ22.86cm直径的钻孔,其中一个 孔采用水力压裂,压裂前瓦斯量为23.5m3/d,压裂后14个月期间,瓦斯量 达到152.63m3/d的平均值。由于波卡洪达斯三号煤层的透气性很小,即使 进行压裂以后瓦斯量仍不大。 ?2、匹兹堡煤层

在四个地区向这个煤层打了21个垂直钻孔,四个钻孔都用胶状水加沙 子作水力压裂。压裂前,4个孔的瓦斯量在300~192.6m3/d之间,压裂后瓦 斯量上升到0.012~0.0175km3/d之间。在考察期间4个钻孔总共排出瓦斯 1.2Mm3左右。为考察压裂效果,在这个矿打了另外一个182m深的钻孔, 压入27.6m3胶状水及1589kg沙子。在井下生产见到沙子填充的裂隙:沿 主裂缝方向发展的压裂裂缝的宽度是3.2~12.7mm,长度是6.1m,沿此裂 缝方向,它们宽12.7~63.5mm,长10.7m。

一、国内外技术现状
?3、哈山煤层
在阿州豪也煤矿有50个垂直抽放钻孔打进这个煤层,五个钻孔 中有三个出瓦斯,平均瓦斯量在23.22~169.9m3/d之间。一个孔作

了水力压裂,用胶状水作为压裂液,压裂后钻孔瓦斯量最高达
232.2m3/d,平均为62.30m3/d。在37个月期间,共排出瓦斯 0.29Mm3。 ?4、城门三号煤层 犹他州有4个垂直钻孔打进这个煤层,钻孔瓦斯平均在2.83m3 /d 以下,有一个钻孔用胶状水进行加砂压裂,压裂后瓦斯量上升到 36.8m3/d,七个月时间平均瓦斯量为24.07m3/d。在11个月中,4个 钻孔共排出瓦斯0.007Mm3。抽出瓦斯量少是因为煤层瓦斯含量小, 透气性低和地下水的综合缘故。

一、国内外技术现状
我国的水力压裂工作在1950~1960年间开始由抚
顺分院进行过实验研究,实验地点鹤岗、红卫、焦作

、阳泉、抚顺等矿务局,取得一些成绩,尤其是水力
压裂技术应用于高变质无烟煤晋城矿区中增透效果十

分显著。
1970-1980年间,地面垂直钻井压裂方式开发煤层

气的试验在山西、辽宁、湖南、河南、矿务局进行过
试验,增透效果显著。由于地质条件的限制很难大规

模的推广应用。

一、国内外技术现状
我国应用的水力化增透措施

?水力冲孔:底位巷水力冲孔是以岩柱作为安全屏障,在上覆所保护的煤层
中冲出一定量的煤体,形成一个孔径较大的孔洞,其卸压影响半径比常规抽放 钻孔半径要大几倍。

?水力挤出:位于应力集中以外的 卸压带,适用于软煤,通过松动煤体被
水力剂出卸压增透。

?水力割缝:通过高压水射流在煤体中割缝卸压。 ?高压注水:类似于水力压裂,但注水压力和注水量有限,没有开启裂缝
或使裂缝有效延伸、沟通。

?水力压裂:高压水流,从钻孔进入煤层,把煤层中原有的裂缝撑开,继
续压入水流,使煤层中被撑开的裂缝向四周发展。与此同时,在水中加入 筛过的沙子,把它当作支撑剂,送进煤层中被撑开的裂缝里,当压裂结束 ,压裂用水返排后沙子仍然留在煤层中支撑开的裂缝中。水力压裂造成瓦 斯流动的通道从钻孔底部向四周延伸到一百多米远的地方。

一、国内外技术现状

一、国内外技术现状

长壁工作面瓦斯抽采(美国)

一、国内外技术现状

典型的压裂井瓦斯抽采(美国)

一、国内外技术现状

带有压裂井的长壁盘区瓦斯抽采(美国)

一、国内外技术现状

低应力条件下压裂前后透气性变化
700

Reference Permeability, Darcies

20/40 Jordan Sand Economy 20/40 LWC Premium 20/40 LWC

600 500 400 300 200 100 0 0 500 1000 1500 2000 2500
92% improvement

3000

3500

4000

Stress, psi

Stim-Lab PredK 6.57, Feb 2002

一、国内外技术现状

低应力条件下压裂前后透气性变化
1600

Reference Permeability, Darcies

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

60% improvement

Best 16/30 Sand Premium 16/20 LWC

Stress, psi

一、国内外技术现状

圣胡安盆地煤层水力压裂试验
2000 1800 1600 Initial Frac in 1989: Oct 1994 Frac: 304,000 lbs sand 12,000 lb 40/70 + 82,000 lb 12/20 Sand 180

Gas Water

160 May 1999 Frac: 258,000 lb 20/40 LWC 140 120 100 80

Gas Rate, MCFD

1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Jan-90 Jan-91 Jan-92 Jan-93

60 40 20 0
Jan-94 Jan-95 Jan-96 Jan-97 Jan-98 Jan-99 Jan-00 Jan-01

Water Rate, BWPD

一、国内外技术现状
本课题组已在淮南(潘北矿、李嘴孜矿、丁集矿等)、宿
州(金黄庄煤矿)部分矿井开展井下水力压裂实验,已取得一 定的效果。 实验位置分为两大类:底板抽采巷和石门揭煤
层 煤
5-1~5-5 3-1~3-4 2-1~2-4
5-1 3-1 2-1 5-2 3-2 2-2 5-7 3-6 2-5 2-6 5-12 3-10 2-9 5-17 2-10 5-18 2-14 3-13 5-21 2-13 5-22 3-14 5-23 3-15 5-13 3-11 2-11 2-12 5-19 2-15 5-24 5-8 3-7 2-7 2-8 5-14 5-3 3-3 2-3 5-9 3-8 5-15 3-12 5-20 2-4 5-10 5-4 3-4 5-5

5-6~5-10

揭煤巷道

2-5~2-8 5-11~5-15 3-9~3-12 2-9~2-12 5-16~5-20

4.5 3.8

3-5~3-8

5.4

3

3 2.3

5米 3米 2米

2-13~2-16 3-13~3-16 5-21~5-25

3.8

10 .6 7.
2.

5-6 3-5 5-11 3-9 5-16

2-16 3-16 5-25

2
5

5 6 7 4.4

5 6 7

揭煤预测钻孔布置图

一、国内外技术现状
1号

W2706南回风巷 7m 5m 5m 5m 5m 7m
2号 3号 4号 5号 6号 7号

M7煤层 M8煤层

N2631运输巷掘进条带水力压裂
W12号瓦斯巷

460N3石门 460N3石门 380N3抬高石门 380N3抬高石门

N2631工作面压裂孔布置图 N2631工作面压裂孔布置图
2631上巷 2631上巷
380N2抬高石门 380N2抬高石门

380N运输大巷 380N运输大巷 380N3回风上山 380N3回风上山

3 20

3 3 1820

3 18

2631下巷 2631下巷3 10
3 15

3 10

3 15

3 6
8#

3 6

6# 7#

6# 7#

8#

剖面图剖面图

+380N大巷钻场

+380N大巷钻场

一、国内外技术现状
煤层水力压裂的主要作用 ?增加煤层透气 ?改变煤体强度 ?地应力场均衡化

?湿润煤层并使开采过程中降尘
?平衡瓦斯压力场

?抑制瓦斯涌出

一、国内外技术现状
水力压裂前期工作 压裂施工准备 (9.1之前) 压裂前参数考察 (持续至今) 煤的物理力 学参数 f值、ΔP值 等参数 原始煤层抽 采参数 抽采量、抽 采半径等

以淮 南矿业集 团李嘴孜

水 力 压 裂 前 期 工 作

压裂施工巷道注浆加固 水力压裂孔施工与封孔 设备安装与管路铺设

第一次水力压裂

9月1日,压裂1h,水量18.09吨 9月3日,压裂9h,水量202.25吨 9月4日,压裂3h,水量84.06吨

煤矿底抽
巷水力压 裂为例。

水 压

力 裂

第二次水力压裂
第三次水力压裂

水力压裂后效果考察 影响范围考察 瓦斯抽采参数

水 力 压 裂 后 效 果考察

压裂孔周围含水率分布 压裂孔周围瓦斯含量分布 影响区域确定 瓦斯抽 采半径 瓦斯抽 采量 煤层透 气性

一、国内外技术现状

压裂孔西5m地坪底鼓、开裂

压裂孔东15m掉浆皮

压裂孔东20m渗水

32324底板巷顶板侧掉浆皮

一、国内外技术现状
压裂效果:
58°

A22

° :5 -7 FA

A20 m物探范围 Z10 .5 ° 11# H=1 75 10#钻场 ° 75 ∠

9# -530mE2A1底板放水巷(东段)
A18 -520.5

58°

A22

8#

° :5 -7 FA

A20 m物探范围 Z10 .5 ° 11# H=1 75 10#钻场 ° 75 ∠

9# -530mE2A1底板放水巷(东段)
A18 -520.5

58°

A22

8#

° :5 -7 FA

A20 m物探范围 Z10 .5 ° 11# H=1 75 10#钻场 ° 75 ∠

9# -530mE2A1底板放水巷(东段)
A18 -520.5

8#

异常区T
30°方向探测结果

异常区T
45°方向探测结果

异常区T
60°方向探测结果

58°

A22

F

5° 7: A-

A20 m物探范围 Z10 .5 ° 11# H=1 75 10#钻场 ° 75 ∠

9# -530mE2A1底板放水巷(东段)
A18 -520.5

8#

A20 m物探范围 Z10 .5 ° 11# H=1 75 10#钻场 ° 75 ∠ 5° : -7 FA
58°

9# -530mE2A1底板放水巷(东段)
A18 -520.5

A22

58°

A22

8#

-7 FA

:5

°



.5 11# H=1 ° 75

m物探范围 Z10

9# -530mE2A1底板放水巷(东段)
A20 A18 -520.5

° 75 10#钻场

8#

异常区T 异常区Y
30°方向探测结果

异常区T 异常区Y
45°方向探测结果

异常区T 异常区Y
60°方向探测结果

压裂前后瞬变电磁测试结果

一、国内外技术现状
压裂效果:

W2 A11 A9 4#

A13

压裂后煤层含水率

一、国内外技术现状
压裂效果:
100
压裂区域抽采浓度

0.10
未压裂区域抽采浓度 压裂区域单孔抽采纯量 未压裂区域单孔抽采纯量

90

0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00

抽采浓度(%)

80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 抽采时间(天)

单孔抽采流量:第一组钻孔在抽采的前10天效果较好,单孔抽采纯量的峰 值出现在第5天,是原始状态的8.68倍,抽采第10天后为原始状态的2倍,第 10天以后,抽采效果逐渐恢复到原始水平;第二组和第三组抽采钻孔的单孔 抽采流量较稳定,从抽采后1个月时间里,单孔抽采纯量为原始的3~5倍。

抽采纯量(m?/min)

2

现存重大问题

二、现存重大问题
1、煤层顶底板岩性及裂隙发育程度对压裂效果影响较大

以淮南矿业集团丁集矿为例,由于煤层底板

裂隙较发育,3次压裂试验均出现底板漏水较
严重而无法起裂的情况。

同时,压裂前的巷道预注浆堵裂隙工作较复
杂,工作量较大。

二、现存重大问题
2、煤层裂隙如何发展?
试验证明,裂隙容易在煤层与顶底板胶结位置处发育,而不易在

煤层内部发育。

裂隙在煤层与顶底板胶结位置发育

裂隙在煤层内部发育

二、现存重大问题
3、底板岩层砂岩水较丰富时,会造成封孔困难

在试验中发现,如果底板岩层中的砂岩水

较丰富时,可能会出现两种情况:
(1)水流不止;

(2)水虽然在两天内基本流完,但是利用
水泥砂浆封完孔后,水可能会沿着钻孔壁和压

裂管流出。

二、现存重大问题
回风巷掘进条带压裂
21

瓦斯富集带 孔底筛管,壁厚8.5mm,长2.2m,用量1根
M7原始煤层瓦斯含量线

走向N

M7瓦斯含量(m3/t-1)

20 19 18 17 16 15 0

孔内管,壁厚5.5mm,长1.5m

孔口管,壁厚8.5mm,长1.5m,用量5根
倾向E

检2-3

倾向W

W检5

W检4

W检3

W检2

W检1

压1孔

E检1

E检2

E检3

E检4

测压孔

10

20

30

40

50

60

70
S检1 S检2 S检3 S检4

至压1#孔距离(m)

水力压裂完成后一段时间 内,由于煤层瓦斯在高压水驱 遣作用,压裂影响范围线附近 存在一个瓦斯运移富集带。

走向S

瓦斯运移规律图

二、现存重大问题
4、压入多少水量为最佳,以及保水时间等参数为多 少为宜,目前没有可借鉴的数据。 5、在煤质较软的煤层中进行水力压裂时,很难形成 较大的裂纹,而且形成裂纹之后不能很好地保持, 容易因水压消失之后在较短的时间内重新闭合。 6、水力压裂的过程中可能形成应力集中区域,需要 对如何均匀卸压进行进一步的研究。

3

破解思路与对策建议

三、破解思路与对策建议 1、进一步摸清水力压裂增透机理
通过对水力压裂对水力压裂的作用机理的分析, 研究水力压裂的增透作用机理,对压裂进行的过程中

钻孔周围的应力状态进行分析,穿层钻孔进行水力压
裂时的钻孔位置的选择、特定煤层的起裂压力进行分 析; 根据煤体内部原始孔隙结构、水力压裂造缝准则 以及瓦斯运移的一些特征,分析高瓦斯低透气性煤层

水力压裂的增透作用、影响因素及破裂模式

三、破解思路与对策建议 2、对压裂工艺进一步优化
减少巷道注浆堵裂隙环节,以及对裂隙发育顶底板 条件及薄岩柱(法距6-10m,通常为石门揭煤)条件 下的水力压裂需要进一步的优化。

3、水中混砂及陶瓷条件下的压裂
进一步研究在压裂水(或压裂液)中加入砂及陶瓷 条件下的水力压裂研究工作,研究这一过程中的介质 输送机理及致裂机理。并掌握压裂后对煤层透气性及

瓦斯抽采效果的影响情况。

三、破解思路与对策建议
4、改进适用于井下水力压裂的装备

三、破解思路与对策建议 5、井下水力压裂工艺研究
砂浆封孔工艺优化、器械式封孔器的研发

6、压裂效果考察评价体系
有效考察指标、考察孔布置的时空关系

7、压裂后不同抽采技术研究
进一步不同倾角煤层、不同压裂工艺煤层的 抽采技术

敬请诸位专家指教

谢 谢!

深部水力化区域瓦斯治理关键技术研讨会

水力压裂技术现状、存在 问题及发展方向
汇报人:郭启文 教授级高工
河南省煤层气开发利用有限公司

提 纲
一、国内外技术现状 二、现存重大问题

三、破解思路与对策建议

1

国内外技术现状

一、国内外技术现状

水力压裂是重要的煤层增透技术,在地面煤层气
大规模开发中起到关键作用,近年来在煤矿瓦斯治 理上崭露头角。 地面压裂通过活性水、胍胶、泡沫甚至清洁水 压裂液等改善煤储层。 目前井下压裂主要通过清洁高压水压裂煤层。

一、国内外技术现状

1、形成了压裂成套技术及装备、取得成果
河南省煤层气公司联合中国矿业大学等科研单 位集成了地面压裂技术、应用煤炭行业新设备,推 动压裂技术取得了突破性发展,并形成了 成套设 备、制定了MT行业标准、申请了一系列相关专利



BYW系列煤矿井下用压裂泵组

1.高压力、大流量 2. 压力、流量多级可调 3. 专用压裂泵驱动器 4.压裂现场影像、声音、煤层变形监测 反馈
2

3

4

压裂泵组参数特征
泵型 柱塞数量(根) BYW50/315J 3

泵组外形尺寸 泵组重量kg
配套液箱容积L 工作介质 电机转速 柱塞直径 柱塞行程

5400×1400×1600 8800
5000 清水 1480rpm 114mm 152mm 进口压力 电机功率 常压 315KW

工作档位
减速比 泵冲次(次/min) 最高压力MPa 流量L/min


21.02 70 52.8 330


15.64 94 39.2 444


11.31 130 28.4 614


8.42 175 21 826


6.16 240 15.4 1128

工艺

煤层顶板抽放巷深孔高压水压裂

配合卸压孔的合理 布置,保证压裂过程卸 压充分、区域均匀压裂, 区域整体消突。

煤层顶底板巷深孔高压水压裂

回采工作面压裂 掘进迎头压裂

申请专利10项,其中实用新型7项,发明专利3项。

一、国内外技术现状

2、形成了完善的施工安全体系
河南省煤层气公司等提出“五位一体”施工安
全体系。

“五位一体” 安全保障技术体系

?区域定向控制压裂

?施工条件等级划分
?压裂施工组织管理 ?多重安全综合防护 ?突发事件应急救援

研究应用了定向长 钻孔钻进技术,结合水 根据矿井的瓦斯等级、 力射孔辅助定向压裂技 压裂作业区域的瓦斯地 术,射孔控制起裂方向 压裂施工成立现场指挥 均匀卸压,实现了钻孔 质条件、煤体结构构造 部,指挥部设在矿调度 导向整体卸压。 、巷道生产条件、设备 提出了“主动自救和外 根据施工目的不同, 室,统一指挥、协调。 使用、监控检测、人员 采用了清水、增效、穿 部救援相结合”的应急 施工设备操作人员须经 配备等情况,对施工区 层等压裂工艺。 救生理念,研究开发了 过专门培训,对压裂孔 域的压裂突出危险性等 防突栅栏 —防突风门— 所在巷道内孔口前后各 级进行划分,制定不同 矿用操作 的压裂施工技术方案。 /指挥车多重防 50米范围内巷道加固。 护技术体系。

制定压裂施工突发事

件应急救援预案

一、国内外技术现状

3、广泛应用、效果良好
河南省煤层气公司、重庆能投公司在压裂技术 施工方面做得较多,河南省煤层气公司首先在河南 省各大矿区(豫东低瓦斯区除外)进行了2000多 次压裂工程试验,积累了大量的经验,对压裂技术

有深层次的理解。

安鹤煤田

焦作煤田

郑州煤田 义马煤田

平顶山煤田

一、国内外技术现状

河南省煤层气公司在省外贵州六枝工矿集团、
水矿集团等进行了大量(100多次)的压裂实践 ; 安徽淮北矿区、河北、山西、内蒙古等地区进行了 工业应用,效果显著,获得广泛认可。

一、国内外技术现状

4、发展趋势-水力压裂为主的水力化综合措施

在煤矿采掘过程中,开采强度加大、开采深度加

深,以瓦斯能量和地应力因素等复合灾害日益严重,
逐渐表现出复杂综合动力灾害,催生了灾害防治手段

的多样化、综合化。

一、国内外技术现状

未进入深部开采

单一发生

冲击 地压

深部开采

复合发生

冲击 地压

一、国内外技术现状

在浅部,冲击地压、煤与瓦斯突出通常单一

发生,相互作用、相互影响不甚显著。
进入深部开采后,动力灾害间的相互作用开 始显现并呈加剧态势,表现出灾害复合发生,发 生机理变得更为复杂,预测防治难度加大。

一、国内外技术现状

煤与瓦斯突出

突出-冲击复合

冲击-突出复合

冲击地压 动力破坏所需总能量

瓦 斯 释 放 能 量

瓦 斯 释 放 能 量

煤 岩 体 释 放 能 量 释 瓦放 斯能 量 助推

煤 岩 体 释 放 能 量

煤释 岩放 体能 量 主体 助推

主体

一、国内外技术现状

? 当瓦斯含量很大、突出煤体很多、破坏持 续时间较长等特征,都属于煤与瓦斯突出, 或突出-冲击复合动力灾害。 ? 当瓦斯含量较少、损坏支柱、破坏时间持 续很短、破坏能量很大、破坏范围很大等特 征,都属于冲击地压或冲击-突出复合动力 灾害。

一、国内外技术现状

在煤矿企业防治瓦斯灾害、冲击地压灾害以及 复杂灾害的过程中,逐渐认识到水力化综合措施的 重要性。 而水力压裂为综合措施中流量最大、压力最高 、范围最广,对各种应力、瓦斯能量的消除、降低 方面,效果最为有效。

一、国内外技术现状 各种水力化措施统计(不完全)
压力/PMa 流量、/L.min-1 总量/m3 范围/m 割缝 30-50 30-50 5-10 2-3

冲孔
挤出

15-25
10-25

100-150
50-80

3-7
15-20

3-5
4-6

压裂 注水

20-40 10-20

500-1000 50-100

30-50 不定

20-30 10-15

一、国内外技术现状

复杂综合

以水力压裂 为主的水力 化综合措施

动力灾害

一、国内外技术现状

我公司在大量的工程实践中,摸索、发展成为有 针对性的水力化综合措施:钻、割、冲、压一体化措 施。

钻 -割 -压

钻 -冲 -压

一体化
煤体f>0.5

一体化
煤体f≤0.5

一、国内外技术现状

在煤体f>0.5区域,煤矿灾害防治强调钻-割-压, 致使瓦斯能量、应力能量消除、减弱,通过切割、压 裂等手段,使煤岩体产生裂缝等形态,单一措施有水 力割缝、水力挤出等。

一、国内外技术现状

在煤体f≤0.5区域,复合动力灾害强调卸压、煤岩 体的相互沟通,煤体通过卸压通道压出,为应力的释 放提供了位移空间,单一技术措施有水力冲孔、高压 泻煤等。

2

现存重大问题

二、现存重大问题

1、工艺改进
分段压裂
多煤层群的分段压裂,近距离的分段压裂, >100m的长钻孔,分段压裂……需要高校、 科研单位、企业联合攻关。

二、现存重大问题

加砂压裂 在煤岩系数>0.7时,考虑加砂压裂,设备 小型化等,适合煤矿企业

缝隙网络

支撑剂-陶粒、 骨料等

二、现存重大问题
伴注压裂
目前普遍在尝试液氮、干冰等的伴注压裂。 理论上支持,技术上指导,政策行业上引 导、规范。避免好技术、新思路,在初期的使 用过程中出现问题……

二、现存重大问题

2 、压裂效果考察
目前井下压裂效果考察,多参照煤矿常规技 术的考察措施,如: A、抽采效果 浓度 流量 有效抽采时间 预抽率 ……

二、现存重大问题
B、防突指标效检

C、区域预抽后 残余瓦斯含量(<8m? /吨) 残余瓦斯压力(<0.74MPa)

二、现存重大问题
目前的压裂效果考察手法、手段单一,在 裂缝延展、压裂范围等上尚需突破, (在压裂效果中,我公司使用SF6<六氟化硫 >来检测压裂裂缝的延伸,有一定的适用性)

二、现存重大问题

3、 压裂设备性能的进一步提升
地面压裂流量一般在5m3/min,目前井下的压 裂绝大多数矿井采用乳化液泵压裂,流量普遍在 0.2-0.4m3/min(两泵一箱),克服煤体对水份的 滤失尚存在困难,根本谈不上压裂,就是煤层注 水,甚至是静压注水,谈何效果?

二、现存重大问题
目前国内具有煤安标志的压裂设备: 河南省煤层气公司 陕西航天宝鸡泵业 压力方面都在40MPa以上(完全满足要求), 流量最大在0.8-1.1m3/min,流量满足小范围的压裂 ,压裂孔间距20m左右,长孔、大范围压裂,需 要2个压裂泵并联,提供大流量的输出。
乳化液泵流量在0.1-0.2m3/min,厂家众多,不 列举。

二、现存重大问题
我们在大量的工程实践中,发现:需要更大 的流量;更加智能的设备,因此,在设备工况 上,需要更新,改进,如在3缸泵体的基础上 ,增大缸体的直径,增大单体泵的流量等。 同时,设备朝着小型化、模块化发展,更 适用煤矿企业。

3

破解思路与对策建议

三、破解思路与对策建议

1、深入理论方面研究
含瓦斯煤岩体,气(瓦斯)固(煤体)液 (水)耦合方面的深入研究。 煤岩体破裂过程,瓦斯气体运移等深入研 究。

三、破解思路与对策建议

2、加强效果考察手段
目前缺少有效、实用的压裂效果考察手段 ,结合新技术、新手段来丰富压裂效果考察手 段,使现场试验效果可视、可见、可验证。

二、破解思路与对策建议
压裂效果考察手法、手段单一,考虑:
微震?声发射AE等等,在下一步的实践中 ,希望能有一定的发挥、应用

三、破解思路与对策建议

3、形成分类压裂技术手段、 MT、AQ 行业技术规范
结合煤层防突分类方法,有针对性的分地区、 分煤种,制定压裂施工技术,在广泛试验、科学总 结、归纳的基础上,征求煤炭生产的相关行业形成 技术规范。 在煤矿行业,我公司于2012年评审了MT行业 标准《煤矿井下压裂设计施工规范》,已在国家标 委会、煤炭分标委 的颁布过程中。

三、破解思路与对策建议

4、加强产学研的协同合作、建立重大专项
在多学科交叉、融合的发展趋势中,加强各方 面的协同合作,知识共享,促进技术的发展。 呼吁国家层面建立 重大科技专项、重点投入 科研力量,加大在人财物方面的保证。

三、破解思路与对策建议

5、政策引导,写入规章制度、法规
政府、安监、煤监等部门引导,推动煤矿 瓦斯防治的水力化措施的发展与应用。 煤矿井下水力压裂技术写入《煤矿安全规 程》、《防治煤与瓦斯突出规定》等规章制度 、法规里面去。

谢谢!

水力化瓦斯治理技术研讨会

脉动水力压裂瓦斯高效抽采技术
汇报人:翟成 Greatzc@126.com 中国矿业大学
2014年7月

汇报提纲
1 2 3 研究背景及现状 主要研究成果

相关知识产权

4

一、研究背景及现状

一、研究背景及现状

? 煤层水力压裂技术的瓶颈与思考
技术难点
?静压注水压裂压力大,高压封孔困难,压裂成功率低; ?设备体积庞大,结构复杂; ?裂隙延伸扩展方向可控性差,不易形成裂隙网络; ?容易造成局部应力集中,煤体卸压不充分。

一、研究背景及现状

? 煤层水力压裂技术的瓶颈与思考
随着采掘深度增加,高瓦斯压力、高地 应力、低渗透性造成煤层水力压裂困难, 如何对煤体进行高效致裂? 脉动水力压裂技术利用周期交变的载荷 引起煤体产生收缩-膨胀-收缩变形,累 积损伤产生疲劳效应,与常规压裂相比, 实现了较小出口泵压下致裂煤体的效果。

存在问题

解决方案

煤层脉动注水技术的目的:利用脉动注 提出课题 水形成的交变水压载荷致裂煤体,提高 煤体致裂效果。

?脉动水力压裂技术

周期交变的载荷→煤体产生收缩-膨 胀-收缩变形→累积损伤→疲劳效应 →致裂→较小出口泵压致裂煤体。

二、主要研究成果

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

煤层的孔隙裂隙系统

圆柱形、圆锥形、平板型和墨水瓶

原煤试样电镜扫描图片

煤体裂隙分布图

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

(1、变频器2、脉动泵3、安全阀、4、压力传感器5、采集器6、计算机7、水箱)

实验系统示意图

裂隙模型尺寸及传感器布置

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

裂隙模型

变频器

脉动泵

脉动压裂注水实验系统

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

30 20 10
P/KPa

2Hz

1

2

3

60 40
P/KPa

4Hz

1

2

3

60 40
P/KPa

6Hz

1

2

3

0 -10 -20 0.0 0.4 T/s 0.8 1.2

20 0 -20 0.0

20 0 -20

0.4 T/s

0.8

1.2

0.0

0.4 T/s

0.8

60 40

8Hz

1

2

3

90 60
P/KPa

10Hz

1.4
1 2 3
???

1.2

P/KPa

20 0 -20 0.0 0.2 T/s 0.4 0.6

30

1.0
0 0.0 0.2 0.4 T/s 0.6

2

4

6 f/hz

8

10

0.8 脉动频率超过 4Hz,各个测点压力峰

值依次升高,在裂隙的尖端,反射压 力波与脉动压力叠加,尖端增大现象

5.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律及水力化钻孔径向瓦斯渗流特性研究

1.2 脉动压力的频率特性
14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 f/hz 30 40 50

2Hz
裂隙内脉动水 在2Hz、4Hz 有较大峰值

28 24 20 16

4Hz
16 12

6Hz

KPa

KPa

12 8 4 0 0 10 20 f/hz 30 40 50

KPa

8 4 0 0 10 20 f/hz 30 40 50

16 12 8

8Hz

10 8 6

10Hz

脉动频率在裂隙内呈现 明显的倍频放大现象, 随着脉动压力频率的提 高,倍频放大的现象也 越为明显。

KPa

KPa
0 10 20 f/hz 30 40 50

4 2 0

4 0

0

10

20
f/hz

30

40

50

脉动峰值压力的频率分布主要集 中在10Hz、20Hz、30Hz、40Hz

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

1.3 复杂孔隙压力波传播特性

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

500 400 300

1#测点(2Hz) 1#测点(8Hz)

1#测点(4Hz) 1#测点(10Hz)

150 120 90 60

2#测点(2Hz) 2#测点(8Hz)

2#测点(4Hz) 2#测点(10Hz)

P/kPa

200 100 0

P/kPa

30 0 -30 -60 0.0

-100 0.0

0.5

1#测点
140 120 100 80 60

1.0 t/s

1.5

2.0

0.5

1.0 t/s

1.5

2.0

2#测点
3#测点(4Hz) 3#测点(10Hz)
140 120 100 80 60

3#测点(2Hz) 3#测点(8Hz)

4#测点(2Hz) 4#测点(8Hz)

4#测点(4Hz) 4#测点(10Hz)

P/kPa

P/kPa

40 20 0 -20 -40 0.0 0.5 1.0 t/s 1.5 2.0

40 20 0 -20 -40 0.0 0.5 1.0 t/s 1.5 2.0

3#测点

4#测点

不同脉动频率下脉动压力的变化曲线

1.脉动压力在煤体裂隙中的传播规律

F
脉动压力水方向

u,Δt

圆柱形、圆锥形、平板型和墨水瓶4种孔隙形态

裂隙尖端处的作用力

控制体及作用力示意图

?P ? ? ? C ?V ?

Ff A

动量平衡方程
-?PA ? Ff ? ? A ?V0 ? ?V ? ? ? AV0 2 ? ? A ? C ? V0 ? ?V
2

二、主要研究成果

2.脉动水力压裂破煤岩机理
2.1煤体产生疲劳损伤的条件
积累发展

煤层脉动注水

需要维持一定时间

承受交变 载荷作用
σ α b
σа σ max

疲劳损伤

出现高应力 (高应变)区域

σ а

0

σ min

σm

t

脉动水压交变载荷

孔隙、裂隙周围应力集中

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 脉动载荷引发煤体产生疲劳损伤
当载荷作用在煤体上时,内部裂纹尖端出现高应力集中,发生位 移变形,裂纹扩展延伸,产生一定的能量消耗,导致不可逆变形 量增加,出现损伤。

损伤力学中,不可逆塑性变形影响的弹塑性材料损伤符合下式: ? ?? ' E ' D ? 1? ? E 脉动注水作用在煤体上的是波形符合正弦规律的循环载荷σ0

? 0 ? Asin ? 2? ft ? ? B ? ? 0 ?t ?
E ' ?t0 ? nT ? ? E ' ?t0 ?

经过一定的循环次数,从t0时刻作用n个周期T后存在如下关系式:

? ' ?t0 ? nT ? ? ? ' ?t0 ?
煤体不可逆变形量增加到一定程度,煤体内部裂隙逐渐沟通贯穿, 损伤量迅速增加,最终发生断裂,形成宏观裂隙。

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 理论研究二

煤层注水渗流-应力场耦合规律

? 煤体(多孔介质)有效应力
脉动载荷形成的裂隙为注水提供了运移通道,改变了煤体 内部渗流场。进入孔隙、裂隙中的孔隙水压力会影响煤体颗粒 间的平衡状态,改变了煤体的应力状态。煤体受到外界应力和 内部应力(孔隙压力)共同作用,其应变决定于煤体颗粒间的 应力,也叫有效应力。
σ σ p p σeff

? ? ? eff ? p
太沙基有效应力原理

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 煤体渗流场-应力场耦合
煤体的渗透率与有效应力存在负指数关系:

K ? K0e

??? eff

煤体的渗流场与应力场存在以下关系:

? ? ? eff ? p 有效应力

渗流场

K ? K0e

??? eff

应力场

煤层注水形成的孔隙水压影响煤体的应力状态,有效应力的 改变又使多孔介质中渗流空间发生变化并直接导致注水过程中水 渗流的改变,煤层注水的渗流-应力场耦合过程可以通过煤体的力 学特征(有效应力)的变化来反映。

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 数值研究一
? 脉动载荷

脉动载荷作用下煤体损伤变形规律

为了真实反映整个脉动注水过程中煤体的力学特性,通过内置Fish 语言对钻孔壁上的脉动载荷进行控制,共分为三段。

Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA FLAC3D 3.00

注水孔

6m

Z

Y X

6m

升压阶段 循环载荷阶段 降压阶段

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 本构模型的选取
研究表明:煤体在循环载荷作用下损伤量累积,弹性模量逐渐降低, 煤岩特性从初期的压实、应变硬化变为软化。选取Flac3D塑性模型组 中的应变软化模型。应变软化模型能够模仿剪切软化以及抗拉软化。
循环变化

应力、位移随时间变化曲线 在一个周期内,随着加载应力的循环变化,位移也出现循环变化趋

势,但是位移变量中的弹性部分会逐渐恢复,而不可逆变形将残留下来。

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 距离煤体不同距离处煤体损伤变形规律

注水孔
1 2 3 4 5
0.1m 0.3m 0.5m 1m 1.5m 2m

6

在升压阶段,监测点位移形变量随注水压力增大呈现线性上升趋势;在 循环载荷阶段,监测点位移形变量随注水压力周期变化呈现周期变化趋势; 在降压阶段,监测点位移形变量随着注水压力减小呈现线性下降趋势,当 注水压力降为0,即完全卸载后,煤体位移形变量不为0,存在一定的不可 逆变形,且距离孔壁越近,不可逆变形量越大。

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 煤层注水应力场-渗流场耦合规律
Effstress(MPa)

注水孔周围煤体 受压应力作用 煤体颗粒间 相互挤压 注水孔周围存在 应力集中区

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9

有效应力值减小 煤体颗粒间相互 挤压作用降低 煤体结构卸压

注水0min
Effstress(MPa)
2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

注水5min
Effstress(MPa)
2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

有效应力为正 孔隙压力大于 外界应力 煤体颗粒间 间距增大 卸压程度增加

卸压区域继续增大

注水30min

注水60min

2.脉动水力压裂破煤岩机理
3.0 2.5 2.0
注水初期 有效应力升高 孔隙压力平稳升高 孔隙压力 有效应力

9

孔隙压力(MPa)

1.5 1.0 0.5 0.0
煤体有效应力波动下降

8

有效应力(MPa)

7

6 0 15 30

-0.5 45 60

K ? K0e

??? eff

注水时间(min)

随着注水时间增加,煤体的孔隙压力呈现非线性上升趋势,注水初期,

孔隙压力变化较快,注水达到一定时间后,孔隙压力增长趋势减缓;随着水 逐渐渗透进入煤体,孔隙压力平衡了一部分外界应力,颗粒间的相互作用变 弱,煤体有效应力逐渐降低。根据渗透率与有效应力的负指数关系式可知: 煤体的渗透率增大,煤体的渗流特征发生变化。

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 注水时间对煤层注水效果的影响

0min

1min

2min

3min

5min

15min

30min

45min

60min

2.脉动水力压裂破煤岩机理

? 脉动注水与常规注水效果对比
研究表明脉动水压在传播过程中存在幅值倍增现象,这里作一个假 设:在相同的出口泵压下,常规注水压力未致裂煤体,而脉动注水水压载 荷引发煤体产生疲劳损伤,致裂煤体,形成了一条注水裂隙。

注水裂隙

常规注水

脉动注水

2.脉动水力压裂破煤岩机理

Frame 001 ? 09 May 2013 ? FLAC3D to Tecplot 10

注水裂隙
0.2

0.5
0.6

1.2 0.6 2 0.2 2 1.2 0.6 0.2 4 3.6

1.5 3.5
0.2

2.5

4.5

4.5 3.5 2.5

1.5

1.5 0.5

PP(MPa): 0.2 0.6 1.2

2

2.8 3.2 3.8 4.2

PP(MPa): 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

常规注水

脉动注水

脉动注水作为对传统煤层注水技术的改进和创新,利用周期变化的脉

动载荷作用于煤体,使煤体产生损伤累积,致裂煤体形成注水裂隙,扩大 注水影响面,均匀湿润煤体;并且能够在较低注水压力下致裂煤体。

3.不同脉动参量条件下致裂特性
? 不同脉动因素对煤体损伤的影响
为了区分对比不同因素,如脉动压力载荷差、幅值、频率带来的 影响,这里采用单因子变量法,通过设置多组对比实验来分析,其中 A组为对照组。
组别
A B C D E 注水压力 /MPa 8-10 4-10 8-10 7.5-9.5 9

载荷差/MPa
2 6 2 2 0

幅值/MPa
10 10 10 9.5 9

频率/Hz
10 10 20 10 0

变量
— 载荷差 频率 幅值 静压

E组注水压力取9MPa,由于脉动压力在注水裂隙中传播存在倍增 现象,因此静压注水幅值小于10MPa。

3.不同脉动参量条件下致裂特性

3.不同脉动参量条件下致裂特性

组别 不可逆变形量(10-6m)

A

B

C 12.3

D 9.96

E 7.61

12

12.7

(1)A-B相比,在脉动载荷上限相同的情况下,载荷差越大,即载荷下限值 越小,煤体不可逆变形量越大。脉动载荷下限值降低,使得煤体变形幅度增 大,在脉动加载过程的后半个周期内,煤体内部裂隙持续扩展,强度逐渐降

低,损伤量逐渐增大; (2)A-C相比,在脉动载荷幅值、载荷差相同的情况下,脉动载荷频率越高, 煤体不可逆变形量也越大。在相同时间内,频率越高,载荷作用次数越多, 损伤量积累也越多; (3)A-D相比,脉动幅值对煤体损伤量的影响很明显,幅值越大,煤体不可 逆变形量也越大,在较高的载荷作用下煤体位移形变量也越大; (4)A-E相比,由于脉动压力在裂隙中传播存在反射叠加效应,出现了幅值 倍增的现象,对于相同出口泵压,脉动载荷引起的煤体损伤量要远大于恒定 载荷;

3.不同脉动参量条件下致裂特性

实验1:相同压力不同频率下脉动注水实验

1.8

1.6
1.4

注水压力(MPa)

高频注水 中频注水 低频注水 静压注水

1.2

1
0.8 0.6

0.4
0.2 0 0 25 50 时间(s) 75

通过时间和结果的对比可知,注水压力控制一定时, 高频注水状态下,试样在最短的时间内开裂,低频注

水使用时间较长,但最终依然将试样破坏。
115

3.不同脉动参量条件下致裂特性

实验2:不同参数组合下脉动注水对比实验

高压—低频 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 3 6 8 10 时间(s) 12 14 16 高压—高频 注水压力(MPa)

在高压状态下,高频注 水和低频注水的区别在 于,高频注水使试样开 裂的压力较高,低频注 水使试样开裂的压力较 低。

注水压力(MPa)

2.5 2 1.5

低压—低频 低压—高频

1
0.5 0 0 50 100 150 200 时间(s) 250 300

在低压状态下,足够长 的时间内,高频和低频 注水均对试样产生了破 坏。
116

3.不同脉动参量条件下致裂特性

内部孔隙微观测试分析

试样类型: 实验1中,对于低频注水和静压注水的试样 实验2中,低压状态下,高频注水和低频注水的试样

两个情况分别利用核磁共振设备从微观角度进行深入分析。

117

3.不同脉动参量条件下致裂特性

内部孔隙微观测试分析

T2分布反映了孔隙大小分布,大孔隙组分对应较大的T2 值,小孔隙组分对应较小的T2值

118

3.不同脉动参量条件下致裂特性

内部孔隙微观测试分析

34000 32000 30000 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0.01

静压注水

YB3 YB4

信号幅度

低频注水

0.1

1

10

100

1000

10000

T2 (ms)

通过低频注水和静压注水试样的T2分析,可以得出,在试样 均得到破坏时,低频注水得到大量小孔隙,静压注水则形成 了少量小孔隙,孔隙以大直径孔隙为主。
119

3.不同脉动参量条件下致裂特性

内部孔隙微观测试分析
YC3 YC4
20000

高频-低压

15000

信号幅度

10000

低频-低压

5000

0 0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

T2 (ms)

从“低频—低压”组合和“高频—低压”组合得到的T2分布 可以看出,低频注水时形成了大量的小孔隙,高频注水时则

得到相对多的大孔隙

120

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

脉动水力压裂实验系统实物图

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

瓦斯解吸测试仪

恒温水浴装置

煤样罐

真空泵 脉动水力压裂影响瓦斯解吸实验系统 煤样罐

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

? 煤样的选取及基本参数测定
实验煤样选自焦作煤业集团古汉山矿二 1煤层1417掘进工作面,煤 层透气性系数一般为 0.11~2.86m2/(MPa2.d) ,煤层属于低透气性煤层,

煤样属于高变质程度无烟煤。
煤样工业分析结果

取样地点

水分(%)

灰分(%)

挥发分(%) 固定碳(%)

古汉山矿

1.55

6.81
煤样煤岩分析结果

6.16

85.48

取样地点 古汉山矿

镜质组 (%) 49.81

惰质组 (%) 44.27

壳质组 (%) 0

矿物质 (%) 5.92

最大镜质组反射率 (Ro,max%) 3.1179

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

? 实验方案及步骤
? 采用先使煤样瓦斯吸附平衡,再进行脉动压裂的实验方案。 ? 由于突出煤层的瓦斯压力一般大于0.74MPa,以及为了实验分析过 程的简便性,我们选择的瓦斯吸附平衡压力为1.0MPa; ? 脉动峰值压力分别选择是瓦斯吸附平衡压力的 2 倍、 4 倍、 6 倍和 8 倍,即 2MPa 、 4MPa 、 6MPa 和 8MPa ;脉动压裂频率选择 8Hz 、 16Hz、24Hz、32Hz及40Hz; ? 在经过现场脉动水力压裂实施经验,单孔脉动压裂时间一般为 30min,因此,实验脉动压裂时间设定在30min。

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

? 置换瓦斯特性
4.5

瓦斯置换量(mL/g)

7 6 5 4 3 5

瓦斯置换量(mL/g)

瓦斯置换量(mL/g)

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 5

实测值 拟合直线

8

实测值 拟合直线

9 8 7 6 5 4 3 5

实测值 拟合直线

y=0.07x+1.60 R2=0.87

y=0.13x+2.26 R2 =0.98 10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz)

y=0.16x+2.53 R2 =0.99 10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz)

10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz)

2MPa
瓦斯置换量(mL/g)
9 8 7 6 5 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz) y=0.17x+2.75 R2 =0.99 实测值 拟合直线

4MPa

6MPa

压力一定条件下,瓦斯置换量随着频率的增加呈线

性增加趋势;
压力越大,置换量线性增加的拟合性越好; 频率对瓦斯置换量的影响程度随压力的增加而增大。

8MPa

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

1.0
解吸量(mL/g)

1.2

1.2 1.0

解吸量(mL/g)

解吸量(mL/g)

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2MPa 4MPa 6MPa 8MPa

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2MPa 4MPa 6MPa 8MPa 50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2MPa 4MPa 6MPa 8MPa 50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

8Hz
1.4

16Hz
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

24Hz

解吸量(mL/g)

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2MPa 4MPa 6MPa 8MPa 50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

解吸量(mL/g)

1.2

脉动频率一定时,压力 倍数越大 ,解吸量越大 ,
2MPa 4MPa 6MPa 8MPa 0 50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

即脉动压力倍数越小,
抑制瓦斯解吸效应越严 重。

32Hz

40Hz

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

? 瓦斯解吸速度
min)) 解吸速度(mL/(g·
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100 150 200 250 300 时间(min)
min)) 解吸速度(mL/(g·

8Hz 32Hz
0.04 0.02 0.00 0

16Hz 40Hz

24Hz

50

100

150

200

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

min)) 解吸速度(mL/(g·

8Hz 32Hz
0.06 0.04 0.02 0.00 0 50

16Hz 40Hz

24Hz

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

8Hz 32Hz
0.06 0.04 0.02 0.00

16Hz 40Hz

24Hz

100

150

200

0

50

100 150 200

0

50 100 150 200 250 300 350 时间(min)

50 100 150 200 250 300 350 时间(min)

2MPa
min)) 解吸速度(mL/(g·
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)
0.08 0.06 0.04 0.02 0.00

4MPa
24Hz
min)) 解吸速度(mL/(g·
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 50
0.16 0.12 0.08 0.04 0.00

6MPa

1.4

8Hz 32Hz

16Hz 40Hz

自然解吸速度

脉动水力压裂后期,存 在抑制瓦斯解吸速度的
0 50 100 150 200

0

50

100

150

200

现象,且频率越小,抑 制效果越严重。

100 150 200 时间(min)

250

8MPa

自然解吸

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

min)) 解吸速度(mL/(g·

min)) 解吸速度(mL/(g·

0.4 0.3
0.04

2MPa 6MPa

4MPa 8MPa

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
0.04 0.02 0.00

min)) 解吸速度(mL/(g·

2MPa 6MPa

4MPa 8MPa

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
0.06 0.04 0.02 0.00

2MPa 6MPa

4MPa 8MPa

0.2 0.1 0.0

0.02 0.00 0 50 100 150 200

0

50

100 150 200

0

50

100

150

200

0

50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

8Hz
min)) 解吸速度(mL/(g·
min)) 解吸速度(mL/(g·
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
0.08 0.06 0.04 0.02 0.00

16Hz
4MPa 8MPa

24Hz

2MPa 6MPa

1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

2MPa 6MPa
0.08 0.06 0.04 0.02 0.00

4MPa 8MPa

脉动频率一定时,压力

倍数越大,解吸速度越
大,即脉动压力倍数越
0 50 100 150 200

0

50

100

150

200

小,抑制瓦斯解吸效应

50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

50 100 150 200 250 300 350 400 时间(min)

越严重。

32Hz

40Hz

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

? 综合影响特性(促进or抑制)
瓦斯解吸总量变化量

8Hz 4MPa 6MPa 8MPa 1.07582 1.75292 2.12889

16Hz 2.42292 3.01647 3.41486

24Hz 3.92889 4.71486 5.21017

32Hz 4.54727 5.73921 5.98599

40Hz 6.16599 6.97276 7.52873

注:瓦斯解吸总量变化量 Q= 置换瓦斯量+瓦斯常压解吸量- 干燥煤样自 然解吸量,Q为正值,说明脉动压裂最终促进瓦斯解吸,Q为负值,说 明脉动水力压裂最终抑制瓦斯解吸。

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

7

解吸变化量(mL/g)

解吸变化量(mL/g)

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 5

变化值 拟合直线

6 5 4 3 2 1 5

解吸变化量(mL/g)

2.5

变化值 拟合直线

7 6 5 4 3 2 1 5

变化值 拟合直线

y=0.08x-0.60 R2 =0.90

y=0.15x-0.06 R2=0.98

y=0.16x+0.49 R2=0.99 10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz)

10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz)

10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz)

2MPa
解吸变化量(mL/g)
7 6 5 4 3 2 1 5 y=0.16x+0.49 R2=0.99 10 15 20 25 30 35 40 45 频率(Hz) 变化值 拟合直线

4MPa

6MPa

综合来看,瓦斯解吸总量变化量Q普遍大于0, 脉动水力压裂促进瓦斯的解吸。在峰值压力倍 数一定的条件下,瓦斯解吸总量变化量 Q 随脉 动频率的增加呈线性增加趋势。

8MPa

4. 脉动水力压裂影响瓦斯解吸特性

解吸变化量(mL/g)

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

解吸变化量(mL/g)

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

y=1.56ln(x)-1.08 R2 =0.99 2 3 4 5 6 7 8 脉动峰值压力/平衡瓦斯压力(倍)

y=2.13ln(x)-0.83 R2 =0.96

解吸变化量(mL/g)

变化值 拟合曲线

3.5

变化值 拟合曲线

2 3 4 5 6 7 8 脉动峰值压力/平衡瓦斯压力(倍)

5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

变化值 拟合曲线

y=2.4ln(x)+0.36 R2 =0.98 2 3 4 5 6 7 8 脉动峰值压力/平衡瓦斯压力(倍)

8Hz
6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

16Hz
8

24Hz

解吸变化量(mL/g)

解吸变化量(mL/g)

变化值 拟合曲线

7 6 5 4 3 2

变化值 拟合曲线

在脉动频率一定的条件 下,瓦斯解吸总量变化 量 Q 随峰值压力倍数的

y=2.91ln(x)+0.27 R2 =0.96 2 3 4 5 6 7 8 脉动峰值压力/平衡瓦斯压力(倍)

y=3.6ln(x)+0.38 R2=0.92 2 3 4 5 6 7 8 脉动峰值压力/平衡瓦斯压力(倍)

增加呈对数函数增加趋 势。

32Hz

40Hz

二、主要研究成果

5、开发了矿用防爆、周期和压力可调的高压脉动 压裂装备。
? 实时调节脉冲频率和压力。(专利号: ZL 2011 2 0133938.2;ZL 2011 2 0133926.X)

? 脉冲参数:强度35MPa;频率1460次/min;流量120L/min

变频脉冲压裂设备

二、主要研究成果

高压脉动水力压裂系统由脉动泵系统、变频系统、
自动控制水箱、高压管路系统等组成。

660v电源

电源
电抗器

变频器

电机
强冷电机

泵体

水箱

高压脉动水力压裂系统图

三、相关知识产权

三、相关知识产权

?获国家授权发明专利9项,实用新型专利4项。
序号 1 2 3 4 5 6 7 专利名称 一种低透气性煤层脉冲压裂增透抽采瓦 斯方法 易塌孔钻孔成形方法 一种瓦斯抽采钻孔封孔装置及方法 一种耐高压钻孔密封方法 近距离煤层群水力压裂石门揭煤方法 煤矿井下重复脉动水力压裂强化瓦斯抽 采方法 一种钻孔密封材料 一种区域瓦斯治理钻爆压抽一体化防突 方法 一种区域性防治煤与瓦斯突出的方法 煤矿井下脉动水力压裂设备 一种煤矿井下水力压裂设备 一种手动注浆泵 一种钻孔封孔材料输送装置 类别 发明 发明 发明 发明 发明 发明 发明

8
9 10 11 12 13

发明
发明 实用 实用 实用 实用

感谢各位专家!

深部水力化区域瓦斯治理关键技术研讨会

水力冲孔技术现状、存在 问题及发展方向
汇报人:李增华
2014年6月30日

提 纲
一、国内外技术现状 二、现存重大问题

三、破解思路与对策建议

1

国内外技术现状

一、国内外技术现状 我国水力冲孔技术发展历程
1965年,重庆院在南桐鱼田堡矿首次试验水力冲孔防突措 施并取得成功,随后在北票、焦作等局都曾得到应用;由于

各个突出煤层的地应力、瓦斯压力、煤体力学参数及煤厚的
不同,其在各地应用后的防突效果也不尽相同,其中以南桐 矿务局的应用效果最佳。 近些年,河南理工大学在焦作和淮南两个矿区对水力冲孔

防突技术进行了全面的研究。
近两年,中国矿业大学在淮北矿区开展了水力冲孔技术防 突效果指标考察研究。

一、国内外技术现状
水力冲孔技术原理 水力冲孔是以保护岩柱或煤柱作为安全屏障,向有 自喷能力的突出危险煤层施工钻孔,并向孔内注入承受一定 压力的水,利用喷嘴切割和高压水射流的冲击,破坏钻孔周

围煤体中应力和瓦斯的平衡使其处于不稳定状态,在人为地
有控制的条件下释放突出能量的局部防突措施。 技术适用条件 深部松软低透气性强突煤层。

一、国内外技术现状
水力冲孔防突机理

1. 冲出大量煤体,形成空洞,周围煤体发生径向位移,改
变钻孔周围应力场,达到局部卸压作用; 2. 冲出大量瓦斯,降低煤层瓦斯压力及含量,同时因钻孔 周围煤体卸压可增加煤层透气性,提出瓦斯抽采效果,有 效降低煤层瓦斯压力及含量;

3. 钻孔周围煤体湿润,降低煤体弹性,增加煤体塑性,降
低煤层突出潜能。

2

现存重大问题

二、现存重大问题
技术应用过程中遇到的问题
部分矿井现场冲煤效果不佳,钻孔冲煤量较少,达不到卸压增透的目的——煤 体力学参数、技术工艺(冲煤、破煤临界水压);

实施水力冲孔技术后,在煤巷掘进或揭煤时仍出现预测指标超标的现象——钻
孔的布置方式(钻孔间距、冲煤量不均)不合理,部分区域存在应力集中; 水力冲孔技术中设计钻孔间距多凭经验,未对冲煤量与钻孔卸压消突半径进行 量化研究——缺乏水力冲孔卸压消突效果评判体系及具体考察方法; 部分极度松软煤体采用水力冲孔技术后,煤巷掘进过程中,出现片帮、漏顶(

厚煤层)现象,现场支护困难,甚至需要注浆加固措施方能支护成功——未掌
握水力冲孔后钻孔周围煤体的蠕变规律,无法确定最终的稳定时间。

3

破解思路与对策建议

三、破解思路与对策建议
需要解决的问题

1 水力冲孔技术适用条件的定量化界定 2 水力冲孔技术实施均匀程度的控制与评价 3 建立水力冲孔卸压消突指标体系及考察方法 4 水力冲孔技术煤体稳定时间的确定

三、破解思路与对策建议
建立水力冲孔卸压消突指标及考察方法需要开展的研究内容 理论研究:

研究水力冲孔钻孔卸压范围内煤体应力场、瓦斯流场分布特征,
得出水力冲煤钻孔卸压范围内煤体瓦斯解吸、扩散及渗流规律; 实验室及现场试验、数值模拟 工艺指标: 建立水力冲孔卸压消突指标体系及考察方法 径向膨胀变形量 增透影响半径 增透倍数

三、破解思路与对策建议
考察指标及方法:径向膨胀变形量
钻孔 a m M x

A b B

微元体边界节点沿径向膨胀的线位移分别为:

? ?l A ? l a ? l A ? ? ?l B ? l b ? l B
微元体沿径向的膨胀变形量(径向线应变)为:

??

?lM ?l A ? ?l B (la ? l A ) ? (lb ? l B ) ? ? lM l A ? lB l A ? lB

三、破解思路与对策建议
考察指标及方法:增透影响半径

-410

F41 143°∠52°H=25m
-420

8煤
-430

6#钻场

9煤
-440

-450

-460

6#钻场

-460.6

2#

-470

5# 1#(水力冲煤孔) 4#

3#

谢谢!

深部水力化区域瓦斯治理关键技术研讨会

水力割缝技术现状、存在 问题及发展方向
汇报人:林柏泉
中 国 矿 业 大 学

2014年12月

主要汇报内容
一.研究现状及存在问题

二.破解思路及对策建议

1

研究现状及存在问题

水射流技术发展
? 1972 年,英国流体力学研究协会(BHR)组织第一次国际水射 流切割技术会议,水射流技术得到重视和发展。 ?石油领域:70 年代初,美国开始超高压射流钻井试验研究。

70 年代末,美国超高喷射钻井试验取得成功。
?煤炭领域:90年代初,美国开始探索水射流在煤炭开采中的 应用。近年来,波兰学者利用高压水射流粉碎煤体,制备水煤 浆。 ?我国水射流技术研究始于20世纪70年代,最早用于煤炭行 业,之后逐步发展到石油、冶金等。80年代后,进入快速发展 阶段。

研究背景及意义——水力割缝技术渐成研究热点!
水力割缝相关学术论文 所属科研机构分布

水力割缝相关学位论文

主要基金分布

水力割缝技术研究现状及存在问题

1 基础理论
2 割缝工艺

3 割缝设备
4 效果考察

割缝基础理论研究

割缝基础理论研究——研究现状
? 经过长期的理论及现场实践研究,阐明了割缝卸压增 透作用机制。
水力割缝 技术 破解瓶颈 效应 扩大钻孔 卸压范围 实现局部措施的 区域性卸压增透
割缝钻孔

瓦斯抽采管

破解瓶颈效应

区域性整体卸压增透

割缝基础理论研究——研究现状
? 经过长期的理论及现场实践研究,阐明了割缝卸压增 透作用机制,并提出了“网络化整体卸压” 的理念。

平行于缝槽剖面水平向应力

缝槽截面垂直缝槽水平向应力

网络化整体卸压

割缝基础理论研究——存在问题
理论研究虽取得了显著的进展,但还存在以下问题:
? 破煤/岩机理大多为定性分析,射流压力-破煤速率-煤体 强度三者缺少定量描述; ? 割缝时孔内固液两相流运动规律不明确; ? 割缝后煤体裂纹扩展规律不清楚; ? 高压水对含瓦斯煤的影响不确定;
? ? 是否产生“水锁效应”,影响范围如何; 对煤物化参数的影响;

? 理论及数值分析未充分考虑瓦斯的作用;
? 射流卸压增透缺乏系统的理论依据。

割缝工艺

割缝工艺——研究现状
? 提出了钻割一体化割缝工艺,缩短打钻时间,提高了 割缝的施工效率;同时,针对不同煤层特点,提出了对应 的割缝方式。

割缝工艺——存在问题 割缝工艺主要存在问题:
? 割缝参数选取多依据经验,缺乏科学性;
? 高压水压力、流量、割缝时间、出煤量;

? 缝槽的开度、深度和间距难以精确控制;
? 割缝钻孔布置不合理容易形成“孤岛效应”;

? 割缝缺乏针对性,不同煤层应用效果差异较大;
? 不同埋深、煤厚、倾角、煤质、瓦斯含量;

割缝设备

割缝设备——研究现状
? 研发了高压磨料射流钻割一体化装备:实现钻进与射 流割缝自由切换。
高压供 水系统 5
3 2 1 6 8 7 4 7 9 10 11 7

磨料加载系统

12 13

14

15

智能控制系统

钻割系统

割缝设备——存在问题 割缝设备研发主要存在问题:
? 高压作业,人机距离近; ? 设备智能化、自动化性能差;

? 设备密封部件强度低;
? 设备升级、更新速度慢;

? 设备体积大、成本高。

安全防护

安全防护
? 针对割缝过程中煤与瓦斯喷出导致的作业场所瓦斯超 限问题,研发了主动式防喷装备(国家专利):
17 16 1 2 孔口接收 3 4 5 6

喷雾降尘
15

抽排瓦斯
14 13 12 11 10 9

7

放水排渣 8

图中:1-钻杆;2-挂耳;3-柔性骨架风筒;4-关节轴承;5-气渣分离筒;6-半球形集气室;7透视窗口;8-排渣门;9-气渣分离箱;10-抽气管;11-滤网挡板;12-中转净化箱;13-球阀; 14-瓦斯抽采管路; 15-流量表;16-降尘水雾喷头;17-T 形套管。

防喷装置主要由接收、抽气、除尘、排渣四大部分组成,以实现孔 口接收、喷雾降尘、放水排渣、抽排瓦斯四大功能。

安全防护
防喷工艺研究:
? 钻进时采用慢速干式钻进法;

? 退钻时进行“细水慢割式”割缝作业,有效降低割缝喷孔概
率,并能够主动高效处理各种喷出物。

割缝防喷工艺示意图

安全防护——存在问题 安全防护主要存在问题:
? 小型喷孔可控,大型喷孔难防; ? 喷孔机理不清,延迟喷孔难解释;

? “气-液-固”三相喷出物分离难;
? 喷孔预兆判定难;

? 防喷装置安装使用繁琐;

效果考察

效果考察——考察方式 常规考察方式: ? 割缝出煤量; ? 瓦斯抽采量; ? 残余瓦斯压力、含量; ? 煤体变形量; 其他考察方式:

? 煤体位移(位移计);
? 煤体应力(应力计);

? 电磁辐射能量
(电磁辐射监测仪);

? 透气性系数;
? 突出预测指标。

? 视电阻率(瞬变电磁
仪);

? 地质雷达。

效果考察——存在问题 效果考察主要存在问题:
? 无法直接观测缝槽特性; ? 难以判断区域是否卸压均匀; ? 不能实时监测割缝后煤体变化; ? 现场考察手段有限。

3

破解思路及对策建议

破解思路及对策建议
?政策上:国家给予水力割缝技术大力支持和推广,彻底解决
单一煤层瓦斯治理问题; ?理论上:深入研究水力割缝对煤体的作用机制、割缝后煤体 的应力场、裂隙场、瓦斯渗流场变化及其耦合作用机制; ?技术上:不断开发、更新水力割缝技术,提高水力割缝在各

种地质条件下的卸压增透效果;
?工艺上:研究精确控制缝槽开度、深度和间距的工艺,确定 不同条件水压、割缝时间、出煤量等关键参数的取值;

?装备上:研发新型水力割缝及效果考察装备,不断提高设备
可靠性,简化作业流程,提高工作效率,发展远程智能化装 备。

谢谢!

深部水力化区域瓦斯治理关键技术研讨会

水力割缝技术现状、存在 问题及发展方向
汇报人:王耀锋
研究员

煤科集团沈阳研究院有限公司

报告内容
1 2 3 国内外技术现状 现存重大问题 破解思路与对策建议

1

国内外技术现状

1 国内外技术现状
1.1 水射流技术的发展历程
提高射流压力 20世纪30~70年代
高压水射流 超高压水射流

脉冲射流
研究方向 空化射流 发挥射流潜力 20世纪70年代后

磨料射流
高温射流

摆振射流

1 国内外技术现状
1.1 水射流技术的发展历程

高压水射流研究阶段
? 20世纪30年代,美国第一次使用水射流冲洗矿石中的泥土 。 ? 50年代,前苏联采用压力105~210MPa的纯水射流在花岗岩地层进 行了钻井试验。 ? 1964年,原北京石油学院钻井室对喷嘴和淹没射流特性进行了井下 相关试验研究,1973年开展了利用高压射流系统进行喷射钻井工艺 技术研究。 ? 1971年,美国制造出世界第一台超高压纯水射流切割机。

1 国内外技术现状
1.1 水射流技术的发展历程 新型水射流研究阶段
? 60年代初,美国的Bobo首先利用磨料射流钻井,大大提高了钻井速度。 ? 70年代末至80年代初,各国对磨料射流进行了大量试验,美国研制了第 一 台商业用途后混合磨料射流切割机。

磨 料 射 流

? 1982年,安徽理工大学的刘本立等首先建立了前混合磨料射流试验台,同 时,英国流体力学协会研制了世界上第一台引射注入式前混式磨料水射流 切割系统
? 1984年,Fluidyne公司发明多股水射流喷嘴,可以喷射高能量的磨料水射 流。 ? 1989年,R.H.Hollinger等人试验表明磨料浆体射流有更好的密集性以及切 割窄缝的能力,粘弹性浆体性能优于非粘弹性浆体。 ? 90年代,Brandt和Agus等研究了磨料浆体射流效率的影响因素。

1 国内外技术现状
1.1 水射流技术的发展历程 新型水射流研究阶段
? 70年代初,Danel和Guiuoud提出压电发射式脉冲射流,Nebeker

脉 冲 射 流

和Rodriguez设计了周期调制流量的脉冲射流,Chahine和Conn利

用自振喷嘴装置产生脉冲射流,Sami和Anderson利用受激亥姆霍
兹振荡器产生自激振荡脉冲射流。 ? 1975年,D.Summers提出了一种机械间断脉冲射流。

? 1983年,M.Muzurkiewicz提出利用激光束将连续射流部分蒸发
、汽化而形成脉冲射流。 ? 1986年,廖振方、唐川林提出了利用流体的自激振荡产生脉冲 射流的理论,利用扰动波涡量脉动产生强烈的自激振荡脉冲射流 。

1 国内外技术现状
1.1 水射流技术的发展历程 新型水射流研究阶段
? 70年代初,R.E.Kohl等人将空化作用引入到高压水射流技术领

空 化 射 流

域,创造了空化水射流。 ? 80年代初,A.F.Conn和V.E.Johnson等人提出了自振空化水射流 的概念,形成了声谐自振空化水射流的两种典型结构风琴管喷 嘴和亥母霍兹振荡腔喷嘴。 ? 1987年,沈忠厚院士在研究了自振空化水射流机理的基础上, 建立了自振空化喷嘴的理论设计方法。 ? 1993年,廖振方教授设计了一种喷嘴结构来形成自激振荡脉冲 空化水射流,并应用到辅助牙轮钻井中。

1 国内外技术现状
1.1 水射流技术的发展历程 水射流技术推广应用
? 80年代,美国开展了高压水射流钻径向水平井的研究。 ? 1983年,西德的Vecker等人用自旋转式喷嘴在煤层中进行了钻孔试验。 ? 1984年,美国的Joneson V E Jr 等成功地把自振气蚀射流用于石油钻井。 ? 1987年,美国开始进行用锥形水射流钻孔 ? 中国石油大学对淹没旋转射流进行了研究,并将其成功应用于钻径向水平 井。1997年,在辽河油田锦45-04-19井首次钻出了长15.86m、直径 120~140mm的水平井眼,使产量提高7倍以上。 ? 2003年,李根生等研制了自振空化射流钻头,钻井速度比普通中长喷嘴钻

头提高10.5%~49.3%。

一、国内外技术现状
1.2 国内水力割缝技术推广应用
初期试验研究阶段 20世纪50年代末~80年代末

尝试应用阶段 20世纪90年代初~21世纪初

高速发展阶段 21世纪以后

1 国内外技术现状
1.2 水射流技术在煤炭行业的研究进展 初期试验研究阶段
在国内水力化煤层增透技术的初期试验研究阶段,水射流技术 主要作为局部防突措施应用于煤巷掘进、石门揭煤等。 ? 1958年,设计出了简易的“轻变型”水力钻。 ? 1965年,用水射流预先冲刷煤体,安全揭开了具有突出危险的石 门。 ? 1969年,抚顺煤炭研究所在鹤壁六矿进行了水射流割缝试验,扩 大了钻孔的卸压范围。 ? 1977年,在红卫煤矿进行了水射流割缝防止煤与瓦斯突出试验。 ? 1978~1981年,在鹤壁四矿、二矿及红卫煤矿进行了水射流割缝提 高瓦斯抽采率的工业性试验。 ? 1981年,研制了液控水射流钻割机。

1 国内外技术现状
1.2 水射流技术在煤炭行业的研究进展 尝试应用阶段
20世纪90年代初至21世纪初,虽然前期试验取得了一定效果,但由 诸多原因,水力化煤层增透技术未能得到大范围的推广与应用,只 在抚顺、晋城等矿区的少数煤与瓦斯突出矿井和瓦斯治理困难的高 瓦斯矿井进行了小范围尝试应用。主要原因: ?当时煤炭行业发展正处于低谷,现场需求相对较少; ?未能深入研究煤层卸压增透机理,缺乏必要的理论支撑; ?当时能在煤矿井下应用的高压水泵流量小、压力低,设备能力不 能满足 需要; ?包括安全防护在内的配套设施不够完善。

1 国内外技术现状
1.2 水射流技术在煤炭行业的研究进展 高速发展阶段
2003年以后,水射流技术总体向着集成化、多元化和智能化

的方向发展。以中国矿业大学、中国石油大学和煤科集团沈阳研
究院等为代表的十余家科研机构进行了深入研究,形成了水力冲 孔、水力掏槽、水射流割缝、水射流扩孔等多种技术,在晋城、

两淮和松藻等十余个矿区大量应用,作业区域由煤巷掘进、石门
揭煤等局部地点发展到地面钻孔抽采、煤层区域预抽、突出煤层 消突等,取得了不错的效果。

1 国内外技术现状
1.2 水射流技术在煤炭行业的研究进展 高速发展阶段
? 刘明举等对水力冲孔技术的防突机理、工艺流程进行了研究。 水 射 流 单 项 技 术 完 善 ? 魏国营等研究了水力掏槽技术。

? 林柏泉等提出了整体卸压理念,开发了高压磨料射流割缝技术。
? 唐建新等设计了用于抽放钻孔中切割煤体的高压水射流装置。 ? 卢义玉等对自激振荡脉冲水射流进行了研究。

? 张义等优化设计了4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。
? 王耀锋等研制了三维旋转水射流装置,并对其工艺参数进行了研究 。

? 徐幼平等优化了钻割一体化水力割缝入射角和割缝方式。

1 国内外技术现状
1.2 水射流技术在煤炭行业的研究进展 高速发展阶段
综 合 增 透 技 术 快 速 发 展
? 黄炳香等提出在钻孔轴向或径向预割出给定方向的裂缝,然

后再对其进行水力压裂的定向压裂技术。
? 王耀锋等开展了预置导向槽定向水力压穿增透技术的研究及 应用,提出了利用导向槽和控制钻孔的共同定向作用将煤体压 穿,并通过高压水携带出大量煤屑,来实现煤层卸压和增透的 方法。 ? 刘勇等开展了降低井下煤层压裂起裂压力方法研究,提出采 用水射流在煤孔中定向射孔来降低起裂压力。

2

现存重大问题

2 现存重大问题
2.1 理论研究亟待深入
(1) 水射流割缝破煤过程中,在极短的时间内涉及到气体、流体、固 体和多相耦合等诸多学科,增加了理论分析和实验研究的难度,使 水射流破煤机理难以客观揭示,而对高围压环境下水射流切割含瓦 斯煤体机理方面的研究更少,造成了理论研究滞后于实际应用,现 场工艺的完善也缺乏必要的理论支撑 (2) 煤层增透作业会使煤层的透气性产生强烈的变化,且常常不具备

施工穿层钻孔进行透气性测试的条件,因此,应加强煤层透气性测
定理论的研究,并结合裂纹扩展的研究成果,对比研究实施增透作 业前后煤层瓦斯压力、含量、抽采量及煤层突出危险性指标等参数

的变化,逐步建立起煤层增透效果考察、评价技术体系,为煤层增
透技术的发展提供理论支撑。

2 现存重大问题
2.2 核心技术有待突破
? 水力割缝在其控制范围内煤体卸压充分、增透效果明显,但是它
的影响半径小,仅有几米。采用综合增透技术,能使不同的增透手 段取长补短、优势互补,但是怎样合理配置各种工艺参数才能真正

达到这一目的,仍需深入探索。
? 由于煤层性质的各向异性及煤层中应力分布的复杂性,水力割缝 增透措施实施后增透方向不确定会导致应力不能有效释放。而目前

的水力割缝技术无法确保定向割缝,因此很难满足井下复杂的煤层
条件。

3 现存重大问题
2.3 关键装备尚需完善
割缝配套设备体积庞大 运输难、安装地点受限

设备功率大

井下供电困难

松软、低透煤层割缝

排渣困难,易发生堵孔、喷孔

喷嘴、高压旋转接头寿命短

射流割缝成本过高

割缝过程诱发多种危险

安全保障技术装备未配套

3

破解思路与对策建议

3 破解思路与对策建议
3.1 基础理论研究
? 水力化增透机理的研究应将物理实验和数值模拟有机结合,借助实验 给模拟提供边界条件并验证其有效性,通过数值模拟优化实验方案。

? 应在全面考虑围压、淹没程度等试验条件的情况下,充分利用现有的 先进技术手段来开展实验,例如:采用高速摄像技术、平面激光诱导荧 光技术及粒子图像测速技术等非接触式粒子探测技术开展水射流流速测 定和流场分析,利用基于导电橡胶的打击力分布测试系统等进行水射流 对煤的打击力测试等。
? 在充分考虑煤的非均质性和各向异性、力学性质、孔隙率、渗透性、 瓦斯的解吸作用等影响因素的情况下,建立其围压条件下气、液、固三 相耦合的数学模型,采用ANSYS、COMSOL等适合多物理场耦合模拟的 软件来开展数值模拟研究。

3 破解思路与对策建议
3.2 水力化增透技术的集成化和多元化
为充分发挥水力割缝技术的长处并克服缺陷,未来应在不断完善其 技术与装备的基础上,实现与其它水力化增透手段的集成化,形成优

势互补。其中,利用水力割缝所产生的导向作用进行压裂的技术不失
为当前研究的一项重要课题,它既汲取了水射流破煤局部卸压充分和 水力压裂影响范围大的优点,又克服了水射流破煤增透范围小和水力

压裂后局部出现高应力区的缺陷。
首先,打措施钻孔并在其周围布置控制钻孔,采用水射流在措施钻 孔内割缝、割槽或径向钻孔,使煤体充分卸压;然后,对措施钻孔封 孔后实施水力压裂,预置的缝、割槽或径向钻孔既降低了起裂压力, 又能导控裂隙的扩展方向;最后,水力裂缝扩展至控制钻孔处,并通 过水流从控制钻孔带出大量煤屑,防止煤屑堵塞瓦斯抽采通道。

3 破解思路与对策建议
3.2 水力化增透技术的集成化和多元化
?导向槽定向水力压穿技术
左图为钻孔布置方式之一 首先施工导向槽钻孔7和若干控制钻孔 6,然后在钻孔7的煤层段中采用高压水射 流预先形成一个或者若干个导向槽 3 ,再

向钻孔7注入高压水,利用导向槽3和控制
钻孔6对水力压裂进行定向控制,将钻孔7
1 2 7 3

与控制钻孔 6 之间的煤体压穿,使钻孔之
6

间形成较多裂隙,并通过高压水携带出大 量煤屑经控制钻孔 6 排出。压裂结束后, 钻孔7和6均封孔接入抽采系统进行抽采。

3 破解思路与对策建议
3.2 水力化增透技术的集成化和多元化
?导向槽定向水力压穿技术简介
左图为钻孔布置方式之二

首先施工若干导向槽钻孔7和控制
钻孔6,然后在钻孔7的煤层段中采用 高压水射流预先形成一个或者若干个 导向槽 3 ,然后对钻孔 6 进行水力压
1 7 2 6 3

裂,利用导向槽3和钻孔6对水力压裂 进行定向控制,将钻孔6与7之间的煤 体压穿,使钻孔之间形成较多裂隙,

并通过高压水携带出大量煤屑由钻孔
7 排出。压裂结束后,钻孔 7 和 6 均封 孔接入抽采系统进行抽采。

3 破解思路与对策建议
3.3 割缝装备的系统化和智能化
? 优化煤矿井下用高压水泵的结构、材质和外观设计,采用变频 水 射 流 和 水 力 压 裂 成 套 装 备 技术等先进技术,实现高压水泵的小型化、安全和高效。 ? 改进高压水射流部件的结构、优选材质、提高加工精度和改善

表面处理方法,研制出打击效率高且耐磨性好的水射流喷嘴、密
封性能好且排渣效率高的水射流专用高压钻杆和转速高、寿命长 的高压旋转水尾。引进石油行业在定向射孔方面所形成的装备(

磁定位器定位+陀螺仪定向+电缆传输),对其改造后形成定向割
缝技术及装备。 ? 加大安全保障装备的研究力度,实现对高压水系统和作业环境 的远程监测和控制,对水压、流量、煤体开裂压力、注水量等数 据进行实时监测、记录与分析,实现现场视频、试验数据的实时 传输和存储,并能自动生成数据表及相关曲线,实现异常情况自 动断电等功能。

3 破解思路与对策建议
3.3 割缝装备的系统化和智能化
增 透 效 果 预 测 实 时 监 测 装 备

通过对微震监测系统、电磁辐射监测仪、声发射(AE)监测系
统等多种煤层增透效果监测设备的大量应用、比较分析与改进, 甄选和研制出最有效的水力割缝增透效果监测方法、解释方法和

监测设备。最终发展目标是:能够在获取的大量物探和施工数据
的基础上,充分利用数学和应用计算机技术的先进成果,达到仪 器设备的尖端化和智能化,实现解释方法的三维可视化和对割缝

施工与后期抽采这两个过程的全三维模拟,实现对裂缝的实时监
测分析与控制,逐步由同步监测和后期检测转为前期预测统筹, 形成一套真正的科学技术与装备。

结束语
作为矿井瓦斯防治和煤层气开发的重要配套技术,水力割缝技术适

应国家建立煤炭、煤层气协调开发机制的要求,符合煤矿瓦斯抽采达
标的需要,已成为煤矿防范瓦斯事故、提高瓦斯抽采率的关键技术手 段,具有较好的应用前景。该技术的持续、快速发展必将整体提升中

国矿井瓦斯防治和煤层气产业科技自主创新能力。前期国内大量的研
究和应用,为技术的发展提供了有力的支撑,随着割缝机理和增透机 理研究的不断深入和装备水平的不断提高,水力割缝技术体系将日趋

完善,在未来的煤炭开采和煤层气开发中将发挥更大的作用。

谢谢!


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