煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究_葛兆龙
水平井的水力喷射压裂技术的研究
水平井的水力喷射压裂技术的研究发布时间：2021-09-22T02:45:18.587Z 来源：《工程管理前沿》2021年5月14期作者：靳玉强[导读] 水力喷射压裂工艺作为一类集射孔、压裂等一体化技术靳玉强中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司油田作业公司甘肃省酒泉市 735000摘要：水力喷射压裂工艺作为一类集射孔、压裂等一体化技术，主要适用于低渗透油藏直井、水平井的增产改造，具有良好的应用成效。
本文主要分析水平井水力喷射分段压裂基本原理、特征，明晰影响压裂实际工艺参数，介绍三种不同的管柱压裂工艺。
关键词：水平井；水力喷射压裂；技术要点水力压裂历经半个世纪发展，尤其自80年代末以来，处于压裂设计、添加剂、压裂设备等均获取大幅度提升，促使水力压裂技术在多领域获取新的突破。
现下水力压裂作为一项新工艺技术，其进一步改变流动方式，从本质层面降低实际渗流阻力，可实现增产增注的目标。
一、水力喷射压裂基本原理及特征1、水力喷射压裂的基本原理水力喷射压裂技术基本原理为，充分借助水力喷射压裂工具，通过两个环节完成地层裂缝开启，首先需将喷射分段压裂管放置于初期设定部位，实现水力喷射，利用高压射流处于地层内形成喷射孔道，其次待孔道形成后，压裂液通过油管内由喷嘴射入孔道内，同时环空注入基液补偿地层其他缺失的部位，以此保证环空自身压力，将孔道内压力提升至一定程度，保证孔内压力吻合压开地层实际水平，以免进入孔内压裂液从孔口返出环空，促使地层产生裂缝并逐步向更深层次延伸，从而实现对油气井改造增产目标。
射流射入孔道内实现增压过程中，压裂液定点注入仅产生局部增压，不会处于井筒内部其他部位产生高压，促使形成新的裂缝，亦或发现有裂缝再次张开。
水力喷射压裂工艺本质在于借力高速射流，可处于井下产生一个低压区域，保证环孔流体进入施工层段，无需选用机械进行密封。
2、水力喷射压裂射流密封计算模型结合实践数据系统性分析，射流密封压力与多个因素相关，其与喷嘴流量系数、试验回归系数、喷嘴直径均呈正相关，与套管控孔眼实际直径成反比，通过对试验数据进行回归性分析，最终获取计算模型公式如下：式中：K为试验数据回归系数；C为喷嘴流量系数，无量纲；p为射流密封压力，MPa，Pd为射流压力，MPa，D为套管孔眼直径mm，d 为喷嘴直径mm。
煤矿井下压裂关键技术及装备应用研究
煤矿井下压裂关键技术及装备应用研究摘要：煤矿瓦斯灾害防治是全世界产煤国面临的共同难题，有效治理瓦斯是实现我国煤矿安全开采的技术保障。
本研究将地面压裂技术移植井下，结合煤矿生产实际情况，研究开发了井下水力压裂泵组、基于WIFI的井下压裂监控系统、井下压裂专用操作指挥舱等关键技术和装备，制定了井下压裂工艺与安全保障体系并在多家煤矿进行了工业应用，效果显著。
井下压裂关键技术和装备的有效研发，是井下压裂技术成功应用的保证。
关键词：煤矿瓦斯治理井下压裂装备1 引言水力压裂技术是改造低渗透储集层，使其达到工业性开采经济有效的增产措施之一，广泛应用于油、油气藏、煤层气藏，以及地热井资源的开采中，并取得了良好的增产效果[1]。
近年来，随着瓦斯、冲击地压等灾害防治的难度不断增大，煤矿灾害已成为制约我国煤炭行业可持续发展的关键因素[2-4]。
河南省煤层气开发利用有限公司及多家科研、高校和生产单位，根据煤矿安全高效生产的需要，以煤与瓦斯突出机理为指导，按照自主原始创新、集成创新和引进消化吸收创新的思想，结合煤矿巷道工程及采动影响，研发了成套技术及装备，成功地将地面压裂技术移植井下。
在河南平顶山、鹤壁、焦作、义马、贵州六枝等矿区上千次现场应用表明，井下压裂技术在增大煤层渗透率、提高瓦斯抽采量、降低煤与瓦斯突出危险性、防治冲击地压、改善工作面作业环境等方面效果显著。
国内相关专家认为井下压裂技术在单一低渗煤层区域瓦斯治理和利用方面开创了一条新途径。
2 井下压裂基本原理煤矿井下压裂是根据煤矿生产实际情况，利用煤矿生产活动造成的采动影响，结合井巷工程对煤层实施定向压裂增透。
其基本原理是利用高压流体对煤层双重孔裂隙介质体的劈裂作用，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，通过气固液多相多场耦合，使弱面发生张开、扩展和延伸[5]。
一方面原生孔裂隙的张开和扩展，增加了煤体孔隙率，另一方面原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高，煤体实现整体均匀卸压，吸附瓦斯快速解析，从而增加瓦斯抽采量，消除煤与瓦斯突出的危险性。
双排水力割缝钻孔参数优化研究与应用
双排水力割缝钻孔参数优化研究与应用
曹阳
【期刊名称】《煤矿机械》
【年(卷),期】2024(45)3
【摘要】为了实现工作面快速消突,提出布置双排瓦斯抽采钻孔,并实施水力割缝。
通过数值模拟,研究不同割缝深度、孔间距、布孔方式对抽采效果的影响。
结果表明:单孔有效抽采半径随割缝深度的增加而增加,但增速逐渐放缓,根据数据拟合结果,确定割缝深度为1.5 m;双孔抽采时,钻孔间距越小,瓦斯压力越低,最终确定钻孔间距为7 m;正方形布孔和菱形布孔均可以实现消突目的,正方形布孔覆盖面积大,选择该方式。
现场试验表明,水力割缝正方形双排钻孔抽采效果良好,可以达到消突的目的。
【总页数】4页(P124-127)
【作者】曹阳
【作者单位】河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿
【正文语种】中文
【中图分类】TD712
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孔水力割缝煤渣运移及排渣工艺技术研究5.叠加效应下多孔水力割缝联合抽采参
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顺层钻孔水力压裂增透效果试验研究
2021.18科学技术创新压裂孔号 瓦斯含量 /m 3·t -1 水量 /t 水压 /MPa 原始含水率/%1#孔 4.2819 22.2 23～28 2.1 2#孔 4.4547102.7 18～22 1.8 3#孔 4.599571 18～25 2.6 4#孔 4.9510 100 23～30 3.2 5#孔 4.483451 23～27 2.5 6#孔 4.997178 20～32 1.8检验孔号 与2#压裂孔平距 /m 最大含水率/%1# 5 11.52# 10 10.73# 15 6.34# 20 5.95# 25 4.1 6# 30 2.5透气性系数m 2/(MPa 2·d) 压裂孔号 压裂前 压裂后 提高1#孔 0.0545 0.1149 110.8%2#孔 1.4787 3.1829 115.2%6#孔 0.5278 1.0266 94.5%顺层钻孔水力压裂增透效果试验研究张永松(淮南矿业(集团)有限责任公司顾桥煤矿,安徽淮南232001)1矿井及试验区概况1613(1)工作面位于顾桥矿南三11-2采区,为南三采区首采面。
工作面可采长度1525m ,面长240m ,平均煤厚2.9m ,工作面上限标高-600~-700m ,煤层倾角1~4°,实测该区域最大原始瓦斯压力0.58MPa ,最大原始瓦斯含量5.5m 3/t ,煤层透气性差,为了防止工作面在回采过程中出现瓦斯超限事故,进一步保证安全生产,对该面实施了瓦斯抽采措施。
为提高煤层透气性和工作面瓦斯治理效率,在1613(1)工作面轨道顺槽施工6个顺层水力压裂增透试验孔,单孔最大注水量102.74m 3,平均注水量70.8m 3/孔,并对压裂效果进行了考察。
2试验方案2.1钻孔布置1613(1)轨道顺槽压裂钻孔及普通抽采钻孔布置示意图如图1所示。
将1613(1)轨顺分为压裂区和未压裂区来进行压裂效果、压裂半径的考察,前200m 范围内(压裂区)压裂孔间距50m ,中间940m 范围(未压裂区)钻孔提前施工完毕,未进行压裂,后400m 范围(压裂区)压裂孔间距100m 。
煤矿井下穿层钻孔水力压裂的现场应用研究
［ 收稿 日期］２ ０ １ ２ － １ ２ － ２ ０
孔 ，压裂 目 标煤层所在地层为龙潭组 ，煤系地层主
要 有砂岩 类 、泥质 岩类及 煤组 成 。
产出。碎粒煤与糜棱煤均属于塑性煤的范畴。因此
对 于碎 粒煤 与糜棱 煤 在压裂 过程 中无 法产 生有效 裂
缝 ，不 适 于水力 压裂 。
ｍ ｄ 数量级上 ，瓦斯抽放 困难 ，严重威胁煤矿 的生 产安 全 ¨ 。因此 煤储层 的低渗 特 征 是煤 矿 瓦 斯抽
采 的瓶颈 ，提 高 煤 储 层 的渗 透 性 是解 决 问 题 的关 键 。在煤 矿井 下进行 水 力压裂 时 ，除具 有增 透作用 以外 ，在 顶板 处理 、防突 、防冲 、降尘 、防 自燃 等
在煤层 压裂 效果 很差 的情况 下 ，可 以把排 气通 道 放 在煤层 的顶板 或 底板 （ 虚拟 储 层 ） ，来改 善 煤
层气的开采效果 ，从而达到提高煤层气的采出率的
目的 。其基 本方 法是 对煤层 及其 围岩 同 时进行 压裂 改造 ，由于 围岩 的可 压裂性 强 ，压裂 后 围岩 中裂 隙 在横 向和纵 向上延伸 更远更 深 ，煤储 层 中 的气 体 除 了钻 孔周 围 的气 体 可 以通 过压 裂 的煤 层 进入 钻 孔 ， 远离 钻孑 Ｌ 的煤层 气 主要通 过煤层 与 围岩 的接触 面处
煤矿 井 下 穿层钻 孔 水力 压 裂 的现场 应 用研 究
谢 长虹
（ 松藻煤电有限责任公 司 渝 阳煤矿 ，重庆 ４ ０ １ ４ ４ ８ ）
［ 摘
要］ 为解决煤层透气性低、瓦斯抽采效率低 而严 重制约采煤作 业的技术难 题 ，针对渝 阳
高压水力压裂技术在瓦斯治理中的应用研究
269瓦斯突出问题是威胁矿井安全生产的主要问题。
目前我国针对我国瓦斯治理主要是通过抽采的方式，但随着开采年限的不断增加，煤矿开采的重点逐步向着深部煤层转移，随着煤层深度的不断增加，煤层的透气性能有所降低，此时抽采瓦斯效果就得到一定的限制，为了解决低渗透煤层瓦斯抽采难的问题[3,4]，利用水力压裂的方式对煤层进行增透措施，从而提升瓦斯的抽采效率，本文利用数值模拟软件对水力压裂裂缝扩展及增透技术进行研究，为后续瓦斯治理提供一定的参考[1]。
1 数值模拟研究水力压裂是一个涉及到渗流力学、断裂力学和损伤力学的问题，内部涉及渗流场和应力场的多场耦合。
因此对水力压裂进行三维分析较为困难，所以本文研究水力压裂选用二维模型进行研究。
模拟软件选用ABAQUS模拟软件，模型尺寸设定为40m×40m正方体，在模型中心设定钻孔，在钻孔内设置注水点。
对模型进行网格划分，网格单元尺寸为0.1m×0.1m，在模型的左右两边进行应力施加，根据地质资料设定垂直方向应力18MPa，水平方向应力34MPa，注水孔内的注水速率设定为0.003m 3/s，对模型的物理参数进行设定，模型弹性模量设定为1.8GPa，抗拉强度为0.5MPa，泊松比为0.3，模型孔隙比0.1，破坏位移为0.001，滤失系数为1E-014，损伤稳定粘性为0.1，完成模型的建立[2]。
首先对裂缝内部的流体压力随时间变化趋势进行分析，绘制流体压力曲线如图1所示。
如图1所示可以看出，随着注液时间的不断增大，此时流体压力呈现出先增大后减小的趋势，在时间0s-9s时，此时的流体压力快速增大，钻孔内部的能量快速聚集，在9s时达到最大值即岩石的起裂压力，起裂压裂值为19.2MPa，继续注液到20.2s时，此时在上一阶段快速下降的流体压力在此节点呈现稳定的趋势，不会发生较大幅度的变化。
根据以上分析可以看出，岩石的起裂大致可分为三个阶段，分别为压裂准备阶段、压裂阶段和压裂稳定阶段。
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文章编号：1005-0930（2014）06-1128-012中图分类号：TD712文献标识码：Adoi：10.16058/j．issn．1005-0930.2014.06.009
收稿日期：2013-10-14；修订日期：2014-04-27基金项目：大型油气田及煤层气开发十二五国家科技重大专项（2011ZX05065）；国家自然科学基金项目（51374258）；中央高校基本科研业务费（CDJZＲ12240056）；重庆大学研究生科技创新基金优秀新生科研
培育项目（CDJXS122411XX）作者简介：葛兆龙（1983—），男，博士，硕士生导师．Tel：023-65106640，E-mail：gezhaolong@163．com
煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究
葛兆龙1，梅绪东1，卢义玉1，程亮1，夏彬伟1，陈久福2（1．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030；2．重庆市能源投资集团公司，重庆松藻煤
电有限责任公司，重庆401445）
摘要：针对目前煤矿井下水力压裂钻孔封孔材料易收缩、密封效果差、成本高及封孔长度不合理等问题，研究出一种由水泥、早强减水剂、聚丙烯纤维和拌合水组成的新型水力压裂封孔材料；通过室内实验优化出收缩率和抗压强度最优时的封孔材料配比及压裂钻孔封孔参数，建立新材料承压能力与封孔长度的计算关系式，并进行现场验证．结果表明，新材料的最优配比为m（水泥）∶m（水）∶m（早强减水剂）∶m（聚丙烯纤维）=1∶0.6∶0.03∶0.005；当钻孔孔径一定时，材
料承压能力与封孔长度呈线性关系，现场实验结果与封孔参数计算关系基本一致，该新材料是一种性能好、成本低廉以及操作配比简单的水力压裂封孔材料．关键词：突出煤层；瓦斯抽采；水力压裂；封孔材料；封孔参数
高瓦斯低透气性突出煤层瓦斯高效抽采是瓦斯治理的关键性技术难题，水力压裂技术具有增大煤层透气性、降低地应力及卸压范围大［1-2］等特点，对防治煤矿瓦斯灾害及煤层气开采起到了很好的作用［3-5］，在国内的多个矿区应用．压裂钻孔封孔是水力压裂技术的关键，正确选择封孔材料是压裂钻孔封孔成功的前提和保障．目前国内外用于煤矿井下水力压裂钻孔的封孔材料主要有水泥砂浆、聚氨酯、改性树脂以及PD复合材料［6-8］等；其中，水泥砂浆具有操作简单、成本低等优点，但是易收缩，密封效果差；聚氨酯材料与钻孔壁煤岩体的胶结能力弱、自身的抗压能力差，满足不了抗高压的要求，封孔长度也达不到理想的密封状态，同时材料有一定的毒性，价格高；改性树脂和PD复合材料，组成成分较多，材料制备工艺复杂而且成本高，煤矿难以承受，大范围的推广应用困难．煤矿井下水力压裂钻孔封孔质量主要取决于以下两个关键因素，一是封孔材料必须同时满足性能好、成本低廉以及配比简单等条件；二是封孔长度能够保证孔底高压水的作用下，钻孔不发生渗漏，但是封孔长度过长也会导致材料、人力、时间的浪费．要解决以上两个关键问题，必须寻找一种能够兼顾性能与经济性的新型水力压裂封孔材料，且从根本
第22卷6期2014年12月应用基础与工程科学学报JOUＲNALOFBASICSCIENCEANDENGINEEＲINGVol．22，No．6December2014上探索不同压裂孔孔径下材料封孔长度与承压能力之间的规律，建立计算关系式，避免钻孔封孔长度过长或者过短，造成封孔盲目性，导致水力压裂钻孔密封质量差、成功率低、封孔成本高等问题．本文在综合考虑上述因素的基础上，根据水力压裂钻孔密封对封孔材料的性能要求，综合分析水泥、早强减水剂、聚丙烯纤维等材料的特点，并进行实验室不同配比实验，最后优化出强度高、收缩率低、密封效果好、成本低的新型封孔材料．采用模拟钻孔封孔装置对新型封孔材料的封孔参数进行实验研究，建立不同钻孔孔径条件下新材料封孔长度与承压能力的计算关系式，计算在所需煤层起裂压力下钻孔的合理封孔长度，最后通过现场试验，分析并验证该封孔材料的实用性和优越性．
1水力压裂钻孔密封原理
煤矿井下水力压裂钻孔封孔是将压裂管与封孔材料以及地层煤岩体胶结在一起，从而形成一个纵向上的水力封隔系统．通过实验和煤矿井下水力压裂现场实践表明，不管是穿层条带还是本煤层水力压裂，压裂孔密封质量不好，渗漏水严重都会影响压裂效果，分析其原因主要有两种，（1）通过压裂钻孔封孔材料本身渗漏；（2）通过钻孔周围裂隙圈渗漏．因此，水力压裂钻孔封孔材料本身致密抗渗及其对钻孔周围裂缝密封是封孔材料的关键因素．封孔材料在注浆压力作用下，注入压裂钻孔一定长度，材料流动充满该段密封钻孔并扩散进入填充钻孔周边裂隙区的范围，使得钻孔到裂隙区范围内的渗透率和力学状态发生改变［9］，增加了钻孔周围煤岩体的密实度和强度，从而达到了对压裂钻孔周围以及密封连接处间隙或缝隙进行密封［10］．封孔材料通过自身及与钻孔壁、压裂管壁的固化胶结
实现对压裂钻孔的高压密封．上述钻孔密封原理，为优化出适用于井下煤矿水力压裂孔的封孔材料提供理论基础．
2新型水力压裂封孔材料研究
采用封孔材料进行水力压裂钻孔密封的关键在于封孔材料的选择．根据钻孔密封原理，防止压裂钻孔密封失败的发生，一是防止密封界面产生微间隙；二是避免封孔材料中形成通道．即要求材料具有较强的胶结能力和抗透水能力，而材料的胶结能力和抗透水能力与材料的致密程度、收缩率、抗压强度等性能紧密相关．因此封孔材料的基本要求是：（1）材料整体致密，胶结能力强、抗压强度高；（2）收缩小，凝固后能达到准确的封孔位置；（3）封孔材料的组成粒径小，能进入钻孔周围裂缝，同时对钻孔周围煤岩体有加固作用；（4）耐老化、干裂性能强，具有较高的抗冲击断裂韧性；（5）井下使用方便、操作配比技术
难度低；（6）各原料来源广泛，成本低．2.1原材料选择
根据煤矿井下水力压裂钻孔密封对封孔材料的要求，采用总体控制，反向调节的思路．采用以水泥浆为主料，对材料的性质起总体控制作用；在其它成分的选择上，力求使单一组分仅调节材料的某一指标，对材料总体性质没有明显影响．参考国内外相关文献［11-15］，以水泥浆作为主要成分，选择早强减水剂作为外加剂，并
9211No．6葛兆龙等：煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究加入聚丙烯纤维．其中，早强减水剂的作用是：（1）增强材料的早期抗压强度，减小收缩；（2）增加浆液的流动性，使浆体在管路中容易输送；（3）使封孔材料能够最大限度地渗入
钻孔周边裂缝中，加固钻孔周围煤岩体．聚丙烯纤维的作用是：（1）提高浆体的密实程度，同时提高抗渗性能、抗裂性能以及抗冲击性能，起加强筋作用，使浆液胶结融合；（2）改善界面胶结质量，减小收缩，增强密封效果．并且聚丙烯纤维与早强减水剂的作用无相互影响，新型封孔材料组成及各组分作用如图1所示．
图1新型封孔材料的组成及各组分的作用Fig．1Componentsofnewsealingmaterialandcomponent'seffect
新型封孔材料的基本成分如图2所示，为满足材料性能要求，水泥为42.5Ｒ拉法基普通硅酸盐，水泥品质符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175—99）标准；外加剂为重庆某公司生成的早强减水剂，型号为Ms型，推荐加量2%—4%；纤维采用聚丙烯纤维，其物理力学参数见表1；水为干净的自来水．
图2新型封孔材料的基本成分Fig．2Basiccomponentsofnewsealingmaterial
表1聚丙烯纤维的物理力学参数Table1Physicalandmechanicalparametersofpolypropylenefiber
类型密度/（g/cm3）直径/mm规格/mm抗拉强度/MPa弹性模量/MPa熔点/℃燃点/℃耐酸碱性分散性束状单丝0.910.0489≥350≥3500165590极强极好
2.2实验方法
新型封孔材料需具备较小收缩率和较高强度，同时具备较大的流动性．为获得满足施工工艺要求的封孔材料最优配比，实验测试封孔材料的收缩率和抗压强度．（1）收缩率测定采用Φ50×260mm的PVC管，一端用稠水泥浆密封，将新型封孔材
料灌入一端密封的PVC管中，试件有效长度为250mm，每个配合比6根试件，如图3所
0311应用基础与工程科学学报Vol．22示，在（20±2）℃的养护室中养护，以新型封孔材料灌满PVC管为基准长度，待材料凝固24h后用游标卡尺测量材料的收缩长度l，游标卡尺精度为0.1mm，收缩率取6根试件的
平均值．则封孔材料收缩率为
s=l250×100（1）式中，s为封孔材料的收缩率，%；l为材料的收缩长度，mm；250为试件的有效长度，mm．
图3收缩率实验试件Fig．3Specimenofshrinkagetest
（2）抗压强度测试模具为70.7mm×70.7mm×70.7mm，成型后立即用PE保鲜膜覆
盖，标准养护24h拆模，在养护室进行养护，每个配合比6个试件，如图4所示．采用日本岛津压力试验机分别测定1、3、7d的单轴抗压强度．
图4抗压强度实验试件Fig．4Specimenofcompressivestrengthtest
测试共有3个变量：水灰比、聚丙烯纤维体积掺量以及早强减水剂质量掺量；水灰比依次为1∶1、0.8∶1、0.6∶1，聚丙烯纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，早强减水剂质量掺量分别为2%、3%、4%；通过单掺以及复掺配合比组合
方式，测试并记录各配比材料的收缩率与抗压强度．2.3实验结果分析
2．3．1收缩率实验封孔材料收缩率对其致密程度、抗压强度、胶结能力、封孔位置有
重要影响．不同水灰比下，材料收缩率随聚丙烯纤维体积掺量变化如图5所示．
1311No．6葛兆龙等：煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究