[01132312]煤层气压裂驱替开采与治理区域瓦斯理论与成套技术

项目属于煤炭开采技术、矿山安全技术领域。 煤矿中的低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出、地面煤层气开采等是制约矿井安全高效生产的技术难题。解决这些技术难题涉及一个共性的核心问题--煤层结构改造,在煤层中人工增加裂缝,改善其渗透性等。压裂是实现煤层结构改造的有效途径。煤层结构复杂、煤层质软、瓦斯的吸附解吸效应、天然裂缝发育、非均质性严重、采动影响等特点导致煤层压裂变得复杂,煤矿井下压裂和煤层气的开发实践已经证明了这一点。本项目以煤层压裂为研究方向,围绕其裂缝扩展、驱替瓦斯等科学问题开展研究。将煤层气开采与治理瓦斯相结合,采用水压致裂、气压致裂等进行煤层压裂增透与驱替瓦斯,形成了煤层压裂驱替开采与治理区域瓦斯的理论与具有完全自主知识产权的技术体系。该项目实现了三大创新： 1、揭示了煤层压裂的孔隙压力梯度作用机制与缝网扩展规律。研制了水力致裂驱替瓦斯的流固耦合实验系统。揭示了考虑孔隙压力及其梯度作用的水力致裂细观机理,提出并验证了孔隙压力可能导致致裂的破裂水压力增大,克服了传统岩石力学中基于饱和土力学的有效应力公式的不足。建立了考虑动态渗透率的煤岩层水压主裂缝三维扩展与诊断模型,揭示了水压翼型裂纹扩展规律及其结构改造效应,揭示了煤层水力致裂的空间裂缝网络形态特征,得出了煤层夹矸等结构对压裂的影响规律。 2、阐明了煤层压裂驱替的效应,建立了安全评价准则。发现了含瓦斯煤层水力致裂的驱替瓦斯现象及应力扰动效应,揭示了含瓦斯煤层水力致裂驱替瓦斯的作用机制,针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。揭示了煤层水力致裂的围岩应力演化规律及应力扰动作用机制,建立了煤层水力致裂的应力扰动评价方法。揭示了煤层压裂的微震信号特征,建立了震源定位可靠性综合评价模型。针对煤层压裂的应力扰动与驱替等效应,基于压裂过程与微震的监测,建立了矿井下煤层压裂的安全评价准则。 3、形成了地面煤层气与井下压裂驱替的成套工艺技术。在60 MPa坚硬顶板水力致裂成套装备的基础上,发展完善了矿井下煤层压裂成套装备。针对不同工程特点,控制水压裂缝的扩展长度、数目及均匀程度等,改造煤层结构,实现煤层增透、弱化消突、驱替瓦斯、抽采等功能。研发了深孔压裂驱替与浅孔抽采的消突技术、“五花井”-驱抽综合排采法、“脉冲水力致裂+常规水力致裂”组合式致裂等地面与井下压裂驱替的成套工艺技术。突出煤层掘进节省了10个区域孔的工程量和施工时间,区域消突瓦斯抽采时间减少8.3 h以上。与压裂前同时期相比,压裂后单孔瓦斯抽放量提高了5.9倍。地面煤层气压裂驱替后使单井年增产煤层气12万m3。 项目出版专著1部,发表论文65篇,其中SCI收录30篇、EI收录41篇,授权美国发明专利1项、国内发明专利11项、实用新型专利3项、软件著作权1项。申请发明专利5项。 成套技术与装备已在沁水煤田等的128个煤层气井和11个煤矿推广应用。在低透煤层压裂增透的机制、规律、效应、成套技术与装备等方面取得系统性突破。相应技术入选2017年科技部和国家安全生产监督管理总局的安全生产先进适用技术与产品。