煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术研究进展、关键科学问题与展望

煤炭学报
网络首发时间：2024-06-17 08:56:55

作者

杨科张寨男华心祝刘文杰吕鑫池小楼王长城李彩青
单位

安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室都灵理工大学环境土地和基础设施工程学院
摘要

煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术是指导深部高瓦斯松软低渗煤层瓦斯高效抽采的关键手段。据此提出煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路，包括前期科学规划、中期工程施工和后期安全管理3个阶段。梳理了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采全生命周期开发研究进展，构建了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采关键科学问题的总体研究框架，并概述了其未来发展方向。结果表明：煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展受地质因素、施工参数和物性参数等影响变得极其复杂，综合评价裂缝扩展多因素影响下的主次关系，揭示多因素影响下的煤层顶板压裂裂缝扩展机理是亟待解决的问题。探寻应力、水、温度与煤体因素耦合对煤层瓦斯吸附、解吸与运移的促进与抑制作用的临界关系，建立多因素临界指标下的煤层瓦斯吸附与解吸最优模型，是实现煤层瓦斯高效排采的关键。目前，煤层顶板压裂遗留水在污染水源、抑制瓦斯排采和危险性聚集方面的研究不足，且缺乏“中国化”的管理经验和技术支撑。以煤层顶板压裂工程全生命周期开发思路为导向，分析了其高耗水性、压裂液选择及潜在污染、支撑剂合理选择、空气污染和地震风险等人文环境问题，提出了与之相对应的政策法规制定思路。实现复杂环境中多裂缝竞争扩展实时精准监测，揭示多因素影响下煤层顶板分段压裂与跨界面裂缝扩展机理，构建煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展有效影响半径评价模型，探究三向应力与煤体结构双重异性条件下水气运移规律，实现煤层顶板水平井压裂水气聚合潜在危险区超前探测，建立煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采效果的精细化评价模型是目前亟待解决的关键科学问题。最后对煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术的精准化、协调化、智能化、综合化和示范化发展方向进行了展望。
关键词

顶板水平井全生命周期卸压效果水气运移潜在危险区排采效果
文章目录

1 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路
2 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采全生命周期开发研究进展
2.1 煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展影响因素
2.1.1 压裂液
2.1.2 支撑剂
2.1.3 顶板-煤层物性参数及其界面特征
2.1.4 压裂施工与瓦斯排采参数
2.1.5 天然裂缝
2.1.6 地应力
2.1.7 层理
2.2 煤层瓦斯吸附-解吸-运移影响因素分析
2.2.1 煤体结构与宏观煤岩类型
2.2.2 水
2.2.3 应力
2.2.4 温度
2.3 煤层顶板水平井分段压裂潜在危险区分析
2.3.1 瓦斯危险性聚集易形成抽采盲区
2.3.2 遗留水流动方向不明形成潜在突水区
2.4 人文环境影响
2.4.1 “高耗水”性可能诱导用水压力
2.4.2 压裂液合理选择及其潜在污染性
2.4.3 支撑剂的合理选择
2.4.4 空气污染及地震风险
2.5 政策法规
3 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采关键科学问题
3.1 总体研究框架
3.2 煤层顶板水平井分段压裂卸压有效范围精准确定
3.2.1 复杂环境中多裂缝竞争扩展实时精准监测
3.2.2 分段压裂多裂缝多因素耦合竞争扩展机制
3.2.3 水力裂缝跨界面扩展的多因素耦合影响机制
3.2.4 煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展有效影响半径评价模型
3.3 三向应力与煤体结构双重异性条件下水气运移规律
3.4 煤层顶板水平井分段压裂水气聚合潜在危险区超前探测
3.4.1 煤层顶板压裂卸压瓦斯排采盲区超前探测
3.4.2 煤层顶板压裂遗留水聚集特征超前探测
3.5 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采效果的精细化评价模型
4 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术发展方向
5 结论

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