碎软低渗煤层的煤层气地面抽采,多年来一直是制约我国煤矿瓦斯灾害防治和煤层气产业化发展的技术瓶颈,也是世界性技术难题。突破碎软低渗煤层的煤层气地面抽采技术,是当今亟待研究的重大科学技术命题。本文依托"十二五"国家油气科技重大专项"两淮矿区煤层群开采条件下煤层气抽采示范工程"项目(2011ZX05064),应用煤地质学、石油天然气地质学、渗流力学、断裂力学、油气藏开发、储层模拟等理论和方法,通过理论研究、分析测试、物理模拟、数值模拟,开展了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采模式的压裂裂缝扩展规律及机制、高效水力压裂强化增产等理论和技术工艺研究,并通过淮北矿区芦岭煤矿碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采示范工程验证,取得了以下主要研究成果和认识。(1)建立了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展规律研究分析的、展现顶板--煤层--底板力学性质、地应力特征和水平井层位的地质—工程模型。(2)设计并进行了围压条件下多组表征碎软低渗煤层顶板水平井定向穿层压裂的物理模拟试验,揭示了在合理的水平井层位和合理的泵注排量条件下,顶板水平井压裂裂缝能够从人工顶板岩层向下穿层扩展并贯穿人工煤层,为顶板水平井分段压裂强化改造碎软低渗煤层的可行性提供了实验佐证。(3)揭示了顶板岩层水平井在向下定向射孔约束条件下的水力压裂裂缝扩展规律及机制,并建立了相应的裂缝扩展模型。在紧邻煤层的顶板岩层进行水力压裂,不仅压裂裂缝能够从高应力值的顶板岩层向下伏较低应力值的碎软低渗煤层穿层扩展和贯穿,而且在下伏碎软低渗煤层中形成的裂缝长度,由于相对脆性的顶板岩层压裂缝在横向延伸同时对煤层产生的撕扯作用,要比直接在碎软低渗煤层中进行水力压裂形成的裂缝更长。在给定的地质-储层条件和压裂工艺参数条件下前者缝长是后者缝长的6.7倍。显然,在紧邻煤层的顶板岩层进行水力压裂,大大增加了碎软低渗煤层的强化增产效果。(4)在排量为8m~3/min等模拟条件下,确定出依次压裂的最优压裂分段间距为100m,交替压裂的最优压裂分段间距为70m。(5)研究成果得到了淮北芦岭煤矿碎软低渗突出煤层顶板水平井分段压裂煤层气抽采示范工程的验证,取得了良好效果。该水平井的水平段长586m,分7段压裂,累计注入压裂液6627 m3,石英砂541m3,加砂强度77 m3/段,煤层气最高日产气量10760m3、连续3个月日产气量10000 m3以上、连续17月平均日产量高达7075 m3、已累计产气量401万方,创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井水力压裂加砂量和产气量的新纪录。我国晚古生代煤田碎软低渗煤层分布广泛,高瓦斯突出矿井众多。本论文研究成果对于该类煤层的煤矿区煤层气地面抽采,尤其是突出煤层的掘进煤巷条带瓦斯地面快速预抽和区域瓦斯消突,瓦斯灾害防治,具有借鉴和指导作用,应用前景良好。