井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯应用研究.doc

沙曲矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯应用研究 摘要：水力压裂技术可以有效的提高煤层的透气性，无需提高抽采负压而实现有效抽采，提高抽采瓦斯浓度。华晋公司引进压裂技术，在沙曲矿4号#煤层两个本煤层钻孔开展水力压裂，实验最终圆满成功。通过此次实验的形成了适合于沙曲煤矿的井下水力压裂系统工艺，包括压裂工艺选择、压裂设计、压裂实施、效果检验、安全防护措施的“五位一体”技术。关键词：水力压裂 瓦斯浓度 透气性 钻孔一、1 技术背景介绍水力压裂是一种集区域和局部瓦斯治理为一体的新工艺。将地面煤层气开发的成熟技术移植到井下，针对不同煤体结构煤储层，采用不同的压裂方案，以达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的。井下水力压裂可显著增加煤层的透气性，在无需过高抽采负压的情况下即可实现有效抽采，加上封孔技术的改进，可最大限度降低抽采过程中的漏气现象，提高抽采瓦斯浓度，为瓦斯发电乃至瓦斯综合利用提供稳定气源。通过压裂可实现掘进头深孔压裂增透可实现大循环进尺，降低区域消突工程成本。煤层压裂增透加速瓦斯的运移产出是压裂的核心目标；同时煤层注水后显著提高了瓦斯产出的启动压力梯度，在瓦斯产出到低于启动压力梯度时就终止运移，只存在扩散。因此，在瓦斯含量降低到一定程度时，压裂又起到抑制瓦斯涌出的作用，这对于回采过程中杜绝上隅角瓦斯超限有重要意义。通过水力压裂可以改变煤体强度。硬煤注水后煤体强度降低，软煤注水后煤体强度则增加。软煤注水后强度的增加意味着抵抗突出的能力增加，并能起到降尘的作用。 二、2 研究开展情况介绍 为了有效治理沙曲矿井下瓦斯，华晋公司开展了水力压裂技术研究，研究内容如下：（1）煤体前方应力集中带研究；（2）水力压裂布孔方案研究；（3）注水量与有效半径关系研究；（4）煤体破裂压力研究；（5）注水量与瓦斯突出预测指标关系研究；（6）水力压裂前后瓦斯参数对比研究；（7）最佳注水参数确定研究；（8）注意事项及安全措施研究。1、2.1 技术路线根据研究内容制定了以下技术路线，详见图1。图1 研究技术路线图通过此次研究计划取得以下技术经济指标：使得抽采半径增加1倍以上、钻孔瓦斯涌出量增加3050%、透气性系数增加5倍以上；形成一套适合于沙曲煤矿的井下水力压裂系统工艺。2、2.2 水力压裂装备图2 HTB500型高压注水压裂泵组（左）和QJZ系列真空电磁启动器图3 厚壁无缝孔内高压钢管（左）和压裂用高压软管（右）实物图2.3 3、压裂装备联接图4 压裂设备系统联接示意图压裂装备的联接顺序为输水管压裂泵高压胶管钻孔内部管路，附属设备包括水阀、压力表、流量表、电控柜等。4、2.4 压裂试验地点选择图5 井下压裂地点示意图通过井下实地考察，结合部分参数测试结果及现场施工条件，选定24305尾巷2横贯到5横贯之间的范围作为井下钻孔水力压裂的试验地点。5、2.5 压裂钻孔布置为有效确定水力压裂半径及压裂影响范围内瓦斯抽采情况，在24305尾巷施工如图所示的顺煤层钻孔，84m区块内共施工11个钻孔，其中首先施工2个压裂孔进行压裂，压裂后施工9个效果检验孔考察压裂影响范围及效果，钻孔布置如如图6所示。钻孔施工长度由钻机能力、地质条件、煤层赋存情况等确定在（100m142m之间）。图6 钻孔平面布置图6、2.6 钻孔封孔工艺钻孔用96mm钻头开孔，用133mm钻头由孔口扩孔至孔内不少于10m处。孔内压裂管内径为50mm，壁厚10mm的无缝钢管，每根长1.5m，压裂管前端为3m花管，两头套丝进行连接；孔外压裂管（1寸高压胶管）内径为25mm，壁厚为13mm，工作压力35MPa，试验压力50MPa，每根长20m，与孔内压裂管采用2变1抗高压接头连接。封孔注浆管采用4分镀锌管，每根长1.5m，两头套丝，采用管箍连接，距孔口6m开始钻孔，一周3个孔，不在同一圆周上，孔间距0.2m，孔径8mm。注浆管外端通过球阀与注浆泵连接，注浆时开启，注浆结束后及时关闭。 封孔段内端采用棉布扎成“马尾巴”封堵，其方法是将“马尾巴”绑结实在压裂管上，当压裂管约有45m时停止送管，向孔外方向拉动压裂管，“马尾巴”收缩，起到封堵砂浆及过滤水的作用。“马尾巴”长度不小于0.3m，条数以与孔壁较紧密接触为准。为减小下管阻力，注浆管与压裂管可捆绑同下，但要注意在孔口注浆管与压裂管应有长度差，以便顺利安装三通、球阀等。准备工作进行完毕，注如高强度化学封孔材料进行封孔，两个压裂钻孔封孔深度分别为3334m。7、2.7 压裂试验过程2011年11月1日正式进行压裂，压裂泵安置在尾巷口，同时为保证现场施工的安全性，尾巷和胶带的工作人员全部撤出，压裂时先对水管进行了漏水实验。在此次实验过程中，先对1#钻孔进行压裂，之后压裂2#钻孔。1#孔压裂：先开压裂泵开泵空转试运行，7min时压力3MPa，开水管送水在51min时压力达到最大值20.6MPa，此后压力逐渐减小72min压力降为0MPa时压裂结束(1#孔共注入水量约为24m3，卸压放水约4m3)。图7 1#孔水力压裂时间与压力图2#孔压裂：先开压裂泵开泵空转试运行，25min时压力3MPa开水管送水，在86min时压力达到最大值25.7MPa，此后压力逐渐减小116min压力降为0MPa时压裂结束(2#孔共注入水量约为33m3，卸压放水约3m3)。图8 2#孔水力压裂时间与压力图三、3 压裂效果考察与分析1、3.1 压裂效果考察钻孔瓦斯参数1#孔压裂后观察时间43天，抽采负压为70-50mmHg,压裂前抽采量约为0.3m3/min，压裂后最高观测流量为0.627 m3/min，此后抽采流量逐渐降低，最低0.29 m33/min；日均抽采量0.383 m3/min ，较压裂前日均抽采量提高28%，累计多抽采瓦斯量5139m3；压裂前抽采浓度为40%，压裂后抽采瓦斯浓度最低为40%、最高95%，压裂后43天平均抽采浓度76%，较压裂平均抽采浓度提高近1倍，详见图10、图11图10 1#钻孔压裂前后抽采对比表图11 1#孔压裂浓度对比表2#孔压裂后观察时间43天，抽采负压为70-50mmHg,压裂前日均抽采量0.055m3/min，压裂后最高抽采流量为0.335 m3/min，最低抽采量0.13 m3/min；日均抽采量0.266 m3/min ，较压裂前提高400%，累计多抽采瓦斯量13065 m3；压裂前抽采浓度为40%压裂后抽采瓦斯浓度最低为3%、最高70%，日均抽采浓度41%较压裂前变化不大，详见图12、图13。图12 2#孔压裂后抽采量对比表图13 2#孔压裂前后浓度对比表2、3.2 压裂效果考察流量衰减系数表1 钻孔流量衰减系数及钻孔极限排放瓦斯量计算结果表 由表1可以看出，压裂前后钻孔流量衰减系数降低90.63%92.70%。92.70%。3、3.3 压裂效果考察煤层透气性系数表2 煤层透气性系数测定结果由表2可以看出，压裂前后煤层透气性系数提高6.217.16倍。综上可知，此次井下穿层水力压裂，使岩层与煤层得到了很好的勾通，从而大大改善了煤层的透气性，提高了抽采效率。压裂增透效果显著。4、3.4压裂效果考察压裂有效范围压裂的有效范围测试方法为：在水力压裂完成后及时施工检验孔，观察并记录检验孔施工过程中的特殊现象，如大量出水等。并测试检验孔的瓦斯数据，与之前的测试的对比孔瓦斯数据进行比较分析，以判定压裂的有效范围。由钻孔瓦斯流量测试数据可知，采用井下钻孔水力压裂抽采技术，使得抽采半径增加1倍以上。七、建议4 结语为了提高抽放瓦斯的效果，未卸压煤层钻孔抽放负压一般选用100200mmHg，最低不宜小于50 mmHg。但目前抽采负压基本上未达到要求。建议提高负压，以增强对瓦斯的抽采效果。抽采管路的气密性对抽采浓度和流量影响都非常大。压裂后，由于测试自然流量的原因致使压裂孔孔口与抽采管路连接处密封不好，导致前期抽采浓度不高。建议加强气密性检查，使数