潘一矿水力压裂实施方案.doc

潘一煤矿21111(1)顺槽底抽巷水力压裂方案中煤科工集团重庆研究院淮南矿业（集团）有限责任公司潘一煤矿2014年3月2目 录1 前言12 水力压裂增透工艺试验32.1 压裂地点概况及压裂钻孔布置32.2 井下水力压裂增透措施52.3 压裂孔封孔工艺62.4 压裂试验数据监测73 水力压裂效果考察93.1 压裂有效半径范围考察93.2 实验室煤样基本参数测定93.3 煤层瓦斯含量计算103.4 煤层透气性系数测定113.5 抽采半径考察12141 前言水力压裂是以水作为动力，使煤体裂隙畅通的一种措施。水力压裂增透技术就是通过钻孔向煤层压入高压水，当水压入的速度远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力增加，进入煤层的液体压力逐渐上升，当超过煤层上方的岩压时，煤层内原来的闭合裂隙就会被压开形成新的流通网络，煤层渗透性就会增加。当压入的液体被排出时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好的条件。对煤层进行水力压裂后，改变了煤的物理力学性质、渗透性质以及煤层的应力状态，相应地改变突出的激发和发生条件，从而可使采掘作业时防止或减少突出的危险。水力压裂可使煤中裂隙和孔隙的容积以及煤的结构发生变化，甚至造成煤的破裂和松动，起到水力疏松煤体的作用，使煤层近工作面部分卸压和排放瓦斯。煤体的湿润，可引起发生突出的条件和突出煤层的性质发生以系列的变化。研究和试验考察表明，煤体注水湿润可使煤的力学性质发生明显变化，煤的弹性和强度减小、塑性增大，从而使巷道前方的应力分布发生根本变化，即高应力区向煤体深部转移，应力集中系数减小。煤体湿润后，透气性成百和上千倍低降低，水对瓦斯起到明显的阻碍效应，煤中瓦斯涌出量和速度都大幅度地下降。上述的各种变化表明，注水湿润煤体可以消除或降低煤层和近工作面处的突出危险。总体来说，水力压裂从以下三方面降低煤层的突出危险性： （1）对煤层的物理力学性质改变作用：具有压裂作用，通过水力压裂可以使裂隙不断贯通、扩大，扩大润湿半径，并产生“膨胀收缩膨胀”的反复作用，最大范围地改变煤层的物理力学性质； （2）对瓦斯的驱替作用：通过水力压裂最大限度的使水渗入到不同孔径的裂隙、孔隙中，最大限度地增加煤体的润湿性，会将不同孔内的瓦斯气体驱替出来； （3）改变地应力的分布规律：水力压裂可以使得工作面前方应力通过水压的传递作用变得更加均匀，从而降低由于应力不均匀分布造成的煤层突出的危险性。 含瓦斯煤体实施水力压裂后，抽采钻孔短时间内瓦斯浓度与抽采量均大幅增加，加快了抽采速度，降低了煤层瓦斯含量，是提高瓦斯抽采效率的有效技术手段之一。潘一矿21111(1)顺槽区域瓦斯压力大，含量高，钻孔工程量大，掘进速度缓慢，制约了矿井的生产接替，因此需寻求一种增透强化抽采工艺技术，提高矿井的生产效率。为提高煤巷条带穿层消突钻孔的预抽效果，增加煤层透气性，选择对21111(1)顺槽底抽巷采取水力压裂增透技术。方案编制及设计的主要依据如下： (1) 煤矿安全规程，国家安全生产监督管理局国家煤矿安全监察局，2012年； (2)防治煤与瓦斯突出规定，国家安全生产监督管理总局，2009年； (3)煤矿瓦斯抽放规范，国家安全生产监督管理总局，AQ1027-2006，2006年； (4) 煤矿瓦斯抽采指标暂行规定，国家安全生产监督管理总局、国家发展和改革委员会、国家能源局、国家煤矿安全监察局，2011年； (5) 煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法（2007版）, AQ/T1047-2007； (6) 煤层瓦斯含量井下直接测定方法(2009版)，GB/T 23250-2009 (7) 潘一矿提供的相关资料。2 水力压裂增透工艺试验 潘一煤矿21111（1）顺槽底抽巷穿层钻孔抽采浓度较低，为提高揭煤消突钻孔的预抽效果，达到快速消突的目的，选择对该处揭煤采取水力压裂增透技术。为保证水力压裂工作安全有序进行，特编制本安全技术措施方案。2.1 压裂地点概况及压裂钻孔布置 潘一矿21111（1）顺槽底抽巷（-790m东翼胶带机大巷）为二水平运煤大巷，兼做21111（1）顺槽掩护巷。巷道断面形状为直墙半圆拱，巷道净宽净高为：5500mm4350mm。该巷道内共安排3台钻机正常施工。该区域直接顶为11-3煤砂质泥岩，厚度05.3/3.32，m，砂质泥岩：灰色，砂泥质结构，砂质含量不均，上部偶见植化碎片。11-3煤：黑色，碎块至粉末状，沥青光泽，暗煤。直接底为泥岩11-1煤，09.08/4.52m，泥岩：灰色、局部深灰色，泥质结构，层内含较多植化碎片，薄层状，岩性较脆，易碎，岩芯局部完整，局部发育碳质泥岩。11-1煤：粉末状为主。老底细砂岩2.8431.7/14.34m，细砂岩：浅灰色，块状，细粒，石英长石为主，硅钙质胶结，分选差，顶部与泥岩互为薄层状，水平层理，抗压强度为37.5Mpa。该区域综合柱状图见图2.1。根据淮南矿区前期的压裂工程实践及潘一矿该区域煤岩地质条件，本次压裂试验压裂半径按40m进行设计，设计3个压裂钻孔，分别为压1#孔和压2#孔。钻孔施工至煤层距煤层顶板0.5m处，不穿透煤层。钻孔布置参数见表2-1，钻孔布置图见图2-2.表 2-1 压裂钻孔设计参数孔号孔径(mm)仰角()与钻场中线夹角()预计见煤深度(m)孔深（m）备注压2# 113/94+50右偏9040.342.3不穿透煤层，距顶板0.5m。压3# 113/94+50右偏904244压4# 113/94+50右偏9043.845.8图2-1 揭煤区域局部煤系地层综合柱状图（a）剖面图70m70m（b）平面图图2-2 压裂孔设计图钻孔的开孔位置应选择在煤壁或岩石完整的位置；钻孔施工参数应严格按照设计执行，保证钻孔平直、孔形完整。钻孔进入煤层时必须干式作业，严禁用水打，并在巷道或钻孔口采取喷雾降尘措施。在钻孔施工中，应准确记录钻孔参数、钻孔见各煤层时的长度，钻孔在煤层中的长度，以及钻孔开孔时间、见煤时间及结束时间及其它情况（包括喷孔煤量、瓦斯涌出量等）。并按表2-2所示格式详细记录。表2-2 钻孔施工记录表 矿井名称 煤层名称 煤层厚度 封孔时间 1 2 3 钻孔方位角/倾角/见煤点长度/m钻孔总长度/m施工时间开孔见煤终孔12342.2 井下水力压裂增透措施 压裂参数设计涉及到压裂设备选型、压裂施工参数及压裂效果。其主要涉及泵注压力及注入液量的设计。 （1）泵注压力的确定在压裂中压裂泵的泵注压力Pw可表示为Pw=Pk - PH +Pr+Pf因此压裂泵的额定压力应大于泵注压力Pw，其功率至少为泵注压力与流量的乘积。经初步计算，煤层起裂压力在20-25MPa之间，泵注压力在30MPa左右。（2）压裂用液量的设计前置阶段对已一定煤层，为了增强压裂效果，可设计添加适当比例表面活性剂、阻燃剂，随同压裂液压入压裂孔。本次试验不要求添加活性剂与阻燃剂。前置液用量按下列式计算：顶替阶段当前置液用量达到设计数量时，开始计顶替液。应准确计算顶替时间及液量，不得减少或增加顶替液量。顶替液用量计算公式如下： 经初步计算，该次压力煤层注水量在150m3左右。2.3 压裂孔封孔工艺1、封孔管加工压裂钻孔需送入25mm内径的压裂管，压裂管每根长1m，采用特制接头连接，压裂煤层底板以上至终孔位置采用筛管。压裂钻孔孔口段10m送入25mm内径的超高压无缝纲管，每根无缝钢管长2m，采用丝扣连接；孔外的一根无缝钢管尾端焊接25mm高压直通快速接头，确保能正常与两根19mm内径高压缠绕钢编管连接。由于送入孔内钢管重量重，为确保钢管不从孔内向下滑，还需在最后一根钢管孔外段加工支撑块。2、压裂孔的封孔工艺压裂钻孔全孔段直径为94mm，确保6分注浆管能正常送入孔内。本次水力压裂钻孔封孔工艺采用多次封孔。在进行多次封孔前，首先按照设计钻孔参数施工钻孔至煤层底板，然后使用水泥进行注浆。待注浆凝固后进行再按照压裂孔设计参数施工压裂孔至煤层顶板，不穿透煤层，钻孔施工完成后进行压裂孔封孔。压裂孔封孔示意图如图2-3所示。图2-3 压裂孔封孔示意图压裂孔孔内压裂管管内径为25mm的无缝钢管，用专用接头进行连接；压裂煤层底板以上至终孔位置为筛管，筛管外用纱布包裹；孔口10m段压裂管内径为25mm加厚无缝钢管，抗压能力不小于50MP。压裂管采用钻机送入，直接送入压裂钻孔孔底，管口与截止阀连接，截止阀与注浆泵注浆管连接；注浆时开启截止阀，注浆结束后及时关闭截止阀。压裂钻孔孔口采用马丽散加棉纱封堵，长度不低于2m，同时在孔口打入木塞。封孔采用多次带压注浆，水泥浆按照水灰比0.7:1，白水泥与425#水泥比1:3配备，注浆压力不得小于4MPa。首先通过注浆管向孔内进行注浆，水泥浆从返浆管流出后关闭注浆管孔口阀门。待水泥浆凝固一段时间后，压裂孔孔内的水泥浆会有一定的下沉，此时通过返浆管再次向孔内进行注浆，直至压裂管返浆，反复进行23次，然后关闭返浆管截止阀。压裂孔注浆至进入11-2煤层0.5m位置处。2.4 压裂试验数据监测为更好的取得压裂效果，压裂实施过程中，须时时监测注水压力与流量。由于试验中采用远距离操作，由于高程落差，管路摩阻等因素的存在，在压裂泵处监测到的压力仅为泵注压力，与压裂孔内的压力相差甚远，为精确计算并实施监测孔内压力变化，试验中设计在压裂孔孔口安装压力传感器，实现孔内压力变化的远距离精确监测。流量及累计注入量可在泵注系统管路中安装流量计，实现时时监控。在压裂孔及其周边10m范围内安设瓦斯浓度传感器，监测压裂钻场内的瓦斯浓度变化。记录数据格式见下表：表2-3 压力传感器数据记录表孔号时间(hh:mm)泵注压力(MPa)孔口压力(MPa)累计注入时间(min)备注表2-4 流量传感器数据记录表孔号： 工作面： 记录人：时间（hh:mm）持续时间(min)流速(m/s)流量（L/min）累计注入量(L)回流量(L)备注表2-5 瓦斯浓度记录表孔号时间(hh:mm)传感器距压裂孔口距离(m)浓度(%)备注3 水力压裂效果考察压裂孔实施后，拟在其周边布置压裂效果检验孔，考察内容主要有两部分：一为压裂对瓦斯抽采的影响，包括抽采浓度，流量及半径考察；二是压裂在增加煤层透气性的同时，是否会对煤炭开采产生影响，主要从地应力场分布、顶底板移动及煤层破坏等角度考察。考察半径为压裂孔周边半径40m范围。3.1 压裂有效半径范围考察压裂后的有效半径内的煤层其渗透率得到一定程度的提高，因此其瓦斯涌出量较未压裂煤层要大。有效半径的考察主要是在压裂孔周边不同距离处施工效果检验孔，根据钻孔的瓦斯涌出量，煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数、煤层含水率及瓦斯含量等判断该处是否处在压裂有效半径内。 （1） 裂缝扩展方位预判 压裂区域地应力场的分布形态直接决定了裂缝的扩张方位，因此在压裂后，根据潘一矿所提供的资料中所提供的原始地应力场的分布方位，预判裂缝的扩展方位，继而为压裂效果考察孔设计提供依据。（2） 压裂半径预判 瓦斯含量法压裂后，由于高压水的驱赶作用，煤层内的游离瓦斯将被驱赶至压裂有效半径外围区域，因此可通过对效果考察孔的瓦斯含量测定对压裂有效半径进行判识，可解吸瓦斯含量较原始含量减小的区域即为压裂有效半径范围。为缩短考察时间，本次试验效果考察将采用直接法测定压裂区域的可解吸瓦斯含量。 施钻现象判识压裂裂缝的有效扩展范围即为压裂有效半径，且裂缝扩展后，破坏了煤层的原始结构，因此在施钻过程中，会出现高压水涌出现象，并携带颗粒状煤屑。因此可通过钻孔排水间接确定压裂有效半径。3.2 实验室煤样基本参数测定在施工钻孔时采取11-2煤层煤样，用煤芯管分段采取钻孔全段煤样；煤样采取后应尽快用密封性好的双层塑料袋封装，并填写煤样标签寄送至重庆煤科院，煤样标签格式如表3-4所示。表3-4 煤样标签格式* 矿井名称：煤层名称： 取样具体位置： 取样类别： 全煤断面 软分层 钻孔 取样日期： 年 月 日 班需要实验室分析的参数：吸附常数a，b 真比重 瓦斯放散初速度p K1-p关系（软分层） 工业分析 假比重 *在相关参数后面的内划实验室煤样将依照相关标准参数测定水力压裂后11-2煤层的煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度P、吸附常数、工业分析、视密度、真密度、孔隙率等。3.3 煤层瓦斯含量计算煤是一种多孔介质，煤层中存在着大量孔隙和裂隙，煤层中的瓦斯以两种状态存在，即以吸附状态和游离状态存在。煤层瓦斯含量是指单位质量或单位体积的煤在自然状态下所含游离和吸附瓦斯的总和。瓦斯含量的测定方法有两种，间接法测定和直接法测定。直接法测定是在井下采用仪器（DGC）直接测定煤层的解吸瓦斯量，通过计算煤层的残余瓦斯量来得到煤层的原始瓦斯含量。间接法测定即在现场测定煤层瓦斯压力的基础上，取煤样在实验室作吸附实验，应用朗格缪尔公式计算含量，计算公式如下：式中：x瓦斯含量，m3/t；a、b吸附常数；p 瓦斯压力，Mpa；Mad水份，%；Aad灰份，%；F孔隙率，%；ARD视密度，t/m3。此次煤层层瓦斯含量测定主要采用直接法，同时采用间接法对测定结果进行验证。3.4 煤层透气性系数测定 煤层透气性系数是评价煤层抽放难易程度的一项的指标。本次测定是采用井下直接测定煤层透气性系数的办法，其计算基础为径向不稳定流动。水力压裂后，在未施工抽采钻孔时施工测压钻孔测定瓦斯压裂。在钻孔瓦斯压力测定完毕后，卸掉压力表，测定钻孔瓦斯自然涌出量，根据煤层径向不稳定流动理论结合原始瓦斯压力、煤层瓦斯含量及钻孔参数确定其透气性系数。计算公式为：Aqr/(P2-P02)B4P1.5T/（r12）F=B， Y=A/F=10-21 A1.61B1/1.64F=110 A1.39B1/2.56F=10102 1.11A1.25B1/4F=102103 1.83A1.14B1/7.3F=103105 2.1A1.11B1/9F=105107 3.14A1.07B1/14.4式中：P测压钻孔绝对瓦斯压力，MPa；P0测流量时钻孔内绝对瓦斯压力，通常取0.1MPa；q在排放时间T内，钻孔煤层单位