井下“双高”专用压裂泵组研制与应用.pdf

第4 8 卷第5 期 煤炭工程 C O A LE N G I N E E R I N G V o l 4 8 N o 5 d o i 1 0 11 7 9 9 e e 2 0 1 6 0 5 0 4 2 井下 双高 专用压裂泵组研制与应用 付江伟1 田坤云2 王公忠2 翟连矿3 1 中原工学院能源与环境学院 河南郑州4 5 1 1 9 1 2 河南工程学院安全工程系 河南郑州4 5 1 1 9 1 3 河南省煤层气开发利用有限公司 河南郑州4 5 0 0 1 6 摘要 基于水力压裂技术在提高煤层渗透率方面的潜在优势 针对我国煤层透气性差带来 的煤矿瓦斯 煤层气 抽采率低 瓦斯治理困难等问题 在对煤矿井下水力压裂特点和设备要求 研究的基础上 以 高压力 高流量 体积小 可拆装 能卸压 为主要攻关目标 对井下水 力压裂泵组进行了研发与制造 不同矿区多个生产矿井现场试验表明 研制的压裂泵组在施工压 裂 排量 电控等方面完全可满足作业需要 压裂后煤层渗透率大幅提高 瓦斯治理效果显著 关键词 高压力 高排量 水力压裂 泵组 渗透率 中图分类号 T D 4 3 4文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 6 0 5 0 1 3 5 0 4 D e v e l o p m e n ta n da p p l ic a t io no fs p e c ia lu n d e r g r o u n df r a c t u r in g p u m pu n it 订t hm g hp r e s s u r ea n dd is p l a c e m e n t F UJ ia n g w e il T I A NK u n y u n 2 W A N G G o n g z h o n 9 2 Z H A IL ia n k u a n 9 3 1 S c h o o lo fE n e r g ya n dE n v ir o n m e n tE n g in e e r in g Z h o n g y u a nU n iv e r s it yo fT e c h n o l o g y Z h e n g z h o u4 5 1 1 9 1 C h in a 2 D e p a r t m e n to fS a f e t yS c ie n c ea n dE n g in e e r in g H e n a nI n s t it u t eo fE n g in e e r in g Z h e n g z h O U4 5 11 9 1 C h in a 3 H e n a nP r o v in c ia lC o a lS e a mG a sD e v e l o p m e n ta n dU t il iz a t io nC o L l d Z h e n g z h o u4 5 0 0 1 6 C h in a A b s t r a c t A c c o r d in gt ot h ep o t e n t ia la d v a n t a g e so fh y d r a u l icf r a c t u r in gt e c h n o l o g yinp e r m e a b il it yim p r o v e m e n to fc o a l s e a m inv ie wo ft h el o wd r m n a g er a t ea n dm a n a g e m e n td if f ic u l t yo fc o a lm in eg a s c o a l b e dm e t h a l e c a u s e db yl o wc o a l s e a inp e r m e a b il it yinO il yc o u n t r y t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dm a n u f a c t u r e st h eu n d e r g r o u n dh y d r a u l icf r a c t u r in gp u m pu n it b a s e do nt h ec h a r a c t e r is t ics t u d yo fh y d r a u l icf r a c t u r in ga n de q u ip m e n tr e q u ir e m e n t sf o ru n d e r g r o u n dc o a lm in e t a k in g h ig hp r e s s u r e h is hf l o w s m a l lv o l u m e r e m o v a b l e p r e s s u r er e l ie v a b l e a st h em a ing o a l T h ef ie l dt e s t so fm u l t ip l e m in ep r o d u c t io ns h o wt h a t t h ef r a c t u r in gp u m pu n itC a nm e e tt h en e e d so ff r a c t u r in gc o n s t r u c t io n d is p l a c e m e n ta n d e l e c t r icc o n t r o l a n dt h ep e r m e a b il it yo fc o a ls e a l T lh a sas u b s t a n t ia lin c r e a s e f a v o r a b l eg a sc o n t r o le f f e c tisa c h ie v e d K e y w o r d s h ig hp r e s s u r e h i g hd is p l a c e m e n t h y d r a u l icf r a c t u r in g p u m pu n it p e r m e a b il it y 我国复杂的瓦斯 煤层气 地质条件 低渗透 低饱和 低储层压力 高破坏 菲均质性强 是造成瓦斯治理困难的 主要原因 l 4 为了强化瓦斯治理成效 近年来国家在新技 术的研发应用以及瓦斯 煤层气 产业发展方面都给予极大 政策鼓励和资金支持 我国煤矿9 0 以上为井工开采 绝 大多数高瓦斯突出矿井开采煤层为低渗煤层 瓦斯抽采效 率低下 全国矿井平均瓦斯抽采率不足3 0 5 6 既有地质 条件下 改善煤层透气性 提高煤岩体导流能力方面寻求 技术创新与突破是破解瓦斯治理难题的根本途径和方法 水力压裂是提高煤层渗透率 改善瓦斯渗流条件的有 效途径 在油气田开发领域水力压裂已成为一种不可或缺 的增产增注手段 7 8 1 地面煤层气开发方面 我国9 0 以上 常规煤层气井要经压裂改造进行投产 9 近几年随着瓦斯 治理工作的深入开展 煤矿井下水力压裂也得到广泛研究 和试验 1 0 1 5 与地面进行水力压裂作业不同 煤矿井下开 展水力压裂有许多特殊限制和要求 尤其为压裂作业提供 收稿日期 2 0 1 5 0 7 2 3 基金项目 国家自然科学基金 4 1 2 7 2 1 7 7 河南省科技攻关项目 1 6 2 1 0 2 3 1 0 5 8 3 河南煤矿安全生产科技发展计划项 目 H N l 5 6 5 作者简介 付江伟 1 9 8 2 一 男 河南长垣人 博士 讲师 现在主要从事煤矿安全方面的教学和研究工作 E m a il f u w e is p r in g 1 6 3 c o r n 引用格式 付江伟 田坤云 王公忠 等 井下 双高 专用压裂泵组研制与应用 j 煤炭工程 2 0 1 6 4 8 5 1 3 5 3 8 1 3 5 煤炭工程2 0 1 6 年第5 期 动力的压裂泵组 只有适合井下煤层水力压裂的特点和要 求 才能取得良好的压裂增透效果 1 煤矿井下水力压裂的特点及设备要求 井下煤岩体水力压裂的基本工序是首先按照设计施工 压裂钻孔 接着在钻孔内部下套管 然后进行封孔 管路 连接后方进行实施 在泵注压力作用下 压裂液进入煤层 并在煤层层理面 构造裂隙以及原生裂隙等各级弱面内 通过对弱面面壁产生内水压力 有效水压力 使煤体在空 间上产生的膨胀 从而在煤层中形成相互连通的裂隙网络 以达到提高煤层渗透率的目的 使煤层各级弱面扩展 延 伸的动力需要一定的外来压力传递 这一外来压力即由压 裂泵组来提供 煤层水力压裂理论施工曲线如图1 所示 因此 压裂泵是压裂液在煤层内部运动 煤岩体致裂 形 成压裂裂缝的动力源 它是保证压裂实施并达到理想压裂 效果的关键装备 图1 煤层水力压裂理论施工曲线示意图 煤层是典型的以裂隙 孔隙为主的多孔介质 同时孔 隙结构还有许多微小气孔组成 裂隙系统也非常复杂 由 煤层的层理 节理和裂隙组成 受煤体结构和性质 压力 损失 管路摩阻等因素影响 现场水力压裂过程中 泵注 压力和泵注压裂液并不能全部发挥致裂 扩展煤层裂缝的 效果 而是客观实际上必然存在相应的滤失率 另外 进 行水力压裂的目的层往往为高瓦斯 低渗 突出煤层 这 些煤层大多埋藏较深 煤层弱面充水空间的端部在上覆地 层以及应力场的综合作用下 受到上覆岩层压力 壁面粘 结力 构造应力 瓦斯压力等综合作用 煤层裂隙弱面综 合受力如图2 所示 水力压裂的目的是借助机械动力能对 煤层进行卸压增透 因此 压裂泵组必须保证足够的排量 和压力 在有效克服滤失现象的基础上为裂缝的持续扩展 延伸提供条件 即满足高流量 高压力 简称 双高 这 一基本工况要求 才能取得良好的压裂规模和增透效果 煤矿井下生产系统不但作业空间有限 而且作业环境 和条件复杂多变 大流量 高压力的煤岩体井下水力压裂 具有风险程度高 技术要求高特点 为了增强压裂泵组的 井下压裂的适用性 提高泵组本身的安全保障能力 与油 气田地面压裂装备不同 煤矿井下水力压裂泵组在设计和 应用上要求更高 目前地面压裂作业的泵组规模比较庞大 3 6 煤层 压裂孔 地表 图2 煤层裂隙弱面综合受力示意图 层理面 单泵在的尺寸上没有限制 而且对防爆功能也没有特殊要 求 而井下水力压裂要安全顺利开展 压裂泵组在尺寸上 必须小于矿井井筒 巷道等主要生产系统的运行尺寸 同 时能够方便拆装 运输 具备安全卸压功能 才能获得更 大的推广和应用空间 2 水力压裂组的研发与制造 在吸收借鉴地面压裂装备及工艺的基础上 结合煤矿 生产特征 水力压裂增透机理以及井下水力压裂的特殊需 求 压裂泵组的研发遵循 引进 集成 创新 的总体思 路 按照自主原始创新 集成创新和引进消化吸收创新的 层次 围绕核心研究内容开展有关攻关研究 2 1 主要研究内容 根据井下煤层水力压裂的特点和要求 围绕压裂泵组 的研发制定了如下主要攻关内容 高流量 高压力 多 档变速往复功能的实现 泵组输出压力和排量既是实现压 裂功能主要考核指标 也是整个压裂系统的关键参数 通 过在柱塞直径 冲程 冲数 功率等方面优化设计 最大 限度的提高额定压力和排量 以便更好的满足压裂需要 大流量高压卸载安全阀的研制 由于设计的压裂泵需要 多档变速 每一级都可能超载 造成系统损坏 为了提高 操作的可靠性 一方面在每一级档位实行超载自动安全保 护 另一方面根据压裂现场异常情况处理或者压裂结束人 员安全进入的需要 实行卸压功能阀门的可控开启和关闭 电控系统的研制 压裂泵电控系统是根据实际使用工况 要求而设计 其中包括系统输出压力历史曲线在线绘制 输出流量历史曲线在线绘制 泵的油温 油压 以及各个 换挡级别的判断和压力保护装置 控制泵组尺寸 在满 足压裂功能的基础上 最大限度的降低泵组设计尺寸 实 现大部件的便利拆卸和安装 使泵组体积小型化 方便井 下运输和安装 2 2 泵组工作原理及结构特点 井下压裂泵组采用防爆电机驱动变速器旋转 然后带 动万向联轴器和曲轴转动 通过连杆机构把曲线运动变为 往复直线运动 然后连杆带动滑块 柱塞作往复运动 使 工作液在阀组件内通过吸 排液阀吸入 排出 柱塞每一 次往复运动 就完成一次吸 排液过程 如此往复循环 压裂泵就实现了连续供液 使电能转换成液压能 供系统 2 0 1 6 年第5 期煤炭工程 使用 通过对变速器的换挡 曲轴能获得6 种不同的转速 对应1 6 档不同的压力和流量 实际应用过程中可根据压 裂阶段的需要选用不同档位 压裂泵由煤矿用防爆电机 护罩 变速器总成 万向联 轴器 泵头总成和底座组成 整个泵体可以拆成电机和泵头 两个部分 极大方便了泵体的井下运输和安装 在电控系统 设计方面压裂泵组有三种工作模式 即手动控制 自动控 制 超压保护 在手动控制模式时 各个泵电机独立启停 各泵的卸载阀根据设定压力自动启动与关闭 在自动控制模 式时 各泵可根据工况实现自动控制 并按设定的时间轮换 工作 各泵的卸载阌根据设定的压力自动启动与关闭 当泵 站系统压力超过超压设定值时 压裂泵停止工作 为了保证压力系统在正常的工作压力范围 按照压裂 泵电控系统的设计工作原理 主阀由上下两个单向阀组成 电磁先导阀用来控制下部单向阀 当压力超过电控系统设 定的压力时 下部单向阀打开 用来泄流 从而保护泵本 身不会过压 上部是单向截止阀 用来实现系统的保压 维持系统压力恒定 电磁阀根据电控系统设定的6 个压力 值对压力进行控制 使系统压力不会超过设定的压力 同 时下部还设有机械先导阀 可预设一定的压力值 在系统 最高压力的档位上用于二级保护系统压力过载 2 3 泵组性能及技术参数 井下水力压裂泵组的性能及技术参数主要包括泵组尺 寸 重量 功率 压力 排量以及电控系统电气原件 其 中泵组尺寸 重量等技术参数反映了设备工作环境 作业 条件方面的基本要求 泵组主要技术参数见表1 排量 压 力以及档位等性能参数反映了设备工作能力 柱塞直径越 大 同等条件下泵组排量越大 在额定功率一定条件下 排量与泵注压力成反比 泵组主要性能参数见表2 电气元 件方面的技术参数是对泵组控制性 可靠性 稳定性的一 个基本体现 表1 泵组主要技术参数 技术参数数值 特点 泵组外形尺寸 m m 泵组重量 k g 配套水箱容积 L 工作介质 进口压力 变频器防爆型式 变频器输入电压 V 变频器额定频率 H z 变频器输出频率 H z 变频器控制方式 4 6 0 0 1 4 0 0 X1 3 0 0 7 4 0 0 5 0 0 0 清水 原油 酸液 泥浆 砂液 常压 矿用隔爆兼本质安全性E x d ib 谩n 7 1 4 4 0 5 0 0 1 0 0 v F 控制 矢量控制 表2 泵组主要性能参数 3 压裂泵组现场试验与应用 井下水力压裂泵组成功研发与制造以来 在河南平顶 山 焦作 义马以及贵州水城矿业 安徽淮北矿业等矿区 进行了广泛的现场试验和应用 压裂方式涉及本煤层压裂 增透 穿层孔压裂增透 顶底板压裂增透 在进行水力压 裂治理瓦斯研究的同时 还利用生产的压裂泵在冲击地压 防治 软化顶板管理方面迸行了积极探索 实践表明 研 发的水力压裂泵组不但能够完全满足煤岩体在致裂增透方 面的动力需要 而且在改善煤层透气性 提高瓦斯抽采率 方面效果显著 3 1 本煤层水力压裂试验 河南能源化工集团鹤壁煤业公司六矿是煤与瓦斯突出矿 井 2 1 1 5 工作面位于南六 2 1 1 采区 采区 煤层埋深5 2 0 5 6 0 m 倾角2 0 妒 煤层厚度不太稳定 平均厚度为6 5 8 m 2 1 1 5 工作面运输巷实测瓦斯含量为1 6 8 7 m 3 t 2 1 1 5 工作面运 输巷走向长5 1 6 m 全部属于煤与瓦斯突出危险区域 煤巷掘 进期间校检指标超标严重 月平均掘进进尺不足1 3 m 应用水 力压裂技术后 经测算煤层透气性系数达5 8 3 r r d 与压裂前 0 0 3 0 0 4 5 r o d 相比 提高了1 3 0 倍之多 瓦斯抽采效率大幅提 高 掘进期间瓦斯浓度降低至o 1 0 4 效检超标率显著 降低 在提高安全保障能力的同时 极大的提高了煤巷掘进速 度 压裂增透消突后月平均进尺5 0 m 左右 与原有常规瓦斯治 理措施相比 掘进速度提高了4 1 倍 3 2 顶底板水力压裂试验 临涣煤矿为淮北矿业集团主力生产矿井 开采煤层透 气性系数低 钻孔抽采半径小 尽管施工的钻孔数量很多 但由于瓦斯抽采流量衰减快 瓦斯抽采效果很差 致使区 域瓦斯防突效果难以达标 严重制约了矿井的安全生产 结合临涣煤矿生产接替计划以及开拓设计方案 研究制定 了9 1 3 4 工作面穿层顶板水力压裂试验方案 瓦斯治理对象 为9 号煤层 煤厚2 2 m 压裂钻孔设计在1 1 3 采区泵房口 右约6 0 m 的回风大巷内 整个压裂时间持续3 h 其中有效 注水时间约2 h 瞬时有效流量最大至4 7 0 L m in 9 1 3 4 工作 面顶板压裂瞬时流量曲线如图4 所示 总的注入液量为 1 3 7 煤炭工程2 0 1 6 年第5 期 6 9 4 8 m 3 煤体破裂压力2 2 M P a 9 1 3 4 工作面顶板压裂瞬时 压力曲线如图5 所示 压裂前后采用瞬变电磁探测仪考察 本次压裂的有效影响半径为3 5 m 水力压裂后通过对抽采 数据考察 标况平均瓦斯流量为2 8 6 I M m in 最高达 7 2 3 7 l M m in 与I 临近未受压裂影响区域瓦斯抽采流量相比 抽采效果提高了1 9 倍 5 0 0 b4 0 0 E j3 0 0 饕2 0 0 主1 0 0 O 01 22 43 64 86 07 28 49 61 0 8 1 2 0 时间 m ir 图49 1 3 4 工作面顶板压裂瞬时流量曲线图 足2 5 要2 0 参考文献 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 张子敏 张玉贵 瓦斯地质规律与瓦斯预测 M 北京 煤炭工业出版社 2 0 0 7 傅雪海 秦勇 韦重韬 煤层气地质学 M 徐州 中 国矿业大学出版社 2 0 0 7 倪小明 苏现波 张小东 煤层气开发地质学 M 北 京 化学工业出版社 2 0 0 9 孟昭平 田永东 李国富 煤层气开发地质理论与方法 M 北京 科学出版社 2 0 1 0 张德江 大力推进煤矿瓦斯抽采利用 J 求是 2 0 0 9 2 4 3 5 林柏泉 矿井瓦斯防治理论与技术 M 徐州 中国矿业 大学出版社 2 0 1 0 李春芹 水平井分段压裂在特低渗透油藏开发中的应用 J 西南石油大学学报 2 0 1 1 3 3 6 8 5 8 8 朱天寿 丁云宏 超低渗透油藏压裂改造技术 M 北 京 石油工业出版社 2 0 1 2 郭红玉 基于水力压裂的煤矿井下瓦斯抽采理论与技术 D 焦作 河南理工大学 2 0 1 0 富向 井下点式水力压裂增透技术研究 J 煤炭学报 2 0 1 1 3 6 8 1 3 1 7 1 3 2 1 黄炳香 程庆迎 陈树亮 等 突出煤层深孔水力致裂驱 赶与浅孔抽采消突研究 J 中国矿业大学学报 2 0 1 3 4 2 5 7 0 1 7 1 1 翟成 李贤忠 李全贵 煤层脉动水力压裂卸压增透技 术研究与应用 J 煤炭学报 2 0 1 l 3 6 1 2 1 9 9 6 2 0 0 1 Z h a n gG u a n g q in g C h e nM ia n D y n a m icf r