超高压水力压裂提高煤层透气性技术研究报告

超高压水力压裂提高煤层透气性应用研究技术报告目 录1 前言12 研究目的与意义32.1问题的提出32.2研究内容42.3研究意义53 高压水力压裂提高煤层透气性原理及适用性分析93.1国内外研究现状93.2 水力压裂原理及适用性分析103.2.1高压水对煤体结构力学作用的定性分析123.2.2水力压裂的适用性分析144 渝阳煤矿及7号煤层概况154.1矿井概况154.2 7号煤层基本物理性质及实验测试174.3 7号煤层基本力学性质实验测试244.4 7号煤层穿层钻孔水力压裂的可行性265 HTB500型压裂泵组简介及调试295.1 HTB500型压裂泵组简介295.2 HTB500型煤层压裂泵泵组接收与地面调试325.3 高压泵组的管路及其连接336 渝阳煤矿超高压水力压裂实验方案366.1 实验地点366.2钻孔布置方案386.3 压裂孔封孔及注浆设计406.3.1 压裂孔封孔设计及注意事项406.3.2注浆封孔工艺426.4压裂监控设备布点446.5压裂效果考查及参数测试方案446.6其他配套方案设计457 高压水力压裂过程及分析477.1前言477.2高压水力压裂过程477.3 高压水力压裂的压力曲线分析518 压裂效果考察及其分析528.1前言528.2 压裂后检验孔施工参数及数据记录528.3 压裂后钻孔参数对比598.4压裂有效范围的考察618.5压裂效果总结649 主要研究成果与创新点669.1研究成果669.2 创新点671 前言重庆市能源投资集团科技有限责任公司成立于2010年4月，为重庆市能源投资集团下属二级子公司，独立法人，注册资本2000万元。下设工程勘察子公司，工程设计院，瓦斯研究院、项目管理部、技术服务部、资产结算中心、综合办公室等部门。在集团公司领导下，科技公司围绕集团公司工作部署，按“实施科技兴企战略，支撑集团跨越式发展”思路，不等不靠，一边建章建制，一边开展科研工作。2010年7月，集团公司下达了“突出煤层高效抽采关键技术研究” 科研项目计划，2011年2月，科技公司引进了HTB500型高压煤层瓦斯压裂泵组。经集团公司和科技公司研究协商，决定在松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿进行首次超高压水力压裂试验，将集团公司水治瓦斯水平提高到新的高度。科技公司根据集团公司水治瓦斯的指导思想，在松藻煤电有限责任公司及其所属渝阳煤矿、河南理工大学、宝鸡航天动力泵业有限责任公司的协助下，于2011年2月份在渝阳煤矿用HTB500型煤层压裂泵泵组开展了超高压水力压裂试验。渝阳煤矿超高压水力压裂试验在N3704西瓦斯巷(下)进行，埋深约750m，目的是对7号煤层（保护层）进行穿层超高压水力压裂，实现增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率、降低瓦斯灾害事故的效果。试验过程中，共施工压裂孔1个、标准孔1个（补充标准孔1个）、检验孔15个（因施钻不到位、卡钻，其中2个报废）。渝阳煤矿超高压水力压裂试验表明，压裂地点的起裂压力在4045MPa之间，延伸压力在3639MPa之间，压裂后瓦斯抽采纯量效率提高10倍以上，煤层由难以抽采煤层及可抽煤层变为可抽采煤层，煤层透气性系数提高50倍以上。7号煤层在该埋深条件下，压入水量109.72m时，压裂范围达到5070m。2 研究目的与意义2.1问题的提出煤层瓦斯是一种洁净能源，但对煤矿生产而言是一种灾害源。如何实现采煤之前瓦斯的预抽，达到资源开发利用和煤矿减灾的双重目的，一直是人们关注的焦点。随着资源需求的日益强烈、矿井开采深度的增加以及国家一系列关于煤矿瓦斯灾害治理强制措施和煤层气开发利用鼓励政策的出台，都迫切要求有一套系统的、完整的瓦斯抽采工艺技术。新的防突规定更加强调了区域瓦斯治理的重要性，要求“不掘突出头、不采突出面”，以往突出煤层掘进的“四位一体”方案已经难以满足新规定的要求。重庆能投有限责任公司所属的渝阳煤矿所采煤层为突出煤层，瓦斯灾害是制约煤矿安全、高效生产的第一因素，现行的瓦斯治理措施已难以满足高效生产的需求，迫切需要一种新型区域和局部治理工艺，以彻底改变目前消突困难、工作面接替紧张的局面。水力压裂是一种集区域和局部瓦斯治理为一体的新工艺。该工艺是将地面煤层气开发的一种成熟技术移植到井下，根据煤体结构的不同采用不同的压裂方案，达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的。水力压裂是一种适应性强、增透效果明显的工艺技术，但还存在一系列问题需要解决，最突出的是封孔技术，无论是封隔器封孔、水泥砂浆封孔、化学材料封孔都存在一定的局限性，是制约水力压裂大规模推广的关键。在钻孔方向与裂隙方向、地应力方向不匹配时的压裂设计也是制约压裂效果的重要因素。渝阳煤矿煤层瓦斯含量大，煤层透气性系数低，井下钻孔抽采效果差，严重制约了瓦斯治理和防突效果，影响了工作面的衔接和安全生产。为增大煤层的透气性和提高抽采效果，进一步解放生产力，保证矿井的建设和发展，通过大量的调查、研究和翻阅各种技术资料，决定实施井下高压水力压裂。本次在渝阳煤矿N3704西瓦斯巷(下)实施穿层钻孔水力压裂，力求增大7号煤层透气性，提高7号煤层的瓦斯抽采效率，进而通过解放7号煤层对主采8号煤层形成保护作用，改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面，加强安全生产，提高生产效率，积极探索通过水力压裂治理瓦斯的新途径。2.2研究内容本项目的研究主要内容包括：（1）研究煤岩层高压水力压裂的基本原理及水高压力压裂技术的适用性，调试HTB500型煤层压裂泵组，为应用高压水力压裂技术增大煤层透气性试验做好准备（2）测定渝阳煤矿考察地点的7号煤层基本物理力学参数，主要包括7号煤层的透气性系数、瓦斯含量、吸附常数、坚固性系数、抗压强度等； （3）制定渝阳煤矿高压水力压裂方案，设计最佳注浆、封孔工艺，并研究考察高压水力压裂效果方案；（4）沿煤层走向和倾向上，在压裂孔周边通过施工检验孔，考察高压水力压裂的范围；（5）沿煤层走向和倾向上，在压裂孔周边通过施工检验孔，考察高压水力压裂后瓦斯抽放浓度、抽放纯量和钻孔瓦斯衰减情况；（6）在上述研究的基础上，总结高压水力压裂增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率的效果，为应用高压水力压裂技术增大煤层透气性、提高瓦斯抽采效率推广做好准备工作。项目研究思路：先施工标准孔（或借助相邻瓦斯巷穿层孔），测定未进行水力压裂的7号煤层参数。用HTB500型煤层压裂泵组对压裂孔进行高压水力压裂，使7号煤层中形成裂隙，通过施工一系列检验孔并考察各孔参数及出水情况，与原始标准孔或相邻瓦斯巷穿层孔的参数进行对比。从而考察高压水力压裂前后煤层透气性系数变化和瓦斯抽放情况的区别，得出高压水力压裂技术增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率的结论。2.3研究意义煤储层的低渗特性是煤矿瓦斯抽采的瓶颈，提高煤储层的渗透性是解决问题的关键。传统的低渗煤储层瓦斯抽采只有依靠降低钻孔间距、增加钻探工程量、延长抽采时间等措施来实现，但抽采效果并不理想，表现在抽采浓度低，抽采率不达标，造成煤矿采掘接替紧张，回采和掘进过程中瓦斯超限频繁，安全隐患严重，这与构建本质安全型矿井不相符合，亟需新的瓦斯抽采手段来改变这种困境。本项目旨在将地面煤层气开发的水力压裂工艺移植到井下，建立一种新型的瓦斯抽采工艺煤矿井下钻孔水力压裂抽采瓦斯的理论与技术，实现未卸压状态下的煤储层增透，从根本上解决瓦斯抽采困难的局面。进行水力压裂增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率的研究意义如下：（1）水力压裂是一项在未卸压条件下实施煤储层增透技术，有利于煤矿瓦斯抽采，实现区域消突。我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，渗透性系数在10-310-4 md数量级上，瓦斯抽放（特别是预抽）半径小、封孔困难，瓦斯抽采浓度低，造成抽采率低下，瓦斯超限频繁，对煤矿通风造成巨大压力，严重威胁煤矿的生产安全。将地面煤层气开发的水力压裂强化技术移植到井下，实现未卸压条件下煤层增透、增大抽放半径，减少钻探工程量，提高抽采浓度和抽采效率，缩短抽采时间、最大限度消除瓦斯灾害，具有节省资金，减少投资，见效快的特点，为煤矿安全、高效生产提供保障。（2）水力压裂注入水对煤基质内部的瓦斯有“封堵”作用，增加煤层瓦斯残余量，减少煤炭回采过程中瓦斯的瞬时大量涌出，有利于煤矿井下瓦斯抽采。水力压裂增透仅仅是新形成的裂缝附近渗透率得到极大改善，即导流能力得到加强，但是煤基质内部的渗透率并没有发生变化，而煤层注水后形成的水化膜和毛细管压力又增加了启动压力梯度，渗透率越低启动压力梯度越大，对瓦斯涌出的抑制作用越明显。煤层注水抑制瓦斯涌出在“水法采煤”中也得到了佐证，其瓦斯的相对涌出量一般要比“旱法采煤”低30%以上，因此水力压裂在增透的同时而降低了煤层瓦斯的涌出量，两者并不矛盾，而是相辅相成。因此煤矿井下水力压裂在增透的同时还起到抑制瓦斯涌出的作用，有利于煤矿井下瓦斯的抽采。（3）水力压裂注入水能够煤的力学性质，减弱了“硬煤”的力学强度，有利于井下采煤，增强了“软煤”的力学强度，有利于防治煤与瓦斯突出。煤层如果属于“硬煤”（原生结构煤和碎裂煤），煤体结构致密，力学强度对采煤效率影响较大，例如放顶煤采煤时，如果煤体强度过大还可能出现放顶困难，而煤层注水后，水顺着裂隙、孔隙进入煤中，湿润煤块。水分子的侵入，削弱了颗粒间的联系，使得煤的力学性质降低，将提高放顶煤开采中顶煤回收率。煤层如果属于“软煤”（碎粒煤甚至糜棱煤），力学强度很小，易发生煤与瓦斯突出，又称“突出煤”，但煤层注水后，煤颗粒之间随着散体含水量的增大，整体的剪切强度增加，对防治煤与瓦斯突出是有利的。（4）高压水能改变局部原始应力状态，促使瓦斯压力和地应力两场实现“均一化”，有助于防治煤与瓦斯突出和冲击地压的发生。煤矿井下水力压裂是在高压水作用下，劈开煤储层形成裂缝的一种“外载荷作用”，水力压裂的高压水将在一定范围内改变煤储层的原始应力状态，对其应力场都是一种严重的扰动。这种高压外载荷有助于使煤储层的应力场和压力场在一定范围内实现均一化，避免在某一点或某一方向过于集中，在某种程度上也是实现区域消突的有力手段。因此井下水力压裂有助于煤储层应力场和压力场的均一化，是防治煤与瓦斯突出和冲击地压的有效手段。（5）水力压裂泵注入的大量清水湿润煤体，有助于降低煤尘，改善工作环境，避免煤尘爆炸。煤尘是煤矿主要灾害之一，超标的煤尘不但损害井下工人健康，增加尘肺发病率，甚至导致煤尘爆炸，特别是瓦斯爆炸时，煤尘一旦参与，事故会更加严重，因此井下降尘是避免煤尘灾害的重要措施。水力压裂泵注的大量水可以湿润煤体，煤尘间的液体桥联力促使尘粒凝聚变大，并迅速沉降，起到井下防尘的作用。（6）实施煤矿井下水力压裂增透可以提高抽采瓦斯浓度，实现抽采瓦斯商品化，减少排空对环境的污染。我国特别是南方矿井煤储层渗透性低，钻孔抽采瓦斯存在封孔难，漏气严重，抽采瓦斯的浓度达不到商品要求而被大量排空，既浪费资源又污染环境。甲烷浓度低于30%就属低浓度瓦斯，目前国内主要用于辅助燃烧，但利用率极低，安全输送（主要有细水雾输送和气水二相流输送）仍是亟待解决的难题。通过水力压裂改变储层低渗状态对提高抽采瓦斯浓度有重要的意义。综上所述，研究水力压裂移植到井下进行瓦斯抽采的相关理论和技术，在理论和生产实际两个方面都具有重要意义。用高压水力压裂的方法增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率，还有以下资源意义和经济意义：（1）资源意义随着经济的发展、人民生活水平的提高，将会对瓦斯这种洁净能源的需求将越来越大。井下水力压裂显著增加了煤层的透气性，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，为瓦斯的利用奠定基础。（2）经济意义减少了瓦斯抽采钻探工程量和采煤过程中的通风量，进而产生直接与间接经济效益； 减少岩巷掘进量； 获取较高浓度瓦斯，便于加工利用，能够获取直接经济效益； 通过CDM出售减排指标获取间接经济效益； 提高煤矿安生成产效率，产生间接经济效益。3 高压水力压裂提高煤层透气性原理及适用性分析3.1国内外研究现状在煤矿井下煤层增透抽采瓦斯领域，现行的抽采工艺可概括为两个方面：卸压增透抽采和未卸压抽采。前者需要采掘工程先行，如保护层开采、高位钻孔抽采、地面采动区抽采等。未卸压抽采完全取决于煤层透气性。本项目实施的水力压裂实现了未卸压增透抽采。目前，在未卸压抽采煤矿瓦斯（煤层气）领域国内外取得了如下进展。世界煤层气地面开发经历了30余年的历史，基本形成了一套系统的工艺技术。我国在经历了20余年艰苦探索后，在山西的沁水盆地、河东煤田、辽宁的阜新等地区实现了局部商业化开发。而支撑整个煤层气行业的是地面垂直井水力压裂完井工艺，尽管丛式井和水平分支井也在积极的试验，但苛刻的地质与施工要求，在近期内难以大规模推广。无论是上述哪种完井工艺，都要求煤层气储层为原生结构或碎裂结构。因为，只有此类储层可进行压裂强化增透。而对于碎粒煤和糜棱煤储层，由于其自身的力学性质决定了无法煤层本身进行压裂改造，目前还是地面煤层气开发的禁区。针对这种软煤，河南理工大学、中国矿业大学等提出了虚拟储层强化工艺，即对不可进行本煤层压裂的煤层，对其顶板或底板围岩进行压裂，煤层中的瓦斯以扩散形式运移到顶底板裂隙中从而被抽采。这种工艺近期在山西古交、陕西韩城地面煤层气开发井得到了成功试验，在河南鹤壁、阳泉井下钻孔煤层压裂取得的初步成功，在河南鹤壁井下钻孔虚拟储层压裂试验取得初步效果。瓦斯治理方法众多，如区域治理措施中的保护层开采、地面采空区抽采等，但局限性大，效果差异悬殊。瓦斯治理主要手段为抽采，最常用的是把煤层作为抽采对象。但是，对于原生结构和碎裂煤而言，天然裂隙的连通性较差，且钻进过程中井孔附近存在污染，如果不采取增透措施，抽采效果差。突出煤层往往为渗透性极差、强度极低的碎粒煤和糜棱煤，直接从其中抽采瓦斯不仅钻进困难，而且抽采效果差，钻孔抽采半径非常小、封孔困难致使抽采瓦斯浓度难以长期稳定。往往以密集布孔、高工程投入为代价进行抽采。各种水力化措施，特别是水力挤出在煤巷掘进消突中起到了一定作用，但也存在不尽人意的方面。目前井下钻孔水力化增透尽管取得了一定效果，但不够显著，尚没有达到期望的效果，且存在诱发突出的可能，所以难以得到广泛推广。从井下钻孔本煤层水力挤出试验看，当压力经过最大值，煤体破裂后，注入流量急剧增加，这时正是裂缝延伸阶段，但却停泵。原因有三：一是观念上的错误，认为此时煤体已经破裂，透气性已经增加，无需进一步压裂；二是由于泵的能力有限，没有采用大排量泵注，压裂液严重滤失，达不到扩展、延伸裂缝的目的。如果此时采用大排量泵继续注入，裂缝会大规模延伸，可能还会出现第二次破裂，这样才可达到增加单孔抽采半径和抽采效率的目的。这正是以往压裂存在的核心问题，也是本项目要重点突破的难题；第三是对煤层水力压裂原理认识还不够深入，从水力挤出的封孔位置、压裂对象、压裂结果而言，还存在不能用压裂原理解释的现象。同时水力挤出为浅孔、在软煤中进行，以松动煤体增透为基础。3.2 水力压裂原理及适用性分析井下水力压裂的基本原理将压裂液（清水）高压注入煤岩层，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，使得煤层中原有的裂缝充分张开、延伸、相互沟通，达到增透、导流的目的。水力压裂的压力时间曲线反映了水力压裂的原理，典型的水力压裂（加砂）曲线如图3-1所示。图 3-1 典型水力压裂的压力曲线在图3-1中，各符号意义如下：延伸压力PE应为：PE= PE、+Pf-PW （3-1）式中：PE延伸时的压力；Pf压裂孔中的摩擦压降；PW压裂孔中静液柱压力；在施工结束或在其他时间停泵时的压力成为瞬时关闭压力PISI。瞬时关闭压力加上静液柱压力即为停泵后瞬时井底的延伸压力，即PE、=PISI+PW （3-2）停泵后压裂孔及裂缝中的流动全部停止，可以看出，停泵前后的压力差PE- PISI正是各处的流动阻力。裂缝的闭合压力PC是裂缝刚刚能够张开或恰好没有闭合的压力，缝中闭合压力应为：PC=、min+PS （3-3）式中：、min地层中最小有效主应力；PS裂隙液压力。由于、min=min- PS，因此有:PC=min- PS+ PS=min （3-4）上式说明裂缝闭合压力等于地层最小主应力。由压裂曲线可知，在压裂初期施工压力急剧增加，当达到破裂压力（F点）后，煤岩体发生破裂，施工压力下降。但此时仅仅是裂缝破裂而已，还没有充分延伸，如果此时中断压裂，增透效果并不明显，还需继续注入压裂液使裂缝充分延伸。当压裂泵停止工作之后，由于注水压力迅速降低，裂缝开始闭合，但在这个过程中裂缝还在延伸，图中C点对应裂缝闭合的压力。随着压力再次降低，压力时间曲线在S点之后趋于平稳，S点对应地层压力。由压裂曲线可知，在压裂初期施工压力急剧增加，当达到破裂压力后，煤岩体发生破裂，施工压力下降。但此时仅仅是裂缝破裂而已，还没有充分延伸，如果此时中断压裂，增透效果将不会明显。还需继续注入压裂液使裂缝充分延伸。理论上只要裂缝能够在压裂层段内延伸，不进入顶底板，注入的压裂液越多越有利。实验室试验也得到了同样的结论，在压力最大、声发射最强时，气体产出速率最低，当破裂后压力降低阶段（也是裂缝延伸阶段），气体产出速率快速增加。3.2.1高压水对煤体结构力学作用的定性分析高压水注入煤层中存在两种情况：一种是进入具有弹性的原生结构煤和碎裂煤，一种是进入塑性的碎粒煤和糜棱煤。（1）原生结构煤和碎裂煤水力压裂对于弹性体水力压裂而言，其原理是将流体以大于地层滤失速率的排量、克服最小地应力、流体压力和岩体抗拉强度注入煤岩体，使原有的裂缝进一步的扩张、并形成新的裂缝，造成一个相互连通的裂缝体系，最终增加煤体的渗透性，达到加速瓦斯产出的目的。高压水进入此类煤体时，压裂过程可描述为“压裂充水张开再压裂再充水张开”。煤层注水压裂破坏正是借助流水在煤层各级弱面压裂充水，借助弱面两壁面的支撑作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割。图3-2 高压水进入弹性煤体压开示意图（1级弱面；2二级弱面；3三级弱面）高压水在具有弹性的原生结构煤和碎裂煤层中的运动过程可表示为图3-2。通过以上分析，高压水在弹性煤体中的压裂过程，主要依赖于煤体的弹性作用以及弱面的支撑作用。（2）塑性阶段煤体水力压裂高压水进入此类煤体时时，可描述为“寻找最弱缝隙撑开再寻找最弱裂缝”，但值得注意的是，这个过程是在很小尺度上进行的。图3-3 高压水进入塑性煤体“压开”示意图（1压力集中点；2最弱面；3穿刺点）经过积累最终形成宏观。由于煤体被破坏成塑性材料，已经不存在原生的规则裂隙，高压水进入后不能“循规蹈矩”，而是在某点形成压力集中，当压力再次上升，又寻找下一个压力集中点，这些压力集中点的轨迹就形成了高压水的“压裂裂缝”，由于在每个点只能存在一个最弱裂缝，因此“压裂裂缝”也表现为单一样式，可表示为图3-3。3.2.2水力压裂的适用性分析通过以上分析，煤体破碎程度在BD段（见图3-4）时，煤层气最易产出，此段称之为最佳渗透率煤体结构窗口，所有水力压裂工作的目标就是要使煤体结构达到这个窗口阶段，位于该阶段的煤体进行压裂可使裂缝宽度和连通性进一步增加。由于煤体处于不同的结构阶段，因此，水力压裂也具有一定的适用性（见表2-1）。图3-4 煤体结构与应力应变的关系表2-1 水力压裂的适用性煤体结构是否适用于水力压裂原因原生结构煤适用需要开启裂缝碎裂煤较适用可通过压裂增透碎粒煤不适用无法产生有用裂缝糜棱煤不适用无法产生有用裂缝4 渝阳煤矿及7号煤层概况4.1矿井概况渝阳煤矿属南桐煤田大坪子井田范围。位于重庆市松藻矿区中部，紧临渝黔交界处，行政区划属重庆市綦江县安稳镇和石壕镇所辖。地理坐标为东经1064010646，北纬28342840。主井口坐标X：3167255.169，Y：36373136.887。高程：470.045m。评价区：南以原勘探标高0m为界，西以羊叉河与打通一矿为界，北以-200m标高与小渔沱井田为界，东以羊叉滩背斜轴为界。评价区呈一东西向长条带形分布，走向长5700m，倾向宽710940m，面积4.70Km2。渝阳煤矿始建于1966年，1971年投产，设计井型45万吨/年，采用斜井开拓。工业广场及主、副斜井和回风平硐建在金鸡岩，在杨地湾设副工业广场，建有副井一对（供人行及提矸石用）和310总回风斜井。运输大巷设计在距M12煤层之下40m的茅口石灰岩中。开采方式为倾斜长壁式。薄煤层、中厚煤层均为综采，机械通风，水泵排水，胶带输送机连续运煤、电机车运矸，绞车提升、矿灯照明。图4-1 北三区地层综合柱状图渝阳煤矿所在矿区含煤地层为二叠系上统龙潭组属海陆过渡带潮坪深湖碳酸盐台地内侧海沉积体系成煤环境,煤系地层见图4-1。渝阳煤矿投产以来，主采煤层为8号和7号煤层， 6-3号和11号煤层次之，采空面积10.25Km2。采区回采率85.3%，矿井回采率61%，投产以来产出煤量1787.03万吨。开采煤层厚度：6-3号煤层01.13m，平均0.54m； 7号煤层01.40m，平均0.80m，在N3704西瓦斯巷上方位置处，厚度为0.84m； 8号煤层0.94.44m，平均2.35m； 11号煤层01.20m，平均0.70m。8号煤层为全区可采， 7号为大部分可采， 6-3号和11号煤层为局部可采。该矿主要可采的为8号煤层，大部分可采的7号煤层，局部可采的6-3号煤层、11号煤层。各煤层厚度最小值、最大值及平均值见表4-1。表4-1 渝阳煤矿各煤层厚度表煤层6-3781112最小-最大（m）01.450.661.032.363.780.271.760.420.93平均（m）1.020.842.960.670.60该矿井为煤与瓦斯突出矿井，保护层以7号煤层为主，6-3号煤层及11号煤层为次、8号煤层为被保护层。目前开采最低水平为+150m，最大开采深度555m；茅口运输大巷已下至标高-200m，为延深开拓作准备。2002年随着安稳电厂（坑口电站）的建设，该矿于安稳电站附近又开拓了皮带斜井，斜井井口坐标X：3169927.22，Y：36377551.47，H：492.24m，井口层位为三叠系下统嘉陵江组四段上部（T1j4），坡度16，落平标高+150m，准备开采+150+355m和+150-200m标高间煤层，直接供安稳电厂发电。4.2 7号煤层基本物理性质及实验测试4.2.1 7号煤层基本性质（1）概述7号煤层总厚0.661.03m，平均0.84m，中段136-6、CK4号孔揭露煤层不达可采厚度，其余全部达可采厚度。本煤层为简单结构薄煤层，半暗型煤、沥青光泽，性坚硬，参差状断口，节理发育。煤层可采性指数0.71，厚度标准差0.266，变异系数33，为较稳定的大部分可采煤层。整体上看，M7煤层为半亮半暗型煤，呈碎块状块状，较硬，结构简单。该煤层原煤发热量26.2126.25MJ/kg，属高热值煤。发热量的高低与煤层灰分含量成正比，即煤层灰分含量低、则发热量高，反之，则发热量低。根据国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心2009年9月24日对渝阳煤M7煤层的自燃发火倾向检验结论：依据BG/T217-1996煤的真相对密度测定方法、GB/T20104-2006煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法所检样品煤层的自燃倾向性等级为类，属不易自燃煤。7号煤层为突出煤层，一般选择该煤层为上保护层超前开采。矿井各煤层瓦斯含量较高，煤层透气性极差，瓦斯涌出量大。+335m开采水平实测7号煤层瓦斯压力为1.94Mpa，瓦斯含量达15.68m3/t，孔隙率达15.652%。在N3704西瓦斯巷进行高压水力压力之前进行了施工了标准钻孔，施工地点埋深750m左右，施工过程中对7号煤层进行了取样，并测试7号煤层的基本参数。7号煤层的工业成分分析见表4-2。表4-2 7号煤层的工业成分表MadAdVdFcdStdQgr.ad(MJ/Kg)最小值0.6219.468.6349.462.6122.90最大值2.1439.5111.0370.593.9127.96平均值1.4824.729.6765.602.9826.21（2）吸附常数及煤层瓦斯含量的测定煤的吸附参数a、b值测定在煤炭科学研究总院重庆研究院的HCA型高压容量法吸附系统上进行。实验时煤样经过粉碎后，用6080目的筛子进行筛去0.20.25mm的煤样，真空干燥后，在恒温状态下放入吸附缸进行脱气，向吸附缸内冲入一定压力的甲烷气，使吸附缸内的压力达到平衡，部分气体被吸附，部分群体以游离状态处于死体积中，已知充入的甲烷体积，扣除死空间的有力体积，即为吸附体积。重复这样的试验，就可以得到各压力段平衡压力与吸附体积量，连接起来即为吸附等温线，从而求得吸附参数a、b值。试验测定结果表明，7号煤层的a、b值分别为20.4352m3/t、0.9873MPa-1。煤层瓦斯含量是计算瓦斯储量与涌出量的基础数据，也是考察水力压裂效果、预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数，准确测定煤层瓦斯含量有重要意义。煤矿一般用DGC瓦斯快速含量测定仪测算煤层瓦斯含量，测定方法如下：通过记录煤样从钻孔煤层深部取出到封入煤样筒中的时间，结合在井下及时测量煤样筒中煤芯的瓦斯解吸速度及瓦斯解吸量，来推算煤芯封入煤样筒之前的损失瓦斯含量（W1）；将煤样筒带到地面实验室后，测量从煤样筒中的煤芯泻出瓦斯量，与井下测得的瓦斯解吸量一起计算出煤芯瓦斯解吸量（W2）；称取煤样筒中的部分煤芯（与全部煤样具有相似性）两份，逐份装入密封的粉碎装置中加以粉碎，测量在粉碎过程中（粉碎时间35min）及粉碎后一段时间（约5min）内所解吸出瓦斯量，并以此为基准计算出全煤芯在粉碎后的瓦斯解吸量（W3）；常压吸附瓦斯含量（Wc）为常压下煤样吸附的瓦斯含量，为常压不可解吸量，可采用朗格缪尔方程在标准大气压力条件下进行计算： （4-1）式中：a、b吸附常数；P煤层绝对瓦斯压力，MPa；Ad煤的灰分，%；Mad煤的水分，%；煤的孔隙率，%；煤的容重（假比重），t/m3.煤样可解吸瓦斯含量为Wa=W1+W2+W3，而煤的瓦斯含量为W=Wa+Wc。渝阳煤矿备有重庆煤科院研制的DGC型快速瓦斯含量测定仪，7号煤层的瓦斯含量有矿方自行测定，以从压裂孔中取得的7号煤样测试结果为例，测定结果如下。图4-2 30分钟井下瓦斯解吸量及其拟合曲线图4-2为30分钟井下瓦斯解吸量及其拟合曲线，测算得到W1=3.4074m3/t，W3=3.1012 m3/t，W3=6.6054 m3/t，Wa=13.114 m3/t，WC=2.5633 m3/t，则有W=15.6773 m3/t。其他孔的测定结果见表4-3。表4-3 检验孔煤层瓦斯含量测定结果采样地点数据来源瓦斯含量（m3/t）压裂孔实测7#煤15.67738#煤18.1613距压裂孔向北80m处（检1孔）实测7#煤8#煤18.3009距压裂孔向北70m处（检2孔）实测7#煤11.37708#煤12.7720距压裂孔向北60m处（检3孔）实测7#煤16.46558#煤16.3746距压裂孔向北50m处（检4孔）实测7#煤16.31458#煤8.6247距压裂孔向南60m处（标准孔1）实测7#煤12.62468#煤9.8866平均值14.2345（3）瓦斯压力测定7号煤层的瓦斯压力由位于N3702西瓦斯巷的测压孔测得，标准孔的设计参数、封孔及压力情况如表4-4所示，钻孔瓦斯压力上升曲线如图4-3所示。表4-4 标准孔（测压孔）钻孔参数表孔号方位角()倾角()设计孔深(m)终孔位置封孔长度钻孔功能压力测压孔孔07754.6M7煤层顶板封孔值7号煤层底板压裂前参数测试1.94MPa图4-3 7号煤层瓦斯压力测定曲线(4)煤层透气性系数的测定煤层透气性系数是反应煤层瓦斯流动难易程度的标志，煤层透气性系数的测定可以分为实验室内测定和现场测定，由于煤层本身又是非均值各向异性介质，因此，煤层的透气性系数必须通过实际测定才能确定。现场测定煤层透气性系数常用的方法是以中国矿业大学周世宁教授提出的采用钻孔瓦斯自然排放量随时间变化规律进行计算，要求等压力稳定后要对测压钻孔进行放气，记录钻孔瓦斯流量随时间变化规律，具体做法是首先垂直煤层打一贯煤层的钻孔，密封钻孔并测出煤层原始瓦斯压力，测完压力后，打开阀门，使钻孔内压力降至大气压力，测定出各个时刻钻孔自然瓦斯排放量，代入相关公式进行计算就可以得到煤层透气性系数；另一种是利用钻孔瓦斯压力上升随时间变化情况进行计算的方法，要求必须是自然升压，主动式测压方式无法计算。初期，压力上升较快，应每天观测，以后压力趋于稳定，观测时间可适当延长，直到瓦斯压力达到最大值，然后用公式计算出煤层的透气性系数。由于第一种方法需要对测压钻孔进行放气，有标准孔作为预抽观测孔，不能进行放气。钻孔瓦斯流动是径向不稳定流动，求出其流动方程的解析解是困难的。中国矿业大学在实验室用相似模型试验的方法进行试验，并以相似准数表达了试验的结果。径向不稳定流动的计算公式为： （4-2）式中： Y流量准数，无因次；时间准数，无因此；a,b无因次系数。 （4-3）t （4-4）式中：P0煤层原始绝对瓦斯压力(表压力加0.1)，MPa；P1钻孔中的瓦斯压力，一般为0.1Mpa；煤层透气性系数，m2/(MPa2d)；钻孔半径，m；q在排放时间为t时、钻孔煤壁单位面积的瓦斯流量，m3/(m2d)； (4-5)Q在时间为t时测出的钻孔流量，m3/d；L一钻孔见煤长度，一般为煤层厚度，m；t从钻孔卸压到测定钻孔瓦斯流量的时间，d；a煤层瓦斯含量系数，； (4-6) X煤的瓦斯含量，m3/t；P确定煤瓦斯含量时的瓦斯压力，MPa。说明：公式（4-6）是一种常见的计算瓦斯含量的方法，该式是经验性公式，在低瓦斯压力下较准确。由于该式的形式简单，参数较少，常被应用在各种形式的计算中。另一种常用的计算瓦斯含量的方法是利用朗格缪尔（Langume）方程计算。为了简化计算，导出如下计算透气性的公式： （4-7） （4-8）其中： ， t由于流量准数与时间准数的关系难以用简单的公式表达，故按时间准数分段表示，得出以下专门计算透气件系数的公式：由于计算透气性系数公式式子较多，须采用试算法来确定选取的计算式。即先选用其中任一个式子计算出值，然后将算出的值代人公式，校验是否在选用公式的适用范围内。如在试用范围，则选式正确，算出的值即为煤层透气性系数；如不在适用范围，则需重新选公式计算值，更新校验值是否在选用公式的适用范围内。测定透气性系数时应注意如下事项：（1）打测压钻孔时要注意有无喷孔，如有喷孔，应测定喷出煤量，然后折合计算孔径；（2）测定钻孔瓦斯流量时，可在不同时间多测几个瓦斯流量值，以便分析距钻孔不同距离煤体透气性的变化规律；（3）卸压后到测定流量时间长时，钻孔见煤长度可不取实测值(如钻孔与煤层面斜交)，而取等于煤厚；如时间短，则L值可取为钻孔见煤长度。渝阳煤矿7号煤层透气性系数的测定借助N3702瓦斯巷的测压孔进行测定，测定过程中取得的参数分别代入相应公式，算的煤层透气性系数，计算结果如表4-5所示。表4-5 7号煤层透气性系数计算结果表原始压力/MPa大气压力/MPa孔径/m煤层厚度/m测试时间/d瓦斯含量系数/Q/ m3/d单位面积瓦斯流量/m3/(m2d)透气性系数/m2/(MPa2d)1.940.10.03750.863813.337.48836.950.00994.3 7号煤层基本力学性质实验测试煤的力学性质的研究，可为煤矿采、掘机械化及相关参数的计算提供一定的参数，在煤与瓦斯突出的矿井中，可通过深人研究煤的力学性质，为瓦斯突出预测和防治获得定量指标，也将为认识突出机理提供定量参数。 图4-4 坚固性系数测试装置7号煤层坚固性系数f值由重庆煤科科学研究分院测试完成，测试装置示意图及实物如图4-4所示。测试时对7号煤层上、中、下部分别采样测定，测定结果显示上部硬分层f值小于0.006，中部软分层f值小于0.1，下部硬分层f值为0.3947，该煤层总体上较软。在施工穿层孔过7号煤层时，发生过轻微的喷孔现象，通过钻孔套筒取煤芯的方法难以获得较完整煤样，因此只能通过实验室制取型煤样的方法测试7号煤层的基本力学参数。型煤样的制作方法如下：将采集的7号煤层煤样在实验室粉碎机上粉碎，并筛取粒径6080目的煤样若干，洒入适量清水，达到手试成团效果后，在万能材料试验机上，利用加压成型装置以100MPa加压成型。试件加工尺寸为50mm100mm，如图4-5所示。将型煤试件放置于80C的烘箱内烘烤，使试件水份与前述原煤工业分析水份相当，并及时将煤样置于塑料袋内密封保存，以备实验用。图4-5 制作的7号煤层型煤样图4-6 煤样典型的应力应变曲线表4-6煤样基本力学参数煤样极限强度/弹性模量/GPa泊松比（）7号层0.6713.40.31标准煤样力学性质测试实验在重庆大学MTS815岩石力学测试系统上进行。测得的煤样在单轴状态下的应力应变曲线如图4-6所示，经过分析计算得到的煤样基本力学参数如表4-5所示。实验结果表明7号煤层型煤样单轴压缩强度仅为0.67MPa，弹性模量较低，泊松比较大，说明该煤层型煤样极易变形，属于软煤层。4.4 7号煤层穿层钻孔水力压裂的可行性7号煤层位于煤系中部,上距B44.138.08m，平均5.73m，下距B3(M8)5.077.80m，平均6.24m。煤层顶板以砂质泥岩、粉砂岩为主，有时有细砂岩；直接底板为灰白色粘土岩。煤层总厚0.661.03m，平均0.84m，中段136-6、CK4号孔揭露煤层不达可采厚度，其余全部达可采厚度。本煤层为简单结构薄煤层，半暗型煤、沥青光泽，性坚硬，参差状断口，节理发育。煤层可采性指数0.71，厚度标准差0.266，变异系数33，为较稳定的大部分可采煤层。8号煤层位于煤系中部，上距M7-2 5.077.80m，平均6.24m，下距B1辅18.3028.11m，平均24.72m。煤层顶板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，局部为炭质泥岩、泥质粉砂岩；底板以泥岩、砂质泥岩为主。煤层总厚度2.363.78m，平均2.96m。M8煤层厚度变化不大，属中厚厚煤层，简单较简单结构，半亮型煤，一般为粉末状，少许为细粒状，底部为片状及薄层状，参差断口。煤层可采性指数为1，厚度标准差0.571，变异系数21，属稳定型可采煤层。M8煤层含矸石01层，矸石单层厚度0.210.68m，多为泥岩，局部为炭质泥岩。渝阳煤矿煤体类型主要以碎粒煤和糜棱煤为主，根据井下本煤层水力压裂适用性，可知在渝阳煤矿碎粒煤和糜棱煤发育的区域，实施水力挤出、本煤层水力压裂难以大幅提高煤层透气性系数，无法抽采煤层中的瓦斯气体，因此，对于这些碎粒煤和糜棱煤发育的区域，要开辟新的途径。对于煤体严重破坏的碎粒煤和糜棱煤而言，本身没有任何残余强度，是不可进行本煤层水力压裂强化的储层；同时这类储层中煤层气的运移产出仅仅是扩散，不可能形成渗流，排采半径非常有限。因此是目前的常规煤层气开发工艺的禁区，井下处于瓦斯治理目的的抽放也是以密集布置钻孔而完成的。但以井下密集布置钻孔来对碎粒煤和糜棱煤进行井下瓦斯抽放，工作量很大，而且抽放效果不甚理想。为此，河南理工大学等单位1998年提出了虚拟储层强化工艺。该工艺将煤层顶底板作为煤层气产出的层段，即虚拟储层。通过对虚拟储层进行水力压裂强化增透，使得煤层中的煤层气只需通过扩散方式运移到顶板裂隙中，以达西流形式运移到钻孔产出。相当于为煤层气产出建立了一条高速通道。这一工艺于2007年在山西古交进行了成功工业性试验。山西古交两口煤层气试验井揭露了两层煤，间距为18m，全层为糜棱煤，常规工艺无法实现强化作业。为此，将这两层煤之间的18m岩层进行了压裂，实现了虚拟储层强化增透。目前已经连续6个月稳定在10001500m3/t的产量。这一试验有力支撑了虚拟储层强化工艺的工程实施可行性，为突出煤煤层气地面商业化开发开创了一条有效途径。这一工艺同样适合于井下实施。对于井下钻层孔压裂，无论是本煤层，还是顶底板，目的在于增加其裂缝长度、宽度与连通性，为瓦斯的产出提供高速通道。只要设备能力能够达到要求和工艺参数合理，将取得非常明显的效果。5 HTB500型压裂泵组简介及调试5.1 HTB500型压裂泵组简介2011年1月，科技公司从宝鸡航天动力泵业有限责任公司引进一套HTB500型调速煤层压裂泵组，准备在渝阳煤矿进行穿层孔水力压裂试验。该泵组2011年1月28日运抵渝阳煤矿，科技公司、松藻煤电有限责任公司及其下属渝阳煤矿对该泵组进行了接收工作。图5-1 HTB500型泵组实物照片HTB500型煤层压裂泵泵组是宝鸡航天泵业有限责任公司针对煤矿井下压裂工况设计的矿用压裂泵组，主要用于煤矿煤层水力压裂及注水、井下排泥等项作业，该泵组采用YB2-400M-4、400KW隔爆型电动机作为动力，配有BY610Z液力变速器，经球笼式同步万向联轴器通过泵侧挂齿轮箱减速驱动泵运转。整套泵组布置在三块平板车上，便于整体运输和组装。HTB500型煤层压裂泵泵组实物照片及平面图如图5-1、5-2所示。图5-2 HTB500型煤层压裂泵泵组平面图该泵组的工作原理为：以隔爆型电动机为原动力，经液力变速器变速后，通过十字轴式同步万向联轴器及泵侧挂齿轮箱减速驱动泵的曲轴作回转运动，再经泵内的曲柄连杆副，带动柱塞作往复运动。最终将原动机输入的圆周运动转换为泵内柱塞的往复直线运动。HTB500型煤层压裂泵泵组由HTB500型压裂泵、YB2-400M-4隔爆型电动机、液力变速器、传动轴、冷却系统、吸入和排除管汇、电气换挡系统、数据监控系统、平板车底座等组成。其中，HTB500型压裂泵由动力端、齿轮箱、液力端、动力端润滑系统、液力端润滑系统和底座（油箱）组成，是泵组的重要组成部分。该泵组性能稳定、可靠性高、输出能力大，最大输出压力达50MPa，最大输出流量达66m3/小时。5.2 HTB500型煤层压裂泵泵组接收与地面调试2011年2月14日，科技公司、松藻煤电有限责任公司、渝阳煤矿、宝鸡航天动力泵业有限责任公司联合对泵组进行了地面验收和调试，验收工作结果表明泵组及随机配件、工具的型号规格、数量与供货清单相符。地面调试工作共进行了4次，具体情况如下。第一次调试情况：2月18日，采用盲堵方式，堵死高压端出口，档位1和2试验成功，在调至3档时，压力达到5MPa、流量41.8m3/h后，电动阀门流量不能满足要求，停止调试；第二次调试情况：2月20 日，在调试3档时，将高压出口端盲堵打开，安装手动截止阀，外接35MPa高压胶管排水。压力升至32.8MPa时，高压胶管破裂，停止调试；第三次调试情况：2月27日，将胶管换成70MPa、公称直径25mm的高压胶管，进行3、4档的调试，调至4档时，压力19.4MPa，流量55m3/h时，高压胶管爆裂，停止调试；第四次调试情况：3月6日，采用两根70MPa、公称直径25mm的高压胶管并联排水，正常调试并完成4、5档的调试。表5-1 HTB500型煤层压裂泵泵组实际工况档位设计压力MPa设计流量M3/h实测压力MPa实测流量M3/h电流A电压V电动阀门开闭度备注00000541187100%15016.55116.813215611325%运行10min23924.537.628.316911768%运行5min332332726.817411503%运行10min421.54919.949.917518011683%运行10min5156616.166.620611477%运行15min经过调试，泵组详细工况如表5-1所示。调试结果表明，泵组参数与技术协议要求基本吻合，各项指标均能达到要求，工况稳定。5.3 高压泵组的管路及其连接5-3 厚壁无缝孔内高压钢管实物图图5-4高压软管实物图高压管路包括两部分，即孔内联接高压管和孔外联接高压管。孔内联接高压管为厚壁无缝高压钢管，孔外联接管为抗高压软胶管，分别如图5-3、5-4所示。煤矿井下的空间有限，压裂泵不易频繁搬运，一般是固定在一个位置，对附近的工作