兖州煤业关于高位巨厚岩层致裂技术的调研报告[张总改]

1、关于东滩矿六采区高位巨厚砂岩致裂技术调研报告为尽快解决东滩煤矿六采区煤层上方侏罗系巨厚完整砂岩层断裂引起大能量矿震问题，煤业公司副总工程师张广文带领生产技术部、东滩煤矿相关专业技术人员，2月18日到东营胜利油田石油工程技术研究院压裂技术研究所，调研了石油系统深井岩层压裂技术，2月20-21日到大同煤业调研了塔山矿坚硬老顶高压水力致裂技术，2月21-22日到中煤科工西安煤科院调研了煤矿井下定向长钻孔水力压裂技术及装备、高性能定向钻机钻孔施工技术等。现将调研情况及下一步工作意见汇报如下：一、胜利油田石油工程技术研究院基本情况及石油系统深井岩层压裂技术（一）胜利油田石油工程技术研究院基本情况东营胜利

2、油田石油工程技术研究院位于东营市东营区，主要经营油气开发过程中新工艺、新技术、新产品的研究开发、产品销售、技术服务等。本次调研主要到胜利油田石油工程技术研究院压裂酸化与天然气所（以下简称工程院压裂所）了解石油系统深井岩层压裂技术。工程院压裂所是胜利油田重点实验室，现有区块整体压裂技术、直井多级分层压裂、水平井分段压裂、高导流通道压裂、组合缝网体积压裂、特色压裂液（酸液）等多项技术，成为胜利油田品牌技术。（二）石油系统深井岩层压裂技术工艺的主要特点通过在地表施工深井（竖斜井）到设计储物岩层，再施工水平井（水平钻孔），采用高导流通道压裂技术，形成高导流通道，获得更高的产能，形成有效裂缝长，获得更大

3、的泄油面积；为提高单井产能和经济效益，以精细分层压裂技术多岩层采用多层压裂，形成多层裂缝，达到提高产能的目的。1施工示意图如下2.高导流通道压裂技术高导流通道压裂技术主要由：专用纤维材料、簇式射孔设计、脉冲泵注程序设计和配套技术组成。通过添加纤维材料、脉冲加砂和非均匀射孔技术，在裂缝内部形成一个复杂而稳定的通道网络，使裂缝由“面”支撑变为“点”支撑，油气不是从支撑剂填充层通过，而是通过高导流通道流动。该项技术特点是:比传统的常规压裂技术有效缝长增加25%，从传统的95m增加到120m左右。3.精细分层压裂技术（分层可控）不动管柱圭寸隔器分层连续油管捆动圭寸隔器桥窒分层以提高单井产能和经济效益为

4、目标，研究应用以“分层优化设计，分层压裂管柱，分层压裂工艺”为核心的精细分层压裂技术。精细分层压裂技术以机械分层为主和低成本暂堵转向细分为辅，降低分层成本及难度，提高分层精细程度。4/16H<.nx扶门签射仇枪峻砂器"、裂桥期2主疑技术持点单段费用1不动宣柱至寸隔器分层层数：N45.5m3/min,规模v6Omm威本低,fi®工简单44方2桥室身寸孑胡关作分层层数:不限适合于大规樓、大扌非工的体积庄裂6S工7-10753连续油直检动封隔器分层层数：不限大夫见極,mS5.5m3/min谨合于分层数多、分层间距J、的幷1O-1575定位:S三种分层管成本对比厶4.分段管柱

5、分类水平井管内连续油管拖动封隔器分段压裂管柱采用连续油管进行喷砂射孔，通过逐级拖动封隔器实现油层分段，油套环空加砂实施压裂。特点是：射孔簇数和压裂级数不受限；连续作业，施工周期短；机械封隔，可靠性高；工具可带压起出，立即放喷投产；作业完成后井筒全通径。最大作业深度5000m,作业时间2-3段/天。示意图如下。水平井裸眼封隔器分段压裂完井管柱采用裸眼封隔器分隔油层，通过投球逐级打开压裂滑套的方式，实现多级压裂。自主研发的裸眼多级分段压裂完井管柱在国内率先实现15级分段压裂。与贝克休斯对比表及示意图如下。指标贝克休斯工具胜利研发工具耐压等级58.6MPa（158.75mm井眼）60MPa（159.

6、4mm井眼）分段数量24级15级球座级差3.175mm2.6mm4mm管柱耐温150C150C1.高导流通道压裂技术、精细分层压裂技术需要下套管、固管、射孔、压裂等环节，施工技术复杂，高压大流量等专用设备多，时间长、费用高，只能在地面施工，但压裂效果好，压裂方向可控，压裂半径大（可达100150m）。2.水平井裸眼封隔器分段压裂方法施工简单，钻孔内不需下套管，裸孔就可施工，但压裂方向基本不受控，压裂半径小，一般在50m左右。此技术西安煤科院已成功应用于煤矿顶板压裂。二、同煤塔山煤矿坚硬老顶高压水力致裂情况同煤集团塔山煤矿设计年产量1500万吨，该矿8218工作面位于二盘区中部，东以二盘区辅运巷

7、为界，东北邻8216工作面已采空，西南为实煤区，北至口泉铁路保护煤柱，地面为虎龙沟支沟兴胜沟东南部的沟谷和山坡地段，盖山厚度414.5632.1m。面长230m,可米长2894m,煤层厚度8.34-2212m装备ZF15000/27.5/42支撑掩护式液压支架，放顶煤开采，机采厚度45m，现已推进1930m，剩余964m。开采期间，工作面上方约100m-120m处存在厚度约20m左右的粉砂岩及细粒砂岩构成了远场老顶围岩关键层，常常难以破断垮落，当其垮落时工作面来压强烈，为矿井设备和安全开采留下了隐患。为此，同煤集团塔山煤矿与西安通源石油科技股份有限公司合作，首次将石油行业的“水平井泵送定向复合

8、射孔及压裂技术”应用到老顶致裂方面，初步揭示了射孔压裂技术致裂围岩的机理和破坏规律，为工作面围岩控制提供新方法新途径。（一）实验井施工工序本次施工地面实验井位于大同市南郊区塔山矿8218工作面及停采线之间的地表。研究确定井位后安装地面钻塔，采用深圳INTECHQS-01A型GPS测量系统进行定测，实验井分三次开孔，分阶段下套管、固井候凝，钻进过程中采用WD无线随钻测斜仪进行测斜，经计算钻井水平段轨迹位移较设计偏差不大于5.0m达到甲级井标准。本井设计实验井井深650m，实际钻探井深66618m,施工到位置并达标后施工水平井，水平井长200m。实验井具体位置见图1，结构见图2。图1实验井具体位置

9、1）钻井结构：一开采用4445mm钻头钻至30m,下入339.7*9.65mm表层套管、固井候凝；二开采用115mm钻头钻至120m,下入244.5*894mm技术套管后固井候凝；三开采用216mm钻头钻至靶点（650m）完钻，下入139.7*7.72mm套管。钻井结构图见图2.图2钻井结构图2）钻井施工过程中进行可靠的钻井定向轨迹控制,终井后提供钻井轨迹图，钻井水平段轨迹位移较设计偏差不大于5.0米。3）水泥固井：对所下生产套管与井壁环状空间采用P0425普通硅酸盐水泥进行固井；01397生产套管，采用油气井用G级水泥进行固井。4）固井结束后，表层套管侯凝24h后试压，试压>2MPa,

10、30分钟降压不大于0.5MPa为合格;生产套管凝固4872h内，扫井至原井深做耐压试验，井打压不低于2MPa,30分钟降压不大于05MPa为合格，否则重新注浆止水，直至达到要求后，进行下部施工。本次钻探工作自2018年01月23日开始进场，02月01日开钻，03月26日全部结束野外工作，共施工地面实验钻井1个，其钻探工程量为66618m岩屑捞取133次，钻时点134个。在井深+0.50-31.09m下入O839.7mm>©.65mmJ55石油套管，并用使用4.10吨PO42.5（525#）普通硅酸盐水泥进行固井封闭止水。在井深+060T20.12m下入d£44.5mm

11、>S.94mmJ55石油套管，并使用5.30吨PO42.5（525#）普通硅酸盐水泥进行固井封闭止水。在井深+1.41-66432m下入139.70灯.72mmJ55石油套管，采用油气井用G级水泥30.78t进行固井封闭止水。5）水平井及射孔施工。本井第一段采用油管传输射孔工艺；第二至段五段采用电缆输送泵送桥塞及射孔工艺。（二）水平井泵送定向复合射孔及压裂技术1. 压裂施工参数表地区：山西大同日期：2018年4月2日施工单位松原市胜源宏石油技术服务有限公司施工井号塔山8218井施工层号施工设备泵车5台，混砂车1台，仪表车1台，挂车6台，液罐车5台，砂罐车1台，其他车辆：餐车、客车、等压裂

12、施工时间2018年3月31日4月2日压裂井段第一段压裂厚度第二段压裂厚度第三段压裂厚度第一段滑溜水设计施工排量4-7m设计砂量9.7m施工排量4-6.2ms/min第二段滑溜水设计施工排量6-8m8m施工排量6-7.3ms/min第三段滑溜水设计施工排量6-8m8m施工排量6-7.3ms/min第一段试挤26.s送塞72.7s携砂液470.89100目石英砂12m入井总量1569.92M3第二段试挤送塞22.99携砂液500.49100目石英砂9m入井总量2524.28M3第三段试挤送塞s5.17携砂液576.89100目石英砂10m入井总量3612.06Ms第一段设计配液量600m减阻剂27

13、5kg第二段设计配液量600m减阻剂s00kg第三段设计配液量600m减阻剂s00kg2. 施工结果分析 试挤：排量098-425建、压力7.46-226Mpa，用液26m3。 第一段施工：送球最大排量1.6ms,最高压力6.59Mpa,用液1624ms，主施工排量最大6.49ms，压力12.46Mpa，加砂10m3后投入蜡球0.5kg,进入地层后继续加砂，本层共加砂12ms，总计用液4709ms。 第二段施工：送球最大排量1.97ms,最高压力10Mpa,用液4.32ms,主施工排量最大7.29ms,压力8.9Mpa，加砂6ms后投入蜡球1kg，进入地层后继续加砂，本层共加砂9ms,总计用液

14、50049ms。 第三段施工：送球最大排量4.59ms,最高压力9.86Mpa,用液2.24m3，主施工排量最大7.4m3,压力10.33Mpa,加砂8m3后投入蜡球0.5kg,进入地层后继续加砂，本层共加砂10m3,总计用液5769m3。3. 施工流程根据压裂方案设计，2018年3月31日至2018年4月2日对塔山8218井压裂进行裂缝监测，现场监测工艺流程如下： 2018年3月29日14:00监测现场勘察：塔山8218井位置、地形、地貌以及井轨迹走向； 2018年3月29日至2018年3月30日布设监测分站，记录各分站座标，并求出各分站相对于井口的位置； 2018年3月31日7:30-8:

15、00系统参数设置及调试：打开主分站仪器，调试主分站之间的通信联络、数据传输，并进行参数设置； 2018年3月31日对第一级压裂进行现场监测； 2018年4月1日对第二级压裂进行现场监测； 2018年4月2日对第三级压裂进行现场监测。（三）检测结果及效果分析钻孔工作自2018年01月23日开始进场，02月01日开钻，03月26日全部结束野外工作，3月30日压裂工作就绪，31日、月1日、月2日进行压裂,共压裂3段,分别在573-623叫503-526叫444-475m段进行射孔压裂，具体压裂缝情况见下表。序号名称缝长（m）缝高（m）缝宽（m）方位（°）左翼右翼井筒上井筒下1第一段1346

16、2222154NE902第二段98118242646NE553第二段98118222541NE508218工作面截至2018年4月24日已回采2512m，超过钻孔末端70m,压裂第一层时，工作面距离钻孔末端约60m,未出现工作面压架和大面积来压情况，支架钻底现象大幅降低，工作面安全停采。说明采用通源公司的泵送定向复合射孔与桥塞联作技术以及地面水力压裂工艺技术进行施工,能够对老顶完整性进行提前致裂方面,减轻了来压强度。三、中煤科工西安煤科院井下岩层高压水力定向致裂情况（一）技术开发情况近年来,中煤科工集团西安研究院有限公司科研人员经过技术攻关,将压裂泵、压裂工具串等关键装备小型化,形成了适合于煤

17、矿井下定向长钻孔水力压裂技术及装备。通过实践形成了穿层孔、顺煤层孔及顶底板孔的整体、分段多种形式的压裂方式,应用于煤层增透瓦斯高效抽采、煤层顶底板改造及强制放顶等方面。西安研究院结合其生产的井下定向钻机、钻探技术,在国内首家实现集定向钻探、井下压裂装备、孔内压裂工具串、分段压裂工程施工于一体的成套技术和装备。目前,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂钻孔深度达到了500m以上，一个钻孔可实现12段压裂工程作业。1压裂装备：压力065MPa,排量0一875mVh。2.压裂工具串煤矿井下分段水力压裂工具主要包括：引鞋、单流阀、压差滑套、投球滑套、封隔器、油管、投球器、安全孔口等。3.分段水力压裂工艺：

18、分段水力压裂工艺目前主要包括不动管柱逐级投球分段水力压裂和拖动式分段水力压裂两大类。不动管柱逐级投球分段水力压裂工艺神东矿区煤层老顶普遍为中细粒砂岩，钙质胶结、较坚硬、厚度较大、完整性和稳定性较好，为中等稳定难垮落顶板。在矿区开发初期，由于煤层埋藏较浅，矿压显现不明显，但随着矿井开采深度的增加，受煤层坚硬顶板悬顶及上覆应力集中煤柱的影响，部分采煤工作面动载矿压显现强烈，安全生产得不到保证。前期，神东针对坚硬顶板问题治理的方法主要分为被动支护和主动卸压两类方法。被动支护主要采取液压支架、特殊填充巷道或者工作面支撑坚硬顶板岩层来避免坚硬顶板突然冒落，不能从根本上治理坚硬顶板；主动卸压主要包括预裂爆

19、破法、注水软化法和短钻孔高压水力压裂法，爆破法可使顶板破断垮落，消除应力集中，释放顶板聚积的弹性能，从而避免坚硬顶板大面积悬空的危害，但其工程量大、成本高、火药用量大，危险系数高、爆破产生3O等有毒气体污染井下环境，且对于高瓦斯矿井，还存在安全隐患。注水软化法施工相对安全，可在井下平行作业，对生产影响小，但对于黏土成分低坚硬砂岩或石灰岩效果并不明显。高压水力压裂法通过在顶板目标岩层中预先形成几条或者多条裂隙构成的立体裂隙体系隙，使顶板沿裂隙方向强度降低，从而减弱坚硬顶板的整体强度并易于垮落，减小坚硬顶板悬顶长度进而降低来压强度。但传统短钻孔水力压裂技术存在钻探施工精度低、有效压裂长度短、裸眼封

20、孔效果较差等问题，难以有效解决工作面来压问题，尤其是200m以上的工作面的中部顶板，问题更为突出，严重影响矿井安全高效生产。中煤科工集团西安研究院有限公司通过借鉴石油、地面煤层气开发压裂技术，结合煤矿井下定向长钻孔技术，自主研发了一套适合煤层坚硬顶板压裂治理的定向长钻孔双封单卡多点拖动式顶板分段水力压裂技术和装备。该技术具有钻探轨迹控制精准、覆盖范围广泛、压裂范围大、施工效率高、安全可靠等特点，能够有效降低周期来压步距、减缓巷道变形，提高放顶质量。针对神东矿区存在的顶板问题，采用定向长钻孔分段水力压裂技术对顶板进行水力压裂弱化措施，目前在神东矿区布尔台、保德等矿开展了相关工程实践应用。累计完成

21、3个工作面17个定向长钻孔的坚硬顶板弱化工程应用，钻孔长度360-570m,单孔进行分段压裂6-12段。形成了有效的三维连续裂缝，降低了来压强度，缩短了来压步距，有效的弱化了坚硬顶板，成功掩护了压裂施工范围内工作面安全回采。利用工作面矿压监测系统对顶板支架压力数据进行动态监测，采用回采进入压裂施工区域前后支架压力数据的时空对比方法，评价坚硬顶板整体压裂弱化效果。进行水力压裂后液压支架压力明显降低，进行顶板分段水力压裂治理后液压支架压力由原来的最高59Mpa降低至约40Mpa，水力压裂后支架压力平均降低10Mpa;水力压裂后，回采工作面煤壁无片帮和压架等现象；回采工作面巷道及支架位置底板发生底鼓

22、明显降低坚硬顶板带来的问题得到了基本消除。（三）煤矿井下定向钻探装备及技术西安研究院从2005年开始，创新研制了4000-15000Nm系列定向钻机，涵盖了3个系列9种型号钻机，已累计销售260余台套（12000Nm及以上钻机30余套），其中大功率定向钻机的研制成功解决了井下超长定向孔施工装备能力不足的难题。目前小功率主导钻机型号有ZDY6000LD（B）型煤矿用履带式千米定向钻机，电机功率75KW，额定转矩3000/6000Nm钻孔直径96,最大钻孔深度1000m；钻孔直径153,最大钻孔深度600m。该钻机集成主机、泵站、操作台、防爆笔记本、流量计、急停开关等于一体,适用于孔底马达定向钻进

23、和孔口回转钻进等多种工艺。可用于井下探放水、地质构造和煤层厚度探测、煤层注水、顶底板注浆等各类高精度定向钻孔的施工。大功率主导钻机型号有ZDY12000LD型、ZDY15000LD型履带式超深孔定向钻机。电机功率132KW，额定转矩分别为12000-3000Nm、15000-3500Nnj钻孔直径153,最大钻孔深度分别为1200m、1500m该钻机集成主机、泵站、操作台、防爆电脑、流量计、电磁启动柜、急停开关等于一体的中硬煤层大功率深孔定向钻机，适用于孔底马达定向钻进和孔口回转钻进以及复合钻进等多种施工工艺。可用于井下探放水、地质构造和煤层厚度探测、煤层注水、顶底板注浆等各类高精度定向钻孔的

24、施工，满足顺煤层长距离定向钻孔和顶板高位长距离定向钻孔需要。煤矿井下定向钻机的技术优势：轨迹可控，钻孔精度高，无盲区；目标层位有效比例高，工程量少，综合成本低；实现“探、采、掘平行作业”，解决了时空矛盾。四、意见及建议1. 致裂东滩煤矿厚层完整顶板降低矿震强度和频率是可行的通过与胜利油田石油工程技术研究院压裂所座谈交流，东滩煤矿需致裂的坚硬岩层埋深浅，可通过自地面施工直井、直斜井和水平井的施工方式进行钻井。所施工区域已完成地应力测试，在施工水平井时可确保垂直主应力方向施工。使用水平井裸眼封隔器分段压裂完井管柱，采用裸眼封隔器分隔油层，通过投球逐级打开压裂滑套的方式，实现多级压裂。根据现工作面倾斜宽度避免与采空区联通，将缝长控制在100m左右，采用分层压裂技术，实现立体裂缝，能有效破坏砂岩层的完整性，