水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用

水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用资料撰写人：李维升资料审核人：周业谦完成单位：天府矿业公司磨心坡煤矿完成时间：2013年10月计划任务书计划任务书计划任务书计划任务书计划任务书《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•松软低透气性煤层由于承受上部覆岩的重量，煤层内原生裂隙受压缩处于闭合或半闭合状态，导致煤层原始透气性较小。井下煤层水力压裂技术采用高压泵将高压水通过钻孔注入到煤层，当液体压入速度远远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤体的水压力逐渐上升，当超过煤层上方的岩层压力时，煤层内原生裂隙被压开并向更远处扩展，形成新的流通网络，煤层透气性大大增加，高压水排出后，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好的条件，达到提高煤层抽采效率的目的。鉴定大纲《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•天府矿业公司磨心坡煤矿属煤与瓦斯突出矿井，采用平硐、竖井和斜井综合开拓方式，矿井通风方法为抽出式，通风方式为混合式。矿井地质构造复杂，煤层透气性系数低，煤层瓦斯含量大，穿层钻孔施工过程中垮孔严重，瓦斯预抽浓度较低，预抽瓦斯量也较小，严重威胁矿井采掘安全。随着矿井向深部延深，瓦斯威胁日益加剧，因此矿积极推进“水治瓦斯”科技攻关，强化瓦斯抽采。鉴定大纲《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•在科学、经济、合理、实用的前提下，通过对-220m北采区2-3石门K4煤层进行水力压裂有效范围、开裂压力进行考察，对比压裂前后瓦斯抽放量、抽放浓度、抽放达标时间、煤层透气性、瓦斯解析速度、煤体强度等，确定合理的钻孔间距，减少钻孔工程量，提高瓦斯抽采率，缩短抽采达标时间。鉴定大纲《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•在整个研究过程中，公司领导、矿领导给予了高度重视和支持，使本项目圆满完成。根据项目计划任务书的要求和上述研究目的、研究内容，本课题已圆满完成了任务，达到了预期效果，请公司按以下内容给予评审和鉴定。鉴定大纲《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•1.资料是否齐全，是否完成计划任务内容，能否达到鉴定要求。•2.评审煤层水力压裂技术方案的科学性、合理性、可行性和经济性。•3.评审研究结果和所得结论是否正确。•4.评审研究成果应用于矿井生产过程中的社会经济价值。•5.请指出本研究之不足，提出进一步和更好修改意见。鉴定大纲《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•一、研究目的•2011年，磨心坡煤矿首次对-220m南4石门采用水力割缝，成功的增加了K2煤层的透气性，有效缩短了石门揭煤实践，为了更有效的将水治瓦斯运用到实践中，针对磨心坡煤矿K4煤层透气性系数较低，瓦斯抽采浓度较低的现状，通过在-220m水平北采区二至三石门K4运输巷对K4煤层实施水力压裂提高煤层透气性技术，向煤层施工顺层钻孔，注入高强压力水，使煤体内部组织受到破坏，深部原生裂隙扩张，延伸，从而增强该煤层透气性，提高瓦斯抽放量，有效化解瓦斯突出危险。工作报告《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•二、研究内容•主要研究内容：通过对-220m水平北采区二至三石门K4运输巷K4煤层采用水力压裂技术，考察其开裂压力，水力压裂后煤层有效影响范围，瓦斯抽放纯量变化量等参数。工作报告《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•三、研究工作进程与完成情况•1.2013年8月-220m北采区2-3石门K4运输巷贯穿，形成独立通风系统。•2.2013年8月底，水力压裂考察孔施工完成。•3.2013年9月，水力压裂孔施工完成，并进行水力压裂工作。•4.2013年10月底前，对-220m北采区2-3石门K4运输巷K4煤层水力压裂工作数据进行总结，并形成报告。工作报告《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•四、技术关键与创新•通过对-220m北采区2-3石门K4煤层进行水力压裂实验，增加煤层透气性系数，促使煤层瓦斯解析，有效掌握煤层开裂压力，掌握煤层水力压裂影响范围，以优化煤层钻孔布孔距离，提高瓦斯钻孔的抽采率，有效化解煤层瓦斯突出危险。工作报告《水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用》•五、项目研究成果结论•1.起裂压力•-220m北采区2-3石门K4煤层起裂压力为14～15Mpa，注水量强度为0.25t/min。•2.压裂有效范围•-220m北2-3石门K4煤层压裂有效范围走向上为32～39m，倾向上为22.5～55m。•3.瓦斯抽放浓度及纯量变化•-220m-220m北2-3石门K4煤层注水前，单孔瓦斯浓度平均80%，瓦斯抽放纯量平均0.16m3/min;对1#、2#钻孔注水后，1#、2#钻孔瓦斯浓度平均75%，瓦斯抽放纯量平均为0.32m3/min。以上数据表明，对钻孔注水后，抽放瓦斯浓度平均降低5%左右，钻孔瓦斯抽放纯量比未注水前提高了2倍，抽放量提升效果明显。工作报告水力压裂技术在磨心坡煤矿的实践与应用•资料撰写人：李维升•资料审核人：周业谦•完成单位：天府矿业公司磨心坡煤矿•完成时间：2013年10月技术报告1实验地点概况•1.1实验地点位置•位于-220m水平北采区2-3石门K4运输巷，压裂煤层为K4煤层。其工作面开采水平为-220～-115m，该煤层采用倒台阶全部垮落法进行采煤。1实验地点概况•1.2煤层赋存及顶底板岩性•煤层厚度0.49～0.53m，平均厚度0.50m，简单结构，赋存较稳定，层状构造，硬度系数2.5,煤层可采指数为1.00，煤厚变异系数为9.5%，属稳定煤层。直接顶14.92m燧石灰岩（大铁板），伪底0.88m深灰色泥岩，含菱铁矿，直接底1.98m深灰色泥岩，含菱铁矿。详细见图`1：《-220m北2-3石门K4煤层顶底板岩性综合柱状图》所示：1实验地点概况•1.3主要巷道布置情况•-220m水平北采区集中运输巷已掘至北6石门，并形成独立的通风系统。北4石门已掘至K4煤层位置并形成独立通风系统，北5石门正在掘进。北1-3石门K4、K6运输巷已经形成。2013年8月31日，北7602采面位置在北2石门以南60m。北7401采面位置在北1石门以北5m。如图2所示：2压裂设备选型、相关材料运输及安装•2.1压裂设备选型•根据磨心坡煤矿-220m北采区K4煤层赋存条件，本次水力压裂试验使用的泵为浙江众博矿业机械有限公司生产的WRB200/31.5高压乳化泵。该泵的性能参数见下表3所示。2压裂设备选型、相关材料运输及安装•2.2压裂设备相关材料运输及安装•压裂设备相关材料详见表4所示2压裂设备选型、相关材料运输及安装•整套压裂设备的安放及管路布置需要考虑整套设备能够顺利到达安装地点，要明确制定设备的下井路线，考虑到本压裂泵组体积较大，整套设备的安放及管路布置需要考虑整套设备能够顺利到达安放地点，设备的下井路线为：平硐→+230m人行斜井→-115m人行斜井→-115m辅助斜井→-220m辅助斜井→-220m北二石门→-220m北二石门K4煤层运输巷进入实验地点。图5为水力压裂设备安设地点示意图。3钻孔设计及其施工•3.1压裂孔设计及施工•（一）压裂孔位置•本次对煤层进行压裂试验位置位于-220m北二至三石门K4煤层运输巷，共布置两个压裂孔，Ⅰ#注水孔位置在-220m北3石门K4运输巷以南75m，Ⅱ#注水孔位置在-220m北3石门K4运输巷以南125m处。如图6所示：•图6-220m北二至三石门K4运输巷压裂孔位置示意图3钻孔设计及其施工•3.1压裂孔设计及施工•（二）压裂孔设计及施工•压裂孔施工采用ZYG-150型钻机，沿煤层倾向方向施工，倾角56°，孔深100m，孔径75mm。3钻孔设计及其施工•3.1压裂孔设计及施工•（三）压裂孔封孔工艺•压裂钻孔采用Φ75mm钻头施工完成后，将直径为20mm注浆管能正常送入孔内至K4煤层；孔内压裂管为直径25mm，壁厚8.0mm的无缝钢管，每根长2m，采用螺纹连接；压裂管前端为1根筛管，筛管前端加上过滤网，防止砂浆回流堵塞压裂管；压裂管每根长2m，封孔注浆管采用直径20mm钢管，每根钢管长2m，两头套丝，采用管箍连接，送入孔内压裂煤层；注浆管口与截止阀连接，截止阀与注浆泵注浆管连接；注浆时开启球阀，注浆结束后及时关闭截止阀。压裂钻孔孔口采用AB胶加棉纱封堵，长度不低于2m，A、B胶封堵完成后，先使用压风对压裂管进行冲吹，冲通后再进行注浆工作，凝固24小时之后方可以进行注水。•压裂钻孔采用水泥砂浆机械封孔，水泥砂浆材料为425标号的普通硅酸盐水泥和白水泥，普通水泥水泥与白水泥混合比例为3：1，水泥与水的混合比例为2：1。压裂孔封孔工艺图见图7所示：3钻孔设计及其施工3钻孔设计及其施工•3.2检验孔设计及施工•（一）检验孔位置•本次对煤层进行压裂试验位置位于-220m北二至三石门K4煤层运输巷，共布置一个检验孔，检验孔位置在-220m北2石门K4运输巷以北45m处。如下图8所示：3钻孔设计及其施工•（二）检验孔设计及施工•压裂孔施工采用ZYG-150型钻机，沿煤层倾向方向施工，孔深77m，倾角56°，孔径75mm。4现场实施压裂工作•4.1压裂工序及工艺流程•对-220m北二至三石门K4煤层进行注水分为三个工序，即打钻，封孔和注水。对该煤层采用普通压裂技术，即采用如下步骤进行：①制定压裂方案及措施→②准备注水所需的设备→③加工注水管→④封孔→⑤注水→⑥观测记录→⑦分析总结•4.2压裂设备管道布置情况•乳化泵安装在-220m北3石门外集中运输巷，水表安设在乳化泵的进水侧；将井下供水管连接至乳化泵的水箱进水口；常压水通过注水泵加压后，采用Φ25mm高压胶管连接到压裂钻孔内部的高压封孔管上，通过高压封孔管将高压水流输送至钻孔内。压裂系统各组件连接后（连接方法见图9），先低压试验该系统是否通畅、接头是否漏水等现象，发现问题，停机处理，待问题处理好后方可进行中压注水。4现场实施压裂工作4现场实施压裂工作•4.3压裂工作情况•4.3.1压裂过程：•2013年9月10日12：30时K4煤层2#压裂孔开始注水，注水压力12Mpa，到15：10共计注水6.5吨，最大注水压力14Mpa开裂，在2#孔南边39m范围内的本煤层钻孔出水并将已封的预埋管冲落。•2013年9月10日15：50时K4煤层1#压裂孔开始水压注水，注水压力15Mpa，到17：00共计注水4.2吨，最大注水压力16Mpa开裂。在2#和1#之间锚杆有明显滴水和瓦斯涌出，1#孔以北32m范围内的本煤层钻孔出水。•开启卸压阀，压裂工作结束。本次对1#和2#压裂孔注水共计10.7吨，最大注水压力16MPa.4现场实施压裂工作•4.3.2压裂孔返排情况•2013年9月27到30日对两个压裂孔进行返排，共计返排水1.4吨，同时进行瓦斯抽采参数的考察。•4.3.3压裂液•本次压力的压裂液没有配制支撑济，采用井下用水进行压裂工作。4现场实施压裂工作•4.3.4压裂效果考察•（1）压力、流量变化情况•2#孔压裂情况：2013年9月10日中班在-220m北2-3石门K4运输巷实施水力压裂。先实施2#孔，12:30到15:10结束，起初注水压力为12Mpa，最后升至14Mpa。水量从0.025t/min逐渐增加到0.25t/min，共计压入水量6.5t，回风瓦斯浓度从0.31%降至0.22%。如图10所示：•4现场实施压裂工作4现场实施压裂工作•1#孔压裂情况：15:20到17:00结束，起初注水压力为15Mpa，注水压力15～16Mpa，最大注水压力16Mpa。水量在0.04～0.06t/min，共计压入水量4.2t，本次压裂结束共计压入水量10.7t，回风瓦斯浓度从0.23%升至0.28%。如图11所示：4现场实施压裂工作4现场实施压裂工作•（2）瓦斯抽采浓度、流量考察•①2013年9月12日1#、2#、3#孔进行瓦斯抽采参数测定：•2013年9月12～23日1#孔内有水无法测定，进行排水。9月24日到29日测得的瓦斯浓度稳定在76%，瓦斯抽放纯量从0.28m3/min升高到0.32m3/min；9月30日测得的最大瓦斯浓度80%，10月6日测得瓦斯浓度65%，瓦斯抽放纯量从0.32m3/