井下水力压裂的理论与实践

煤矿井下水力压裂的理论与实践一、煤矿井下水力压裂工艺的由来二、松软突出煤层的水力压裂工艺提出三、水力压裂的多重效应四、煤矿井下水力压裂现场实践五、展望报告提纲一、煤矿井下水力压裂工艺的由来水力压裂是地面煤层气开发的一项常规技术其实质是将流体以大于地层虑失速率的排量和破裂压力的压力使岩石破裂形成裂缝，并相互沟通，从而增加了储层与井筒的联通能力，达到增产的目的。将此工艺移植带井下可取得异曲同工的作用，但要求：（1）能够满足压力和排量需求的压裂泵（2）有效的封孔技术（3）合理的泵注程序（4）有效的效果评价方法（5）严格的安全防护措施1、工艺的提出采用乳化液泵在井下本煤层顺层孔实施压裂，可将透气性系数提高了10倍、百米钻孔瓦斯流量增加了5倍、衰减系数降低50%。预示着此工艺在煤矿井下的可行性。研制了专门针对煤矿井下压裂泵组已基本建立了煤矿井下水力压裂的理论、装备与工艺体系，并正在向大规模工程化方向推进，争取在“十二五”期间将此工艺作为煤矿瓦斯灾害治理的常规工艺进行推广应用2、工艺的实施二、松软突出煤层的水力压裂工艺提出井下水力压裂工艺的适用性煤体结构适用性原因分析原生结构煤最适用需要开启裂缝碎裂煤较适用通过水力压裂增加更多裂缝，或使裂原有缝更加畅通。碎粒煤不适用无法产生有用裂缝靡棱煤不适用无法产生有用裂缝1、硬煤可直接强化增透已被公认硬煤压裂后的应力、裂隙分布原理图由于煤体被破坏成塑性材料，已经不存在原生的规则裂隙，高压水进入后不能开启新裂缝或者扩展已有裂缝；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“穿刺”轨迹并不能真正成为瓦斯运移产出的通道。2、软煤在无“自由面”的情况下不可直接压裂原因分析可见与地面煤层气开发一样，压裂的对象必须是硬煤3、无“自由面”软煤如何增透对地面煤层气开发而言软煤目前仍然是禁区井下必须解决这一问题——冲洗卸压（1）本孔吞吐式冲洗：对于单孔而言可强行注入高压水将煤粉冲出，达到释放地应力、增透的目的。（2）注入式冲洗：将注水孔封闭，周边一定距离内施工卸压孔，从注入孔注入大排量高压水，将煤粉从卸压孔冲洗出，同样起到释放地应力、增透的作用。软煤冲洗卸压增透原理煤层注水对基质块内部的瓦斯实现了“封闭”，使瓦斯由吸附态转化为游离态更加困难，即增大了煤层瓦斯残留量，减少了瓦斯涌出量。例如水法采煤的相对瓦斯涌出量明显比旱法采煤小，仅为后者45.3%。实验证据：（1）启动压力梯度；（2）瓦斯放散初速度。三、水力压裂的多重效应1、增透显而易见2、抑制瓦斯涌出注水抑制瓦斯涌出证据——增加启动压力梯度采样地点自然干燥ΔP含水状态ΔP降低%胶带顺槽软分层1号18.310.045.4胶带顺槽软分层2号17.510.042.9回风顺槽软分层1号25.09.064.0回风顺槽软分层2号25.59.064.7胶带顺槽硬煤1号17.37.059.5胶带顺槽硬煤2号15.96.559.1辅助顺槽硬煤1号18.18.652.5辅助顺槽硬煤2号18.08.353.9回风顺槽硬煤1号22.37.566.4回风顺槽硬煤2号21.6————注水抑制瓦斯涌出证据——瓦斯放散初速度降低样品组含水饱和度（%）单轴抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）变形模量（GPa）11.327.831.020.7428.127.510.870.66313.957.470.920.60415.616.080.810.71520.745.530.730.59（1）硬煤强度降低3、改变煤体强度2610122612(含水量)（2）含水量对软煤力学性质的影响（升高）煤矿井下水力强化有助于使煤储层的地应力场在一定范围内实现均一化，避免在某一点或某一方向应力过于集中，是防治煤与瓦斯突出的有效手段。σ2σ1σ1,σ2,水力压裂钻孔=σ1σ1,=σ2σ2,4、均一化地应力场例图压裂孔及封闭段井下运输大巷钻孔及编号煤层压裂范围煤层底板等高线测点及编号压裂段封闭段例图压裂孔及封闭段井下运输大巷钻孔及编号煤层压裂范围煤层底板等高线测点及编号压裂段封闭段煤层异常范围示意图煤层顶板异常范围示意图05101520253035050100150200时间（min）施工压力（MPa）第一次压裂第二次压裂第三次压裂第四次压裂压裂影响范围——CYT（鹤壁中泰水力压裂监测）瓦斯压力场并非均匀分布，相邻区域瓦斯压力常存在较大差别，形成所谓的“瓦斯能量集中”，一旦被揭露，能量突然释放将造成严重的安全事故。裂隙的贯通，使瓦斯能够在煤体里通畅的流动，瓦斯从高压力区流向低压力区，达到了平衡压力场的目的。P1水力压裂钻孔P2P3P2P1＜＜P1水力压裂钻孔P2P3P2P1＜＜5、平衡瓦斯压力场①改善工作环境、降低尘肺发病率！②预防煤尘爆炸事故！6、降尘水力压裂的六重功效均一化地应力场抑制瓦斯涌出水力压裂改变煤体强度降尘增透平衡瓦斯压力场四、煤矿井下钻孔水力压裂现场实践本煤层钻孔水力压裂试验——顺层孔本煤层钻孔水力压裂试验——穿层孔工艺集成本煤层钻孔水力压裂试验——顺层孔鹤壁市安阳市鹤壁中泰矿业有限公司淇滨区浚县濮阳市馆陶县峰峰矿区范县林州市邯郸市南乐县大名县成安县广平县涉县京广高路京珠速铁水力压裂曲线第一次第二次30.83MPa30.15MPa钻孔编号浓度（%）抽放量（m3/d）纯量（m3/d）11143.924.8321525.343.8031022.182.2241615.692.51压裂影响范围外瓦斯抽放数据测试时间抽放量(m3/d)浓度纯量(m3/d)2010.01.28136899.41345.52010.01.291339.299.61333.92010.01.311396.899.91395.4压裂钻孔瓦斯抽放数据压裂前后瓦斯流态的变化检验孔渗透率（10-3um2）煤体结构GSI瓦斯流态压裂前0.30565.6低速非线性渗流（λ≠0）压裂后1.79959.4线性渗流（λ=0）0123456702468101214161820距压裂孔间距（m）煤屑水分含量（%）含水率变化→压裂半径R=14m穿层钻孔水力冲洗卸压中马村矿井下压裂钻孔布置图中马村矿井下压裂效果之一中马村矿ZM27C01水力强化作业施工曲线（第一阶段）0.05.010.015.020.00:000:010:020:030:040:050:060:070:080:090:100:110:120:130:140:150:160:170:180:190:200:21时间（Hou：Min）压力（MPa）0.000.100.200.300.40流量（m³/min）压力（MPa）流量（m³/min）从7月26日到9月3日39天内，共计抽采瓦斯折纯量为44515.35m3，日平均抽采纯量为1141.42m3，相当冲洗卸压前的11.6倍。2009.12.16钻孔水力压裂压力变化曲线图00.511.522.533.501234567891011121314时间（min）压力（Mpa）压力浓度压裂前0.18%，压裂后62%；自然流量压裂前为零，压裂后增加到9.22m³/d。500m3/d，两个月内基本维持在200~300m3/d鹤煤四矿33051水力压裂施工地点鹤煤四矿井下压裂效果之一工艺集成钻孔布置压裂设计压裂实施安全防护效果检验硬煤软煤（1）钻孔布置钻孔方位与巷道的关系钻孔方位σ1σ1钻孔方向煤壁出水σ1σ1钻孔方向裂缝延伸方向σ1σ1钻孔方向煤壁出水σ1σ1钻孔方向裂缝延伸方向钻孔方位与地应力场的关系钻孔方向裂隙方向封孔煤壁出水裂隙方向煤壁出水钻孔方向封孔钻孔方向水力压裂扩展方向裂隙方向封孔钻孔方向裂隙方向封孔煤壁出水裂隙方向煤壁出水钻孔方向封孔钻孔方向水力压裂扩展方向裂隙方向封孔钻孔方向裂隙方向封孔煤壁出水裂隙方向煤壁出水钻孔方向封孔钻孔方向水力压裂扩展方向裂隙方向封孔钻孔方位与裂隙的关系封孔方式胶囊封隔器水泥砂浆或化学浆封孔深度L(120%)L(110%)RRfLL巷道两帮应力集中带的范围：但考虑到裂隙方向与钻孔方向的关系，为保证压裂规模，要加大封孔深度。（2）压裂设计2tii100100100expexp4exp228289ciGSIGSIGSImm2ciii1001001003expexp4exp228289fhHpGSIGSIGSIppmm（3）压裂实施确定位置移泵打钻封孔供电供水铺设管汇试压开泵压裂拆除管汇洗孔作业接入抽放参数测试压裂设计排水（4）安全防护现场组织措施防突措施机电管理措施监测监控措施压裂设备运输措施设备安装要求及措施水力压裂期间安全措施（5）效果评价压裂前后参数测试压裂前后瓦斯参数变化压裂前后压裂孔两侧巷道的形貌变化瓦斯抽采参数变化测试煤体含水量变化大地电位法瞬变电磁法压裂中的监测微地震法示踪法泵注参数记录五、展望1、煤矿井下水力压裂技术可实现煤层大规模增透，增强瓦斯抽采效果。2、其理论、工艺、设备基本成熟。3、此工艺源于地面煤层气开发，同时其理论与技术必将为地面煤层气开发提供新思路。4、水力压裂是一种重要的煤与瓦斯突出防治手段。5、目前的问题是如何被人们充分认可，从根本上把它作为一种常规瓦斯治理手段加以推广应用。谢谢各位！请多提宝贵意见！Thankyou！