水力压裂技术方案.docx
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水力压裂技术方案
国投新集能源股份有限公司新集二矿
GUOTOUXINJINENGYUANGUFENYOUXIANGONGSIXINJIERKUANG
新集二矿煤层增透技术试验方案
设计：
审核：
安徽理工大学
国投新集能源股份有限公司新集二矿
编制日期：
2014年2月17日
1概况
为提高预抽钻孔抽采效果，缩短预抽时间，保证矿井安全生产及采掘接替。
将在-650m1煤西翼截水巷进行预抽钻孔高压水力压裂项目的研究。
以解决矿井煤层透气性差、瓦斯预抽困难的难题。
为保证压裂有序、顺利实施，特编制此安全技术措施。
2试验区域概况
-650m1煤西翼截水巷与地面相对位置处于矸石山西面。
该区域范围的地面水体及其它对本工程施工不构成影响。
-650m1煤西翼截水巷主要在1灰及其顶、底板岩石、煤线，1煤组底板岩石层位中向前掘进。
巷道施工过程中将会揭露2灰。
巷道依次揭露岩性如下：
2灰：
厚度1.1～3.8m，平均2.4m。
粉砂岩：
厚度0.5～1.9m，平均1.2m。
细砂岩：
厚度2.1～4.3m，平均3.2m。
铝质泥岩：
厚度0.3～1.1m，平均0.6m。
1灰：
厚度1.1～3.8m，平均2.4m。
砂质泥岩:
厚度1.8～3.4m，平均2.5m。
泥质砂岩：
厚度14.0～18.2m，平均15.0m。
-650m1煤西翼截水巷掘进过程中揭露岩层走向一般为85°～100°，倾向一般为355°～10°，岩层倾角一般为5°～20°，平均倾角9°左右。
岩层以单斜构造为主，根据上覆6、8煤层回采情况分析：
预计巷道施工过程中，中、小断层、褶曲可能较为发育，局部煤（岩）层反倾（南倾）、裂隙较发育。
3水力压裂增透防突技术原理
3.1水力压裂机理及过程分析
1．水力压裂机理分析
水力压裂的基本原理是将高压水（压裂液）注入煤体中的裂缝内（原有裂隙和压裂后出现的裂隙），克服最小主应力和煤体的抗裂压力，扩宽伸展并沟通这些裂缝，增加煤层相互贯通裂隙的数量和增大单一裂隙面的张开程度，进而在煤体中产生更多的人造裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性。
2．水力压裂过程分析
煤层水力压裂是一个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体和挤排煤体中瓦斯的注水过程。
在注水的前期，注水压力和注水流量随注水时间呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。
这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动。
当注入的水充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，导致水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，压力水进入煤体新的裂隙，势能转化为动能，导致压力降低，水流速增加；当注入的水（压裂液）携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动使流量下降，压力上升。
3.2水力压裂合理注水参数分析
煤层水力压裂包括煤体裂缝起裂和煤体裂缝延伸2个方面，煤体的裂缝起裂受许多因素的控制，一般通过试验加以确定。
根据以往研究表明:
煤体的裂缝起裂和延伸取决于注水速度（时间效应）、注水压力、煤体的非均质性（规模效应）和煤层的应力状态等，影响煤层水力压裂效果的压裂参数很多，主要可分为外部工艺因素和煤体内在本质因素2类。
1．外部工艺因素
外部工艺因素主要包括注水压力、注水孔间距、注水流、注水速度、钻孔长度、封孔方法与封孔长度、注水时间等参数，它们互有联系和影响；同时还与地质和采矿技术因素以及压裂设备的性能有关。
（1）注水压力
在一般开采条件下，煤体难以形成孔隙裂隙网，以致煤层难以得到充分的卸压增透，故在压裂时应施加一定的压力，才能将水有效地压裂到煤体中并使煤体产生裂隙起裂和延伸，形成孔隙裂隙网。
以往试验结果表明，在围压不变的条件下，随着注水压力的增加，导水系数呈非线性增大，当注水压力达到某一极限值时，导水系数骤然增大，此时煤体完全被压裂，内部形成大的贯通裂缝网，通常煤体裂隙起裂和延伸随注水压力的增加而增大。
因此，注水压力是衡量压裂效果的一个重要参数，如果注水压力过大且封孔深度与注水压力不匹配时，容易造成封孔段泄漏，影响压裂效果；如果注水压力过小，将起不到压裂效果，这就相当于中高压煤层注水润湿。
（2）注水压裂孔间距
回采工作面注水孔间距根据压裂钻孔的压裂半径而定。
如果孔间距过小，则增加了钻孔和注水工作的施工量，同时在瓦斯抽放时容易抽出大量的水；如果孔间距过大，则可能存在注水空白带，即压裂孔的高压水不能有效地把瓦斯挤排到抽放孔，影响压裂效果和瓦斯抽放效果。
（3）封孔深度与封孔方法
封孔是实现孔口密封、保证压力水不从孔口及附近煤壁泄漏的重要环节，是决定煤层水力压裂效果好坏的关键。
封孔深度也是水力压裂工艺的一个重要参数，决定封孔深度的因素是注水压力、煤层裂隙、沿巷道边缘煤体的破碎带深度、煤的透水性及钻孔方向等，一般封孔深度与注水压力成正比。
封孔深度应保证煤层在未达到要求的注水压力和注水量前，水不能由岩煤壁或钻孔向巷道渗漏。
（4）注水量
煤体润湿需要一定的水，如果单孔注水量过大，虽然容易把游离瓦斯挤排出去，但增加了压裂工作的施工量和成本；如果注水量过小，可能影响压裂效果。
（5）注水速度
注水速度是压裂工艺的一个重要参数，如果注水速度太快，新裂隙还没有生成，原有裂隙还没有扩宽并伸展，新老裂隙还没有沟通形成一个有效排泄瓦斯的孔隙裂隙网，则影响挤排瓦斯效果；同时，注水速度过快，要求注水压力等相应地增大。
如果注水速度过低，要达到一定的注水量，则注水时间增长，这将影响注水作业的进度，同时要求注水压力等相应地降低，可能起不到预期压裂效果。
2．煤体内在因素
煤体内在因素主要包括:
煤体内部的孔隙裂隙特征（煤层孔隙裂隙的发育程度），煤层的埋藏深度（地压的集中程度），煤的化学组份（水与煤的湿润边角和水的表面张力系数），瓦斯压力，煤层的顶底板状况。
（1）煤体内部的孔隙裂隙特征（煤层孔隙裂隙的发育程度）。
煤体是一种孔隙和裂隙都十分发育的双重介质。
二者共同构成了煤层水力压裂时的渗透通道和瓦斯挤排通道。
在煤层注水压裂的过程中，煤层孔隙裂隙发育程度对煤体的均匀湿润、物理力学特性的改变有重要影响。
压裂时，水在压力作用下以相当大的流速运动，包围被裂切割的煤块，同时缓慢地通过微小孔隙，向煤块内部渗透。
因此，煤体压裂效果不仅与煤的孔隙有关，还直接受裂隙的影响，裂隙不发育的煤体很难注水，此时就需要较高的压力迫使煤体产生新的裂隙和孔隙。
（2）瓦斯压力。
煤层内的瓦斯压力是水力压裂时的附加阻力。
压裂时，水压克服煤体瓦斯压力后所剩余的压力才是压裂时的有效压力，因此，煤层内的瓦斯压力越大，需要的注水压力也越高，所以瓦斯压力的大小也影响煤体的渗透性能和注水压力。
（3）煤的化学组份。
煤的化学组份对煤层压裂效果的影响主要表现在:
不同化学组份的煤体被水湿润的性质不同，以致瓦斯被挤排的程度不同。
煤体的湿润能力取决于水与煤的湿润边角和水的表面张力系数。
水与煤体的湿润边角大小反映了水分子与煤分子的吸引力大小，吸引力越大湿润边角越小，越易于注水，相反则难于注水。
因此，降低水的表面张力可以提高煤体的湿润能力，提高注水速度。
如果在注水流程中添加活性湿润剂（压裂剂），降低水的表面张力，能增强水在煤层中的渗透能力，能解决水不能渗入煤体微裂隙等问题。
（4）煤层的埋藏深度。
随着埋藏深度的增加，煤层承受地层压力也随之增加。
受压力影响，裂隙被压紧，裂隙容积降低，渗透系数也会随之降低。
通常地应力大，注水压力必须克服地应力，才能有效地使煤体扩宽伸展裂隙，形成有效的孔隙裂隙网。
所以，煤层压裂时注水压力必须大于地应力。
4试验方案
试验方案的指导思想是利用钻孔对煤体进行水力压裂增强1煤煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。
在掌握水力压裂机理和压裂过程的基础上，从理论上分析了压裂参数及其影响因素，再结合现场应用，最终确定出合理的压裂参数。
深入研究合理的压裂参数对提高煤层的渗透率和煤层瓦斯的抽采效果具有现实意义，同时对水力压裂技术在新集二矿防突方面的推广应用具有很重要的意义。
针对水力压裂的技术特点因素进行分析、探索和试验，提出解决问题的对策并进行工业试验，确保试验过程的安全及全面。
具体现场试验方案为：
1．选择适合的快段布置压裂孔和出水孔测试水力压裂半径；
2．水力压裂完毕后距离压裂孔不同距离、分不同时间布置取芯钻孔取煤样化验煤体含水量；
3．水力压裂、排水完毕后在水力压裂半径内考察水力压裂影响下抽采半径、煤层透气性系数；
4．布置多组抽采钻孔考察水力压裂影响下走向、倾向抽采效果。
5水力压裂技术
5.1水力压裂水压选择
根据林柏泉《含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征研究》，煤层破裂压力主要与煤层赋存深度有关，两者之间可用下式表示：
Pi=0.023H+1.3P+2.04
（1）
式中：
Pi——煤层破裂压力（MPa）；
P——煤层瓦斯压力（MPa），2.0MPa；
H——煤层赋存深度（m），-650m。
计算可得，试验区域煤层破裂压力20MPa。
故本次水力压裂水压为：
注水孔水压为20～30MPa。
压裂半径考察分为走向压裂半径和倾向压裂半径分别进行，具体布置形式如图1、2所示。
压裂过程中，出现以下情况之一判定压裂半径有效：
1．出水钻孔明显出水；
2．出水钻孔压力明显上升；
3．围岩渗水，顶板掉渣和围岩深部爆裂声。
图1压裂平面图
图2压裂剖面图
5.2水力压裂条件下抽采半径考察
对1煤层实体段水力压裂后进行抽采40天的抽采半径考察。
采用考察钻孔瓦斯压力变化的考察方案，具体考察方案如图3、4所示。
原压裂孔若封孔完好可以用压裂孔代替抽采孔，若压裂孔不具备代替抽采孔的条件可以在压裂孔附近岩性完好处补打抽采孔，原压裂孔必须重新注浆封堵（抽采孔安装四参数流量自动计量装置，所有装自动计量装置均实现在线监测）。
考察步骤为：
压裂后排水完毕→确定抽放时间→预计抽放半径→打测压孔→压力稳定后→抽采→观察测压孔瓦斯压力变化→确定对应抽放时间的抽采半径。
具体如图3、4所示。
图3压裂效果考察平面图
图4压裂效果考察剖面图
对1煤实体段水力压裂后，对抽采孔和压裂孔进行合茬抽采，考察水力压裂条下抽采效果，具体考察指标为：
抽采孔流量、纯量、浓度。
（压裂孔压裂完毕抽采时，压裂孔和抽采孔安装四参数流量自动计量装置，所有装自动计量装置均实现在线监测，所有抽采孔口均安装闸阀）
5.3水力压裂条件下煤体含水量的考察
为了测试水力压裂条件下水力压裂湿润半径，在距离压裂孔不同距离、分不同时间布置取芯钻孔取煤样，将煤样送往安徽理工大学热力学实验室化验煤体水分。
取芯钻孔布置如图5所示。
图5取芯钻孔布置图
如图5所示，距离压裂孔由远向近分别布置取芯钻孔。
具体布置取芯钻孔顺序为：
压裂完毕排水2天后布置距离压裂孔45米的1#取芯钻孔，间隔两天后布置5#取芯钻孔，间隔两天后布置2#取芯钻孔，间隔两天后布置4#取芯钻孔，间隔两天后布置3#取芯钻孔。
根据不同时间距离压裂孔不同距离煤体含水量即可以得出压裂润湿半径和排水速度。
煤层水份依据GB/T211-1996进行测定，煤样的制备方法执行GB474。
称取一定量的粒度小于6mm的煤样，在空气流中于105～110℃下干燥到质量恒定，然后根据煤样的质量损失计算出水份的含量。
实验所用仪器设备：
带有自动控温装置和鼓风机的干燥箱，变色硅胶干燥剂，感量为0.001g和0.01g的分析天平，带有严密磨口盖的玻璃称量瓶。
测定步骤：
用预先干燥并称量过（称准0.01g）的称量瓶迅速称取粒度小于6mm的煤样10～12g（称准到0.01g），平摊在称量瓶中。
然后打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到105～110℃的干燥箱中，在鼓风条件下，烟煤干燥2h，无烟煤干燥3h。
然后从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，在空气中冷却约5min。
然后放入干燥器中，冷却至室温（约20min），称量（称准到0.01g），并进行检查性干燥。
全水份测定结果按式（3-4）计算：
（2）
式中：
Mt—煤样的全水份，%；
m—煤样的质量，g；
m1—干燥后煤样减少的质量，g。
如果在运送过程中煤样的水份有损失，则按式（3-5）求出校正后的全水份值。
（3）
式中：
M1——煤样运送过程中的水份损失量（%）。
当M1大于1%时，表明煤样在运送过程中可能受到意外损失，则不可补正。
则测得的水份可作为试验室收到煤样的水份。
6压裂钻孔施工及封孔
6.1压裂钻孔施工
本次压裂按以下工艺流程进行：
压裂准备→施工压裂钻孔→测定煤层原始瓦斯含量→压裂钻孔封孔→施工检验钻孔→水力压裂→压力半径考察→施工抽采钻孔→封孔接抽并做好记录→收集相关数据→作出总结分析
1．压裂准备工作
由机电办编制-650m1煤西翼截水巷高压水力压裂供电设计，抽采区严格按供电设计要求执行。
由抽采区将Φ25mm高压胶管从乳化泵出口连接至压裂钻孔。
2．压裂半径考察钻孔施工
本次压裂半径考察孔选择在-650m1煤西翼截水巷场进行施工，钻孔终孔穿过1煤层并进入1煤顶板0.5m。
3．检验钻孔施工及封孔
施工检验钻孔，钻孔见煤点分别距压裂孔30、35m，对压裂影响范围进行检验。
检验钻孔封孔采用Φ73.5mm肋骨钻杆作为封孔管。
孔口钻杆上连接三通，分别安装机械耐震压力表、压力在线监测装置、浓度传感器和单孔计量装置。
检验钻孔施工完毕后，进行合茬抽采，考察24小时内钻孔抽采浓度和流量。
4．测定煤层原始瓦斯含量
压裂钻孔施工到1煤层底板时，立即采用DGC瓦斯含量快速测定仪对1煤层原始瓦斯含量进行测定，并做好相关记录。
5．压裂钻孔封孔
瓦斯含量测定完成后，采用两堵两注、高压注浆进行封孔。
将铁花管下至待压裂煤层中，后连接Φ73.5mm肋骨钻杆，外露不得小于400mm，封孔深度至1煤层底板0.5m为准，孔口段封堵不小于2m。
利用电动注浆泵进行高压注浆，水灰比按0.7：
1的比例。
6．高压水力压裂
封孔完成并凝固24小时后，即对该压裂钻孔进行高压水力压裂。
压裂时，首先将乳化泵压力静压调至2Mpa，然后开始实施压裂。
逐步将压力调至5Mpa、10Mpa、20Mpa。
压裂过程中，由抽采区安排专人对乳化泵的压力变化情况、注入水量情况进行统计，直至乳化泵压力上升到20Mpa，并稳定半小时后，或乳化泵水箱内水位不再下降时，方可结束压裂。
6.2压裂钻孔封孔
采用直径Φ113mm钻头施工至设计孔深，成孔后采用Φ153mm钻头全程扩孔。
过煤段全程压风排渣，岩石段压力水排渣，确保煤岩粉排尽，钻孔畅通。
1、注水实管下至见煤点向孔内1m，其余下注水花管，花管采用金属网全程包裹，下注水管过程中丝扣必须上满扣；
2、采用“两堵一注”带压封孔，前堵头用封孔袋包裹1m棉纱下至见1煤见煤点，使用封孔器将12组聚氨酯通过软管吹至封孔袋内；
3、下4′返浆管至前堵头前1m，注浆管4m；
4、孔口使用10组聚氨酯封孔1.5m；
5、待聚氨酯反应完全后带压注浆，第一次注浆水灰质量比0.9:
1,注浆终压2MPa，第二次注浆水灰质量比0.7:
1,注浆终压4Mpa。
图6钻孔封孔示意图
7水力压裂设备
1．压力泵选择
本次水力压裂选择使用额定压力30MPa，额定流量80L/min；压力可在0～20MPa间任意调节的乳化泵
2．其他高压系统组成
除乳化泵外，本次高压水力压裂系统由压力表、卸压阀、高压胶管及相关装置连接接头等组成，本次压裂所需要的设备、材料，详见表1。
表1煤西翼截水巷高压水力压裂材料清单表
序号
用途
名称
规格
数量
1
钻孔钻进
矿用钻机
ZDY-3200S型
1台
2
钻头
Φ113
2个
3
钻杆
Φ73.5*1000mm
60根
4
封孔
钻杆
Φ73.5
300m
5
铁花管
1.5寸
50m
铁管
4分
150m
6
水泥
50Kg/袋
10包
7
聚氨酯
A、B
100套
8
注浆泵
ZBL3/4-7.5
1台
9
参数测定设备
旋进漩涡流量计
D50
5台
10
瓦斯压力传感器
GPD10
4台
11
瓦斯传感器
GJC100（A）
4台
12
压裂设备
耐震压力表
0～40MPa
4个
13
乳化泵
压力30MPa，额定流量200L/min
2台
14
高压管接头
Φ25mm
若干
15
高压胶管
Φ25mm
200m
16
开关
QBZ-80
1台
3．高压系统安装
乳化泵安设在钻场内，将井下供水管连接至高压乳化泵的水箱进水口，通过乳化泵加压后，采用Φ25mm高压胶管以及快速接头连接到压裂钻孔孔口Φ73.5mm肋骨钻杆，再通过钻杆将高压水流输送至钻孔内（乳化泵必须安设卸压阀）。
8安全技术措施
孔完成并至少凝固24小时后，方可开始对该压裂钻孔进行高压水力压裂，水力压裂期间安排“一通三防”口专业技术人员现场跟班指导。
根据以往钻场水力压裂经验，将压裂起始压力调定20MPa，之后待注水速度明显降低方可调高压力，每次调整压力不得高于5MPa，最终调整压力不得超过30MPa。
理论上单孔注水量必须在300m3以上，若最终压力已经到30MPa，但钻孔已无法进水则停止压裂；压裂过程中必须每隔1小时对巷道顶板及淋水情况进行查看，当巷帮锚锁（锚杆）淋水严重或掉渣严重则停止压裂。
8.1高压系统及设备安全管理
1、水力压裂材料不得使用自制件，确需使用自制件的必须经过耐压试验，试验压力不得小于32MPa；
2、井下施工作业期间必须有熟悉材料性能的人员现场指挥，防止劣质材料的误用；
3、高压材料在使用前必须做一次全面检查，确保无明显划痕、裂隙等影响使用性能的缺陷后方可投入使用；
4、使用的高压零部件每班开泵前必须逐一进行检查，确保无异常后方可开泵；
5、检修、拆卸压裂泵及附属设备、材料、配件前，必须确保充分卸压，严禁带压操作；
6、水力压裂敷设的高压软管（包含卸压软管），必须用12.5mm钢丝绳锁在巷道内风水管路或吊挂锚杆上，锁卡间距不得大于5m；
7、压裂钻孔孔口必须施工一根专用锁紧锚杆，并用Φ12.5mm钢丝绳将高压软管管口锁在锚杆上，且不得少于两副配套绳卡；专用锁紧锚杆施工位置离孔口不小于1m。
8.2水力压裂安全技术措施
1、人员进入施工现场后必须查看现场环境，严格执行“敲帮问顶”制度，做到一人找顶，一人监护；
2、按设备使用的注意事项和安全技术措施要求对设备进行详细检查，确认无异常后方可进行下一步操作；
3、注水前要求安设警戒，警戒区域内严禁行人，警戒安设地点距离压裂钻孔前后不小于50m；
4、警戒安设完毕后必须由跟班人员检查警戒范围内有无闲杂人员，确认无人后方可开泵；
5、水力压裂前必须由测气员对风流中瓦斯情况、机电设备附近瓦斯情况进行检查，确定无瓦斯异常现象后方可开泵；
6、注水泵必须由熟练的操作工负责操作，做到持证上岗；
7、注水期间由通防科组织口内专业技术人员现场跟班，指导水力压裂工作的开展；
8、注水必须逐级加压，单次加压不得超过5MPa，最高压力不得大于30MPa，注水压力的调整必须经过现场跟班人员确认，泵站司机不得擅自调整注水压力；
9、注水过程中跟班人员必须时刻掌握注水速度，并每小时停泵一次对巷道顶板、淋水情况进行检查，有异常情况的查明原因并采取措施后方可继续压裂；
10、压裂范围内巡查时必须停泵，且通过压裂钻场或钻孔区域时，严禁正对孔口，严禁在压裂钻孔处停留；
11、正常注水期间必须有测气员检查压裂钻孔回风流中的瓦斯情况，有异常及时汇报矿调度，并通知泵站司机停止压裂，待查明原因采取措施后方可恢复注水；
12、水力压裂期间各项操作必须进行“手指口述”安全确认；
13、各闸阀、截止阀的操作必须正确，严禁使用“打、砸、敲”的方式开启或关闭；
14、每次停泵必须对压裂泵进行卸压，卸压完毕后查看压力表及电控箱显示压力，确认指示均为“0”后方可进行下一步操作；
15、卸压完毕后，泵站司机方可关闭电控箱，并将调压阀旋钮调回无压状态；
16、压裂结束后泵站司机必须按设备使用注意事项检查泵体、加注润滑油等，保证下一班的正常施工；
17、注水结束后，施工单位及时对周边围岩情况进行全面检查；
18、跟班人员详细记录当班跟班情况，确保下一班对现场情况的掌控；
19、人员离开前必须将开关停电闭锁；
20、抽采钻孔施工时，走向由离压裂孔由远至近的位置开始施工，倾向钻孔按倾角由大到小顺序施工；
21、抽采钻孔必须围绕已合茬钻孔进行施工；
22、抽采钻孔施工过岩石段采用Φ133mm钻头，过1煤采用Φ94mm钻头；过煤段边钻进边冲孔，直至孔口返清水方可撤钻；
23、抽采钻孔施工见1煤后，若孔内有水，停止钻进（钻杆最多进入煤层不得超过1m），撤钻后待孔内无水方可采用Φ94mm钻头穿煤施工；
24、钻场施工时必须在钻场两侧5m外设置警戒，行人通过需经钻孔施工人员同意，待停止施工后方可通过，严禁擅自闯入施工区域；
25、抽采钻孔施工及下套管时，人员不得正对孔口，出现顶钻、夹钻时应立即停止钻进，但不得拔出钻杆。
尚未合茬抽采的钻孔，人员不得位于孔口正下方。
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