煤矿井下高压水力压裂安全技术标准(审查修改稿).doc

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ICS73

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DB50

重庆市地方标准

DB50/XXXXX—

煤矿井下水力压裂安全技术规范

SafetyandTechnicalSpecificationforCoalmineUndergroundHydraulicFracturing

XXXX-XX-XX发布

XXXX-XX-XX实施

发布

DBXX/XXXXX—

目次

前言 III

1　范围 1

2　规范性引用文件 1

3　术语和定义 1

4　压裂条件 2

5　压裂方式与压裂孔布置 2

6　压裂孔封堵 3

7　压裂设备及附件配置 4

8　压裂液与支撑剂 5

9　压裂施工场地 5

10　压裂操作要求 6

11　压裂保障 6

附录A（资料性附录）　压裂设计方案编写提纲 1

附录B（资料性附录）　压裂效果评估报告编写大纲 3

前言

煤矿井下高压水力压裂是提高煤矿瓦斯抽采率的有效手段，对防治瓦斯事故，促进煤矿安全生产有着重要意义。

为保障煤矿安全生产和职工人身安全，规范煤矿井下高压水力压裂，特制定本标准。

本标准的附录A、附录B为资料性附录。

本标准由重庆煤矿安全监察局提出，由重庆市质量技术监督局归口。

本标准起草单位：

重庆市能源投资集团科技有限责任公司。

本标准主要起草人：

余模华、张凤舞、周东平、郭臣业、唐其武、周声才、王文春、覃乐、沈大富、魏福生、欧才全、王联、张迪、李栋、文世元、唐仁学、文良兵、何华、孙大发、黄昌文、何苗、周俊杰、徐涛、陈坤、张翠兰、何兴玲、徐印、龙官波、张正辉。

5

煤矿井下水力压裂安全技术规范

1　范围

本标准规定了煤矿井下水力压裂的实施条件、工艺技术、设备要求及安全保障措施。

本标准适用于重庆市行政辖区煤矿进行井下水力压裂。

2　规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范

AQ1029-2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范

MT49-87煤的坚固性系数测定方法

MT/T661-2011煤矿井下用电器设备通用技术条件

SY/T6566-2003水力压裂安全技术要求

防治煤与瓦斯突出规定（国家安全生产监督管理总局令第19号）

煤矿安全规程（2011）

3　术语和定义

3.1　水力压裂（hydraulicfracturing）

在钻孔内以水作为动力，使煤岩体裂隙扩展、导通，提高煤岩透气性的一种措施。

3.2　压裂孔（fracturebore）

用于水力压裂的钻孔。

3.3　穿层压裂（throughbedsfracturing）

压裂孔与煤层（岩层）正交或斜交的一种水力压裂方式。

3.4　顺层压裂（alongbedsfracturing）

压裂孔与煤层（岩层）平行的一种水力压裂方式。

3.5　采煤工作面压裂（coalfacefracturing）

对采煤工作面煤层或顶（底）板实施的一种水力压裂方式。

3.6　掘进工作面压裂（roadwayheadfracturing）

对掘进工作面前方煤岩体实施的一种水力压裂方式。

3.7　石门压裂（crosscutfracturing）

石门揭煤过程中对石门前方煤层或顶（底）板实施的一种水力压裂方式。

3.8　闭合压力（closurepressure）

作用在裂缝壁面上裂缝闭合的临界压力。

3.9　压裂管（fracturingstring）

封堵在压裂孔内，用于输送压裂液的管柱。

3.10　注水管（waterinjectionstring）

连接压裂管与压裂泵，用于输送压裂液的管柱。

4　压裂条件

4.1　煤体结构类型

按照破碎程度将煤体划分为五种类型，不同类型煤体具有不同的压裂适应性，见表1。

表1　不同类型煤体结构的压裂适应性

煤体结构类型

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

压裂适应性

适合压裂

可压裂

不适合压裂

其中Ⅰ类：

煤体未遭受破坏，原生沉积结构、构造清晰；

Ⅱ类：

煤体遭受轻微破坏，呈碎块状，条带结构和层理仍可被识别；

Ⅲ类：

煤体遭受中等破坏，呈碎块状，原生结构、构造和裂隙系统已不被保存；

Ⅳ类：

煤体遭受强破坏，呈粒状；

Ⅴ类：

煤体破碎成粉状。

4.2　煤体硬度

按照硬度将煤体划分为三种类型，不同硬度煤体具有不同的压裂适应性，见表2。

表2　煤体硬度与压裂适应性

煤体硬度f

f＜0.2

0.2≤f＜0.5

f≥0.5

压裂适应性

不适合压裂

可压裂

适合压裂

煤体硬度测定应符合MT49-1987的规定。

4.3　地质条件

4.3.1　顶（底）板为含水层的煤层不宜压裂。

4.3.2　压裂半径范围内存在透水型地质构造的煤岩层不宜压裂。

5　压裂方式与压裂孔布置

5.1　压裂分类

5.1.1　按压裂孔与煤层的交切关系分为穿层压裂和顺层压裂。

穿层压裂分为单煤层穿层压裂和多煤层组合压裂；顺层压裂分为顺煤层压裂和顺煤层顶（底）板压裂。

5.1.2　按压裂与生产工作面的关系分为采煤工作面压裂、掘进工作面压裂、石门压裂

5.2　压裂方式选择

5.2.1　严重突出危险地带不宜采用顺煤层压裂，严重突出危险地带的鉴定按“防治煤与瓦斯突出规定”执行。

5.2.2　石门揭煤应采用穿层压裂，揭近距离煤层群应采用多煤层组合压裂。

5.2.3　突出煤层进行区域性预处理时，煤体f值小于0.5或煤体结构为Ⅲ、Ⅳ类的煤层应采用顺煤层顶（底）板压裂。

5.3　压裂孔布置

5.3.1　压裂孔开孔位置应布置在岩石或煤层完整性较好的地段。

5.3.2　穿层压裂时，压裂孔开孔位置与压裂煤层的垂距应不小于10m，压裂孔应穿过目标煤层。

5.3.3　采用水泥砂浆封孔时，封孔段孔径不小于90mm，终孔孔径不小于75mm；采用封隔器封孔时，孔径应与封隔器尺寸相匹配。

6　压裂孔封堵

6.1　封孔方式

可采用水泥砂浆、封隔器或其他经验证有效的封孔方式。

6.2　封孔方式选择

6.2.1　封孔段岩层较软、较破碎的压裂孔宜选用水泥砂浆封孔。

水平夹角小于10°的压裂孔宜选用封隔器或其它经验证有效的封孔方式。

6.2.2　封孔段岩层完整性较好宜采用封隔器封孔。

6.3　水泥砂浆封孔

6.3.1　水泥砂浆抗压强度不小于50MPa。

6.3.2　顺煤层压裂封孔长度不小于20m；穿层压裂孔封孔长度不小于10m，压裂孔封孔段岩性较差时应加大封孔长度。

6.3.3　封孔压裂管管径不小于25mm，距孔口5m段及注水管承压能力不小于压裂泵额定压力。

6.4　封隔器封孔

6.4.1　采用取岩芯钻头或低进度高转速钻进方式。

6.4.2　本煤层顺层压裂时，封隔器前端距孔口距离不小于20m；穿层压裂时，封隔器前端距孔口距离不小于10m，压裂孔封孔段岩性较差应加大封孔段长度。

6.4.3　必须采取防止反冲措施。

采用锚杆或后支撑方式防止反冲，防反冲力必须大于压裂过程中产生的最大反冲力。

最大反冲力按下式计算：

式中：

Fmax——最大反冲力，kN；

D——钻孔直径，mm；

p——压裂泵额定注水压力，MPa；

F——封隔器重力沿钻孔轴方向的分力，kN；仰孔时F为正值，俯孔时F为负值。

7　压裂设备及附件配置

7.1　压裂设备及附件组成

压裂设备及附件包括压裂泵、配液箱、压裂管件及仪器仪表等见图1；压裂设备及附件基本配置见表3。

图1　压裂系统示意图

表3　压裂设备及附件基本配置表

序号

名称

数量

备注

1

压裂泵

1台

2

配液箱

1个

清水压裂时不要求

3

压裂管汇

若干

按需要配置

4

流量计

1个

5

压力表

1个

6

逆止阀

1个

7

卸载阀

1个

8

视频仪

2个

9

监视屏

1个

10

CH4传感器

2个

11

H2S传感器

在含硫化氢区域安装

12

监测分站

1台

13

通讯电话

1台

7.2　压裂泵组

7.2.1　压裂泵组必须具有“防爆合格证”、“生产许可证”、“检验合格证”和“MA”标志，额定压力不小于50MPa，额定流量不小于60m3/h。

7.2.2　压裂泵组应达到以下要求：

a）具有显示与记录压力、流量、泵温等参数及智能保护的功能；

b）具有自动和手动操作及远程控制功能。

7.3　配液箱

配液箱满足配置压裂液、支撑剂的要求，容量不小于3m3。

7.4　压裂管件及仪器仪表

7.4.1　压裂管件承压不小于压裂泵额定压力。

7.4.2　压裂管径不低于25mm。

7.4.3　采用硬质压裂管时应配置与之相匹配的连接管件。

7.4.4　位于高压端的仪器仪表承压能力应高于压裂泵额定压力。

7.4.5　压裂管件及仪器仪表应符合SY/T6566-2003的要求。

8　压裂液与支撑剂

8.1　压裂液

压裂液与煤体、岩层有较好的配伍性，滤失少、低摩阻、低残渣、易返排。

8.2　支撑剂

支撑剂的选择应综合考虑煤岩体的岩石力学性质、裂缝的闭合压力、支撑裂缝的形态。

9　压裂施工场地

9.1　压裂作业场地

9.1.1　压裂设备的安装场地平整、坚实，能保证设备的安放和运行。

9.1.2　压裂泵组与压裂影响区之间应设立安全风门，或距离压裂孔不小于100m。

9.1.3　设置排水沟，满足返排液排水要求。

9.2　通风要求

压裂设备安装地点设在通风良好的巷道内，位于压裂孔上风侧。

压裂设备安装巷道按采区进风巷要求配风，风速符合《煤矿安全规程》（2011）第101条规定。

9.3　供水要求

供水系统稳定可靠，满足压裂要求，供水量不低于60m3/h。

9.4　供电要求

供电系统采用专用的电缆和开关，稳定可靠，供电能力满足泵组要求。

按MT/T661-2011执行。

9.5　监测监控要求

9.5.1　压裂监测监控仪器使用应符合AQ1029-2007的要求。

9.5.2　视频仪应能监视压裂泵站、压裂管及压裂孔的情况。

9.5.3　压裂孔所在巷道的回风侧分别安装瓦斯监测传感器，含H2S区域必须安装H2S传感器。

9.5.4　压裂操作地点安设监测分站、监视屏及直通调度室电话。

9.6　抽采要求

在压裂施工区安装连入矿井抽采系统的抽采管路及抽采参数测定装置，符合GB50471-2008的要求。

10　压裂操作要求

10.1　试压

压裂前必须进行试压。

试压压力必须达到泵的额定压力，且保持该压力运行时间不少于10min。

10.2　压裂

10.2.1　压裂施工严格按照压裂设计进行。

10.2.2　压裂过程中实时监测泵组运行状况，记录压力和流量数据。

10.2.3　压裂过程中连续观测压裂影响区域内的瓦斯变化情况。

10.2.4　压裂结束后，保压时间不少于1h。

10.3　返排

返排过程中实时监测瓦斯排放情况，巷道瓦斯浓度超限或排放量达到0.5m3/min，立即停止返排或将管道接入气水渣分离器。

11　压裂保障

11.1　工程质量保障

11.1.1　必须编制专门的压裂设计方案，经煤炭生产企业技术负责人审批后方可实施。

压裂设计方案以一个工作面或一个采区为单元，方案编写提纲格式参见附录A。

11.1.2　压裂施工前必须对通风、抽采、供电、供水、排水、通讯、监测监控、设备安装、压裂孔情况进行验收。

11.1.3　压裂及抽采工程完成后，对压裂工艺、压裂效果进行分析评估。

评估报告编写提纲格式参见附录B。

11.2　安全保障

11.2.1　水力压裂应实行远程操作，远程压裂操作地点应设在压裂影响区之外，可设在大巷、主石门、井底车场、避险硐室、地面或其它安全场所。

压裂操作地点安装监测分站、监视屏、直通调度室的电话。

压裂操作地点如设在井下，还应配备足够数量的自救装置。

11.2.2　进入压裂工作区的工作人员应熟悉避灾路线及方法。

11.2.3　通往压裂影响区的各通道按要求设置警戒或栅栏。

11.2.4　压裂前对设备及高压管路系统进行全面检查，确认无问题之后，才允许实施压裂。

11.2.5　压裂实施前，与工作无关人员全部撤离到警戒区以外。

11.2.6　压裂泵司机按特殊工种管理，必须经过培训，熟悉设备性能及安全措施，持证上岗。

11.2.7　压裂期间，必须连续观察压裂区的瓦斯变化情况，在含硫化氢区域，还必须连续观察硫化氢变化情况；发现异常情况立即停止压裂，向矿调度室汇报。

11.2.8　压裂泵停止工作直到压力降到0.5MPa以下，方可打开卸压阀卸压。

11.2.9　压裂泵停止工作30min后，利用视频仪全面仔细观察现场情况，无异常后由不少于2名救护队员进入现场，确定现场无异常后，向矿调度室汇报，宣布压裂结束，其他人员方可进入。

11.2.10　采用封隔器封孔时撤出封隔器的安全措施

a）停止压裂，排液24h后，经技术负责人批准方可撤除封隔器。

b）撤除封隔器及高压管之前，将孔内水压卸至零压力。

c）支撑底座卸载后，发现压裂孔内仍有高压瓦斯或水存在时立即停止作业，打孔卸压后方可撤除封隔器。

d）撤除封隔器的过程中，操作人员不得正对钻孔，发现异常立即避险。

A

附　录　A

（资料性附录）

压裂设计方案编写提纲

A1章、节层次编号、名称及主要内容

A.1　前言

设计目的及意义、前期工作及工程背景。

A.2　矿井概况及压裂条件

A.2.1　矿井基本情况

矿井隶属关系、地理位置、生产规模、开采煤层及瓦斯赋存情况。

A.2.2　矿井生产系统现状

简述矿井开拓、开采、通风、供水、供电、排水、抽采、监测监控、通讯系统情况。

A.2.3　地质特征

A.2.3.1　地层及构造

地层、构造等情况。

A.2.3.2　水文地质

矿井水文地质复杂程度、主要含水层、矿井水补给源、矿井涌水量等。

A.2.3.3　煤层及顶底板

煤层产状及顶底板岩性、煤层破坏类型、煤层硬度等。

A.2.3.4　瓦斯

矿井瓦斯等级、赋存参数、涌出量、突出情况等。

A.2.3.5　地温、地压

矿井地温、地压情况。

A.2.4　压裂区概况

压裂区范围；巷道布置、通风、供水、供电、监测、通讯、抽采系统情况；工作面作业情况；压裂煤层埋深等。

A.3　压裂工艺

A.3.1　压裂参数及压裂方式

A.3.1.1　根据煤层物理性质、破坏类型、赋存条件、巷道布置等因素选择压裂方式。

A.3.1.2　计算破裂压力。

A.3.2　压裂设备

A.3.2.1　压裂泵选型

选择合适的压力泵，列出所选压裂泵的技术参数。

A.3.2.2　压裂管

确定压裂管径，类型，配置管件等。

A.3.2.3　平面布置

选择压裂设备布置地点，绘制平面布置图。

A.3.3　压裂孔

A.3.3.1　压裂孔布置

确定压裂孔参数，绘制钻孔布置图以及剖面图。

A.3.3.2　压裂孔封孔

选择封孔方式，确定封孔工艺，绘制封孔工艺图。

A.3.4　压裂液与支撑剂

A.3.4.1　压裂液

选择压裂液，确定配置要求。

A.3.4.2　支撑剂

选择支撑剂，确定配置要求。

A.3.5　压裂程序

确定压裂操作程序，包括试压、压裂、返排。

A.4　安全措施

组织保障措施、安全防护措施、应急救援措施。

A2附图目录格式及内容

序号

图纸名称

图纸编号

备注

新制

采用

1

2

3

4

5

6

7

8

综合地质柱状图

通风系统图

监测监控及通讯系统图

供水系统图

供电系统图

压裂孔布置图

压裂管线布置图

避灾路线图

A

B

附　录　B

（资料性附录）

压裂效果评估报告编写大纲

B1章、节层次编号、名称及主要内容

B.1　概况

B.1.1　基本情况

压裂区概况。

压裂工艺、压裂设备、管道等配置情况。

压裂孔布置：

压裂孔参数、封孔方式、封孔工艺、压裂孔布置图。

B.1.2　压裂实施情况

压裂过程：

试压、压裂、返排。

压裂液、支撑剂的配置。

参数测定：

压力、流量变化情况；瓦斯抽采参数。

出现的问题及处理措施。

B.2　效果分析

压裂曲线分析；压裂有效范围分析；压裂后抽采效果分析；煤层含水增加量、煤层透气性、煤体硬度、瓦斯压力与含量等变化分析。

B.3　评估结论及建议

起裂压力、压裂有效范围、压裂后抽采效果。

针对压裂效果及存在的问题提出建议。

B2评估资料收集

a）压裂区地质资料：

煤岩层赋存情况，埋深，地质构造；

b）压裂孔资料：

压裂孔和封孔资料；

c）压裂液、支撑剂资料；

d）压裂设备、管道等配置情况；

e）压裂曲线；

f）压裂过程中的异常情况。

B3压裂效果评估方法

a）压裂效果检验参数

压入水量、影响半径；煤层含水增加量、煤层透气性增加量、煤层硬度变化量；煤层瓦斯压力、含量；瓦斯抽采情况，包括瓦斯涌出初速度、瓦斯抽采浓度、抽采纯量、压裂区抽采增加量等。

b）效果检验基准值测定

（a）瓦斯压力、瓦斯含量基准值

压裂之前在距压裂孔80m外布置标准孔测定煤层瓦斯压力和含量，或利用矿井类似地质条件区已测定的煤层瓦斯压力和含量作为基准值。

（b）瓦斯抽采基准值

利用矿井类似地质条件区已测定的瓦斯抽采指标作为基准值。

（c）其他参数基准值

可利用标准孔或压裂孔测定压裂前的钻孔瓦斯涌出初速度，同时取样测定煤层含水量、煤层透气性、煤层硬度值等作为对照参数。

c）压裂范围考察

水力压裂结束后，根据压入水量初步判断压裂影响范围，然后在初步判断压裂半径位置打检验孔。

确定检验有效（检验孔有水流出或出现瓦斯喷孔、钻孔瓦斯涌出初速度变化、煤层含水量增加、煤层透气性增加、煤层硬度变低、抽采指标提高等）后，再在远离压裂孔5m处再次打孔检验，以此类推，直到检验无效为止。

若在初步判断压裂半径位置打孔检验无效，则在减小5m距离处打检验孔，若检验仍然无效则再减少5m距离处打检验孔，以此类推，直到检验有效为止。

亦可采用其他能有效考察压裂范围的方法。