超高压水力压裂提高煤层透气性技术研究报告文档格式.docx

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3.2水力压裂原理及适用性分析 10

3.2.1高压水对煤体结构力学作用的定性分析 12

3.2.2水力压裂的适用性分析 14

4渝阳煤矿及7号煤层概况 16

4.1矿井概况.........................................16

4.27号煤层基本物理性质及实验测试 18

4.37号煤层基本力学性质实验测试 25

4.47号煤层穿层钻孔水力压裂的可行性 27

5HTB500型压裂泵组简介及调试 30

5.1HTB500型压裂泵组简介 30

5.2HTB500型煤层压裂泵泵组接收与地面调试 32

5.3高压泵组的管路及其连接 33

6渝阳煤矿超高压水力压裂实验方案 36

.专业资料.

6.1实验地点 36

6.2钻孔布置方案 38

6.3压裂孔封孔及注浆设计 40

6.3.1压裂孔封孔设计及注意事项 40

6.3.2注浆封孔工艺 42

6.4压裂监控设备布点 44

6.5压裂效果考查及参数测试方案 44

6.6其他配套方案设计 45

7高压水力压裂过程及分析 47

7.1前言.............................................47

7.2高压水力压裂过程 47

7.3高压水力压裂的压力曲线分析 51

8压裂效果考察及其分析 52

8.1前言.............................................52

8.2压裂后检验孔施工参数及数据记录 52

8.3压裂后钻孔参数对比 59

8.4压裂有效围的考察 61

8.5压裂效果总结 64

9主要研究成果与创新点 66

9.1研究成果.........................................66

9.2创新点 67

1前言

市能源投资集团科技有限责任公司成立于2010年4月，为市能

源投资集团下属二级子公司，独立法人，注册资本2000万元。

下设工程勘察子公司，工程设计院，瓦斯研究院、项目管理部、技术服务部、资产结算中心、综合办公室等部门。

在集团公司领导下，科技公司围绕集团公司工作部署，按“实施科技兴企战略，支撑集团跨越式发展”思路，不等不靠，一边建章建制，一边开展科研工作。

2010年7月，集团公司下达了“突出煤层高效抽采关键技术研究”科研项目计划，2011年2月，科技公司引进了HTB500型高压煤层瓦斯压裂泵组。

经集团公司和科技公司研究协商，决定在松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿进行首次超高压水力压裂试验，将集团公司水治瓦斯水平提高到新的高度。

科技公司根据集团公司水治瓦斯的指导思想，在松藻煤电有限责任公司及其所属渝阳煤矿、理工大学、航天动力泵业有限责任公司的协助下，于2011年2月份在渝阳煤矿用HTB500型煤层压裂泵泵组开展了超高压水力压裂试验。

渝阳煤矿超高压水力压裂试验在N3704西瓦斯巷（下）进行，埋深约750m，目的是对7号煤层（保护层）进行穿层超高压水力压裂，实现增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率、降低瓦斯灾害事故的效果。

试验过程中，共施工压裂孔1个、标准孔1个（补充标准孔1个）、

检验孔15个（因施钻不到位、卡钻，其中2个报废）。

渝阳煤矿超高压水力压裂试验表明，压裂地点的起裂压力在

40~45MPa之间，延伸压力在36~39MPa之间，压裂后瓦斯抽采纯量效率提高10倍以上，煤层由难以抽采煤层及可抽煤层变为可抽采煤层，

煤层透气性系数提高50倍以上。

7号煤层在该埋深条件下，压入水量109.72m³

时，压裂围达到50~70m。

2研究目的与意义

2.1问题的提出

煤层瓦斯是一种洁净能源，但对煤矿生产而言是一种灾害源。

如何实现采煤之前瓦斯的预抽，达到资源开发利用和煤矿减灾的双重目的，一直是人们关注的焦点。

随着资源需求的日益强烈、矿井开采深度的增加以及国家一系列关于煤矿瓦斯灾害治理强制措施和煤层气开发利用鼓励政策的出台，都迫切要求有一套系统的、完整的瓦斯抽采工艺技术。

新的防突规定更加强调了区域瓦斯治理的重要性，要求

“不掘突出头、不采突出面”，以往突出煤层掘进的“四位一体”方案已经难以满足新规定的要求。

能投有限责任公司所属的渝阳煤矿所采煤层为突出煤层，瓦斯灾害是制约煤矿安全、高效生产的第一因素，现行的瓦斯治理措施已难以满足高效生产的需求，迫切需要一种新型区域和局部治理工艺，以彻底改变目前消突困难、工作面接替紧的局面。

水力压裂是一种集区域和局部瓦斯治理为一体的新工艺。

该工艺是将地面煤层气开发的一种成熟技术移植到井下，根据煤体结构的不同采用不同的压裂方案，达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的。

水力压裂是一种适应性强、增透效果明显的工艺技术，但还存在一系列问题需要解决，最突出的是封孔技术，无论是封隔器封孔、水泥砂浆封孔、化学材料封孔都存在一定的局限性，是制约水力压裂大规模推广的关键。

在钻孔方向与裂隙方向、地应力方向不匹配时的压裂设计也是制约压裂效果的重要因素。

渝阳煤矿煤层瓦斯含量大，煤层透气性系数低，井下钻孔抽采效果差，严重制约了瓦斯治理和防突效果，影响了工作面的衔接和安全

生产。

为增大煤层的透气性和提高抽采效果，进一步解放生产力，保证矿井的建设和发展，通过大量的调查、研究和翻阅各种技术资料，决定实施井下高压水力压裂。

本次在渝阳煤矿N3704西瓦斯巷（下）实施穿层钻孔水力压裂，力求增大7号煤层透气性，提高7号煤层的瓦斯抽采效率，进而通过解

放7号煤层对主采8号煤层形成保护作用，改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面，加强安全生产，提高生产效率，积极探索通过水力压裂治理瓦斯的新途径。

2.2研究容

本项目的研究主要容包括：

（1）研究煤岩层高压水力压裂的基本原理及水高压力压裂技术的适用性，调试HTB500型煤层压裂泵组，为应用高压水力压裂技术增大煤层透气性试验做好准备

（2）测定渝阳煤矿考察地点的7号煤层基本物理力学参数，主

要包括7号煤层的透气性系数、瓦斯含量、吸附常数、坚固性系数、抗压强度等；

（3）制定渝阳煤矿高压水力压裂方案，设计最佳注浆、封孔工艺，并研究考察高压水力压裂效果方案；

（4）沿煤层走向和倾向上，在压裂孔周边通过施工检验孔，考察高压水力压裂的围；

（5）沿煤层走向和倾向上，在压裂孔周边通过施工检验孔，考察高压水力压裂后瓦斯抽放浓度、抽放纯量和钻孔瓦斯衰减情况；

（6）在上述研究的基础上，总结高压水力压裂增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率的效果，为应用高压水力压裂技术增大煤层透气性、提高瓦斯抽采效率推广做好准备工作。

项目研究思路：

先施工标准孔（或借助相邻瓦斯巷穿层孔），测定未进行水力压裂的7号煤层参数。

用HTB500型煤层压裂泵组对压裂孔进行高压水力压裂，使7号煤层中形成裂隙，通过施工一系列检验孔并考察各孔参数及出水情况，与原始标准孔或相邻瓦斯巷穿层孔的参数进行对比。

从而考察高压水力压裂前后煤层透气性系数变化和瓦斯抽放情况的区别，得出高压水力压裂技术增大煤层透气性、提高瓦斯抽采率的结论。

2.3研究意义

煤储层的低渗特性是煤矿瓦斯抽采的瓶颈，提高煤储层的渗透性是解决问题的关键。

传统的低渗煤储层瓦斯抽采只有依靠降低钻孔间距、增加钻探工程量、延长抽采时间等措施来实现，但抽采效果并不理想，表现在抽采浓度低，抽采率不达标，造成煤矿采掘接替紧，回采和掘进过程中瓦斯超限频繁，安全隐患严重，这与构建本质安全型矿井不相符合，亟需新的瓦斯抽采手段来改变这种困境。

本项目旨在将地面煤层气开发的水力压裂工艺移植到井下，建立一种新型的瓦斯抽采工艺——煤矿井下钻孔水力压裂抽采瓦斯的理论与技术，实现未卸压状态下的煤储层增透，从根本上解决瓦斯抽采困难的局面。

进行水力压裂增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率的研究意义如下：

（1）水力压裂是一项在未卸压条件下实施煤储层增透技术，有利于煤矿瓦斯抽采，实现区域消突。

我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，渗透性系数在10-3～10-4md 数量级上，瓦斯抽放（特别是预抽）半径小、封孔困难，瓦斯抽采浓度低，造成抽采率低下，瓦斯超限频

繁，对煤矿通风造成巨大压力，严重威胁煤矿的生产安全。

将地面煤层气开发的水力压裂强化技术移植到井下，实现未卸压条件下煤层增透、增大抽放半径，减少钻探工程量，提高抽采浓度和抽采效率，缩短抽采时间、最大限度消除瓦斯灾害，具有节省资金，减少投资，见效快的特点，为煤矿安全、高效生产提供保障。

（2）水力压裂注入水对煤基质部的瓦斯有“封堵”作用，增加煤层瓦斯残余量，减少煤炭回采过程中瓦斯的瞬时大量涌出，有利于煤矿井下瓦斯抽采。

水力压裂增透仅仅是新形成的裂缝附近渗透率得到极大改善，即导流能力得到加强，但是煤基质部的渗透率并没有发生变化，而煤层注水后形成的水化膜和毛细管压力又增加了启动压力梯度，渗透率越低启动压力梯度越大，对瓦斯涌出的抑制作用越明显。

煤层注水抑制瓦斯涌出在“水法采煤”中也得到了佐证，其瓦斯的相对涌出量一般要比“旱法采煤”低30%以上，因此水力压裂在增透的同时而降低了煤层瓦斯的涌出量，两者并不矛盾，而是相辅相成。

因此煤矿井下水力压裂在增透的同时还起到抑制瓦斯涌出的作用，有利于煤矿井下瓦斯的抽采。

（3）水力压裂注入水能够煤的力学性质，减弱了“硬煤”的力学强度，有利于井下采煤，增强了“软煤”的力学强度，有利于防治煤与瓦斯突出。

煤层如果属于“硬煤”（原生结构煤和碎裂煤），煤体结构致密，力学强度对采煤效率影响较大，例如放顶煤采煤时，如果煤体强度过大还可能出现放顶困难，而煤层注水后，水顺着裂隙、孔隙进入煤中，湿润煤块。

水分子的侵入，削弱了颗粒间的联系，使得煤的力学性质降低，将提高放顶煤开采中顶煤回收率。

煤层如果属于“软煤”（碎

粒煤甚至糜棱煤），力学强度很小，易发生煤与瓦斯突出，又称“突出煤”，但煤层注水后，煤颗粒之间随着散体含水量的增大，整体的剪切强度增加，对防治煤与瓦斯突出是有利的。

（4）高压水能改变局部原始应力状态，促使瓦斯压力和地应力两场实现“均一化”，有助于防治煤与瓦斯突出和冲击地压的发生。

煤矿井下水力压裂是在高压水作用下，劈开煤储层形成裂缝的一种“外载荷作用”，水力压裂的高压水将在一定围改变煤储层的原始应力状态，对其应力场都是一种严重的扰动。

这种高压外载荷有助于使煤储层的应力场和压力场在一定围实现均一化，避免在某一点或某一方向过于集中，在某种程度上也是实现区域消突的有力手段。

因此井下水力压裂有助于煤储层应力场和压力场的均一化，是防治煤与瓦斯突出和冲击地压的有效手段。

（5）水力压裂泵注入的大量清水湿润煤体，有助于降低煤尘，改善工作环境，避免煤尘爆炸。

煤尘是煤矿主要灾害之一，超标的煤尘不但损害井下工人