煤层气压裂施工设计.docx
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煤层气压裂施工设计
王坡煤矿地面瓦斯综合抽采系统建设压裂工程
WP01-1D井压裂施工设计
建设单位：
山西天地王坡煤业有限公司
承担单位：
中煤科工集团西安研究院
设计单位：
中原油田井下特种作业处
2012年10月
项目名称：
王坡煤矿地面瓦斯综合抽采系统建设压裂工程
设计人（签字）：
审核人（签字）：
总工程师（签字）：
设计单位（盖章）：
设计提交日期：
年月日
项目承担单位审核意见：
审核人（签字）：
设计审核日期：
年月日
项目建设单位审批意见：
审批人（签字）：
设计批准日期：
年月日
目录
前言1
1WP01-1D井基础数据1
1.1钻井基本数据1
1.2煤层射孔设计数据2
2施工目的及设计依据2
2.1施工目的2
2.2设计依据2
2.3技术标准2
3施工工序2
4WP01-1D井3煤压裂设计3
4.1压裂施工方案3
4.2压裂前施工准备4
4.3现场施工泵注程序4
4.4压裂裂缝模拟5
5技术保障措施6
5.1液体配制要求6
5.2压裂施工要求6
5.3排液要求7
6压裂施工组织机构7
7压裂施工应急程序8
7.1压裂液伤人应急预案8
7.2高压管线破裂伤人应急预案8
7.3施工过程中出现砂堵情况应急措施8
8QHSE要求9
8.1质量保证要求9
8.2健康要求10
8.3安全要求10
8.4环保要求11
9压裂施工井身结构及管柱示意图12
附图：
压裂施工设备摆放示意图13
前言
该压裂施工项目属于王坡煤矿地面瓦斯综合抽采系统建设压裂工程，目的是在煤层建立高导流能力的石英砂支撑裂缝，提高煤层泄流面积，本设计依据《王坡煤矿地面瓦斯综合抽采系统建设压裂工程》招标文件、合同及相关技术资料和标准进行设计。
1WP01-1D井基础数据
1.1钻井基本数据
表1WP01-1D井钻井基本数据表
坐标
X：
19651026.684
地理位置
山西省泽州县下村镇塔里村东南向1km处
Y：
3951518.742
构造位置
塔里南背斜南翼
H：
1101.181
井别
地面瓦斯抽采试验井
设计井深/m
729
补心高/m
1.10
完钻原则
钻穿3号煤层以下60m完钻
钻头
程序
一开钻头直径/mm
一开钻达井深/m
二开钻头直径/mm
完钻井深/m
311.15
21
215.9
729
钻
遇
地
层
地层符号
Q
P2sh
P2s
P1x
P1s
C3t
实际
底深（m）
6.10
40.30
572.45
641.20
683.95
729
视厚（m）
5.00
34.20
532.15
68.75
42.75
45.05（未钻穿）
目
的
煤
层
3
钻探
见煤
深度
/m
673.30-680.40
结构
/
总
厚
度
/m
7.10
采收率％
测井
672.82-679.92
5.69（0.34）1.07
7.10
/
套
管
程
序
名
称
尺寸
/mm
钢级
壁厚
/mm
联入
/m
下深
/m
阻位
/m
定位短节
/m
试压
情况
/MPa
表层
244.5
J55
8.94
1.1
21
/
/
生产
139.7
J55
7.72
0.85
729.6
726.74
656.43-658.92
合格
固
井
参
数
水泥用量/t
25
水泥浆平均
密度/g/cm3
1.60
1.85
替量
/m3
9.1
碰压
/MPa
15
人工井底/m
磁定位/m
水泥返深/m
固井水泥环质量
726.50
656.43-658.92
154.00
3煤层顶
合格
3煤层底
合格
井
身
质
量
最大井斜
井底位
移/m
最大全角变化率
井深/m
井斜/º
方位/º
井深/m
全角变化率/º/30m
测井
550
30.24
21.69
201.58
400
5.45
备
注
全井平均井径扩大率为：
10.79%煤层井径扩大率：
10.35%
1.2煤层射孔设计数据
表2WP01-1D井3煤层射孔数据表
煤层
射孔井段
/m
射孔厚度
/m
枪型/弹型
孔密
/孔/m
相位角
/°
布孔
方式
孔数
3
672.82-679.92
7.1
102枪/127弹
16
90
螺旋
114
说明：
射孔质量验收标准为检查发射率达到95%为合格，否则重新补孔
2施工目的及设计依据
2.1施工目的
通过对煤层的压裂改造，在煤层中建立高导流能力的石英砂支撑裂缝，提高煤层泄流面积。
2.2设计依据
（1）《王坡煤矿地面瓦斯综合抽采系统建设压裂工程》合同及招标文件。
（2）《WP01-1D井钻井基础数据》。
（3）相关的压裂施工标准。
2.3技术标准
（1）《射孔施工及质量监控规范》（SYT5325-2005）
（2）《油水井常规修井作业通井、刮削套管作业规程》（SY/T5587.16-1993）
（3）《压裂设计规范及施工质量评价方法》（QSY91-2004）
（4）《压裂施工作业技术规范》（Q/CNPC.HB0856-2004）
（5）《煤层气井压裂技术规范》（试行-2000）
（6）《压裂工程质量技术监督及验收规范》（QSY31-2002）
3施工工序
（1）通井、替浆、实探人工井底，洗井并试压合格。
（2）通洗井24小时后，全井段测基础井温曲线。
（3）按射孔审批单对3煤层进行射孔。
（4）按设计要求上压裂液大罐，备水，配液。
（5）安装KQ350型压裂井口，四角用钢丝绳绷紧并用地锚固定。
（6）摆车，连接高、低压管线（高压管线接双管线），地面高压管汇及井口试压35MPa，稳压5min，压降小于0.5MPa，不渗漏为合格。
（7）按设计泵注程序对3煤层进行加砂压裂施工。
（8）压后2、4小时各测1条井温曲线，测量井段目标煤层以上100m至遇阻位置。
（9）停泵后通过指针式压力表观测井口压力，待井口压力下降到1MPa时，用3mm油嘴或针形阀控制放喷，排出液体进排污池或排水沟。
4WP01-1D井3煤压裂设计
4.1压裂施工方案
（1）压裂层位：
3煤层
（2）压裂井段：
深度：
672.82-679.92厚度：
7.10m：
5.69（0.34）1.07m
（3）压裂方式：
光套管压裂
（4）施工排量：
8.0m3/min
（5）加砂强度：
12m3/m
（6）压裂液类型：
活性水，配方：
清水+1%KCL+0.05%杀菌剂
（7）支撑剂类型及数量：
兰州石英砂，中砂（20-40目）64.2m3、粗砂（16-20目）
20.9m3
支撑剂质量要求：
①所使用的压裂砂粒度均匀、干净、无杂质。
浊度、粒径符合率、破碎率等指标符合SY/T5108-2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》。
②压裂砂圆度≥0.8。
③压裂砂球度≥0.8。
（8）井口要求：
KQ350型压裂井口
（9）施工最高限压：
35MPa
（10）压前压后测井温：
压后2、4小时各测一次井温
（11）压后测压力降落曲线：
压后测1小时压力降落曲线
（12）施工压力预测见下表：
表3施工压力预测表
裂缝延伸压力/MPa
施工压力/MPa
破裂压力/MPa
摩阻压力/MPa
10.7
14.0
15.6
2.0
4.2压裂前施工准备
4.2.1施工设备
WP01-1D井3煤压裂施工需要设备见表。
表4WP01-1D井3煤压裂设备表
设备
数量
型号
备注
主压泵车/台
7
2500型/2000型
3台2000型、4台2500型
仪表车/台
1
2500型
混砂车/台
1
2500型
管汇车/台
1
2500型
管线车/台
1
5t
砂罐车/台
7
15m3/台
压裂液大罐/个
18
容积50m3
4.2.2压裂液准备
WP01-1D井3煤压裂施工压裂液准备量850m3，所需材料数量见下表。
表5WP01-1D井3煤压裂施工压裂液及化工材料准备表
名称
清水/m3
KCL/Kg
杀菌剂/Kg
数量
850
8500
425
4.2.3支撑剂准备
准备中砂（20-40目）70m3，粗砂（16-20目）25m3。
4.2.4井筒准备
（1）井场平整，便于大型压裂设备摆放；
（2）下通井规通井，实探人工井底，用1%KCl彻底洗井；
（3）通洗井24小时后，全井段测基础井温曲线；
（4）按射孔通知单要求对3煤层进行射孔；
（5）安装KQ350型压裂井口，上平上紧，在井口四个方向加绷绳地锚固定；在井口闸门一侧接一条硬放喷管线，出口至放喷池固定捆牢。
4.3现场施工泵注程序
表6WP01-1D井3煤压裂施工泵注程序表
程序
步骤
净液量/m3
累计净液量/m3
混砂
液量/m3
累计
混砂
液量/m3
砂比
/%
砂量
/m3
累计
砂量/m3
排量
/m3/min
阶段
时间/min
备注
前置液240m3
1
80
80
80.0
80.0
0
8
10.0
中砂
6m3
2
120
200
123.6
203.6
5
6.0
6.0
8
15.5
3
40
240
40.0
243.6
6.0
8
5.0
混砂液
520m3
平均砂比15.2%
1
40
280
41.2
284.8
5
2.0
8.0
8
5.2
中砂58.2m3
2
40
320
41.9
326.7
8
3.2
11.2
8
5.2
3
50
370
53.0
379.7
10
5.0
16.2
8
6.6
4
60
430
64.3
444.0
12
7.2
23.4
8
8.0
5
80
510
87.2
531.2
15
12.0
35.4
8
10.9
6
80
590
88.2
619.4
17
13.6
49.0
8
11.0
7
80
670
89.1
708.5
19
15.2
64.2
8
11.1
8
20
690
22.3
730.8
19
3.8
68.0
8
2.8
粗砂20.9m3
9
25
715
28.3
759.1
22
5.5
73.5
8
3.5
10
25
740
28.6
787.7
24
6.0
79.5
8
3.6
11
20
760
23.4
811.1
28
5.6
85.1
8
2.9
顶替液
1
8.2
768.2
8.2
819.3
8
1.0
-
测压降
1
测压降60min
合计
-
768.2
819.3
85.1
-
102.4
-
备注：
1、中砂加完后开始加粗砂，粗砂不得与中砂混合添加。
2、首先灌满井筒，然后开始加砂压裂。
3、根据现场施工情况由现场施工人员和甲方协调及时修正施工参数。
4、现场施工结束后向甲方提供压裂施工数据、施工曲线及相关资料。
4.4压裂裂缝模拟
运用FracproPT三维压裂设计软件，根据设计的施工泵注程序对WP01-1D井3煤层压裂裂缝进行模拟计算，模拟计算结果如下：
表7WP01-1D井3煤压裂施工裂缝参数模拟结果表
裂缝长度/m
116.5
支撑缝长/m
116.5
裂缝总高度/m
23.7
支撑裂缝总高度/m
23.7
裂缝顶部的深度/m
661
裂缝底部的深度/m
684.7
平均裂缝宽度/cm
2.67
图1WP01-1D井3煤压裂裂缝剖面示意图
5技术保障措施
5.1液体配制要求
（1）配液用水要清洁、干净，所有盛液及备液设备必需清洗干净，最大程度地降低煤层伤害。
（2）配液大灌和运水车辆要清洁、干净。
（3）严格按配方及配制要求进行操作，准确计量，配制液量预留出施工过程中的损失。
5.2压裂施工要求
（1）采用套管注入方式。
（2）连接好施工设备，对井口及高压管汇试压35MPa，要求高压试压5min压降小于0.5MPa，不渗不漏为合格；
（3）压裂施工按设计参数执行，并准确记录泵压、排量、施工砂密度等。
施工时若发生特殊情况，需要更改设计时，应及时通知甲方有关人员；
（4）顶替液泵注完毕，记录停泵压力，测压降60min；
（5）施工结束后由施工队提交全部原始记录、图表及数据。
5.3排液要求
停泵后通过指针式压力表观测井口压力，待井口压力扩散到1MPa时，用3mm油嘴或针形阀控制放喷，排出液体进排污池或排水沟。
放喷过程中控制放喷速度，要求放喷速度不大于10m3/d。
6压裂施工组织机构
为了安全高效完成该项目的压裂施工任务，成立了以项目经理为安全质量的领导小组组长、副经理为安全质量的领导小组副组长，工程施工作业期间负责安全及质量方面的日常事情。
开工前由项目经理组织全体项目人员召开安全质量会议，组织全体人员认真学习压裂施工设计方案，严格遵守操作规程和各项制度，密切配合减少人为的事故，安全高效的完成压裂施工任务。
压裂现场施工组织机构图见下图：
表8压裂现场施工组织人员安排表
职务
姓名
人数（人）
经理
谢林德
1
副经理
时云忠胡正强牛茂真
3
技术负责人
张建涛张家根周佳
3
安全人员
刘克军
1
图2压裂现场施工组织机构图
7压裂施工应急程序
7.1压裂液伤人应急预案
（1）发生压裂液伤人后要立即通知现场项目经理。
（2）项目经理根据现场情况决定是否应当立即停止施工并组织人员到紧急集合地点清点人数。
（3）现场发现伤者，由现场项目经理组织应急救援队在现场做必要救护。
（4）副经理负责向单位领导汇报现场情况及请求救援事项。
7.2高压管线破裂伤人应急预案
（1）发生高压管线裂破后要立即停泵。
（2）由项目经理组织所有参加施工人员到紧急集合地点，清点人数。
（3）现场发现伤者，由项目经理组织现场救护车医务人员做必要救护。
（4）发生事故后监督员立即向上级领导汇报，汇报内容包括：
高压管线裂破时间、部位、人员伤亡情况、正在采取或准备采取的抢险措施、请求救援事项等。
（5）项目经理组织人员处理好高压管线裂破事故，使损失减到最低程度。
7.3施工过程中出现砂堵情况应急措施
（1）压裂施工中泵压升高，降低砂比，待泵压正常后继续施工。
（2）若泵压持续上升，确认出现砂堵，应立即停止加砂。
（3）停泵后开井放喷，放出一个顶替量，将井筒中浓携砂液放出后停放。
（4）重新泵注前置液、携砂液，将砂子加完。
表9压裂过程可能遇到的问题及处理预案
序号
可能情况
原因及处理预案
负责人
1
井口刺漏
①前置液期间漏，停泵整改，整改完成后根据情况继续施工或重新备液压裂。
②携砂液期间漏，停砂顶替完，讨论下步方案。
③顶替液期间刺漏，顶替完成，正常转排液。
施工指挥、作业队
2
油管失效
停止施工，放喷排液。
施工指挥
3
主压车故障
调整设备满足设计排量，如多台主压车出现故障，无法满足设计排量，顶替完后停止施工。
施工指挥
4
混砂车故障
停止施工，讨论下步方案。
施工指挥
5
仪表车故障
停止施工
施工指挥
6
液罐故障
及时整改，或停用。
施工指挥
7
砂罐故障
及时整改，或停用。
施工指挥
8
高低压管汇故障
①前置液期间漏，停泵整改，根据情况继续施工或重新备液压裂。
②携砂液期间漏，停砂顶替完，讨论下步方案。
③顶替液期间漏，顶替完成，正常转排液。
施工指挥
9
泵压高，排量不能满足设计要求。
及时请示汇报，经同意后可降低10%-15%排量施工。
施工指挥
10
前置液期间压力持续下降
滤失严重。
提高排量，低砂比加砂。
施工指挥
11
压力突然大幅度下降
①管柱失效。
执行第2项。
②缝高失控。
现场判断，停砂顶替或继续施工。
③裂缝延伸至高滤失带（或开启的断层）。
停砂顶替完。
施工指挥
12
加砂压力持续上升
裂缝延伸困难、缝宽较窄，微裂缝、多裂缝影响严重。
提高排量10%－20%，保持或降低10%－20%砂比施工。
施工指挥
13
套管压力快速上升
砂堵迹象明显，停砂顶替。
施工指挥
14
脱砂
停泵，立即用3mm油嘴放喷排液，至压力降为0时，立即反洗井。
施工指挥
15
安全情况
执行安全预案
各单位负责人
8QHSE要求
8.1质量保证要求
（1）压裂入井液体要清洁、干净，所有盛液及备液设备必需清洗干净，最大程度地降低煤层伤害。
（2）确保井场、道路畅通。
现场压裂液大罐摆放合理，给压裂机组留出足够场地。
（3）各工序严格按照其操作规程、技术标准和设计要求进行施工，取全取准各项资料。
（4）入井材料、管柱、工具等清洁干净，符合有关质量标准。
（5）施工前应检查保养好设备，保证施工设备性能良好，确保施工顺利进行。
（6）关键工序及岗位专人负责，确保施工质量。
（7）压裂施工严格按照设计要求进行，如遇特殊情况需要调整设计时，必需经甲乙方商定，甲方同意后方能调整。
（8）储液罐清洁无残存液体及杂物，压裂用水需做采样分析。
每罐加料结束后，采用大排量循环，直至罐内上下层液体性能一致为止。
（9）取全取准施工压力、排量、液量等参数。
8.2健康要求
上岗人员穿戴好劳保用品，施工中非岗位人员一律不准进入高压区，严禁违章作业。
8.3安全要求
（1）施工过程严格按SY5727-2007《井下作业安全规程》执行。
（2）压裂施工前，在压裂现场开一个全体人员参加的安全会，全面了解施工井的作业情况、基本数据，对施工可能出现的问题要有防范措施，各工作岗位分工明确，听从统一指挥。
（3）压裂施工之前确保压裂井口合格，施工前四角用钢丝绳固定绷紧，并用地锚固定。
（4）压裂施工现场必须有“危险”、“闲人禁止入内”等警示标志。
（5）严格遵守SY6443-2000《压裂酸化作业安全规定》，Q/CNPC·HB0856-2004《压裂施工作业技术规程》，SY/T5587.5《常规修井作业规程》以及《井下作业井控实施细则》。
（6）安全员负责阻止非工作人员进入井场，工作人员进入高压区要确保在安全的地方进行施工。
（7）压裂施工时作业队要有负责人员在场。
（8）压裂队在施工前全面检查设备仪表，高压、超压保护装置必须灵敏，做到超压即停泵，确保安全施工。
（9）压裂施工井场禁止明火、吸烟，做好消防及救护准备工作，防止意外事故发生。
（10）施工现场严禁烟火，施工时各车前1m处放置灭火器1只。
（11）施工现场成立施工领导小组，小组成员包括甲乙双方人员，施工中一旦出现特殊情况，应由领导小组成员及时协商解决（如变更设计请甲方出具书面变更设计）。
（12）施工中坚守岗位，巡回检查，发生事故参与人员应听从统一指挥。
（13）发生意外情况，施工人员要听从统一指挥，在注意人身安全的同时，采取紧急措施。
（14）要求施工队伍根据工区天气变化情况，应充分考虑冬季寒冷天气给施工带来的不利因素，注意各类工作液的防冻、保温工作。
（15）压裂施工中出现砂堵，应立即停泵，开井放喷，放出一个顶替量，将井筒中浓携砂液放出后停放，重新泵注前置液、携砂液，将砂子加完。
8.4环保要求
（1）严格遵守当地环境部门的有关规定，严格执行中石油QHSE要求。
（2）施工、配液前，对压裂液及各类添加剂、支撑剂必须进行室内评价，确保产品合格。
（3）井场附近配备排污设施，作业液严禁乱排乱放，实施无污染、无落地作业，做到井场无油污、无杂物。
（4）施工作业结束后对井场（作业区域）进行全面清理，剩余残液按甲方指定方式、指定地方排液，不得随意排放，以免造成井场及周边环境的污染。
（5）井场要有排污池，出井液要全部入池。
所有入井液及地层流体不得污染环境。
（6）做好防火、防爆、防污染等预防工作。
（7）严格遵守SY6443-2000《压裂酸化作业安全规定》，Q/CNPC·HB0856-2004《压裂施工作业技术规程》，SY/T5587.5《常规修井作业规程》以及《井下作业井控实施细则》。
9压裂施工井身结构及管柱示意图
附图：
压裂施工设备摆放示意图
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