煤矿井下压裂设计施工规范.docx
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煤矿井下压裂设计施工规范
MT
国家安全生产监督管理总局发布
201×-××-××实施
201×-××-××发布
煤矿井下压裂设计施工规范
Codeforcoalminehydrauliccrackindesignandconstruction
（征求意见稿）
MT/T××××—201×
中华人民共和国煤炭行业标准
ICS73.010
D09
备案号：
目次
_Toc295974556
前言II
1范围1
2规范性引用文件1
3术语和定义1
4一般规定2
5压裂设计2
6压裂施工组织及质量控制6
7安全技术要求8
8现场资料录取与总结13
9施工总结13
附录A（规范性附录）施工设计书格式15
附录B（规范性附录）现场资料录取格式17
附录C（规范性附录）施工总结格式19
前言
煤矿井下压裂是煤矿瓦斯强化抽采、区域治理的重要技术措施。
为规范煤矿井下压裂设计与施工，特制订本标准。
本标准由中国煤炭工业协会科技发展部提出。
本标准由煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会技术归口。
本标准起草单位：
河南省煤层气开发利用有限公司、中国矿业大学、煤炭科学研究总院。
本标准主要起草人：
姜光杰、王思鹏、郭启文、史小卫、姜锡慧、陈东科、梁安民、孙明闯、袁宗柱、李红晓、白新华、林萌、付江伟。
煤矿井下压裂设计施工规范
1范围
本标准规定了煤矿井下压裂钻孔布置、压裂方式选择、方案设计原则、施工组织、安全与质量控制、资料录取、施工总结等技术要求。
本标准适用于煤矿井下煤层、岩层压裂的设计与施工。
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，仅在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。
GB150钢制压力容器
AQ1028煤矿井工开采通风技术条件
AQ1027煤矿瓦斯抽放规范
AQ1017煤矿井下安全标志
AQ1023煤矿井下低压供电系统及装备通用安全技术要求
MT694煤矿自动隔爆装置通用技术条件
《煤矿安全规程》
《防治煤与瓦斯突出规定》
3术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
3.1
水力压裂hydrauliccracking
在钻孔内以水作为动力，在无自由面的情况下使煤体裂隙畅通的一种措施。
3.2
封孔器holepackers
压裂钻孔孔口的密封装置。
3.3
滤失系数filtrationcoefficient
单位滤失时间平方根内、单位面积上的滤失量，m/min0.5，以C表示。
3.4
压裂液效率fractureliquidefficiency
造缝体积与压裂液总注入液量体积之比的百分数。
3.5
独立风流independentairflow
从主要进风巷分出的，经过爆炸材料库或充电硐室后再进入主要回风巷的风流。
4一般规定
4.1有下列情况之一的矿井应进行压裂：
a）生产矿井和在建矿井面临煤与瓦斯突出威胁的；
b）不具备保护层开采条件的高瓦斯煤层；开采保护层时有煤与瓦斯突出危险的保护层，被保护层宜优先选择穿层压裂；
c）抽采不达标的煤层。
4.2未卸压煤层进行压裂预抽，依据煤层瓦斯抽放的难易程度分为三类，见表1。
表1煤层压裂情况分类表
类别
钻孔流量衰减系数
d-1
煤层透气性系数
m2/MPa2.d
选择类别
容易抽放
＜0.003
＞10
可压裂
可以抽放
0.003~0.05
10~0.1
宜压裂
较难抽放
＞0.05
＜0.1
应压裂
4.3压裂地点、压裂基本参数、压裂孔施工等均应严格遵守安全第一的原则。
4.4煤矿井下注水和压裂施工应使用专用压裂泵。
4.5施工操作人员应经过专门培训，应熟悉设备各项性能和操作要求，经考核合格持证上岗。
5压裂设计
5.1资料收集
压裂方案设计收集以下资料：
a）压裂施工相关矿井情况；
b）矿井基本情况；
c）矿井地质概况：
所属煤田、成煤时代、地质构造、煤层赋存；
d）矿井生产概况：
开拓方式、采煤方法、顶板管理方法、巷道断面和长度等；
e）矿井通风瓦斯概况：
通风方式、通风系统（尤其专用回风巷断面）风量、风阻、瓦斯涌出量、瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯抽放方法及抽放量等；
f）矿井井下配电系统概况：
各级配电的额定电压等级，馈出线的短路、过负荷保护的整定值，熔断器熔体的额定电流值以及被保护干线和支线最远点两相短路电流值，配电设备的装设地点，线路电缆的用途、型号、电压、截面和长度，保护接地装置的安设地点等；
g）矿井自然发火危险性评价、防治水能力、冲击地压危险性等；
h）发生瓦斯动力现象地点的情况。
5.2压裂方式选择
5.2.1压裂方式（如图1所示）
图1压裂方式示例
可供选择的压裂方式如下：
a）当煤体结构相对完整或发育相对完整的分层，能够在煤层中形成完整钻孔时，根据巷道布置情况可以采用巷道内施工顺煤层钻孔1、2，压裂煤层；
b）当煤体结构破坏严重、难以成孔时，可以采用从底板抽放巷（或顶板抽放巷）中施工仰/俯角穿层钻孔3和4，岩段封孔，压裂煤层；
c）当目标区为多煤层发育区、煤体结构破坏严重，煤层间距在20m之内，可以从底板抽放巷（或顶板抽放巷）内施工仰/俯角钻孔3和4，对此夹层实施压裂，钻孔仰角不限。
5.2.2压裂方式选择原则
压裂方式的选择，应充分结合煤矿井下巷道布置情况，应简便安全、不损坏管路和设备、不污染井下作业环境，压裂孔口应有承压保护装置，压裂施工参数的选择应符合《防治煤与瓦斯突出规定》的要求。
对矿井瓦斯涌出来源多、分布范围广、煤层赋存条件复杂的矿井，应采用多种压裂方式相结合的综合压裂方式。
5.3压裂施工设计
5.3.1设计
按压裂方案设计格式，见附录A（规范性附录），依据设计原则编写施工设计。
5.3.2内容
施工设计内容包括以下内容：
a）矿井概况：
b）施工目的；
c）基础数据；
d）设计的压裂层位；
e）工艺参数、施工参数，用表格列出；
f）预处理措施；
g）压裂施工执行表；
h）压裂钻孔结构图；
i）施工准备；
j）施工步骤；
k）施工要求。
5.3.3压裂钻孔
根据压裂方式要求，综合孔口所处煤（岩）层位、岩性、构造、巷道通风、施工参数、管材性能等因素，设计选择符合本区块构造特点的压裂钻孔结构和封孔工艺。
钻孔位置选择：
a）目标层有合适的煤体结构和裂隙发育度，孔口煤岩体岩石力学参数应能满足压裂封孔要求，目标层岩性要求的施工参数在设备能力范围内，目标层及其上下围岩赋存完好；
b）压裂孔裸眼成孔质量良好，孔深能满足压裂层位选择要求；
c）宜免受采动影响，保证足够的抽采时间；
d）距地质构造带、含水（煤）岩层、保护煤（岩）柱、采空区、瓦斯抽放钻孔和地质探孔的距离不小于30m；
e）施工巷道应具有独立通风系统，风速不应低于1m/s，高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井还应设置有专用回风巷，应符合AQ1028的要求；
f）对煤层压裂，除按压裂半径确定合理的孔间距外，应尽量增加钻孔在煤层中的长度；
g）钻孔方向应尽可能正交或斜交煤层层理；
h）穿层钻孔终孔位置，应在穿过煤层顶（底）板2m处；
i）特殊需要时应按具体方案要求进行选择。
5.3.4封孔要求
5.3.4.1岩壁钻孔，宜采用封孔器封孔。
封孔器械应满足密封性能好、操作便捷、封孔速度快、可回收的要求。
5.3.4.2煤层钻孔，宜采用充填材料进行注浆封孔，条件许可时，也可采用封孔器封孔。
封孔材料可选择新型膨胀材料等，不宜选用水泥砂浆或其他不符合封孔质量要求的材料。
5.3.4.3封孔长度和封孔深度：
a）孔口段围岩条件好、构造简单、施工压力中等时，封孔长度可取10m~20m，封孔深度以过煤层顶底板1m为宜；
b）孔口段围岩裂隙较发育或施工压力高时，封孔长度可取全岩段长，封孔深度以过煤层顶底板1m为宜；
c）在煤壁开孔的钻孔，封孔深度可取15m~60m，封孔段长度与封孔深度相。
5.3.4.4封孔质量检查标准：
a）压裂施工过程中孔口不应出水渗水；
b）封孔器械和封孔充填材料耐压强度应大于40MPa；
c）充填材料封孔时，应带压封孔，压力不低于5MPa；
d）当钻孔封孔质量达不到上述标准时，应改进封孔参数或工艺，仍达不到上述标准的，应作为废孔，全孔封实。
5.3.4.5当压裂钻孔周边有常规瓦斯抽排钻孔、地质探孔时，压裂施工前应将其全孔封实。
5.3.5压裂工艺
5.3.5.1工艺类型应符合第6章压裂方式选择的要求。
5.3.5.2应明确施工目的、压裂层位、施工要求、封孔方式。
5.3.5.3应收集必要的基础数据和基本参数。
一般应符合附录A施工设计书格式内容要求，基本参数及资料项目内容，见表2的规定。
表2设计基本参数
目标层埋深，m
目标层孔隙度，%
封孔质量
目标层温度℃
目标层瓦斯含量，m3/t
控制半径，m
目标层厚度，m
原始地层压力，MPa
控制面积，m2
目标层渗透率，mD
煤层瓦斯压力，MPa
地下流体粘度，Pa.s
目标层杨氏模量MPa
顶底板岩性
地下液体压缩系数，l/MPa
目标层岩石硬度，HB
顶底板厚度，m
瓦斯体积系数，l/MPa
目标层岩石泊松比
顶底板承压能力，MPa
断层发育情况
目标层含水饱和度
钻孔方位结构
5.3.6基本参数计算
将5.1.4提供的参数和相关经验参数进行计算，计算结果按表3形式列出。
表3工艺参数运算结果表
造缝长m
造缝宽mm
造缝高m
破裂压力MPa
前置液量m3
压裂液用量m3
施工排量m3/min
压裂液沿程摩阻MPa
施工总水功率kw
5.3.6.1地层破裂压力（pK）、延伸压力（pE）和闭合压力（pC）计算公式如下：
…………………………
（1）
…………………………
（2）
延伸压力取pFP与破裂压力pK的最小值：
…………………………（3）
…………………………（4）
式中：
Lf——单翼裂缝长度，单位为米（m）；
E——岩石弹性模量，单位为帕（Pa）；
Ape——孔隙弹性常数，
………………………….（5）
式中：
v——泊松比；
a——毕奥特常数，a=1-CM/CR；
CM——岩石压缩系数，Pa-1；
CR——综合压缩系数，（不渗透介质a=0）Pa-1；
Sv——上覆层应力，单位为帕（Pa）；
Shi——在无上覆层和孔隙压力条件下的初始水平应力，单位为帕（Pa）；
σT——岩石抗张强度，单位为帕（Pa）；
pi——地层内孔隙压力，单位为帕（Pa）。
5.3.6.1压裂管路液柱压力
PH=压裂管路高程落差H（m）乘以压裂液密度（MPa/m）。
5.3.6.2压裂液沿程摩阻Pr（MPa）
压裂液在管路中沿程摩阻Pr为：
Pr=管路长度乘以管路内该型号压裂液摩阻系数（MPa/m）。
5.3.6.3压裂液在管路末端孔眼处的摩阻Pf（MPa）。
5.3.6.4泵注施工压力Pw（MPa）为：
Pw=Pk-PH+Pr+Pf…………………………（6）
5.3.6.5压裂施工泵功率为施工压力乘以施工排量，压裂泵组数为压裂施工水功率除以单泵水功率。
6压裂施工组织及质量控制
6.1施工组织
6.1.1施工准备
6.1.1.1在压裂设备入井前，应对井口、井下巷道进行勘察。
6.1.1.2巷道内移运压裂设备时，运输线路内一侧从巷道轨面起1.6m的高度内，运输车上压裂设备的最突出部分，与巷帮支护、管道和线缆吊挂的距离不得小于0.3m。
6.1.1.3巷道内组装压裂设备时，压裂设备与巷帮最突出部分、管道和线缆的距离应不小于0.5m；压裂泵泵头和动力端与巷帮支护的距离应满足设备检查和维修的需要，应不小于0.7m。
6.1.1.4压裂设备一般应水平摆放，巷道坡角在3‰以上时，应有可靠的防滑装置或落地。
6.1.1.5摆放压裂设备，如图2连接管路流程至孔口。
6.1.1.6低压管汇到压裂泵组的供水管线应用钢丝缠绕胶管，并尽可能减少弯曲。
6.1.1.7高压管汇安装，由孔口到泵头的连接顺序应为：
孔口、活动弯头、压力传感器、放空旋塞阀、泵头。
图2压裂设备连接流程示例
6.1.1.8压裂泵排出口高压管路50m内，应采用合格的活接头（由壬接头）连接的硬管线。
6.1.1.9压裂储液容器应完整、清洁，检查合格后方可使用。
压裂用液要清洁环保。
添加剂数量符合设计要求。
6.1.1.10按设计要求，在压裂钻孔内下入压裂管路，封孔并验封合格。
6.1.1.11监测仪表和控制面板应摆放在避灾指挥舱内。
6.1.1.12仪表、防爆微机、压裂泵组及遥控操作台应性能良好，由压裂泵组、高压管汇、孔口传送来的信号稳定可信，通讯畅通。
6.1.1.13距离压裂孔10m内，安设图像、声音传感器等监测仪器。
6.1.2压裂施工
6.1.2.1泵前垫液阶段
按照设计要求在压裂液中添加适当浓度和配量与压裂液相溶的防膨剂压入压裂孔。
6.1.2.2预处理阶段
进行水力射孔作业，采用的预处理液应能降低裂缝端部流动阻力，预处理措施应能降低地层的破裂压力，能控制裂缝的起裂和延伸方向。
6.1.2.3前置阶段
按照设计要求分别添加适当比例表面活性剂、阻燃剂，随同压裂液压入压裂孔。
前置液用量按下列式计算：
…………………………（7）
式中：
V前——前置液用量，单位为立方米（m3）；
R——预计压裂半径，单位为米（m）；
r——孔眼半径，单位为米（m）；
π——圆周率；
H——地层厚度，单位为米（m）；
φ——孔隙度，%。
6.1.2.4顶替阶段
当前置液用量达到设计数量时，开始计顶替液。
应准确计算顶替时间及液量，不得减少或增加顶替液量。
顶替液用量计算公式如下：
…………………………（8）
式中：
V替——顶替液用量，单位为立方米（m3）；
V外——孔外管道的容积，单位为立方米（m3）；
K——附加量系数，一般值为1.0~1.5；
V管——孔内管柱容积，单位为立方米（m3）。
6.1.3压裂后作业
6.1.3.1达到预定施工参数后，停泵测瞬时停泵压力，记录压裂后压力降落。
6.1.3.2测试压降结束后，按照设计要求及时控制放液，并做好巷道内的排水工作。
6.1.3.3按照AQ1027的要求进行抽放系统设计与施工。
6.2质量控制
6.2.1召开施工安全分工班前会，贯彻安全技术措施，明确安全负责人，落实避灾路线和救援预案等。
6.2.2按设计要求配齐压裂设备，数量应满足设计功率要求。
6.2.3专用管材及下井工具经核对规格、型号及质量检验，应能满足压裂施工要求。
6.2.4压裂设备、辅助设备应能满足可靠施工要求，连续工作无故障时间不低于10h，应符合MT694的要求。
6.2.5仪器、仪表计量器具等符合等级精度要求。
6.2.6压裂用避险指挥舱，下井前在地面全负荷试运行5h以上，检查各项装置和配套工器具、接口、备用救生品按要求完整有效。
6.2.7避险指挥舱使用5次后，应当就地或升井检修。
高压管路使用5次后，应升井报废处理。
6.2.8避险指挥舱外，现场人员应配齐个体防护装备，无关人员应全部撤离现场。
7安全技术要求
7.1压裂选孔和设计及施工队伍要求
7.1.1压裂选孔和设计应符合下列安全要求：
a）压裂钻孔施工和成孔质量与设计相符；
b）压裂孔所在的巷道内有可靠的独立回风系统和排水沟渠，应符合《煤矿安全规程》的要求；
c）使用无毒、无害、无污染物质；
d）下井工具、连接方式应能保证正常压裂施工，并有利于压裂前后的其它作业；
e）通往施工地点的巷道能够保证施工设备安全通行；
f）施工设备所在的巷道尺寸应满足施工设备组装、拆卸要求。
7.1.2压裂设计中应包括下列与安全有关的内容：
a）存在可能影响压裂施工的问题；
b）施工地点、施工设备运输路线说明及要求；
c）管路流程连接、施工设备检查、维修要求；
d）试压要求；
e）施工交接、检查要求；
f）应急预案及其它安全技术要求。
7.1.3下列压裂施工应提出特殊安全技术要求：
a）液氮压裂或使用其它有毒有害、易燃易爆物质；
b）可能出现的喷孔或其它危害及影响；
c）富CO2、H2S煤层压裂；
d）突出危险性和冲击地压危险性大区段压裂；
e）新技术试验等。
7.1.4压裂设计应经公司技术负责人批准、备案后，方可实施。
7.1.5压裂准备作业队伍、压裂施工队伍应经培训，掌握设备性能及安全措施，且操作熟练、责任心强，持证上岗。
7.2压裂用设备及配件
7.2.1按设计选配压裂设备，并达到下列安全要求:
a）有“MA”标志，新设备试验需编制专门措施，经施工地企业技术负责人批准；
b）完整，无泄漏及其它故障；
c）阀门开关灵活，提示标识清晰可辨；
d）计量仪表和限压保护及其它指示、报警、控制装置完好；
e）安全阀有效，卸压管畅通、安装牢靠、接入压裂泵吸入总成或储液罐；
f）防护设施齐全、可靠。
7.2.2储液罐应达到下列安全要求:
a）摆放平稳；
b）罐内清洁、无杂物，无泄漏；
c）进出口阀门、接头完好；
d）液位标志清晰（最高液位、最低液位）；
e）储存易燃易爆、有毒有害物质时，罐体应有相应的警示标志和警句；
f）金属容器应有可靠的接地；
g）移动的储液罐应有罐盖、换气阀。
7.2.3承压罐在满足7.2.2规定的同时，应符合GB150的要求。
7.2.4其它附属设备应达到相应的安全要求。
7.2.5压裂用配件应按表4的规定进行检查、维护和检验，并达到表5的要求。
达不到表5规定的配件不得使用。
7.2.6压裂用柱塞泵的检查、维护和检验应由安全相关部门根据压裂设备技术要求检验，并出具合格证明。
7.2.7压裂用配件检验应由安全相关部门负责，并有检验合格证明。
表4压裂用配件检查、维护、检验周期
序号
要求
高压管线
高压阀门
高压弯头
（或弯管）
活接头
1
检查周期
每次施工
每次施工
每次施工
每次施工
2
维护周期
每次施工
每次施工
每次施工
每次施工
3
检验周期
1月
1月
1月
1月
注：
压裂配件有特殊需要时，应缩短检验周期。
表5压裂用配件基本要求
序号
要求
高压管线
高压阀门
高压弯头
（或弯管）
活接头
1
无径向和纵向形变
√
—
√
√
2
无裂纹和其他损伤
√
√
√
√
3
无补焊
√
√
√
√
4
无过热痕迹
√
√
√
√
5
无严重锈蚀
√
√
√
√
6
接头与管体连接牢固
√
√
√
√
7
螺纹完好
√
√
√
√
8
开关灵活，标记清晰可辨
—
√
—
—
9
密封性合格
√
√
√
√
7.3准备作业
7.3.1准备作业包含压裂施工前的各项基础设施布置和改进作业，准备作业的施工组织应符合设计书要求。
7.3.2通风系统可靠，设施完善。
7.3.3根据设计要求，增设瓦斯传感器、声像传感器和通讯线路。
7.3.4设备摆放区及警戒点处应安装足够数量的压风自救。
7.3.5在压裂孔所在巷道内孔口前后各50米，孔底指向的巷道内压裂对应位置前后各50米范围标注测点，每10米一个，观测压裂施工前后顶底板和煤层位移情况。
7.3.6应在压裂孔所在巷道内孔口前后各50米范围内加固巷道。
7.3.7封孔器、孔口固定装置等压裂工具应符合设计要求。
7.3.8压裂工具入井前应按设计要求进行检查，检查结果专人记录，封孔时连接紧固，达到设计要求。
7.3.9孔口应采用专用固定装置或在孔口与巷道支护间加钢丝绳固定。
7.3.10孔口应安装压力指示装置。
7.3.11压裂泵排出应安装卸压管线，回流至压裂泵吸入总成，朝向应避开压裂施工区域。
卸压管线畅通、固定可靠，不得加装小于120°的弯头。
7.3.12高压管路接头应涂抹螺纹密封脂，螺纹旋紧扭矩按相关要求选用。
压裂前，应采用静试压方法试压，高压管路试压压力一般为设计最高泵压的1.2~1.5倍，保持5min不降，以不渗漏、压力不降为达标，由专业人员进行验收、签字。
7.4压裂施工准备
7.4.1压裂施工队伍施工前应按设计要求进行准备，并做好下列工作：
——熟悉施工设计，掌握安全技术措施；
——对所用设备、配件、工用具进行检查、维护，确保完好；
7.4.2施工前由矿井技术负责人组织编制专项应急预案，并在施工前一天向所有在相关区域施工的单位贯彻落实。
7.4.3压裂施工前要检查风门关闭情况，确保安全可靠。
7.4.4压裂施工前，切断影响区域内（除监控仪器外）的一切电源。
7.4.5压裂施工前，在施工巷道车场反向风门外设置警戒点，安装直通调度室的电话，每一个警戒点配置不少于2名救护队员，施工期间负责警戒和安全监护，将人员全部撤到反向风门以外。
施工中发生紧急情况时，现场人员及可能波及到的人员应严格按照应急预案要求实施自救或互救，向相关部门汇报。
7.4.6富CO2、H2S煤层压裂、液氮压裂以及使用有毒有害、易燃易爆物质压裂或其它特殊压裂，应按设计要求预先单独制定防止危害及影响的措施和应急预案，配备足够的防护用品、特殊用具及应急所需设备设施和器材。
7.4.7应急预案应包括但不限于以下内容:
a）组织、领导、分工；
b）通报、报告方法；
c）抢险救护设备设施、器材配备和抢险救护方案；
d）救援通讯地址和通讯设施；
e）避险路线、标识和避险方法；
f）演练方案。
7.4.8应备有消防、救护等抢险救护设备设施及专业人员。
富CO2、H2S煤层压裂或液氮压裂应配备足够的氧气呼吸器；液氮泡沫压裂应同时配备防寒手套。
实施使用易燃易爆物质压裂应配备防爆型工具。
7.4.9应急预案应在施工前进行演练。
7.4.10压裂施工设备入井前应编号，按编号顺序入井、运输、停靠、安装。
7.4.11压裂施工设备应按设计要求安设在新鲜风流中，压裂设备与压裂孔口之间距离一般应不少于300m，并留有安全和应急疏散通道。
7.4.12压裂施工设备安设区域下风侧10m处，应设置断电值为0.5%的瓦斯传感器，区域内应无易燃物。
7.4.13压裂施工前，由现场指挥、操作人员与压裂准备作业指定人员对压裂钻孔封孔质量进行检查，确认达到设计要求。
7.4.14按设计配制压裂液并进行检测，达到设计要求。
7.4.15施工现场应配备不少于4具8kg以上干粉灭火器。
特殊需要时按应急预案执行。
7.5压裂施工
7.5.1压裂施工首先成立现场
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