水力压裂综合增透技术培训教案.docx
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水力压裂综合增透技术培训教案
水力压裂综合增透技术“三新”培训授课教案
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水力压裂综合增透技术发展历程及原理
我国煤矿多为高瓦斯低透气性矿井，在矿井各类重、特大事故中，瓦斯事故所占比重最大，对矿井造成的损失最严重。
且随着煤层开采深度增加,突出煤层的数量也呈增加趋势，煤与瓦斯突出矿井也随之增多，煤与瓦斯突出已成为制约煤矿安全生产的瓶颈问题。
解决高瓦斯低透气性煤层煤与瓦斯突出问题的关键在于提高煤层渗透率，有效进行瓦斯抽采。
当前的方法主要包括突出煤层钻深孔、深孔预裂爆破和一些水力化措施。
突出煤层钻深孔的方法在松软煤层钻孔过程中往往会出现塌孔、喷孔和夹钻等问题，致使钻孔长度小，钻孔数量多，而达不到预定抽采效果;深孔爆破虽然能够起到松动原始煤体达到提高渗透率的作用，但在具有煤与瓦斯突出危险的煤层中采用时常常会诱发突出灾害的发生;水力压裂技术在煤矿瓦斯抽采中已经有较为广泛的应用，特别是针对高瓦斯低透气性煤层研究趋于成熟。
一、水力压裂技术发展历程
水力压裂技术是油气井增产、水井增注的一项重要技术措施。
当高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底附近憋起超过井壁附近地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。
随着带有支撑剂的液体注入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸。
这样在地层中形成了足够长度一定宽度及高度的填砂裂缝。
由于它具有很高的渗滤能力，使油气能够通畅流入井中，起到增产增注的作用。
①初级运用阶段。
最初的水力冲孔消突措施于1965年在原南桐矿务局鱼田堡煤矿试验成功。
70年代原国家燃化部对原南桐矿务局“利用水力冲孔防止煤与瓦斯突出技术”进行了总结和推广。
②优化调整阶段。
2006年，重庆大学研发“多相振荡射流及其在低透气性煤层中瓦斯抽采的关键技术”。
即水力割缝技术，经过2年多的艰苦攻关，研制出了高压水射流切缝系统装备，制定了施工工艺。
解决了瓦斯增透的难题，该项目获得了2008年度国家科技进步二等奖。
水力割缝技术目前已在全国进行产业化推广。
③创新提升阶段。
2009年，科研集团在推广应用水力割缝的基础上，开始跟踪行业内外高新技术的发展，学习低渗油气藏开发的世界先进技术，坚持跨行业、跨领域的集成创新，系统借鉴、消化吸收成熟技术。
集中力量攻破泵组配套、压裂设计、封孔设备、滤失伤害、返排机理、连续作业和效果评估等方面难点，初步解决了页岩气开发技术在煤矿井下使用的适应性难题，成功借鉴了页岩气开发的关键技术——水力压裂技术。
经过集成创新，研发了具有自主知识产权的关键装备和压裂技术，形成了低透气性煤层特色的水治瓦斯技术体系。
二、水力压裂技术原理
水力压裂是一种集区域和局部瓦斯治理为一体的新工艺。
将地面煤层气开发的成熟技术移植到井下，针对不同煤体结构煤储层，采用不同的压裂方案，以达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的。
水力压裂技术就是通过钻孔向煤层压入液体，当液体压入的速度和压力远远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤层的液体压力就会逐渐上升，当超过煤层上方的岩压时，煤层内原来的闭合裂隙就会被压开形成的流通网络，煤层渗透性就会增加，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好的条件。
井下水力压裂可显著增加煤层的透气性，在无需过高抽采负压的情况下即可实现有效抽采，加上封孔技术的改进，可最大限度降低抽采过程中的漏气现象，提高抽采瓦斯浓度。
通过压裂可实现掘进头深孔压裂增透可实现大循环进尺，降低区域消突工程成本。
针对我矿6-2煤煤层瓦斯压力高、含量高及透气性低的特点，通过研究煤层水力压裂机理，优化水力压裂参数，增加煤层相互贯通裂隙的数目和增大单一裂隙面的张开程度，可以大大提高煤层渗透率，提高瓦斯抽采效果。
水力压裂综合增透技术“三新”培训授课教案
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水力压裂钻孔钻孔施工、封孔工艺及压裂设备安装
一、水力压裂钻孔钻孔施工、封孔工艺
（1）压裂钻孔布置
在巷道钻场内布置一个压裂孔，孔径Φ113mm，终孔位于掩护巷道轮廓线内。
（2）水力压裂施工流程
压裂准备工作→施工压裂钻孔和观察孔→压裂钻孔封孔→高压水力压裂→施工考察钻孔考察压裂半径→施工抽采钻孔→考察抽采半径。
（3）压裂钻孔施工工艺
1）施工采用Ф153mm复合片钻头开孔施工10m，下入8mФ108mm岩芯管,再向孔壁和岩芯管之间下入一路4m长4分返浆管，采用棉纱和聚氨酯封堵孔壁1.5m以上,后在岩芯管口装上带注浆拨头的法兰盘，注入水泥浆（水灰比=0.7:
1），直至4分管返浆，然后关闭返浆管闸阀，继续向岩芯管内带压注浆。
2）待水泥浆凝固后，在孔口安装Ⅱ代防喷装置。
使用Φ94mm复合片钻头带水施工至预计见煤点前2m，起出钻杆，下1寸PVC管至孔底，在孔口处与法兰盘上的1寸返浆拨头连接，通过法兰盘上的注浆拨头进行全孔注浆（水灰比=0.7:
1），注浆压力不低于4MPa。
3）待水泥浆凝固（不少于24小时）后，使用Φ94mm复合片钻头进行透孔，并带压风过煤施工至6-2煤顶板1m处。
（4）压裂孔封孔方法
采用Φ42mm无缝钢管封孔。
钻孔采用“一堵多注、带压注浆”方式进行封孔。
孔内下入Φ42mm无缝钢管，实管下至见煤后0.5m位置，其余见煤段为高压筛管（筛管前端封实，筛管采用纱布包裹），高压筛管与压裂管通过特制变头进行连接，孔口外露不小于400mm。
孔内下4分注浆管4m，4分返浆管至见煤点，孔口采用聚氨酯加棉纱进行封堵固定（长度不小于1.5m）。
聚氨酯固孔结束后，利用注浆泵进行注浆，根据实际情况采用多次注浆，首先从注浆管注浆至返浆管返浆，关闭注浆管闸阀，然后间隔1小时再次通过返浆管注浆，从无缝钢管返浆。
（5）施工观察孔
水力压裂前按设计要求施工观察孔，观察孔施工、封孔工艺同压裂钻孔，根据观察孔出水情况，初步判断水力压裂影响范围。
二、水力压裂设备安装
（1）压力泵选择
水力压裂根据压裂所需的压力选择相应的乳化泵，如选择BRW200/31.5型乳化泵（额定功率125KW，额定压力31.5MPa，额定流量200L/min；压力可在0～31.5MPa间任意调节）。
（2）高压系统组成
除乳化泵外，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：
南翼6煤底板矸石胶带机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
Φ153mm
2个
3
钻头
Φ94mm
2个
4
钻头
Φ133mm
2个
5
肋骨钻杆
Φ73/63.5mm（1.0m/根）
60根
6
封孔
无缝钢管
Φ42mm（1.0m/根）
120根
7
铁管
4分
50m
8
水泥
50Kg/袋
20袋
9
聚氨酯
A、B
100套
10
注浆泵
ZBY-5.0/7-J型煤矿用液压注浆泵
1台
11
参数测定设备
瓦斯综合参数测定仪
D50
4台
12
瓦斯综合参数测定仪
D80
2台
13
瓦斯综合参数测定仪
D150
2台
14
瓦斯传感器
GJC100（A）
6台
15
压裂设备
耐震压力表
0～40MPa
2个
16
乳化泵
BRW200/31.5
1台
17
高压管接头
Φ25mm
若干
18
高压胶管
Φ25mm
200m
19
开关
QBZ-315
1台
20
流量表
1只
（2）高压系统安装
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直径42mm无缝钢管，将高压水流输送至钻孔内（乳化泵必须安设卸压阀）。
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高压水力压裂实施方案及安全措施
水力压裂可按以下工艺流程进行：
压裂准备工作及安全技术措施→高压水力压裂安全技术措施→压裂后安全技术措施。
1、压裂准备工作及安全技术措施
1）压裂准备工作
由机电部提供水力压裂地点供电方案，保证满足用电负荷要求，并安排人员现场指导乳化泵安装、使用、维护事项。
抽采队将Φ25mm高压胶管从乳化泵出口连接至压裂钻孔。
详见高压管路系统连接示意图
2）安全技术措施
（1）该巷道为全负压通风，必须保证该巷道风量不小于1000m3/min。
（2）监控队负责在压裂孔回风侧最后一个观察孔5～10m范围内安装瓦斯传感器，其报警点为≧1.0%，断电点为≧1.0%，复电点<1.0%，断电范围为乳化泵及回风系统内全部非本质安全型电气设备。
同时在乳化泵附近悬挂瓦斯便携仪，测气员必须检查工作面、回风流、乳化泵、开关附近的瓦斯浓度，当瓦斯浓度小于0.5%时，方可开泵注水。
（3）进入该区域的人员必须随身携带完好的隔离式自救器。
压风自救器安设规定：
在水力压裂施工地点乳化泵所在位置安设一组压风自救装置，每组压风自救器供风量符合规程要求。
压风自救器由通风队负责安设、管理和维护，发现问题及时检修或更换，必须保证其完好可靠，进入该区域的所有人员必须掌握使用方法。
（4）乳化泵必须安排专职司机操作，司机必须经过培训，持证上岗，掌握设备性能及安全措施，且操作熟练、责任心强，严格按照《泵站司机操作规程》操作，密切关注乳化泵泵箱水位，防止排空，如供水不及时或出现紧急情况时，必须立即停泵。
泵站司机必须严格按指令进行操作。
（5）高压管路系统必须完好可靠，高压管路（包含卸压软管）连接必须设置卸压阀并使用专用配套卡子卡牢，每间隔5m采用钢丝绳配卡子固定在风、水、瓦斯管路或皮带机H架上。
（6）水力压裂材料不得使用自制件；
（7）井下施工作业期间严禁使用劣质材料；
（8）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；
（9）煤层水力压裂实施前，由专人负责注水无关人员的撤离工作，待人员全部撤到警戒区域外，由抽采队安排专人在包含施工区域（泵站前后20m）及压裂区域（超过压裂孔、检验孔开孔点、终孔点在巷道对应位置延伸20m）设置警戒,注水期间严禁任何人员入内。
具体见附图1。
（10）水力压裂前，观察孔必须全部打开。
（11）压裂钻孔孔口必须施工一根专用锁紧锚杆，并用钢丝绳将高压软管锁在锚杆上，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。
（12）确定合理的避灾路线。
（13）其它未尽事宜按《煤矿安全规程》、《钻工操作规程》以及《防治煤与瓦斯突出规定》等相关规定执行。
2、高压水力压裂安全技术措施
1）压裂方案
待压裂钻孔封孔注浆完成并凝固24小时后，即对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、15MPa。
压裂过程中，由抽采队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15MPa，并稳定半小时后，或流量表显示无流量时，方可结束压裂。
2）安全技术措施
（1）每次开乳化泵以前必须对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。
（2）当乳化泵的压力上升至额定压力时，若压力仍有明显上升趋势，必须立即停止注水，同时汇报队值班室和矿调度，防止设备损坏及其它事故的发生。
（3）当乳化泵的压力上升到15Mpa时，并稳定半小时后，必须立即停止注水。
（4）压裂期间，瓦斯监控机房值班人员必须连续观察压裂区域瓦斯变化情况并打印记录，发现异常必须立即汇报调度所。
（5）压裂期间，如发现巷帮顶有出水、掉渣及支护材料变形、失效等异常情况时，必须立即停止压裂，汇报矿调度，采取可靠措施处理后方可继续压裂。
3、压裂后安全技术措施
（1）组织人员对进行巷道帮顶、压裂钻孔、观察孔进行检查，确认无误后，人员方可进入压裂区域。
（2）压裂结束后，打开压裂孔及防水孔进行放水，放水不少于10天。
（3）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，卸压时必须确保卸压管口无人作业。
当压力表指示降到0MPa时，先关闭进水闸阀，然后打开孔口卸压闸阀进行卸压，然后方可拆开高压胶管。
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水力压裂参数收集及效果考察
一、压裂半径考察
压裂过程中，出现以下情况之一判定压裂半径有效：
（1）观察孔明显出水。
（2）化验考察孔煤层含水率，煤层瓦斯含量。
（3）围岩渗水，顶板掉渣和围岩深部爆裂声。
二、未压裂区域钻孔抽采效果考察
在未压裂区域选择4组钻孔（每组9个孔）进行抽采效果考察，作为1个计量单元，安装1套DN80mm在线计量装置，考察计量单元浓度及抽采纯量。
同时考察2组组孔抽采浓度及纯量，安装2套DN50mm在线计量装置，若需考察单孔抽采浓度、纯量，则选取部分钻孔进行考察；整个评价单元安装在线自动计量装置，考察评价单元抽采浓度及纯量，考察时间为30天。
表1未压裂区域抽采效果考察表
组号
单组抽采浓度
单组抽采纯量
计量单元抽采浓度
计量单元抽采纯量
评价单元抽采浓度
评价单元抽采纯量
抽采达标时间
三、压裂区域钻孔抽采效果考察
在压裂区域选择4组钻孔（每组9个孔）进行抽采效果考察，作为1个计量单元，安装1套DN80mm在线计量装置，考察计量单元浓度及抽采纯量。
同时考察2组组孔抽采浓度及纯量，安装2套DN50mm在线计量装置，若需考察单孔抽采浓度、纯量，则选取部分钻孔进行考察；整个评价单元安装在线自动计量装置，考察评价单元抽采浓度及纯量，考察时间为30天。
表2压裂区域抽采效果考察表
组号
单组抽采浓度
单组抽采纯量
计量单元抽采浓度
计量单元抽采纯量
评价单元抽采浓度
评价单元抽采纯量
抽采达标时间
四、每周对上述资料进行统计分析，形成考察报告。
五、顾北煤矿南翼矸石胶带机巷水力压裂应用考察实例
（1）水力压裂影响半径考察
1）压裂期间巷道出水情况
水力压裂前，向迎头方向距离Y1压裂孔40m、60m、80m各布置1个考察孔，在Y1压裂孔处，垂直巷道方向30m、50m各布置1个考察孔，背向迎头方向距离Y1压裂孔45m、60m各布置1个观察孔，压裂期间出水情况为南翼6煤底板矸石胶带机巷距压裂孔40m位置巷顶快速滴水，40m外压力孔出现少量滴水情况，压力孔初步判断压裂影响范围40m。
2）考察孔考察情况
压裂结束保水18天后，施工考察孔，以压裂孔为中心由远到近施工，同时采集考察孔取样分析煤样含水率、煤层坚固性系数、瓦斯含量等指标，并结合施工考察孔出水及压力情况分析有效压裂影响范围，如下图。
水力压裂考察孔布置图
①煤层坚固性系数
未压裂区域煤层坚固性系数f：
0.53
压裂区域煤层坚固性系数
孔号
K1
K6
K7
K8
K9
K10
压力区域坚固性系数（f）
0.56
1.36
0.66
0.68
0.54
0.76
②6-2煤瓦斯含量
未压裂区域6-2煤瓦斯含量W：
6.9m3/t。
压裂区域6-2煤瓦斯含量
孔号
K1
K3
K6
K9
压裂区域瓦斯含量m3/t
6.08
6.53
5.86
5.80
③6-2煤含水率
未压裂区域6-2煤含水率：
2.8%。
压裂区域6-2煤含水率
孔号
K1
K3
K4
K7
K8
K9
K10
压裂区域6-2煤含水率%
5.4
3.1
5.6
3.6
2.6
3.1
2.7
K11
K14
K15
K17
K18
2.6
6.6
4.8
4.0
6.0
根据考察孔取煤样分析，距离压裂孔60m范围倾向方向煤层坚固性系数f值由原0.53平均提高到0.66，瓦斯含量变化不明显，距离压裂孔40m范围内煤层含水率由原2.8%提高到3.6%，提高较明显，结合压裂期间巷道顶板滴水明显地点距压裂孔40m，判断在16MPa水压情况下，水力压裂有效影响范围为40m。
（2）抽采效果考察
1）未压裂区域抽采效果考察
2）压裂区域抽采效果考察
未压裂区域抽采效果考察表
单元编号
评价单元长度（m）
评价单元钻孔数（个）
评价单元平均抽采浓度（%）
评价单元平均抽采纯量（m3/min）
抽采达标时间（天）
2
128.5
270
51.1
0.89
80
4
80.3
144
53.4%
0.72
55
压裂区域抽采效果考察表
单元编号
评价单元长度m
评价单元钻孔数
评价单元平均抽采浓度%
评价单元平均抽采纯量m3/min
抽采达标时间（天）
3
84
158
41%
1.6
28
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复习、答疑、考试
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