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1、 松藻煤电公司打通一煤矿松软突出煤层高压水力压裂试验总结报告 松藻煤电公司打通一煤矿二零一一年九月目 录 摘 要21 前言52 试验地点概况62.1 工作面布置62.2 试验地点的煤层瓦斯赋存情况63 压裂设备选型及运输安装73.1 压裂设备选择73.2 设备运输及安装84 钻孔设计及施工94.1 压裂孔设计及施工94.2 检验孔设计及施工135 压裂实施145.1 HTB500型泵压裂试验145.2 BZW200/56型泵压裂试验166 压裂效果考察176.1 压裂围考察176.2 抽采效果考察237 结论30摘 要 打通一矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层透气性系数低，煤质松软，煤层瓦斯含量大，穿
2、层钻孔施工过程中垮孔严重，瓦斯预抽非常困难，严重威胁矿井采掘安全。随着矿井向深部延深，瓦斯威胁日益加剧，因此矿积极推进“水治瓦斯”科技攻关，强化瓦斯抽采。矿井在成熟应用水力割缝技术基础上，开展了高压水力压裂技术试验研究。本次水力压裂试验分两个阶段进行，累计压裂4个孔，压裂试验达到预期节点目标。试验第一阶段采用航天动力集团生产的HTB500型泵压裂2个孔（压1#孔，压2#孔）；试验第二阶段采用六合煤机公司生产的BZW200/56型泵压裂2个孔（压3#孔，压4#孔）。压1#孔设计压裂M7煤层，累计注水量310.39m3，主泵压力1741.7MPa，流量0.613.7m3/h之间，压裂过称中多次出现
3、压力下降-流量上升过程，为检验压裂效果，在压裂孔倾向、走向方向累计施工检验孔14个，经取样检测得出：压1#孔沿煤层倾向最大压裂影响围是50m，沿走向最大影响围是70m。对压裂影响围的检验孔与常规钻孔抽放效果进行对比，结果表明：压裂后，钻孔瓦斯自然排放及抽采浓度、纯量均有大幅提高。自然排放条件下，压裂影响围检验孔排放浓度为7895%，平均单孔瓦斯排放纯量提高2.5倍；在接抽条件下，压裂影响围钻孔抽采浓度提高40%左右，平均单孔瓦斯抽采纯量提高1.9倍。压2#孔设计压裂M7M12煤层，累计注水量390.13m3，主泵压力1724.4MPa，流量在1829.4m3/h之间。压2#孔试验表明：同时压裂
4、M7M12时，只要中间有一层相对容易压裂的煤岩层，其他煤岩层无法压裂。压3#孔设计压裂M7煤层，累计注水量102.6m3，泵压18.134.1MPa，累计施工检验孔9个，通过压风取样检测煤层水分知该压裂孔沿煤层倾向最大影响围是上方30m，下方20m，沿走向最大影响围是30m。该孔压裂围较小主要因为在其下方510m处有一闭合裂隙，对高压水有一定的卸压作用导致压裂影响围较小；对压3#孔自然排放及抽采效果考察结果表明：前3天，压3#孔自然排放浓度为9495%，瓦斯排放纯量为0.0063780.010236m3/min；接抽27天，考察结果为：抽采浓度在1594%之间，抽采纯量为0.0047310.0
5、12511 m3/min，平均为常规抽采钻孔的5倍以上；后期考察由于压裂孔持续出水，对接抽考察结果有较大影响，所以恢复自然排放考察，累计考察7天，自然排放浓度94%，瓦斯排放量大，单孔纯量为0.0227480.031757m3/min，为常规钻孔抽采纯量的1015倍。从该孔累计抽放35天的考察结果看，采用水力压裂措施后，压裂孔瓦斯抽放量未出现衰减，随着煤层中水的排出，瓦斯抽放量在一定时间有增大现象。压4#孔设计压裂M8煤层，最终累计注水量121m3，泵压1525MPa，累计施工检验孔10个，通过压风取样检测煤层水分可知：该压裂孔沿煤层倾向最大影响围是下方56.5m，沿走向最大影响围是40m。从
6、压裂过程考察看，M8煤层注入流量（68m3/h）远大于M7煤层（34m3/h）。压裂后，压4#孔由于放水卸压过程中堵塞无法考察，对压4#检验孔的考察结果表明：M8煤层压裂围的检验孔抽放效果好于M7煤层，平均单孔抽放纯量较常规穿层钻孔提高210倍。1 前言松软低透气性煤层由于承受上部覆岩的重量，煤层原生裂隙受压缩处于闭合或半闭合状态，导致煤层原始透气性较小。井下煤层水力压裂技术采用高压泵将高压水通过钻孔注入到煤层，当液体压入速度远远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力的增加，进入煤体的水压力就逐渐上升，当超过煤层上方的岩层压力时，煤层原生裂隙被压开并向更远处扩展，形成新的流通网络，煤层透气性大
7、大增加，高压水排出后，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好的条件，达到提高煤层抽采效率的目的。打通一煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤质松软，煤层瓦斯含量大，透气性系数低，穿层钻孔施工过程中垮孔严重，瓦斯预抽非常困难，严重威胁矿井采掘安全。随着矿井向深部延深，瓦斯威胁日益加剧，为高效增透抽采瓦斯，打通一矿强化水力压裂技术攻关，先后采用航天动力泵业生产的HTB500型高压泥浆泵以及六合煤机公司生产的BZW200/56型高压泵进行了水力压裂试验，并对试验效果及该技术的适用性进行考察，试验过程过不断优化高压水力压裂技术工艺，提高压裂效果、降低压裂成本，为水力压裂技术在全矿的顺利推广应用提供了有力保障。打通
8、一矿根据公司水治瓦斯计划要求，顺利完成节点计划任务，公司计划任务及完成情况见下表1：表1 松藻煤电公司打通一矿水力压裂计划表序号实施地点钻孔数时间节点实际开始时间完成时间1W10#瓦斯巷上平巷25月7月2011年5月已完成2W10#瓦斯巷210下29月11月2011年7月已于9月初完成2 试验地点概况2.1 工作面布置打通一矿现为上保护层的开采方式，主采煤层为M7、 M8煤层。M7煤层作为保护层首先开采，为解决开采M7保护层时的大量瓦斯涌入和对主采M8煤层的瓦斯治理，必须对主采M7、M8煤层进行煤层瓦斯预抽，为提高预抽效果，分别对主采M7、M8煤层进行高压水力压裂增透。试验地点选择在W10#瓦
9、斯巷，上方对应为W2706工作面运输巷。2.2 试验地点的煤层、瓦斯情况打通一矿可采煤层有M7M8共2层，各煤层厚度见打通一矿煤层柱状图1。高压水力压裂试验地点煤层埋深约为500590m。该处煤层瓦斯含量及水分已在压裂试验前取样测定、煤层压力已通过施工测压孔测定，瓦斯参数测定结果见表2。表2 试验地点原始煤层瓦斯参数瓦斯参数测定位置测定时间测定值原始煤层瓦斯含量W10#CH4上平巷5月10日M7：19.22m3/tM8：20.85m3/tW10#CH4210处6月21日M7：18.93 m3/tM8：19.09 m3/t原始煤层瓦斯压力W10#CH4上平巷M75月6月M7：1.74MPaW10
10、#CH4210处M85月6月M8：2.55MPa原始煤层含水量W10#CH4上平巷5月16日M7：1.15%5月16日M8：1.05%试验地点W10#瓦斯巷目前风量1300m3/min，瓦斯浓度0.05%。3 压裂设备选型及运输安装3.1 压裂设备选择根据打通一矿煤层赋存条件，本次高压水力压裂试验使用的高压泵为航天动力公司生产的HTB500型压裂泵，以及六合煤机公司生产的BZW200/56高压泵。各个泵的性能参数见下表3。表3 压裂泵主要性能参数型号额定压力最大流量柱塞数电压额定功率供水要求HTB50050MPa1100L/min3柱塞1140V400KW4寸水管0.3MPaBZW200/56
11、56 MPa200 L/min5柱塞1140V220KW2寸水管0.1MPa3.2设备运输及安装整套设备的安放及管路布置需要考虑整套设备能够顺利到达安装地点，要明确制定设备的下井路线。（一）HTB500型压裂泵运输及安装考虑到本压裂泵组体积较大，整套设备的安放及管路布置需要考虑整套设备能够顺利到达安放地点，设备的下井路线为：金鸡岩副斜井+350主石门W区主石门W区轨道下山280主石门W区280皮带运输巷W10#瓦斯巷进入试验地点。图2为水力压裂设备安设地点示意图。（二）BZW200/56型压裂泵运输及安装本次高压水力压裂试验使用的高压泵为六合泵业公司生产的BZW200/56型压裂泵，压裂泵最大
12、工作压力56MPa，考虑到本压裂泵组与航天动力泵业公司的高压泵相比体积较小，因此，设备运输从罐笼下井，经竖井W区主石门W区轨道下山280主石门W区210材料下山W区210石门W区210大巷进入试验地点。图2为水力压裂设备到达压裂地点后的布置示意图。高压泵安设在W10#瓦斯巷+210处新鲜风流中，控制台布置在210中部大巷至W10#瓦斯巷绕道，见图2；水表安装在高压泵的进水侧，将井下供水管连接至高压注水泵的水箱进水口；常压水通过高压泵加压后，采用高压胶管与压裂管连接，将高压水流输送至钻孔。图2 水力压裂设备布置示意图 4 钻孔设计及施工4.1 压裂孔设计及施工（一）压裂孔位置本次压裂试验分两阶段
13、进行。第一阶段采用航天动力HTB500型高压泥浆泵，共设计压裂孔2个（压1#、压2#），位于W10#瓦斯巷上平巷，其中压1#孔设计压裂M7煤层，压2#孔设计压裂M7M12煤层；试验第二阶段采用六合煤机公司生产BZW200/56型高压泵，共设计压裂孔2个（压3#、压4#），位于W10#瓦斯巷210下方，见图3，其中压3#孔设计压裂M7煤层，压4#设计压裂M8煤层。图3 压裂钻孔位置图（二）压裂孔设计及施工压裂孔施工采用ZY-150型钻机，压裂孔施工参数见表4。表4 W10#瓦斯巷压裂孔施工参数压裂孔号施工日期倾角方位角钻孔直径扩孔直径孔深排粉工艺终孔位置压1#5.14中班90-75mm94mm5
14、7.15m水排M7顶板1.5m压2#5.16中班90-75mm94mm48m水排M7顶板1.5m压3#6.13中班90-75mm94mm55.6m水排M7顶板1.5m压4#6.0夜班90-75mm94mm51m水排M8顶板1.5m（三）压裂孔封孔工艺压裂试验第一阶段，孔压裂管采用规格为：孔口前10米采用壁厚13mm，DN 25mm无缝钢管，孔采用壁厚8mm，DN25mm无缝钢管，每段长2m，其中煤孔段压裂管做成筛管，见图4。图4 压裂管顶端筛管段结构图压裂试验第二阶段通过总结第一阶段经验，孔口段10m仍采用壁厚13mm，DN25mm无缝钢管，孔剩余段采用壁厚4mm，DN25mm普通焊管，顶端结构与第一阶段的相同，压裂管道达到使用要求。改进后，由于孔压裂管总重大大降低，压裂管输送时间由原来的23h缩短到1h以，压裂管成本比原来降低70%，降低了成本、劳动强度的同时，消除了压裂管由于自重过大导致滑落伤人的安全隐患。压裂孔封孔工艺图见图6，压裂钻孔采用75mm钻头施工完成后，用94mm直径的钻头扩孔至压裂煤层底板，确保DN20mm注浆管能正常送入孔至M7煤层底板；孔压裂管为DN25 mm，壁厚8.0 mm的无缝钢管，每根长2m，采用螺纹连接；压裂管前端为2根筛管，筛管靠近“马尾巴”50-100cm用纱布包裹，防止砂浆回流堵塞压裂
