水力压裂增透实施方案Word文档格式.docx

水力压裂增透实施方案Word文档格式.docx

《水力压裂增透实施方案Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水力压裂增透实施方案Word文档格式.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

6.6压裂效果的判断及处理方法20

7防护及措施20

7.1避灾路线20

7.2机电管理措施21

7.3监测监控措施21

7.4压裂措施22

7.5压裂设备运输措施23

7.6设备安装要求及措施23

8梳状长钻孔水力压裂实施时间安排：

24

1试验目的

某某矿16151工作面位置位于16采区下部车场东侧，比照16采区下部车场西侧揭煤点，煤层瓦斯含量W=21.46m3/t，瓦斯压力1.62MPa，瓦斯吸附常数a=39.057m3/t.r、b=0.753MPa，煤的灰份Ad=11.86%，挥发份Vdaf=5.5%，水分W=1.62%，f值为0.53。

由于瓦斯含量和瓦斯压力大，严重影响影响了16151工作面的掘进，严重制约了矿井的衔接和安全生产。

基于此，某某矿在16151工作面采用中煤科工集团西安研究院生产的ZDY6000LD型钻机在16151工作面施工梳状长钻孔进行瓦斯抽采，主孔方位41.17°

，主孔深750m。

共施工分支孔10个，主孔在终孔位置见煤，累计扎煤层11次。

由于16151工作面瓦斯含量大，瓦斯压力大，煤层透气性差，瓦斯不易抽出来，因此，决定采用水力压裂技术进行增透，以期提高抽采效率，同时，探讨某某矿梳状钻孔水力压裂的技术可行性及相关技术参数。

2试验地点

试验对象为定向钻机梳状长钻孔。

定向钻机施工钻场位于16151区段巷和顶板抽采联络巷交叉口，该施工地点地面位置位于亮马老村南部养殖场东约250m，井下位置位于16回风下山东侧，与16回风下山方向大致平行，上部是16151区段巷，下部为16沉淀池。

钻孔位于二1煤层上方约2m处，顶底板岩性大多为砂岩，围岩致密。

钻孔施工情况如图1、图2所示：

图116151工作面梳状长钻孔设计施工剖面图

图216151工作面梳状长钻孔设计施工平面图

在主孔施工过程中，孔口以里约25m，为煤层，25m以后为稳定的粉砂岩，煤层和砂岩之间约有12m长度的破碎带，详细情况见下图：

图3主孔与煤层关系示意图

3人员组织

为保证方案顺利实施，成立了水力压裂实施方案领导小组和现场施工小组。

现场施工小组分为两个小组，分别为水力压裂施工小组和压裂后连管抽采小组。

方案领导组：

组长：

副组长：

成员：

现场施工组：

某某矿某某队

①负责搜集、整理、分析与水力压裂压裂相关的瓦斯、地质、通风等详细资料；

②负责编制井下梳状长钻孔水力压裂抽采瓦斯技术压裂前的钻孔设计和方案制定；

③负责梳状长钻孔水力压裂的现场施工，并总结适合某某矿的水力压裂施工参数；

④压裂结束后，要按期提交中“某某矿16151工作面梳状长钻孔压裂增透抽采方案”试验报告；

连管抽采小组：

需至少2名工人进行连管抽采，连管人员需注意孔内压裂管与抽采管的直径，如直径不一致，提前做好变径接头。

之后，由某某队和通防科相关技术人员进行瓦斯流量及抽采参数的测试，对梳状长钻孔水力压裂后瓦斯等相关参数的效果考察，长期跟踪，并总结、分析和评价梳状长钻孔水力压裂工艺技术的效果；

4压裂前准备

4.1压裂地点的考察

16151工作面位于16采区西翼下部，16回风下山东侧，与16回风下山方向大致平行，上部是16151区段巷，下部为16沉淀池。

钻场位置刚好位于16151区段巷与顶板抽采联络巷交叉口处，顶板抽采联络巷在此处揭露煤层。

该地区煤层结构简单，平均倾角11°

，平均厚度5.35m，为稳定煤层，煤层顶板岩性有一定的变化，钻场附近有三个岩层柱状图，分别为13-7,14-14和14-15，其煤层顶板岩性变化较大，中间可能会出现岩层尖灭，断层等地质状况，13-7号柱状图显示煤层上部为平均厚度3.01m的黑色粉砂岩，14-14显示煤层上部为平均厚度16.89m的深灰色粉砂岩，14-15显示煤层上部为平均厚度3.97m的灰黑色粉砂岩。

由于主孔钻孔轨迹在煤层上方2m处，因此该设计钻孔始终处于粉砂岩层中，选取主要影响岩层钻孔13-7作为代表，详细情况见下图：

图416151工作面煤岩层综合柱状图

二1煤上部为粉砂岩，由于煤体的抗拉强度低于粉砂岩的抗拉强度，因此，在压裂过程中，起初粉砂岩破裂压力较大，当粉砂岩破裂后，沟通粉砂岩中新生破裂裂缝及已有裂缝，水通过裂缝进入煤层，对煤层进行压裂。

4.2压裂思路

由于某某矿为定向钻机施工钻孔，设计施工总进尺1536m，并且煤、岩合层，存在压裂易破点多、水滤失量大等问题，但考虑到现行压裂设备流量较小等因素，难以在短时间内完成该孔压裂。

因此，需要在思想上做好长时间反复压裂的准备。

在长钻孔主孔口进行封孔，然后实施压裂，一次压裂整个钻孔（主孔和分支孔），之后考察压裂效果，如果效果不好可再次实施压裂，直到在允许时间内取得较好效果为止。

4.3压裂设备要求

（1）压裂泵组

目前初步选择的BRW315／31.5乳化液泵，公称流量315L/min，公称压力31.5MPa。

其详细参数如下：

乳化液泵：

型号：

BRW315/31.5

额定压力：

31.5MPa

公称流量：

315L/min

柱塞直径：

45mm

柱塞数目：

5个

柱塞行程：

66mm

曲轴转速：

650r/min

电机功率：

200KW

电压：

1140V/660V

泵外形尺寸：

3210mm×

1235mm×

1270mm（含电机）

泵重量：

4800kg

工作介质：

含3%～5％乳化油中性水溶液

液箱容量：

2500L

（2）压裂管路

压裂管路管径：

50mm（高压软管或高压钢管）；

抗压能力≥30MPa；

压裂管路长度：

150m；

孔内压裂管：

管内径108mm（高压钢管）；

抗压能力：

≥30MPa；

（壁厚5mm）；

孔内压裂管单根长度：

2m；

孔内压裂管长度：

45m（根据实际施工遇到的问题适当调整其长度）。

（3）设备安装调试

压裂试验的泵站设置：

新鲜风流中、泵站原则上位于完善防突风门保护范围内、坡度<

1.0%、长度>

15.0m、高度>

1.8m、宽度>

2.5m、支护良好、排水良好；

>

1m3/min水源、0.5MPa压风、1140V-315KW电源、通讯畅通、瓦斯传感器、监控分站、照明、巷道通畅，无杂物、无积水。

水力压裂管路铺设应遵循如下原则：

在瓦斯抽放管路系统选择中必须满足下列原则：

①压裂管路要敷设在曲线段、拐弯最少的巷道中。

②压裂管路应安装在不易被矿车或其他物体碰撞的巷道位置上。

③应考虑运输、安装和维修工作上的方便。

水力压裂管路铺设要求：

①水力压裂管路需涂防腐剂，以防锈蚀。

②如果管路计划在某一地点长期使用，管路底部应垫木垫，垫起高度不低于30cm，以防底臌损坏管路。

③倾斜巷道的水力压裂管路，应用卡子将管子固定在巷道支护上或采用地锚固定，以免下滑。

在倾角28°

以下的巷道中，一般应每隔15～20m设一个卡子或地锚固定。

④水力压裂管路敷设要求平直，避免急弯。

⑤管路敷设时，要求坡度尽量一致，避免高跃起伏；

⑥新敷设管路要进行密封性检查，如发现漏水要及时更换管路及接头部分。

设备连接完成之后，要进行调试，测试整套设备运行的稳定性及管路的密封性。

可先关闭整个管路进行打压试验，压力不低于30MPa，若发现管路中存在隐患要及时解决。

压裂设备可放置在16151顶板抽采联络巷中，具体放置位置见图5所示。

巷道的长、宽、高确定能够满足泵组的放置要求，并能够提供≥1m³

/min水流及1140V电压，水质清澈，保证设备的正常运转。

图5压裂泵站位置放置示意图

4.4压裂钻孔封孔

4.4.1正常钻进注浆封孔

由于在千米钻机主孔施工过程中，直接顶为最薄厚度约3.01m的粉砂岩，开孔倾角为5°

，36m之后倾角降到1°

，约25m见顶板粉砂岩，由于煤层和顶板交界处在回转转进时可能造成煤层和岩层破碎，25m以后约有12m的破碎带，因此设计扩孔长度50m，综合考虑注浆量以及注浆后凝固时间的长短，因此，本次封孔长度选取为45m。

由于钻孔开孔采用φ96mm的胎体式金刚石复合片钻头，扩孔采用φ94mm/φ153mm的扩孔钻头，因此，此次封孔，封孔管内径采用108mm的岩心管，封孔长度为45m，单根封孔岩心管的长度为2m，分别每隔10m在接头处焊接支撑环，将108mm的岩心管支撑起来，以便于注浆液能充分的将108岩心管包围。

采用以下封孔方案进行封孔：

图6封孔方案示意图

采用水泥石料或其它封孔材料，返浆式施工工艺进行封孔。

具体封孔工艺如下图所示：

图7孔口堵头示意图

焊接一个带内螺纹的岩心管，岩心管直径为108mm，一端为内螺纹，另一端堵死，开一个小口，焊接上一个25″的截止阀，截止阀连接直通，然后连接注浆管，采用注浆泵进行注浆封孔。

我们所采用的是开孔，扩孔后即进行注浆封孔，之后采用重新透孔的施工工艺进行钻进。

扩孔直径153mm，扩孔长度50m，单根岩心管长度为2m，外螺纹接头长度70mm，岩心管22根，外螺纹接头23个，总封孔长度为45.61m。

由于开孔时煤壁片帮，以及岩芯管要伸出煤壁0.2-0.3m的距离，因此，有效封孔长度为45m。

岩心管孔口以里3m的距离为聚氨酯封堵，采用图1-1-5所示的堵头，拧上孔口外露的岩心管外螺纹接头，用注浆管连上注浆泵，进行返浆式注浆，泵压达到6MPa，直至注不进浆液为止，关闭截门，至此返浆式封孔施工结束。

忽略岩心管壁厚不计，封孔段总体积为0.92m³

，实际注浆量约为1.00m³

。

4.4.2梳状孔施工结束后注浆封孔

正常钻进时的注浆封孔，是为了打钻过程中防止孔口段煤岩合层段和破碎段塌孔压死钻杆而进行的注浆，待梳状孔施工结束后，在108mm的岩心管里下入直径为50mm的钢管，两端分别用两个挡盘挡住，两个当盘之间用聚氨酯封堵，中间用支撑环支撑住，以保证注浆均匀，在108mm的岩心管和50mm的钢管中间埋入直径为25mm的高压水管，用于注浆封孔，详细情况见图6。

待注浆凝固过后，方可进行压裂施工。

具体施工工艺流程如下：

1、注浆人员连接注浆泵压风及注浆管路，开压风运转注浆泵，看注浆泵是否正常；

2、将水泥和石料混入注浆用的搅拌桶里，加水进行搅拌，使水泥和石料充分混合；

3、将注浆管与孔口截门连接，将吸料管放入搅拌好水泥石料的搅拌桶里，然后开泵注浆；

4、待注浆压力和注浆量达到设计标准时，关闭孔口截止阀，并同时关闭压风停泵，结束注浆；

5、在搅拌桶中加入清水，开启注浆泵进行洗泵，至注浆管出浆为清水时停止。

至此，整套返浆式注浆工艺施工结束。

梳状孔施工结束后，要在108mm的岩心管里下入直径为50mm的高压钢管，用于水利压裂，其注浆程序如上所述工艺流程。

待浆液凝固后要重新用注浆泵注入清水进行压力试验，以便确定封孔效果，若出现漏水现象，则说明注浆封孔失败，需要重新进行注浆；

若不漏水则说明注浆成功。

4.5所需设备及材料

封孔所需设备及材料如下表所示。

表1注浆所需主要器材表

序号

名称

规格

单位

数量

备注

1

注浆泵

台

2

搅拌棒

个

3

注浆管

2m

根

4

5m

5

直通

6

截止阀

7

水泥石料

m³

0.5

8

其他附属工具

4.6压裂前参数测试

表2钻孔抽采相关参数统计

孔号

负压KPa

水柱Pa

浓度%

温度℃

抽出量m³

/min

测定时间

钻孔施工时间

阶段累计纯量m³

混

纯

钻孔施工期间及施工完成后进行了抽采流量等相关参数的测试及统计。

钻孔施工结束后，要及时用抽采管路连接进行瓦斯抽采，并每天测量和记录瓦斯参数，并计算流量衰减系数。

压裂结束后，也要进行一周时间的瓦斯参数测量和记录，并计算流量衰减系数，并与压裂前的参数和系数进行对比，以便确定压裂效果。

4.7压裂前监控测试点布置

为及时掌握压裂情况，有效控制压裂过程中的瓦斯浓度超限及及时观测压裂情况，特在压裂实施过程中布置瓦斯浓度探头，压裂视频观测探头以及压裂监测系统，如下图所示：

图8瓦斯浓度监测探头布置示意图

图9视频监测探头布置示意图

压裂设备配备的压裂监测系统可布置在西大巷中，此监测系统可通过井下无线手机信号进行压裂参数和视频的实时传输和监控，以便对压裂过程中遇到的情况和问题进行实时监控和解决。

压裂实施过程中，通过地面指挥部和井下泵站操作人员密切观测瓦斯浓度探头，掌握压裂期间巷道的瓦斯浓度变化情况并详细记录，一旦发现瓦斯浓度探头异常，要及时停止泵注程序。

同时，密切观测瓦斯浓度探头的数据变化并严格记录。

瓦斯浓度探头1为试验探头，即使出现瓦斯超限现象也不停泵注入。

另外，观测视频探头的情况，发现有渗水及压裂破裂处要视渗水大小及破裂程度及时调整泵注程序，如果预计渗水量接近注入水量或对16151区段巷及顶板抽采联络巷可能造成严重影响，则停止注入。

4.8压裂前瓦斯浓度测试及围岩发育程度观测

本次压裂为顶板顺煤层钻孔压裂，顶板破裂之后，高压水进入煤层并开启延伸煤层中的已有裂隙或薄弱面，煤壁瓦斯浓度可能将在压裂中或压裂后有所变化，因此，要详细记录压裂前后瓦斯浓度探头1-5的变化情况，同时，在压裂前观测16151区段巷和顶板抽采联络巷交叉口压裂钻场所在位置左右各50m范围内的围岩及构造发育情况，并严格记录。

具体操作方法为在16151区段巷距压裂钻场50m范围内用瓦斯便携仪测试煤壁瓦斯浓度，每隔10m记录一个数据，便携仪测试的位置为每10m之内的裂隙发育区。

在顶板抽采联络巷距压裂钻场50m范围内观测围岩变化和发育程度。

表3瓦斯浓度及巷道围岩观测记录表

与钻场距离（m）

压裂前煤壁瓦斯浓度（%）

压裂中煤壁瓦斯浓度（%）

压裂后煤壁瓦斯浓度（%）

压裂前巷道观察特征

压裂后巷道观察特征

4.9压裂区域可能出水点普查

由于钻场所处的位置在16151区段巷及16151顶板抽采联络巷交叉口，且16151工作面还未开始掘进施工，周围50m范围内也没有抽采钻孔和地面勘探井，因此，压裂区域无大的出水点。

4.10压裂范围有效检测（压裂中和压裂后）

压裂施工之前，在压裂钻场周围50m范围内布置考察孔，钻孔间距10m。

压裂过程中及压裂结束后，都要密切注意压裂孔周围考察孔内水量和瓦斯浓度的变化。

在压裂过程中，若考察孔出现大量出水，或者瓦斯浓度异常，则应立即停止压裂水的注入。

具体不知见下图：

4.11压裂避灾路线的制定及站岗部哨

由于水力压裂是否会诱导煤岩体突出目前正处于理论研究阶段，一旦在压裂过程中出现瓦斯突出、瓦斯超限及其它灾害，则执行以下避灾路线。

避灾路线：

16151区段巷——16下部车场——16轨道下山——西大巷——副井升井

人员撤出后井下指挥长应立即向地面指挥部汇报现场情况。

如因突出现象导致风流逆转，井下指挥长应立即向地面指挥部汇报。

同时，在压裂实施之前，要安排相关人员布岗站哨，以保证在压裂期间无无关人员进入压裂区域。

站岗人员只有在压裂结束完成后得到井下指挥人员的通知方可撤岗。

具体人员布置情况见下图：

图10压裂期间站岗步哨位置示意图

5压裂实施

5.1压裂前洗孔

为保障压裂的顺利进行，在施工结束后（若施工结束超过一个月，则在压裂前要进行洗孔）要进行洗孔作业，以免孔内坍塌及破碎带煤岩粉粒在压裂过程中堵塞已有裂缝。

具体操作为将25mm直径的高压软管塞入到孔口焊接的封孔接头上，用流量不小于150L/min，压力不大于2MPa的清水进行冲孔。

5.2压裂水注入

启动压裂泵后，缓慢升压，按压裂设计注入高压水，同时，密切观测整个注水过程中注入压力的变化，当达到破裂压力后，加大注入量，从而使裂缝得到较好的破裂和延伸。

5.2.1压裂系统调试

（1）压裂施工人员通知电工送电，开启压裂泵组进行空转试运行5分钟，检验其稳定性。

待泵组运转正常后，开启送水管路水阀。

开启压裂泵组试运行5分钟，以检查设备各功能运转是否正常，管路连接是否牢靠安全。

（2）压裂施工人员将压裂泵调整到高压力、低排量党档位，进行正式压裂前的小型试压。

①若出现压力在低位徘徊，通过监控器观测是否封孔不严造成漏水，若封孔不严，则停止压裂重新进行封孔。

②若出现压力急剧上升，可能是管路堵塞所致，此时需开启泄压阀泄压、停泵，通畅管路后重新进行打压试验。

③若压力缓慢上升，无孔口漏水、管路堵塞等异常情况，则说明系统调试成功，设备运转正常。

5.2.2泵注程序设计

（1）破裂压力

根据该地区的埋藏深度及相关参数，按照焦作矿区的经验公式，压裂压力初步确定为：

P=0.0059γH+15.58f+P损

式中：

P——煤层压裂压力，MPa；

γ——上覆岩层容重，取平均值2.5t/m3；

H——煤层埋藏深度，514m；

f——煤的坚固性系数，0.3；

P损——注水系统管路损失，MPa。

一般为泵站压力的5-10%。

本项目实施水力压裂地点的上覆岩石

累计514m，上覆岩石

平均为2.5kg/m³

，据此计算出破裂压力为13.75~15.25MPa，考虑到管路弯折损失，预计破裂压裂在22~26Mpa之间。

（2）总注水量

注水量的确定依据公式：

其中：

——注水影响体体积，m3；

——影响体孔隙率，12%~34%；

（我国粉砂岩密度为2.31-2.77，我矿粉砂岩密度为2.5，孔隙率选为21%）

——影响体长度，m；

1536m；

——影响体宽度，m；

0.288m；

——影响体高度，m；

计算所得V水=26.75m³

在注水形成压力之前，需充填压裂泵组至压裂孔的管道，压裂管路总长度约150m，所需水量约1.46m³

以上所需水量只是理论分析所得，因此，还需要在实践中逐步摸索，逐渐积累，最终得到较为合适的压裂相关参数。

综上，本次压裂所需总注水量为25~30m3。

（3）施工过程的时间、压力、排量控制

表4钻孔水力压裂施工时间、压力、排量对照表

施工过程

时间（min）

压力（MPa）

排量（m3/min）

试运行

/

小型试压

20

缓慢升至8MPa

压裂施工

30

缓慢升至15MPa

35

缓慢升至22MPa

施工结束

缓慢泄压

打开泄压阀，泄压后停泵

按上表所述进行第一次注入，总计注入水量3.5m³

，如果在注入期间没有发生巷道漏水、瓦斯超限等问题，则再次按本注入程序进行注入，累计注入4次。

一旦出现巷道漏水、瓦斯超限等问题，则停止注入。

5.3数据录入

对压裂过程中的每一阶段，严格记录泵入时间、压力、流量、等数据，并填写在专门的记录表格内。

在实施现场，泵厂工作人员负责维护注水泵的正常运行，监测泵组正常运行的相关数据并记录；

同时，由监测装置自动记录注入的时间、流量、压力。

压裂完成后升井至地面及时整理相关压裂数据并绘制压力—时间、流量—时间、压力—流量曲线图。

表5泵注参数记录表

流量（m3/min）

10

11

12

13

14

15

16

17

5.4异常及应急处理

（1）压裂施工限压30MPa，压裂泵注过程中不许无故停泵；

（2）如果出现泵入压力波动，则调整注入水量，降低泵压，带稳定后重新注入；

（3）若泵压裂过程中持续高压，压裂液注入量很小，在最高允许压力下，反复多次憋泵。

若依然高压而注入很小，则考虑停泵检查管路是否堵塞，如堵塞则疏通管路重新压裂；

（4）在压裂过程中一旦发现瓦斯探头2-5瓦斯浓度超过0.5%，则立即停泵，相关试验人员撤职安全地点；

（5）要时刻监测泵排量，以便及时分析出现压力波动、持续高压等情况的原因。

（6）在压裂过程中，如出现压裂压力波动，则换低档进行注入10min，待注入压力值稳定之后再换高档进行注入，如果继续波动，则停泵检查进水管路，看是否供水充足，并检查出水管路，观察是否发生管路堵塞等问题。

（7）在压裂过程中出现进水管接口出水及管路爆裂，及时停泵组织试验人员撤入安全地点，关闭进水总阀门，组织人员进行管路修理，如短时间可修理完毕，则待修理好之后进行管路试水打压试验，没有问题则可继续进行压裂，否则，压停止裂，待管路修理完毕后再进行压裂；

（8）在压裂过程中，如出现流量数据不准确，则用秒表记录压裂时间，换算注入液量；

如压力显示不准确，则需停泵进行校正后再行压裂。

同时，在压裂过程中严密注意轴承油压及泵轴油压温度，超出允许值要立即停泵进行冷却；

（9）压裂地点有备用油及安全销，以解决油量不足及安全销压裂过程中断裂等问题。

（10）一旦有其它没有考虑周全的异常情况出现，首先要保证试验人员的人身安全，其次要保证不破坏压裂设备、管路及相关区域的设施设备。

6压裂后作业

压裂完成后要及时关闭泵组开关、切断泵组电源。

压裂结束40分钟后，由现场工作领导小组组长宣布压裂完毕后，由瓦检员、相关试验人员进入压裂地点，检查巷道的支护情况和瓦斯情况，重点检查压裂地点60米范围内的情况，只有当检查范围内的瓦斯浓度小于0.8%时，并且巷道支护良好时，才能解除警戒，恢复工作。

具体见安全技术措施。

所有压裂工作结束后，严禁拆除钻孔的封孔装置和压裂管路，只有待孔口压力降到0MP后才能拆除相关的装置，并且要及时启动排水设备进行排水工作。

6.1洗孔

压裂完成，等压力缓慢卸载后，用1~2MPa的高压水进行洗孔作业。

待只有少量煤粒或砂粒排出时停止洗孔，一