松软突出煤层高压水力压裂试验总结报告.docx
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松软突出煤层高压水力压裂试验总结报告
松软突出煤层高压水力压裂试验
总结报告
二零一一年九月
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。
试验第一阶段采用宝鸡航天动力集团生产的HTB500型泵压裂2个孔(压1#孔,压2#孔);试验第二阶段采用南京六合煤机公司生产的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17~41.7MPa,流量0.6~13.7m3/h之间,压裂过称中多次出现压力下降-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范围是50m,沿走向最大影响范围是70m。
对压裂影响范围内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,压裂影响范围内检验孔排放浓度为78~95%,平均单孔瓦斯排放纯量提高2.5倍;在接抽条件下,压裂影响范围内钻孔抽采浓度提高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M7~M12煤层,累计注水量390.13m3,主泵压力17~24.4MPa,流量在18~29.4m3/h之间。
压2#孔试验表明:
同时压裂M7~M12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18.1~34.1MPa,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范围是上方30m,下方20m,沿走向最大影响范围是30m。
该孔压裂范围较小主要因为在其下方5~10m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范围较小;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94~95%,瓦斯排放纯量为0.006378~0.010236m3/min;接抽27天,考察结果为:
抽采浓度在15~94%之间,抽采纯量为0.004731~0.012511m3/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0.022748~0.031757m3/min,为常规钻孔抽采纯量的10~15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内有增大现象。
压4#孔设计压裂M8煤层,最终累计注水量121m3,泵压15~25MPa,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范围是下方56.5m,沿走向最大影响范围是40m。
从压裂过程考察看,M8煤层注入流量(6~8m3/h)远大于M7煤层(3~4m3/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煤层压裂范围内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2~10倍。
1前言
松软低透气性煤层由于承受上部覆岩的重量,煤层内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,煤层内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,先后采用宝鸡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,试验过程中通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
1
W10#瓦斯巷上平巷
2
5月~7月
2011年5月
已完成
2
W10#瓦斯巷210下
2
9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M7~M8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500~590m。
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/t
M8:
20.85m3/t
W10#CH4210处
6月21日
M7:
18.93m3/t
M8:
19.09m3/t
原始煤层瓦斯压力
W10#CH4上平巷M7
5月~6月
M7:
1.74MPa
W10#CH4210处M8
5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宝鸡航天动力公司生产的HTB500型压裂泵,以及南京六合煤机公司生产的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
HTB500
50MPa
1100L/min
3柱塞
1140V
400KW
4寸水管
0.3MPa
BZW200/56
56MPa
200L/min
5柱塞
1140V
220KW
2寸水管
0.1MPa
3.2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南京六合泵业公司生产的BZW200/56型压裂泵,压裂泵最大工作压力56MPa,考虑到本压裂泵组与宝鸡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#瓦斯巷绕道内,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内。
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进行。
第一阶段采用宝鸡航天动力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M7~M12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4W10#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°
-
Φ75mm
Φ94mm
57.15m
水排
M7顶板1.5m
压2#
5.16中班
90°
-
Φ75mm
Φ94mm
48m
水排
M7顶板1.5m
压3#
6.13中班
90°
-
Φ75mm
Φ94mm
55.6m
水排
M7顶板1.5m
压4#
6.0夜班
90°
-
Φ75mm
Φ94mm
51m
水排
M8顶板1.5m
(三)压裂孔封孔工艺
压裂试验第一阶段,孔内压裂管采用规格为:
孔口前10米采用壁厚13mm,DN25mm无缝钢管,孔内采用壁厚8mm,DN25mm无缝钢管,每段长2m,其中煤孔段内压裂管做成筛管,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,孔内剩余段采用壁厚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,由于孔内压裂管总重大大降低,压裂管输送时间由原来的2~3h缩短到1h以内,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Φ75mm钻头施工完成后,用Φ94mm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内至M7煤层底板;孔内压裂管为DN25mm,壁厚8.0mm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管;压裂管每根长2m,采用钻机送入,直接送入压裂钻孔孔底;封孔注浆管采用DN20mm钢管,每根钢管长2m,两头套丝,采用管箍连接,送入孔内压裂煤层底板下0.6米;注浆管口与截止阀连接,截止阀与注浆泵注浆管连接;注浆时开启球阀,注浆结束后及时关闭截止阀;在第3根压裂管上捆绑棉纱,其形状如“马尾巴”,其方法是将棉纱一端绑在压裂管上,当压裂管筛管送至孔底时停止送管,向孔外方向拉动压裂管,棉纱收缩,起到封堵水泥砂浆及过滤水的作用;棉纱长度不小于0.4m,数量以与孔壁较紧密接触为
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