04阜新煤矿高压注水卸压工程

1、4 煤层钻孔高压注水压裂卸压工程4.1 工作量完成情况在各研究单位和施工单位的配合，经过一年多的工作，参与工作的工程技术人员克 服了许多困难，基本完成了合同要求的主要研究内容。主要工作量完成情况汇报如下：(1) 完成了高压注水压裂工艺方案 根据地质设计，研究编制完成了高压注水压裂工艺方案(2) 合理高压注水压裂施工参数，施工规模确定和优选 确定合理的高压注水压裂施工参数， 施工规模，有利于防止对煤层顶、 底板的破坏。(3) 完成了高压封孔器和封孔工艺研究 研制高压封孔器，提高封孔质量和强度，为高压施工提供保障。完成了煤层裸眼封 孔工艺研究。封孔质量满足压裂施工压力所要求的指标。(4) 完成了钻

2、孔工具和设备配套 根据地质设计要求的成孔参数，负责提供钻孔工具、设备的选型和配套技术，(5) 完成了 4 口井下煤层钻孔进行高压注水压裂施工试验，施工获得了成功。并提 供压裂现场监督和技术服务(6) 在工程试验期间，还运用油田的井控作业装置，成功地完成一口穿越煤田三带 岩墙的钻孔。(7) 合理布孔方式的研究，通过试验孔施工，提供合理的封孔段长度及终孔参数。(8) 完成了煤层排水采气工艺技术研究。(9) 据初步效果统计：WL-1孔：瓦斯流量：5mVmin,瓦斯浓度30%纯瓦斯流量：1.5m3/min，累计抽放瓦 斯： 32400m3。WL-2孔：瓦斯流量：5mVmin,瓦斯浓度10%纯瓦斯流量：

3、0.5m3/min，累计抽放瓦 斯： 10800m3。WLZ-1孔：瓦斯流量：8mVmin,瓦斯浓度85%纯瓦斯流量：6.8m3/min，累计抽放 瓦斯： 156672m3。333HZ-1 孔：瓦斯流量： 7.6m3/min, 瓦斯浓度 80%，纯瓦斯流量： 6.08m3/min 累计抽放瓦斯： 277927m3。4.2钻孔基本参数完成钻孔的基本参数数据详见表 4-2-1所示。表4-2-1钻孔基本参数钻孔编号钻孔位置套管规格和 下入长度孔径和 终孔长度施工时间备注南翼1号孔五龙矿南翼 石门 88.9mm*54m 73mm*152m2005.12.23倾角+6° 穿三带岩墙回风下山1号

4、孔五龙矿3321回风下山 139.7mm*34m118mm*152m-6.10倾角+6° 串槽回风下山2号孔五龙矿3321回风下山 139.7mm*40m118mm*225m-6.9倾角-4 °回风下山3号孔五龙矿3321回风下山 139.7mm*45m 118mm*90m-6.8倾角+7°南翼垂直1号孔五龙矿南翼 139.7mm*84m 95mm*144m轨道石门-10.14垂直井海州立井太上一海州立井太 94mm*170m倾角+2°皮机尾1号孔上一皮机尾139.7mm*120m-10.20钻孔工艺方案是采用煤矿用 MK-5型液压坑道钻机，配合 PDC

5、钻头和螺杆钻具，在井下煤层内钻孔，先钻50m-100m的152-240mm的钻孔，然后下入 140mn套管，安装高压封孔装置，往钻孔内注水泥，候凝48小时后，验封试压合格后，再继续加深钻孔到设计长度。钻孔结构示意图见图 4-2-1所示图4-2-1钻孔结构示意图4.3高压注水压裂工艺方案方案研究的目的对开采区进行高压注水压裂，在煤层中形成一定的应力释放区，扩大和改善煤层渗 透性，为采前瓦斯抽排提供渗流通道，降低采区煤层应力，防止煤层突出和冲击地压， 为煤层开米提供前期安全保障。4.3.2 方案研究的原则安全性、科学性、适用性、时效性、经济性。4.3.3 “五项原则”在本次方案研究中的具体实施(1

6、) 安全性：切实做到“以人为本，安全第一，预防为主” 。主要包括：人身安全、瓦斯安全、 工程安全等。 人身安全：采前瓦斯抽排工程施工中，保证井下施工人员的人身安全； 瓦斯安全：抽排瓦斯符合国家标准；矿井通风符合国家标准；瓦斯检测符合国家 标准； 工程安全：施工所选用的材料应满足本层段的地质条件与工艺技术要求，并应满 足环保要求。根据施工目的，选择合理的施工参数和施工规模，避免破坏矿层的顶、底 板；(2) 科学性 方案、设计及施工应符合现场实际；按系统工程考虑有关因素和环节；尊重符合抽排瓦斯的客观规律(3) 适用性 施工方法立足于在国内现有设备能力和成熟的工艺技术；(4) 时效性(周期短，见效快

7、) 工程施工工期和瓦斯抽排期：天；瓦斯抽排方式：地面与井下同时抽排。(5) 经济性 费用适宜合理；4.3.4 工程技术方案4.3.4.1 方案类别方案一：井下钻孔，地面高压注水施工方案二：井下钻孔，地下高压注水施工 方案三：地面钻直井，大型水力压裂施工 方案四：地面钻水平井，大型水力压裂施工 方案五：地面钻大位移水平井，大型水力压裂施工4.3.4.2 上述方案的主要工艺技术 高压注水压裂工艺技术直井、水平井钻井工艺技术封孔工艺技术4.3.4.3 各方案简述(1) 方案一：井下钻孔，地面高压注水施工 在开采巷道内，在煤岩层内钻若干钻孔，先钻 50-100m的152-215mm勺钻孔, 往钻孔内注

8、水泥，候凝后，再继续钻孔，并加深钻孔到 100-500m 装入特制的高压密封工具，前端带定压节流器。 连接高压管线，进行高压注水施工。 具体施工参数和施工设计见实施方案和施工设计。(2) 方案二：井下钻孔，地下施工 如果施工设备能满足井下施工，则执行该方案。其余工序同方案一。(3) 方案三：地面钻直井，大型水力压裂施工 在采区上部钻直井，井身结构见下图 4-3-1 。如果采空区是二层，则需要再下三级套管。如果采空区是三层，则需要再下四级套管。在煤层段射孔，进行大型水力压裂施 工，然后进行排采作业。(4) 方案四：地面钻水平井，大型水力压裂施工，在采区上部钻短曲率水平井，井 身结构见下图 4-3

9、-2 。如果采空区是二层，则需要再下四级套管。如果采空区是三层，则需要再下五级套管。在煤层段分四段射孔，进行四次大型水力压裂施工，然后进行排采作业。图4-3-2钻水平井井身结构图(5) 方案五：地面钻大位移水平井，大型水力压裂施工在矿区选择避开采空区的合适的位置的上部钻大位移水平井，井身结构见下图4-3-3。只需要下二级套管。在煤层段分四段射孔，进行四次特大型水力压裂施工，然后进行排采作业。 该方案需要专业技术进行，施工难度大。昭2采区謀层图4-3-3大位移水平井井身结构图方案的评价及优选435.1方案的评价各方案的评价结果见表4-3-1所示表4-3-1各方案的评价结果表万案安全性科学性时效性

10、 （施工时间）经济性评判结果方案一：井下钻孔，地面高压注水有风险技术适用6个月费用低推荐 需慎重考虑万案一：井下钻孔，地下高压注水目前设备 不满足技术适用 施工有风险5个月费用低不推存、， 一” 万案三：地面钻直井，大型水力压裂施工好技术适用1个月费用中等推荐方案四：地面钻水平井，大型水力压裂施工好技术适用，但有难度1-2个月费用咼不推存万案五：地面钻大位移水平井，大 型水力压裂施工好技术适用 但有难度2-3个月费用咼不推存方案的优选 根据安全性、科学性、时效性、经济性的评判原则 推荐：方案一和方案三 方案的优势：安全性好；技术适用；周期短、见效快；费用适度水力压裂工艺技术上述方案的重要工艺是

11、水力压裂工艺技术。水力压裂工艺技术是油气田增产增注的重要措施手段。该技术是使用在地面能产生高压的泵注设备，将一定粘度的液体注入地下目的层，蹩起高压，压开目的层并形成有 一定流动能力的流通通道。对于煤岩矿层的压裂，在国外国内实践证明，运用水力压裂法可以在煤层中形成裂 缝，使储集在煤层中的瓦斯提前排放出来，另外还可以将部分高应力释放掉，为煤矿安 全生产提供保障。在目前技术条件下，在开采区煤层进行水力压裂，可以在煤层内建造 高导流能力的人工裂缝通道；增加煤层内天然裂理与人工裂缝的沟通，降低瓦斯解吸压 力，有利于瓦斯排出和应力释放，是煤矿采前抽排瓦斯和应力释放较为有效的方法。表4-3-2是阜新地区煤层

12、压裂的主要施工数据表。表4-3-2阜新地区煤层压裂的主要施工数据表矿区名称主要压裂参数压裂矿层深度 (m破裂压力(MPa破裂压力梯度(MPa/n)刘家矿区12-30东梁矿区16-24根据上表数据反映，不同埋深的矿层，其破裂压力梯度大小变化较大，从而反映煤 层的裂缝形态较为复杂，有可能形成水平裂缝，亦有可能形成垂直裂缝，因而进行就地 应力方位测量是十分重要的。对于煤矿层和油气层的压裂来讲，因为压裂的目的不同，压裂对象自身的物理力学 性质不同，因此在煤矿层中实施水力压裂将有别于在油气层中实施的水力压裂。迄今为 止，因为对煤矿层水力压裂基础理论研究较为薄弱，只有一些零散的定性研究。因此， 目前对煤矿

13、层压裂还只能借助油气层压裂方面的有关理论和模拟设计软件。压裂液性能实验目的是取得形成裂缝所需要压裂液的摩阻、粘度、滤失、稠度系数、流态指数参数 和耐温耐剪切曲线等数据。压裂液配方研究在压裂液性能方面主要考虑粘度和滤失问题，因而只考虑造缝、携砂性能，其他性 能和添加剂不做评价考虑。(1) 稠化剂的优选稠化剂是水基冻胶压裂液的主要添加剂之一，目前国内各油田广泛使用的稠化剂主要是植物胶及其改性产品(主要包括瓜尔胶及其改性产品羟丙基瓜尔胶、田菁胶及其改 性产品、香豆胶、皂仁胶及其改性产品、胡芦巴豆胶和魔芋胶等)。目前国内各油田主要使用的植物胶稠化剂是羟丙基瓜尔胶，也是国际上应用广泛的水基冻胶压裂液稠化

14、 剂，占使用量的90%以上，它具有水不溶物低，用量少，热稳定性好，适应于不同规模、 不同井深井温的低渗透油气藏的压裂改造。 但国内各厂家生产的羟丙基瓜尔胶质量不稳 定，弓I起了性能的差异。稠化剂的基本性能主要以增粘能力、交联能力和水不溶物含量 的多少来表征。稠化剂增粘能力强，可以减少其用量，相对降低压裂液残渣含量，减少对储层的损害。水不溶物与残渣密切相关，一般来说水不溶物含量高其残渣含量也越高。 大量文献报道，稠化剂高残渣将严重影响支撑裂缝导流能力，在裂缝壁上形成厚而致密 的滤饼，阻碍地层流体的产出，导致储层损害，进而影响产能。表4-3-3是植物胶稠化剂及其改性产品的基本性能对比情况。根据煤岩

15、特征和工程地质条件，选用羟丙基瓜尔 胶或胡芦巴豆胶为该压裂液体系的稠化剂。表4-3-3植物胶稠化剂及其改性产品的基本性能对比稠化剂名称水分(%水不溶物(%0.6%干基溶液粘度/mPa.spH值羟丙基瓜尔胶(昆山)6.089.841297.0羟丙基瓜尔胶(山东)7.308.791147.0羟丙基瓜尔胶(大明)7.089.171237.0胡芦巴豆胶(西安)7.149.151287.0(2)交联剂优选交联剂是通过其中的交联离子以化学键将溶于水中的植物胶稠化剂分子链上的活 性基团连接在一起，形成具有粘弹性的冻胶，改善压裂液耐温耐剪切性能和流变性能。现在国内交联剂主要用无机硼和有机硼交联剂。根据本区施工

16、条件，无机硼交联剂 可以满足施工要求，为此，综合考虑选用无机硼交联剂为该压裂液体系的交联剂。排剂。(3)破胶剂优选破胶剂是压裂液的又一重要添加剂，其作用是在压裂施工结束后，能够快速把交 联冻胶通过化学作用降解破胶，以便返排投产，减少储层损害。过硫酸盐是常用的氧化 型破胶剂，具有较广的适用范围。437.2压裂液配方及综合性能评价通过上面研究，确定出如下的压裂液基础配方，并对基础配方进行了综合性能评价。(1) 压裂液配方基液：0.4-0.5%GRJ-11+0.05%S-100+0.12%碳酸钠 +0.05%碳酸氢钠 +0.25%D5Q交联液：无机硼交联剂交联比：100： 5-12破胶剂：0.004

17、-0.04%( APS(2) 基液性能在室温条件下使用FANN35型旋转粘度计，在170S-1测定压裂液配方基液的粘度，表4-3-4压裂液配方体系的基本性能溶液粘度mPa.spH值交联时间交联性能-1170s-1511s854530S能形成可挑的粘弹性冻胶(3) 0.5%瓜尔胶压裂液不交联的基液与弱交联后的静态滤失性能在施工过程中压裂液滤失进入地层，滤失量越大，压裂液的效率就越低，因此，在压裂施工过程中控制压裂液的滤失是极其重要的。使用Bariod高温高压滤失仪在3.5MPa压差下，测得压裂液配方体系的滤失系数CM见表4-3-5所示。表4-3-5压裂液不交联的基液与弱交联后的静态滤失性能表序号

18、温度硼砂交联1破胶剂总滤失量初滤失量滤失系数G(C )剂(%)(%)(ml)2(ml/cm )(X 10-4 m/寸 min )13000.00513539.59 X 10-38.823000.005181-21.13 X 1035.93300.010.00541.233.24 X 10-9.134300.010.00533.354.45 X 10-9.155300.010.00552.6-44.07 X 109.12从静态滤失角度看，使用不交联或弱交联液体的滤失会有很大的差异，但这个差 异是在实验室用滤纸进行实验得出来的，真正在煤岩中其渗透率远远大于于滤纸的渗透 性，其形成滤失的机会要大得多

19、。(4) 压裂液基液的摩阻图对比压裂液基液和清水之间的注入管路压力摩阻损失，有利于考察工作液在施工时 的排量和压力的关系，给具体施工提供指导。(A) 0.5%瓜尔胶压裂液的摩阻(图4-3-4 )本压裂液配方和清水相比，有明显的降低摩阻的趋势(见下对应条件下清水的摩阻)，有利于大排量注入和降低泵注压力0. MCJU-ii 燈媳0. G1&RJ-1 l+fl.05®-JflQ-W.蔗就请P. 0BU籬就爼钳旳.2511)-50图4-3-40.5%瓜尔胶压裂液的摩阻图(B) 对应条件下清水的摩阻图(图 4-3-5)渣出eat图4-3-5清水的摩阻图(5) 压裂液的粘度、滤失、稠度系

20、数、流态指数参数和耐温耐剪切曲线（A）羟丙基瓜尔胶GRJ-11的表观粘度与浓度关系图（图 4-3-6 ）图4-3-6羟丙基瓜尔胶GRJ-11的表观粘度与浓度关系图根据此图在现场中可以监督配液的质量，看是否达到了规定的胶粉使用量。（B） 上述基液加硼砂交联（交联剂：0.4%硼砂，交联比：100 : 12）后的流变性参 数。30C温度条件下压裂液耐温耐剪切性能及流变性能参数见表4-3-6所示。表4-3-630 C压裂液耐温耐剪切性能及流变性能（基液中加入 0.05%AP$时间（min）0.3410.2320.1130.0040.0750.260.00温度（C）25.031.331.230.730.

21、830.630.5粘度（mPa.s）165.9353.5333.4278.1196.4115.969.2k'，Pa.sn1.7860.4246rT0.63810.6392（C）上述基液加硼砂交联（交联剂：0.4%硼砂，交联比：100 : 12）后对应的耐温 耐剪切曲线（图4-3-7 ）图4-3-730 C压裂液耐温耐剪切性能及流变性能曲线图从耐温耐剪切曲线上看，在整个施工的时间内压裂液可以保持粘度在80到100mPas以上，压裂液可以满足施工的造缝要求。（D）压裂液的滤失与破胶性能形成一定的交联的冻胶可以较好的降低滤失以及提高造缝的效率，使得造缝规模合 理。但是，在降低滤失的同时，压裂

22、液在放置一定的时间之后还应该是容易破胶，即较 快的粘度降低以便于将压裂液排出来。因而在造缝压裂施工时，添加一定的破胶剂和考 察其破胶降粘的时间，对施工有一定的指导意义的。(5)压裂液的破胶性能(表4-3-7)表4-3-7压裂液的破胶性能温度，C交联比过硫酸铵破胶 剂加量,%破胶液粘度，mPa.s0.5hr1.0hr1.5hr2.0hr30100: 120.05/变稀0.07/变稀12.590.08/变稀变稀10.030.1变稀12.708.85.960.15变稀变稀7.135.01压裂液可以在一定的时间内破胶降低粘度，有利于造缝后被冲刷排出。煤层裂缝参数模拟因为目前国内还没有煤层压裂裂缝参数的

23、模拟软件，因此要借助油田有关压裂酸化的设计软件进行设计。表4-3-8是各井裂缝主要参数模拟结果，图 4-3-8是WL-1井裂 缝剖面图。表4-3-8各井裂缝主要参数模拟结果井号施工排量 (nVmin )注入液量(m)裂缝高度(m)裂缝长度(m)WL13.060010.8126.0WL23.060012.3156.2WLZ13.060029.2156.2HZ-13.060018.4130.4SlrfiifflttWR毘丈长宾|上一步图4-3-8WL-1井裂缝剖面图4.4现场压裂施工2006年6月6-12日和10月8-21日先后对4 口井下煤层钻孔进行高压注水压裂施工试验，施工获得了成功。各井施工

24、主要参数见下表4-4-1所示表4-4-1各钻孔主要施工参数汇总表钻孔编号破裂压力(MPa施工排量(m3/mi n)加砂量(m3)总液量(m3)备注WL-128.460.12与323专用回风道串槽WL-226.84127.68WLZ-18.97705.1HZ-121.53.73497.6各井施工简况如下:WL-1:施工初期煤层破裂明显，有煤炮震动现象，在注液 33.13m3时压力下降，巷道瓦 斯观察人员电话通知在323专用回风巷道底板和两帮均有渗水现象，后停泵观察 10分 钟后再次起泵，仍有渗水现象，为证实裂缝窜通，又继续注入压裂液15.54m3,巷道瓦斯观察人员电话通知在323专用回风巷道底板

25、和两帮均有渗水现象加大，停泵停止施工。图4-4-1是1号孔与323专用回风道空间相对位置图，从图中可以看出，裂缝高度至少1:2000丈平上IE图4-4-11号孔与323专用回风道空间相对位置图ci餉皿且JPL1_井号切下幷刖丁沖菲Ft 鼠j 天庆fl利井下K骑賦Hi农臥衣4娜境地中摒向：孙锻生宜肚衍种类石英的玄博祈境甯:HU更搏刑用県 M3NpilSa1*阪压力：加MSm却星尺力:曲“' ftWK Jfrit轉迪厚瞋二*giJPiM - M31UM3尅用浪H : 3幹怖£ r图4-4-21号孔施工曲线图（1）煤抚21下丄母井2r并号:aaaai j-iUfttf:太欣阻.&#

26、39;k« T.E；展裂怪:一得殖注-L丸捧卜;艸毙3石典岭:rm支挣利用:N3Wj：a*4 &力-MpaUtHl顷4=Hjwi41出/解开序rft.:M；u叫書嬪用*E船1舀置注用盘期-M3:朋-St£ ； /ZWL-2压裂初期煤层破裂明显，同时伴有两次煤炮震动现象，第一段加砂正常，第 二段加砂到 2m3 时，压力升，出现砂堵迹象，后反复多次顶替按设计顶替完，但无法继 续施工，被迫停止施工。;riijo煤加:H 2号ILL口 4* Ki(|4JK 压力4P M回iIlJ|图4-4-52号孔施工曲线图（2）图4-4-42号孔施工曲线图（1）图4-4-62号孔施工曲线

27、图（3）WLZ-1：预压阶段压裂正常，有一次煤炮震动现象，加砂和顶替阶段施工均正常煤3昭1下2号井3停毎屿ZT : 阿fj饋用.圧： 怂用浪;日比3舱jar和用n :加：i时NJ ；阳的压裂工艺!压霍龙推珥忡養：百翦曲欢理；応*龙繰护I曜恪: ?.沖煤即刀下2号井2*製屮呷*割吓I Jl .ijk J.J 1.1 IgllLiL. bHIJt号：煤MHEJF討JJ啊芹JWi fr:大庆.'k 税前科井F压梨駅JEfiR iX : iES:鼻竝于桐打尚；搏融生咚ft工单螟HI支撑刑种类:SS»药t削理格：血3Etf刑用ht2M3Vu|*A巫力.：HaiOT rtuj;恥畑W M

28、压力:Mpaft煤制;N«!«*用星;2HH37 . 5M3博邱淋伺狀：殳fe他曲riuKi 160. 3 wa缽料时IR (min)图4-4-7WLZ-1号孔施工曲线图HZ-1:从该井施工曲线来看，施工均正常阜浙海州立井衣上一皮机尾1号孔压裂压力说量砂出曲妓图4-4-8HZ-1号孔施工曲线图4.5煤层排水工艺技术目前煤层排水工艺主要采取人工举升方式，主要有有杆泵，电潜泵，水力活塞泵， 气举，螺杆泵，射流泵，地面驱动方式分游梁式抽油机，电动驱动，水力驱动，气体驱 动和液压驱动等，各种方式都有一定适用性和适应性，因而选用何种方式，要根据井况情况具体分析。表4-5-1是国内外人

29、工举升方式适应性及目前达到的水平。表4-5-1国内外人工举升方式适应性及目前达到的水平对比项目条件有杆泵电潜泵水力活塞 泵气举螺杆泵射流泵排量m3/min正常范围1-10080-70030-60030-318016-20010-500泵深m正常范围<3000<2000<3500<3000<1500<2000井下状况斜井一般适宜适宜适宜不适宜适宜地面环境气候恶劣一般适宜适宜适宜一般适宜操作问题简单复杂复杂一般简单复杂维修管理检泵强度大大容易容易大容易原动力驱 动方式游梁抽油 机或液压 或电驱动电驱动水力驱动气体驱动电驱动电驱动和 液体根据上表，综合考虑，目前煤层气排采工艺主要适应的举升泵为有杆泵和螺杆泵, 地面驱动方式以游梁式抽油机，电动驱动和液压驱动。4.6实施效果据初步统计，各孔实际抽放效果见下表 4-6-1所示：表4-6-1各孔实际抽放效果钻孔编号瓦斯流量m /min瓦斯