煤矿井下水力压裂增透抽采技术

煤矿井下水力压裂增透抽采技术主要内容123水力压裂提出的背景水力压裂技术简介水力压裂技术装备及工艺水力压裂的应用41《防治煤与瓦斯突出规定》要求区域消突先行水力压裂提出的背景第六条规定：防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。突出矿井采掘工作做到不掘突出头、不采突出面。未按要求采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。——水力压裂是实现区域消突和局部消突的有效技术单一突出煤层区域消突困难水力压裂提出的背景2提高预抽瓦斯浓度的需求抽采瓦斯浓度、抽采量、抽采率抽采时间取决于煤层透气性以及抽采工艺——压裂是煤层增透的有效途径、是提高预抽瓦斯浓度抽采的有力保证水力压裂提出的背景3

井上下联合抽采的根本途径水力压裂是地面煤层气开发的常规增透工艺移植到井下可起到异曲同工的效果有条件的地区可进行地面压裂、井下抽采水力压裂提出的背景4煤层气开发与瓦斯治理的现状并不乐观

1）煤层气技术现状

对于非突出煤：◆少数地区实现了局部商业化开发；◆而支撑整个煤层气行业的是地面垂直井压裂完井工艺；

◆可以实现水力压裂强化增透抽采

对于突出煤：

地面煤层气开发的禁区、井下瓦斯产出的低效率区◆地面煤层气裸眼洞穴法完井一井多用技术2)瓦斯抽采现状

未卸压抽放煤巷揭煤岩巷掘进预抽采区大面积预抽卸压抽放边掘边抽边采边抽水力割缝松动爆破开采层工作面推过后抽放上、下临近煤层卸压抽采◆采矿卸压由于采矿活动的影响，改变了原始地应力状态，煤岩体发生了一定程度的位移，进而改变了裂隙场和流体场，达到增加煤岩层透气性效果。没有采矿活动就没有卸压增透，从某种程度上讲是一种被动治理工艺3）瓦斯抽采存在问题水力化措施卸压水力挤出：位于应力集中带以外的卸压带，适用于软煤，通过松动煤体卸压增透，不能用水力压裂原理解释水力割缝：通过高压水射流在煤体中割缝卸压增透高压注水：类似于水力压裂，但注水压力和注水量有限，没有开启裂缝或使裂缝有效延伸、沟通影响范围有限1970-1980年间，在辽宁、河南、湖南、山西等矿务局进行过以地面垂直钻井压裂方式开发煤层气的试验，取得一定的增产效果。但未能形成开发、推广规模。1990-1995年间，地矿、煤炭、石油所属有关部门以及地方政府已在十余个煤田或地区，利用国内资金或与国外合资打了60多口资源评价钻孔和生产试验钻孔，有的地方还进行了采气试验，取得了可喜的成果。上世纪90年代末在鄂尔多斯、沁水等9个盆地煤层瓦斯赋存条件较好，已逐渐开始全面实施地面开采。截至2004年，山西沁水和河东煤田已施工各类煤层气井159口，单井日产气量一般在500-4000m3／d，最高达16000m3／d。水力压裂技术简介我国水力压裂发展概况1水力压裂技术就是通过钻孔向煤层压入流体，当液体压入的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新的流通网路，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。裂缝起裂原理2注入压力：指水注入弱面充水空间时的压力，该压力主要由注水泵来提供滤失压力：因煤体本身的孔隙的润湿和毛细作用，造成注入压力损失的那部分压力注入水压滤失水压注入水压滤失水压注入水压滤失水压注入压力＞滤失压力条件：过程：水进入层理面和裂隙系统携带煤粒形成封堵带弱裂面开裂，空间增大一级弱裂面压力升高封堵作用减弱煤粒向四周运动形成二次封堵裂缝延伸原理3

水力裂缝的形态取决于地应力的大小和方向。裂缝类型与地层中的垂向应力和水平应力的相对大小有关。一般认为，人工裂缝垂直于地层最小主应力，平行于地层最大主应力。裂缝延伸方向3压力水进入煤层之后，依次进入一级弱面（张开度较大的层理或切割裂隙）、二级裂隙弱面、原生微裂隙，同时压力水在裂隙弱面内对壁面产生内压作用下，导致裂隙弱面发生扩展、延伸、以至相互之间发生联接贯通过程实现压裂分解。从而使内部裂隙弱面的扩展、延伸、以及相互之间贯通，形成相互交织的贯通裂隙网络，达到提高煤层渗透率的目的。压裂增透原理4大排量注入高压水钻孔产生高压、煤层三对轴向应力减小煤层最薄弱地方破裂裂缝延伸导流能力增大注速大于地层吸收速度大于最小轴应力继续注入形成裂隙网格从某种程度上，煤体结构是煤变形程度的反映。煤变形程度不同，水力压裂改造的效果也不同。煤体结构的不均一性以及由此造成的“可否压裂”性，决定了水力压裂具有一定的适用性。煤层压裂适用性5煤与砂岩力学性质差异类别弹性模量E（GPa）泊松比μ抗压强度σbe（MPa）抗拉强度Σbr（MPa）内摩擦角φ（°）粘聚力τ0（MPa）砂岩范围10-610.09-0.3620.0-300.03.00-20.0045-5210.28一般————60.0-100.04.00-13.00————平均35.50.2280.08.54819煤范围0.3-6.50.10-0.505.0-50.00.25-5.0028-352-4一般0.3-2.50.15-0.4510.0-16.01.50-2.50————平均1.40.3013.02.00323类别弹性模量E（GPa）泊松比μ抗压强度Σbe（MPa）抗拉强度σbr（MPa）E⊥E∥μ⊥μ∥σbe⊥σbe∥σbr⊥σbr∥无烟煤6.50.30.50.119.613.20.255.00烟煤10.87.4褐煤13.58.0高压水对不同煤体结构力学作用高压水注入煤层中存在两种情况，一种是进入具有弹性的原生结构煤和碎裂煤，一种是进入塑性的碎粒煤和糜棱煤。①弹性阶段煤体水力压裂高压水进入此类煤体时，压裂过程可描述为“压裂—充水张开—再压裂—再充水张开……”。②塑性阶段煤体水力压裂高压水进入此类煤体时时，可描述为“寻找最弱缝隙—撑开—再寻找最弱裂缝……”。高压水进入突出煤封堵冲破示意图塑性阶段煤体“压开裂缝”壁周边的压实带井下水力压裂本煤层的适用性

煤体结构是否适用于水力压裂原因原生结构煤适用需要开启裂缝碎裂煤较适用可通过压裂增透碎粒煤适用差产生有用裂缝少糜棱煤适用差产生有用裂缝少水力压裂的原理是井下钻孔压裂工艺的支撑

由前述的现场施工和实验室试验结果充分说明井下压裂的可行性，无论是压裂本煤层还是顶底板，都会取得显著效果，之所以迄今为止还没有取得显著成功，就在于观念的束缚和施工工艺的缺陷。井下钻孔压裂增透的原理来源于但又不同于瓦斯治理或煤层气开发工艺。水力压裂技术装备及工艺序号名称规格单位数量备注1注浆泵

台1注浆2搅拌装置

台2搅拌3注浆钢管2m不钻孔（6分）根125注浆管4注浆钢管2m带钻孔（6分）根3注浆花管5管接头6分管接个90连接6棉纱（马尾巴）

Kg5捆绑在压裂管上7铁丝16号kg20捆绑注浆管与压裂管8截止阀6分个3控制注浆13马丽散

封孔1.5m14水泥425#吨2

15白水泥V32.5级公斤500膨胀增强防收缩压裂所需设备清单1设备连接2压裂泵组3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/0.3MPaBZW200/5656MPa200L/min5柱塞1140V220KW2寸水管/0.1MPa高压管路一般包括两部分，即孔内联接高压管和孔外联接高压管。孔内联接高压管为厚壁无缝高压钢管，孔外联接管为抗高压软胶管。压裂管路4封孔工艺5①对靠近“马尾巴”的50-100cm筛管用一层纱布包裹，进一步减少浓稠浆液进入压裂管，避免堵管事故的发生；②注浆时加入少量清水，作为注浆已满时返浆的标识物；③注浆完成后，对压裂孔进行观察，如果有管壁粘着浆液下滑堵孔现象时，进行及时的通孔处理，或者注浆完成后用水清洗管壁；④准备锚索钻杆，以防堵孔后顺利通孔。钻孔布置压裂孔号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#90°-Φ75mmΦ94mm57.15m水排M7顶板1.5m压2#90°-Φ75mmΦ94mm48m水排M7顶板1.5m压3#90°-Φ75mmΦ94mm55.6m水排M7顶板1.5m压4#90°-Φ75mmΦ94mm51m水排M8顶板1.5m压裂工艺6钻孔封孔连接压裂装备及管路养护混凝土实施压裂监测压力、流量压力是否突然降低流量是否突然增大停止压裂收集数据是否水力压裂的应用水力压裂技术已成功应用于打通一矿W10#瓦斯巷上平巷、W10#瓦斯巷210下、渝阳煤矿N3704西瓦斯巷下、逢春煤矿S11203上顺槽等，均取得了理想的效果。打通一矿水力压裂应用1实施地点压裂孔数压裂煤层压裂泵组W10#瓦斯巷上平巷21#-M7煤层HTB500型高压泥浆泵2#-M7～M12W10#瓦斯巷210下23#-M7煤层BZW200/56型高压泵

4#-M8煤层打通一矿共实施4次水力压裂试验地点的煤层、瓦斯情况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M7：18.93m3/tM8：19.09m3/t原始煤层瓦斯压力W10#CH4上平巷M75月15日M7：1.74MPaW10#CH4210处M85月20日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%试验地点煤层埋深约为500~590m。

钻孔布置压裂孔号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#90°-Φ75mmΦ94mm57.15m水排M7顶板1.5m压2#90°-Φ75mmΦ94mm48m水排M7顶板1.5m压3#90°-Φ75mmΦ94mm55.6m水排M7顶板1.5m压4#90°-Φ75mmΦ94mm51m水排M8顶板1.5m检验孔布置试验第一阶段共设计检验孔12个，煤层走向方向东西两侧各设计8个检验孔，垂直巷道顶板施工，煤层走向方向原则上施工一侧的检验孔，按照一个钻场施工。实际检验孔施工数量采用动态施工方法根据实际情况增至14个。

检验孔布置第二阶段检验孔施工原则上是在煤层走向范围内只打钻孔一侧的检验孔，倾向方向上打上下两侧的检验孔，实际检验孔数量根据现场检验效果动态增减，检验孔设计见图7。检验孔瓦斯含量以及水分均压风取样测定。压3#孔压1#孔累计注水310.39m3，泵压26.7～41.6MPa，流量0.6～13.7m3/h，

施工过程压2#孔累计注水量390.13m3。泵压17～24.4MPa，流量18.1～29.5m3/h，压3#孔累计注水量102.6m3，泵压18.1～34.1MPa；压4#孔累计注水量121m3，泵压15～25MPa。压裂效果检测1#孔压裂范围1#孔压裂后M7煤层瓦斯含量变化

①靠近压裂孔区域由于高压水在煤层中的驱替作用，煤层游离瓦斯向压裂延伸方向运移，越靠近压裂孔，瓦斯含量越低；②在压裂影响范围线附近区域（压1#孔在该方向压裂影响范围是40m），瓦斯含量一度超过原始煤层瓦斯含量，形成压裂富集区，主要与瓦斯在压裂作用下煤层瓦斯运移富集有关；③在压裂延伸方向瓦斯含量变化幅度并不大（压1#孔为15.29～19.67m3/t），主要是因为煤层中大部分瓦斯以吸附瓦斯为主，游离瓦斯只占很小一部分，压裂对煤层瓦斯的驱替只对游离瓦斯起作用。3#孔压裂范围4#孔压裂范围1#孔自然排放情况自然排放条件下，压裂范围内钻孔与未受压裂影响的钻孔进行效果对比。压裂范围内单孔平均瓦斯排放纯量较未受压裂影响钻孔提高约2.5倍。

1#孔抽采情况抽采条件下，压裂范围内钻孔与未受压裂影响的钻孔进行效果对比。压裂范围内钻孔单孔平均抽采纯量平均提高1.9倍。渝阳煤矿水力压裂2压裂地点定为N3704西瓦斯巷(下)钻孔布置为了准确地获取煤层参数，并检验压裂效果及测试抽采半径。本次陆续共布置标准孔2个、压裂孔1个、检验孔15个压裂过程压裂的有效时间为10小时30分。分两个阶段，第一阶段压裂第一阶段压裂持续时间为278分钟，第二阶段持续350分钟。煤岩层产生破裂时间为第111分钟，此时压力从45.1MPa突降至36.1MPa，流量从1.2m3/h升至2.6m3/h。压裂效果检测压裂范围沿煤层倾向的压裂半径为60米，倾向上压裂半径为60-70米抽放效果通过抽采数据对比知，水力压裂后抽采流量增大了4-17倍，抽采浓度增大了1-3倍，抽采瓦斯纯量增大了10-33倍，说明水力压裂效果显著。逢春煤矿现场试验—第一阶段试验地点概况：本次试验选择在张狮坝扩区+610S11203下顺槽，处理其上邻近层M8煤层。S11203下顺槽位于+610主石门与+610S边界石门之间，在+610主石门中沿M12煤层向南掘进，设计长度612m，埋深为281.7～449.9m。该巷采用放炮掘进，梯形金属支架支护。厚度倾角水份灰份挥发份真密度视密度孔隙率3.8324-300.47%35.38%14.11%1.671.594.79%逢春煤矿水力压裂3钻孔布置：在+610S11203第10#钻场施工压裂孔，并在其两侧5m、10m处各钻进检验孔一个。所有钻孔均进行割缝。总结：本次压裂试验，距压裂孔横向8m处的考察孔返水出来，证明压裂范围至少在8m以上。过程：10月1日早班进行水力压裂。初始压力为10MPa，后压力缓慢上升，最后升至20MPa后稳定（持续时间约为90分钟），稳定后发现水量继续注入，但压力不再变化，经检查，发现距压裂孔以南8m处的考察孔有水返出，从而导致压力不升而水量继续下降，之后停止压裂（共注入水量约为4m3）。

试验地点：+610S11203下顺槽8#钻场钻孔布置①压裂钻孔在8#钻场顶板进行开孔，垂直于煤层施工，终孔于M8-1煤层。②检验钻孔在8#钻场内和8#钻场南北，共设计检验钻孔8个，分别检验横向10m~25m、纵向10m~25m的压裂效果，横向检验钻孔终孔点与压裂孔处于同一标高，纵向检验孔与压裂孔处与同一中线。③效果考察钻孔在8#、6#、5#钻场内，每个钻场施工考察钻孔5个，均终孔于M8-1煤层，控制压裂钻孔上、下各20m，所有钻场的参数均一致，其中8#、6#钻场的钻孔不进行高压水力割缝；5#钻场的钻孔进行高压水力割缝。逢春煤矿现场试验—第二阶段试验情况：10月26日早班进行水力压裂。10点05分开始，注水压力由10MPa缓慢上升，最后于10点52分稳定至22MPa；总注水量为18m3；10点40分6#（倾向10m）、3#（走向20m）孔压穿；11点2#（走向15m）孔压穿；11点07分8#（倾向25m）孔压穿，12点30停止压裂。整个压裂过程中伴有不规则的闷响，频率由高到低，距离由近及远。10月27日夜班，继续对该孔进行压裂，后注入水量36m3，注水时间为4小时10分钟，最后乳化泵内水位下降非常缓慢，压力上升至25MPa时停止压裂，1#检验孔（走向25m）的压力表压力升至8MPa，即说明该压裂孔的影响半径已达到25m。

试验数据分析起裂压力理论计算M8-1煤层起裂压力为18.2MPa。随着煤层赋存条件的变化，起裂压力为17~22MPa。压裂范围在累计压力时间6小时30分钟、注水54m3的条件下，M8-1煤层的压力范围为：倾向、走向上均超过了50m。含水量分析M8-1煤层原始含水量为1.23%。压裂之后含水量提高4-8倍。在距压裂孔1m、2