水力压裂技术方案

国投新集能源股份有限公司新集二矿GUO TOU XIN JI NENG YUAN GU FEN YOU XIAN GONG SI XIN JI ER KUANG 新集二矿煤层增透技术试验方案设计：审核：安徽理工大学国投新集能源股份有限公司新集二矿编制日期：2014年2月17日1概况为提高预抽钻孔抽采效果，缩短预抽时间，保证矿井安全生产及采掘接替。

将在-650m1煤西翼截水巷进行预抽钻孔高压水力压裂项目的研究。

以解决矿井煤层透气性差、瓦斯预抽困难的难题。

为保证压裂有序、顺利实施，特编制此安全技术措施。

2试验区域概况-650m1煤西翼截水巷与地面相对位置处于矸石山西面。

该区域范围的地面水体及其它对本工程施工不构成影响。

-650m1煤西翼截水巷主要在1灰及其顶、底板岩石、煤线，1煤组底板岩石层位中向前掘进。

巷道施工过程中将会揭露2灰。

巷道依次揭露岩性如下： 2灰：厚度1.1～3.8m，平均2.4m。

粉砂岩：厚度0.5～1.9m，平均1.2m。

细砂岩：厚度2.1～4.3m，平均3.2m。

铝质泥岩：厚度0.3～1.1m，平均0.6m 。

1灰：厚度1.1～3.8m，平均2.4m。

砂质泥岩:厚度1.8～3.4m，平均2.5m。

泥质砂岩：厚度14.0～18.2m，平均15.0m。

-650m1煤西翼截水巷掘进过程中揭露岩层走向一般为85°～100°，倾向一般为355°～10°，岩层倾角一般为5°～20°，平均倾角9°左右。

岩层以单斜构造为主，根据上覆6、8煤层回采情况分析：预计巷道施工过程中，中、小断层、褶曲可能较为发育，局部煤（岩）层反倾（南倾）、裂隙较发育。

3水力压裂增透防突技术原理3.1 水力压裂机理及过程分析1．水力压裂机理分析水力压裂的基本原理是将高压水( 压裂液) 注入煤体中的裂缝内( 原有裂隙和压裂后出现的裂隙) ，克服最小主应力和煤体的抗裂压力，扩宽伸展并沟通这些裂缝，增加煤层相互贯通裂隙的数量和增大单一裂隙面的张开程度，进而在煤体中产生更多的人造裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性。

2．水力压裂过程分析煤层水力压裂是一个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体和挤排煤体中瓦斯的注水过程。

在注水的前期，注水压力和注水流量随注水时间呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。

这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动。

当注入的水充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，导致水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，压力水进入煤体新的裂隙，势能转化为动能，导致压力降低，水流速增加；当注入的水( 压裂液) 携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动使流量下降，压力上升。

3.2 水力压裂合理注水参数分析煤层水力压裂包括煤体裂缝起裂和煤体裂缝延伸2个方面，煤体的裂缝起裂受许多因素的控制，一般通过试验加以确定。

根据以往研究表明: 煤体的裂缝起裂和延伸取决于注水速度( 时间效应) 、注水压力、煤体的非均质性( 规模效应) 和煤层的应力状态等，影响煤层水力压裂效果的压裂参数很多，主要可分为外部工艺因素和煤体内在本质因素2类。

1．外部工艺因素外部工艺因素主要包括注水压力、注水孔间距、注水流、注水速度、钻孔长度、封孔方法与封孔长度、注水时间等参数，它们互有联系和影响；同时还与地质和采矿技术因素以及压裂设备的性能有关。

（1）注水压力在一般开采条件下，煤体难以形成孔隙裂隙网，以致煤层难以得到充分的卸压增透，故在压裂时应施加一定的压力，才能将水有效地压裂到煤体中并使煤体产生裂隙起裂和延伸，形成孔隙裂隙网。

以往试验结果表明，在围压不变的条件下，随着注水压力的增加，导水系数呈非线性增大，当注水压力达到某一极限值时，导水系数骤然增大，此时煤体完全被压裂，内部形成大的贯通裂缝网，通常煤体裂隙起裂和延伸随注水压力的增加而增大。

因此，注水压力是衡量压裂效果的一个重要参数，如果注水压力过大且封孔深度与注水压力不匹配时，容易造成封孔段泄漏，影响压裂效果；如果注水压力过小，将起不到压裂效果，这就相当于中高压煤层注水润湿。

（2）注水压裂孔间距回采工作面注水孔间距根据压裂钻孔的压裂半径而定。

如果孔间距过小，则增加了钻孔和注水工作的施工量，同时在瓦斯抽放时容易抽出大量的水；如果孔间距过大，则可能存在注水空白带，即压裂孔的高压水不能有效地把瓦斯挤排到抽放孔，影响压裂效果和瓦斯抽放效果。

（3）封孔深度与封孔方法封孔是实现孔口密封、保证压力水不从孔口及附近煤壁泄漏的重要环节，是决定煤层水力压裂效果好坏的关键。

封孔深度也是水力压裂工艺的一个重要参数，决定封孔深度的因素是注水压力、煤层裂隙、沿巷道边缘煤体的破碎带深度、煤的透水性及钻孔方向等，一般封孔深度与注水压力成正比。

封孔深度应保证煤层在未达到要求的注水压力和注水量前，水不能由岩煤壁或钻孔向巷道渗漏。

（4）注水量煤体润湿需要一定的水，如果单孔注水量过大，虽然容易把游离瓦斯挤排出去，但增加了压裂工作的施工量和成本；如果注水量过小，可能影响压裂效果。

（5）注水速度注水速度是压裂工艺的一个重要参数，如果注水速度太快，新裂隙还没有生成，原有裂隙还没有扩宽并伸展，新老裂隙还没有沟通形成一个有效排泄瓦斯的孔隙裂隙网，则影响挤排瓦斯效果；同时，注水速度过快，要求注水压力等相应地增大。

如果注水速度过低，要达到一定的注水量，则注水时间增长，这将影响注水作业的进度，同时要求注水压力等相应地降低，可能起不到预期压裂效果。

2．煤体内在因素煤体内在因素主要包括: 煤体内部的孔隙裂隙特征( 煤层孔隙裂隙的发育程度) ，煤层的埋藏深度( 地压的集中程度) ，煤的化学组份( 水与煤的湿润边角和水的表面张力系数) ，瓦斯压力，煤层的顶底板状况。

（1）煤体内部的孔隙裂隙特征( 煤层孔隙裂隙的发育程度) 。

煤体是一种孔隙和裂隙都十分发育的双重介质。

二者共同构成了煤层水力压裂时的渗透通道和瓦斯挤排通道。

在煤层注水压裂的过程中，煤层孔隙裂隙发育程度对煤体的均匀湿润、物理力学特性的改变有重要影响。

压裂时，水在压力作用下以相当大的流速运动，包围被裂切割的煤块，同时缓慢地通过微小孔隙，向煤块内部渗透。

因此，煤体压裂效果不仅与煤的孔隙有关，还直接受裂隙的影响，裂隙不发育的煤体很难注水，此时就需要较高的压力迫使煤体产生新的裂隙和孔隙。

（2）瓦斯压力。

煤层内的瓦斯压力是水力压裂时的附加阻力。

压裂时，水压克服煤体瓦斯压力后所剩余的压力才是压裂时的有效压力，因此，煤层内的瓦斯压力越大，需要的注水压力也越高，所以瓦斯压力的大小也影响煤体的渗透性能和注水压力。

（3）煤的化学组份。

煤的化学组份对煤层压裂效果的影响主要表现在: 不同化学组份的煤体被水湿润的性质不同，以致瓦斯被挤排的程度不同。

煤体的湿润能力取决于水与煤的湿润边角和水的表面张力系数。

水与煤体的湿润边角大小反映了水分子与煤分子的吸引力大小，吸引力越大湿润边角越小，越易于注水，相反则难于注水。

因此，降低水的表面张力可以提高煤体的湿润能力，提高注水速度。

如果在注水流程中添加活性湿润剂( 压裂剂) ，降低水的表面张力，能增强水在煤层中的渗透能力，能解决水不能渗入煤体微裂隙等问题。

（4）煤层的埋藏深度。

随着埋藏深度的增加，煤层承受地层压力也随之增加。

受压力影响，裂隙被压紧，裂隙容积降低，渗透系数也会随之降低。

通常地应力大，注水压力必须克服地应力，才能有效地使煤体扩宽伸展裂隙，形成有效的孔隙裂隙网。

所以，煤层压裂时注水压力必须大于地应力。

4试验方案试验方案的指导思想是利用钻孔对煤体进行水力压裂增强1煤煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。

在掌握水力压裂机理和压裂过程的基础上，从理论上分析了压裂参数及其影响因素，再结合现场应用，最终确定出合理的压裂参数。

深入研究合理的压裂参数对提高煤层的渗透率和煤层瓦斯的抽采效果具有现实意义，同时对水力压裂技术在新集二矿防突方面的推广应用具有很重要的意义。

针对水力压裂的技术特点因素进行分析、探索和试验，提出解决问题的对策并进行工业试验，确保试验过程的安全及全面。

具体现场试验方案为：1．选择适合的快段布置压裂孔和出水孔测试水力压裂半径；2．水力压裂完毕后距离压裂孔不同距离、分不同时间布置取芯钻孔取煤样化验煤体含水量；3．水力压裂、排水完毕后在水力压裂半径内考察水力压裂影响下抽采半径、煤层透气性系数；4．布置多组抽采钻孔考察水力压裂影响下走向、倾向抽采效果。

5水力压裂技术5.1 水力压裂水压选择根据林柏泉《含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征研究》，煤层破裂压力主要与煤层赋存深度有关，两者之间可用下式表示：Pi=0.023H+1.3P+2.04 （1）式中：Pi——煤层破裂压力（MPa）；P——煤层瓦斯压力（MPa），2.0MPa；H——煤层赋存深度（m），-650m。

计算可得，试验区域煤层破裂压力20MPa。

故本次水力压裂水压为：注水孔水压为20～30MPa。

压裂半径考察分为走向压裂半径和倾向压裂半径分别进行，具体布置形式如图1、2所示。

压裂过程中，出现以下情况之一判定压裂半径有效：1．出水钻孔明显出水；2．出水钻孔压力明显上升；3．围岩渗水，顶板掉渣和围岩深部爆裂声。

图 1 压裂平面图图 2 压裂剖面图5.2 水力压裂条件下抽采半径考察对1煤层实体段水力压裂后进行抽采40天的抽采半径考察。

采用考察钻孔瓦斯压力变化的考察方案，具体考察方案如图3、4所示。

原压裂孔若封孔完好可以用压裂孔代替抽采孔，若压裂孔不具备代替抽采孔的条件可以在压裂孔附近岩性完好处补打抽采孔，原压裂孔必须重新注浆封堵(抽采孔安装四参数流量自动计量装置，所有装自动计量装置均实现在线监测)。

考察步骤为：压裂后排水完毕→确定抽放时间→预计抽放半径→打测压孔→压力稳定后→抽采→观察测压孔瓦斯压力变化→确定对应抽放时间的抽采半径。

具体如图3、4所示。

图3压裂效果考察平面图图 4 压裂效果考察剖面图对1煤实体段水力压裂后，对抽采孔和压裂孔进行合茬抽采，考察水力压裂条下抽采效果，具体考察指标为：抽采孔流量、纯量、浓度。

(压裂孔压裂完毕抽采时，压裂孔和抽采孔安装四参数流量自动计量装置，所有装自动计量装置均实现在线监测，所有抽采孔口均安装闸阀)5.3水力压裂条件下煤体含水量的考察为了测试水力压裂条件下水力压裂湿润半径，在距离压裂孔不同距离、分不同时间布置取芯钻孔取煤样，将煤样送往安徽理工大学热力学实验室化验煤体水分。

取芯钻孔布置如图5所示。

图5 取芯钻孔布置图如图5所示，距离压裂孔由远向近分别布置取芯钻孔。

具体布置取芯钻孔顺序为：压裂完毕排水2天后布置距离压裂孔45米的1#取芯钻孔，间隔两天后布置5#取芯钻孔，间隔两天后布置2#取芯钻孔，间隔两天后布置4#取芯钻孔，间隔两天后布置3#取芯钻孔。