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贵州大学 2015 届硕士研究生学位论文 水力压裂增透抽采技术 在重庆某矿的应用研究 学科专业 采 矿 工 程 研究方向 矿业系统工程 导师刘 勇 教 授 研 究 生黄定伟 中国﹒﹒贵州﹒﹒贵阳 2015 年 6 月 分 类 号 TD712 论文编号 2012021801 密级 公开 万方数据 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 I 目录 摘要....................................................................................................... I Abstract...............................................................................................III 第一章 绪论.................................................................................... 1 1.1 研究目的及意义.....................................................................................1 1.2 国内外研究现状.....................................................................................2 1.2.1 井下水力压裂方法的研究进展..................................................2 1.2.2 井下水力压裂工艺研究进展......................................................3 1.2.3 井下水力压裂装备......................................................................4 1.3 存在的主要问题.....................................................................................4 1.4 本文研究的主要内容及技术路线图.....................................................5 1.4.1 本文研究的主要内容..................................................................5 1.4.2 技术路线图..................................................................................6 1.5 应用矿井及应用区域概况.....................................................................6 1.5.1 应用矿井概况..............................................................................6 1.5.2 试验应用区域概况......................................................................6 1.6 本章小结.................................................................................................9 第二章 水力压裂卸压增透理论......................................................10 2.1 煤层微观孔裂隙结构...........................................................................10 2.2 水力压裂的渗流分析...........................................................................11 2.2.1 岩石（岩体）渗流力学特性....................................................11 2.2.2 岩石（岩体）的孔隙特征........................................................11 2.2.3 岩石（岩体）的渗透特征........................................................11 2.2.4 渗流-损伤耦合方程...................................................................12 2.2.5 单元渗透率-损伤耦合方程.......................................................12 2.3 水力压裂的破裂准则...........................................................................13 2.3.1 拉伸破裂准则............................................................................13 2.3.2 剪切破裂准则............................................................................14 2.4 水力压裂增透理论分析.......................................................................15 2.4.1 水力压裂裂缝产生及其展布形态分析....................................15 2.4.2 水力压裂破煤理论分析............................................................16 2.4.3 水力压裂的卸压增透作用........................................................17 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 II 2.5 本章小节...............................................................................................18 第三章 水力压裂卸压增透数值分析..............................................20 3.1 数值仿真模拟基本原理.......................................................................20 3.2 数值建模...............................................................................................20 3.2.1 模型加载应力............................................................................20 3.2.2 数值模型....................................................................................22 3.3 穿层水力压裂卸压增透数值分析.......................................................23 3.3.1 300m 二区北抽放巷.................................................................23 3.3.2 250m 一区南抽放巷.................................................................27 3.3.3 125m 一区南抽放巷.................................................................30 3.3.4 穿层压裂参数与埋深 h 的关系................................................33 3.4 顺层水力压裂卸压增透数值分析.......................................................36 3.4.1 1601N 回风巷.............................................................................36 3.4.2 1501N 回风巷.............................................................................39 3.4.3 1401S 回风巷..............................................................................42 3.4.4 顺层压裂参数与煤层坚固性系数 f 值的关系.........................45 3.5 顺层与穿层压裂技术比较...................................................................48 3.5.1 破煤注水压力............................................................................48 3.5.2 渗透范围....................................................................................48 3.5.3 渗透系数....................................................................................49 3.6 本章小结...............................................................................................49 第四章 水力压裂研究的现场应用及经济效益..............................52 4.1 水力压裂装备及施工工艺...................................................................52 4.1.1 水力压裂装备............................................................................52 4.1.2 水力压裂施工工艺....................................................................53 4.2 水力压裂研究的现场应用...................................................................55 4.2.1 原来水力压裂情况....................................................................55 4.2.2 水力压裂试验情况....................................................................55 4.3 试验技术与原来技术比较...................................................................71 4.3.1 200m 一区南抽放巷.................................................................71 4.3.2 1601S 采煤工作面......................................................................73 4.4 研究成果的经济效益...........................................................................74 4.4.1 试验区经济效益........................................................................74 4.4.2 推广区经济效益........................................................................77 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 III 4.5 本章小节...............................................................................................79 第五章 结论与展望..........................................................................83 5.1 主要结论...............................................................................................83 5.2 展望.......................................................................................................87 致谢......................................................................................................88 参考文献.............................................................................................89 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 I 水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 摘要 本文针对兴隆煤矿低透气性突出煤层，采用理论分析、数值模拟和现场试验 相结合的研究方法， 对其开展水力压裂卸压增透抽采技术的研究及研究成果应用 的经济效益分析。主要研究内容如下 （1）选取兴隆煤矿三个穿层和三个顺层水力压裂点，通过分析确定合理的 模型参数，应用 RFPA2D-Flow 渗流分析版数值分析软件，模拟得到煤岩体在注 水压力不断增加下的应力分布图和声发射图 （直观显现孔壁周围煤岩体从微裂隙 产生、逐渐扩展直至大面积破裂），并得出它们的水力压裂破煤注水压力、渗透 范围。 （2）通过对穿层及顺层压裂钻孔的模拟结果作进一步分析研究，分别求出 破煤注水压力 p、渗透范围 r 与煤层埋深 h、煤层坚固性系数 f 值的关系式，作 为试验钻孔压裂参数计算方法。 （3）通过选取200m 一区南抽放巷、1601S 采煤工作面为试验地点，根据 试验钻孔压裂参数计算方法设计试验钻孔间距及相关参数， 并进行水力压裂现场 试验，进而对检验钻孔煤样水分测试，得到试验钻孔实际压裂参数，其与压裂参 数计算方法所得结果表现出较好的一致性，说明该方法基本合理，可作为矿井水 力压裂钻孔间距及相关参数设计依据（地质构造带应用此方法时，需充分考虑其 影响）。 （4）经与矿井原有压裂钻孔进行技术比较，两试验地点的水力压裂钻孔间 距增加后，预抽块段煤层瓦斯的抽采率相差很小，但压裂钻孔利用率明显增加， 说明原有压裂参数设计不合理，应根据压裂参数计算方法，优化压裂参数，保持 增透效果，降低压裂成本，增加经济效益。 （5）通过对试验区和推广区采用试验方案和原有方案的水力压裂经济成本 进行比较，得出本文研究成果应用的经济效益。 关键词水力压裂；卸压增透；数值模拟；压裂试验；参数优化；经济效益 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 II APPlication Study on Hydraulic Fracturing Permeability Enhanced and Drainage Technology of a Coal Mine in Chongqing ABSTRACT Focusing on outburst coal seam with low permeability, the combination of theoretical analysis, numerical simulation and field test of the research s were used in this paper. Study on hydraulic fracturing permeability enhanced and drainage technology were carried out and the economic benefits of research results application were analyzed. The main research contents were as follows 1Three fracturing test holes which through coal seam and three along coal seam in Xinglong coal mine were respectively selected, the reasonable model parameters were determined, then RFPA2Dnumerical analysis software version - Flow seepage analysis was used to get the stress distribution and acoustic emission of coal or rock under the condition of water injection pressure increasingThe failure process which from micro fracture, gradually expanded, and to large fracture around the hole wall were directly displayed. The water injection pressure and permeability range were finally obtained. 2The simulation results for test holes which through coal seam and along coal seam were further analyzed, the relation ula between hydraulic fracturing coal injection pressure p, and the consistence coefficient of coal seam f, the permeability range r , the coal seam buried depth h were caculated respectively, which can be the calculation for fracturing parameters of testing boreholes . 3The south drainage roadways area at 200 m level, and the 1601s working face were selected as the experiment sites, the test borehole spacing and related parameters were designed according to the calculation for fracturing parameters of testing boreholes, and hydraulic fracturing field test were conducted. Through the coal sample moisture of test bores, the actual fracturing fracture parameters were obtained and had good agreement to the calculation fracturing 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 III parameters, which can illustrate the calculation for fracturing parameters was reasonable and can be the design basis of borehole spacing and related parameters for hydraulic fracturing in coal mine. 4Compared with the original fracturing technologyof coal mine, after hole spacing increased in two hydraulic fracturing test sites , the gas extraction efficiency were changed little for the drainage segment in coal seam, but the utilization efficiency of fracture holes obviously increased, which showed the original fracturing parameters wasdesign unreasonably. According to the caculation of fracturing parameters, the fracturing parameters should be optimized, the anti-reflection effect should be kept, the fracturing costs should be reduced, the economic efficiency would increase. 5A comparative analysis of economic costs for hydraulic fracturing was made between the scheme in experimental area and extension area, the economic benefit of research results application was obtained in this paper. Key words Hydraulic fracturing; pressure relived and permeability enhanced; numerical simulation; fracturing test;parameters optimization; economic benefit 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 1 第一章绪论 1.1 研究目的及意义 随着我国经济的高速发展，能源的需求量与日俱增，煤炭在我国一次能源消 费构成中已占七成左右，预计到本世纪中叶仍将占 50以上[1]。在各类煤矿灾害 事故中，瓦斯灾害尤为严重[2]。据相关部门统计，2010 年共计发生 135 起煤矿瓦 斯事故，死亡人数 593，平均每起瓦斯事故造成 4.39 人死亡[3]。 煤炭开采已逐步向深部转移，突出矿井的突出危险性越来越大，突出频率增 加，突出强度增大。因此，煤矿瓦斯治理和利用工作已成为煤矿安全工作的重中 之重，国家有关部门不断出台政策，强制要求突出煤层执行超前区域性措施消除 采掘工作面的突出危险性。根据国家安全生产监督管理总局第 19 号令防治煤 与瓦斯突出规定第十五条，突出煤层在采掘前必须采取区域防突措施，即开采 保护层和预抽煤层瓦斯。 目前，预抽煤层瓦斯的技术和装备越来越不能满足煤矿实际需求，主要表现 在煤层透气性差导致的瓦斯抽采效率低、抽采难度大、抽采难达标；钻孔工程量 大、工人劳动强度高、无效劳动多；煤层松软，抽放钻孔经常出现严重塌孔，抽 放措施难以有效实施到位[4]等。针对以上这些问题，我国许多学者已研究出高瓦 斯低渗透性煤层的强化增透技术，主要包括水力压裂、水力割缝、水力挤出、深 孔控制预裂爆破及高压水射流扩孔等技术 [5]。 近年来水力压裂作为一种高效的煤 层卸压增透抽采技术，逐渐被许多矿井采用，并取得了很好的效果。 理想的压裂增透效果不仅与煤层本身的赋存条件有关， 还与压裂钻孔间距等 压裂参数息息相关。因此，在摸清煤层赋存条件下，如何科学可靠地设计水力压 裂参数，指导现场作业，以达到“卸压、增透、经济”的最佳效果，是本文的研 究目标。基于此，本论文以 RFPA2D-Flow 为平台，对兴隆煤矿三个穿层和三个 顺层水力压裂点进行数值模拟，分别得到破煤注水压力 p、渗透范围 r 与煤层埋 深 h、煤层坚固性系数 f 值的关系，并通过现场试验验证，证实该方法的可靠性 和经济性。旨在为该矿井水力压裂卸压增透抽采技术提供一套科学、高效、经济 的方案，在保证应有的增透效果的前提下，降低水力压裂成本，增加矿井瓦斯抽 采量，减少采掘工作面瓦斯涌出来源，根本上减轻矿井瓦斯灾害程度，同时为其 他矿井实施水力压裂技术提供技术参考。 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 2 1.2 国内外研究现状 国内外对煤矿井下水力压裂技术的研究主要集中在压裂方法、 压裂工艺以及 压裂装备三个方面。 1.2.1 井下水力压裂方法的研究进展 水力压裂技术最早使用在油、气田的开发中。20 世纪 60 年代，前苏联将该 技术作为一种煤层卸压增透手段引入煤矿， 开始进行煤矿井下水力压裂试验研究 [6]。1991 年，C.M.Kim 和 H.H.Abass[7]进行了三轴水力劈裂试验，该试验以长方 体状的石膏代替岩体试件作为研究对象，研究劈裂方向与主应力方向之间的关 系。1993 年 Pater 等[8]通过三轴水力劈裂试验，观察到低渗透条件下均质坚硬砂 岩的放射状裂纹的稳定扩展， 并就此现象对最小主应力和注射速率之间的关系进 行研究。从 1993 年开始，波兰煤炭科学院[9]对水力压裂技术在煤矿井下坚硬顶 板条件下的应用进行了研究。 国内对水力压裂技术在煤层强化抽采瓦斯领域的应用始于 1965 年，煤炭科 学研究总院沈阳研究院（原煤炭科学研究总院抚顺分院）在全国首次通过地面钻 孔对煤层实施压裂，并进行现场试验，取得显著效果[10]。随后，我国先后在阳泉 一矿、白沙红卫矿，抚顺北龙凤矿及焦作中马矿等进行水力压裂试验，并取得一 些经验[11]。一些学者相继对水力压裂技术在煤矿的应用展开研究。陈勉、庞飞等 [12]采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件， 对立方体水泥砂浆试件代替岩 体进行水力劈裂试验，研究岩体水力劈裂裂纹的走向及裂纹宽度的影响因素。黄 文熙、丁金粟等应用厚、薄壁圆柱试件进行一系列水力劈裂试验研究，试验选用 土体材料，研究试件水力劈裂破坏的必要条件[13]。受岩样和试验条件的限制，煤 层的水力压裂试验，实验室模拟比较困难。 苏现波[14]等发明一种煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯方法， 该方法可以 采用顶底板顺层钻孔、顶底板穿层钻孔、本煤层顺层钻孔或本煤层穿层钻孔进行 水力压裂。 王魁军[15]等人发明一种穿层钻孔水力压裂疏松煤体瓦斯抽采方法， 该 方法是在顶（底）板岩巷（也可以在煤巷）向煤层打水力压裂钻孔，压裂钻孔进 入煤层的长度大于煤层厚度的 1/2 以上，在水力压裂钻孔周围打若干控制钻孔， 从水力压裂钻孔进行水力压裂，当压裂范围达到控制钻孔时，在水力压裂钻孔周 围一定距离煤体产生抗压薄弱区域， 高压水可以把水力压裂钻孔与控制孔之间的 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 3 煤体压穿。 马耕[16]等人发明一种煤层顺层水力压裂抽采瓦斯方法， 该方法是在煤 层顶（底）板顺层钻取一个或多个压裂孔，封孔后连接压裂泵进行压裂，达到预 计的压裂效果后，施工平行顶（底）板的瓦斯抽采孔，进行瓦斯抽采，否则继续 进行压裂。 受制于技术、装备等条件，水力压裂技术一直没有被大规模推广使用，近年 来随着煤矿对瓦斯抽采工作的重视， 该技术作为一种高效的煤层卸压增透抽采技 术，逐渐被许多矿井采用，并取得很好的效果。 1.2.2 井下水力压裂工艺研究进展 （1）常规水力压裂 常规水力压裂是将高压水（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，从而提高煤层的透气性，达到卸压增透的目的。常规水 力压裂已经在平顶山、鹤壁、焦作、义马、淮南等矿区得到应用，并取得较好的 效果[17]。 （2）定向水力压裂 ①定向孔定向压裂技术。李全贵、翟成等[18]提出定向孔定向水力压裂技术， 该技术是通过在水力压裂钻孔影响半径内施工定向钻孔实现定向水力压裂。 徐幼 平、 林柏泉等[19]也提出通过增加控制孔实现定向水力压裂的方法。 增加控制孔可 以诱导压裂过程中裂隙向定向孔方向生成与扩展，从而充分利用水力压裂能量。 ②割缝定向水力压裂技术。 郭峰[20]提出一种割缝定向水力压裂技术， 该技术 是采用高压脉冲水射流割缝方式，在与煤层主裂隙垂直方向制造新裂隙。 （3）高压脉动水力压裂 林柏泉[21-22]等提出高压脉动水力压裂卸压增透技术， 该技术是利用供水泵所 提供的动力源，将恒压水通过脉动泵作用后，输出具有周期性的脉冲射流，在脉 动压裂作用下破裂煤体所需的压力比恒压作用下的小，降低对设备的要求。翟成 等[23]在普通水力压裂和脉动注水技术的基础上， 提出煤层脉动水力压裂卸压增透 技术， 该技术是将具有一定频率的脉动水持续注入钻孔中， 最终形成新的裂隙网。 （4）井下点式水力压裂 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 4 富向[24]提出一种井下点式水力压裂技术。 该技术是将常规水力压裂中压裂作 用“面”改为“点”，利用特制的封孔器将整个钻孔分为数段，每次将压力集中 在一“点”上按一定的顺序分段实施压裂，由于作用点比较集中，较小的流量即 可获得好的压裂效果。 1.2.3 井下水力压裂装备 常规煤矿井下压裂系统由高压压裂泵、水箱、高压管路等组成。 目前，井下水力压裂使用的压裂泵大多是煤矿用乳化液泵，额定压力一般为 31.5MPa、额定流量为 400L/min 左右。三缸柱塞泵也可作为压裂泵，其最大工 作压力 50MPa，最大工作排量 1.5 m3/min，具有多档变速的特点，可以实现压力 和泵排量等参数的瞬时数据实时记录和历史曲线显示的功能。 陕西宝鸡航天动力 泵业有限公司研制的 HTB500 型注水泵，电机功率 400kW，额定压力 50MPa， 注水量为 1066m3/h，可远距离操控，满足井下压裂大流量、高压力的需求[25]。 1.3 存在的主要问题 水力压裂作为一种有效增强煤层透气性能的技术， 其最早应用于采油行业的 低渗油藏，应用于煤层较晚。通过不断的研究与发展，该技术可促进煤层卸压增 透，明显提高瓦斯抽采量，但仍存在许多问题，主要概括如下 （1）对水力压裂参数的确定尚未形成一套科学的理论体系来指导实践。目 前，关于水力压裂破煤注水压力 p、渗透范围 r 与煤层坚固性系数 f 值、煤层埋 深 h 的关系缺少系统深入的研究。 许多矿井的水力压裂技术并没有达到的 “卸压、 增透”的理想效果，究其原因，主要是对水力压裂参数没有一个可靠而清晰的预 见性，压裂参数设计不合理。 （2）许多研究者着力于水力压裂增透抽采效果的单目标，忽略水力压裂的 压裂成本。井下现场条件千差万别，水力压裂技术在实际应用中除了要考虑技术 可行的单目标外，还须考虑经济是否合理。只有寻求技术与经济的双目标，才能 实现水力压裂技术的“卸压、增透、经济”。 1.4 本文研究的主要内容及技术路线图 1.4.1 本文研究的主要内容 井下水力压裂技术是一种较为复杂的工艺，影响压裂效果的参数也较多，不 同煤体结构、不同埋深的压裂参数不尽相同、压裂成本也差距很大。本文旨在为 万方数据 贵州大学硕士学位论文水力压裂增透抽采技术在重庆某矿的应用研究 5 该矿井水力压裂卸压增透抽采技术提供一套科学、高效、经济的方案，在保证应 有的增透效果的前提下，降低水力压裂成本，增加矿井瓦斯抽采量，减少采掘工 作面瓦斯涌出来源，根本上减轻矿井瓦斯灾害程度，同时为其他矿井实施水力压 裂技术提供技术参考。 基于此，本论文以 RFPA2D-Flow 为平台，对兴隆煤矿三个穿层和三个顺层 水力压裂点进行数值模拟，分别得到破煤注水压力 p、渗透范围 r 与煤层埋深 h、 煤层坚固性系数 f 值的关系，用于指导现场试验，并通过现场试验结果验证该方 法的合理性，最终形成一套适用于兴隆煤矿的水力压裂参数选取方法，同时对其 指导下的水力压裂技术与矿井原有技术进行技术经济分析比较， 得出本文研究成 果应用的经济效益。本文研究的主要内容如下 （1）基于前人的理论研究成果的基础上，分别从煤层微观孔裂隙结构、水 力压裂的渗流、水力压裂的破裂准则对煤层水力压裂卸压增透技术进行理论分 析，并进一步结合兴隆煤矿实际情况，从水力压裂裂缝产生及其展布形态、水力 压裂破煤理论、 水力