煤矿从业人员应知应会培训课件煤矿井下水力压裂增透抽采技术.ppt

煤矿井下水力压裂增透抽采技术,,主要内容,,,,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,,1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,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,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,,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,注入压力＞滤失压力,条件,,,,,,裂缝延伸原理,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,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,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,煤与砂岩力学性质差异,,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,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,压裂所需设备清单,设备连接,压裂泵组,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,封孔工艺,,①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,压裂工艺,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,打通一矿共实施4次水力压裂,试验地点的煤层、瓦斯情况,试验地点煤层埋深约为500590m。,钻孔布置,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,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。,煤矿现场试验第一阶段,试验地点概况本次试验选择在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。,煤矿水力压裂,,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10m25m、纵向10m25m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。,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1722MPa。,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、26m、31m、37m处打孔进行含水量测定。,瓦斯抽放量及瓦斯浓度,相比割缝孔，定向压裂孔平均单孔瓦斯纯量提高4.1倍，抽放浓度提高5.57倍；相比普通孔定向压裂孔平均单孔瓦斯纯量提高了12.3倍，抽放浓度提高6.98倍。,石磊煤矿水力压裂,压裂地点定为N三区２＃材料上山8煤层揭煤点,,,,,地质孔,压裂孔,31m,19m,压裂过程,7月29日早班1140实现双泵并联正常运行，初始注水压力26MPa，流量666L/min，随后压力逐渐上升，在1411～1750注水压力一直稳定在32MPa～35.5MPa，流量未变。1750后注水压力逐渐下降，N三区310总回风在7瓦斯巷回风联络巷开口以南约3米处底板有一摊煤浆，巷顶钻孔（距压裂孔75米）有淋水，压力稳定在20MPa～21.5MPa，流量666L/min。1944后压力突然下降至16.6MPa，此时注水流量未变，但北三区8瓦斯巷碛头探头报警（该头未作业），停止压裂检查为２＃材料上山密闭墙周边裂缝瓦斯渗出。当日注水量188m3，累计注水量272m3。,7月29日19点45分，由于水力压裂造成N三区２＃材料上山原施工的地质孔涌出大量瓦斯，通过２＃材料上山密闭墙周边裂缝渗出，造成N总回风瓦斯最高达0.7％，涌出瓦斯总量420m3。N三区8瓦斯巷局扇进风探头瓦斯超限，最高达3.15，超限时间45分钟,涌出瓦斯总量196m3。至8月11日累计抽放瓦斯11500m3。,抽采效果,谢谢,