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文檔簡介

1、水力壓裂綜合增透技術(shù)“三新”培訓(xùn)授課教案授課人: 授課時間: 授課內(nèi)容:水力壓裂綜合增透技術(shù)發(fā)展歷程及原理 我國煤礦多為高瓦斯低透氣性礦井,在礦井各類重、特大事故中,瓦斯事故所占比重最大,對礦井造成的損失最嚴(yán)重。且隨著煤層開采深度增加, 突出煤層的數(shù)量也呈增加趨勢,煤與瓦斯突出礦井也隨之增多,煤與瓦斯突出已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的瓶頸問題。解決高瓦斯低透氣性煤層煤與瓦斯突出問題的關(guān)鍵在于提高煤層滲透率,有效進(jìn)行瓦斯抽采。當(dāng)前的方法主要包括突出煤層鉆深孔、深孔預(yù)裂爆破和一些水力化措施。突出煤層鉆深孔的方法在松軟煤層鉆孔過程中往往會出現(xiàn)塌孔、噴孔和夾鉆等問題,致使鉆孔長度小,鉆孔數(shù)量多,而達(dá)不到預(yù)定

2、抽采效果;深孔爆破雖然能夠起到松動原始煤體達(dá)到提高滲透率的作用,但在具有煤與瓦斯突出危險的煤層中采用時常常會誘發(fā)突出災(zāi)害的發(fā)生;水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用,特別是針對高瓦斯低透氣性煤層研究趨于成熟。一、水力壓裂技術(shù)發(fā)展歷程水力壓裂技術(shù)是油氣井增產(chǎn)、水井增注的一項重要技術(shù)措施。當(dāng)高壓泵組將高粘液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中,在井底附近憋起超過井壁附近地應(yīng)力及巖石抗張強(qiáng)度的壓力后,即在地層中形成裂縫。隨著帶有支撐劑的液體注入裂縫中,裂縫逐漸向前延伸。這樣在地層中形成了足夠長度一定寬度及高度的填砂裂縫。由于它具有很高的滲濾能力,使油氣能夠通暢流入井中,起到增產(chǎn)增注的作

3、用。初級運(yùn)用階段。最初的水力沖孔消突措施于1965年在原南桐礦務(wù)局魚田堡煤礦試驗成功。70年代原國家燃化部對原南桐礦務(wù)局“利用水力沖孔防止煤與瓦斯突出技術(shù)”進(jìn)行了總結(jié)和推廣。優(yōu)化調(diào)整階段。2006年,重慶大學(xué)研發(fā)“多相振蕩射流及其在低透氣性煤層中瓦斯抽采的關(guān)鍵技術(shù)”。即水力割縫技術(shù),經(jīng)過2年多的艱苦攻關(guān),研制出了高壓水射流切縫系統(tǒng)裝備,制定了施工工藝。解決了瓦斯增透的難題,該項目獲得了2008年度國家科技進(jìn)步二等獎。水力割縫技術(shù)目前已在全國進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。創(chuàng)新提升階段。2009年,科研集團(tuán)在推廣應(yīng)用水力割縫的基礎(chǔ)上,開始跟蹤行業(yè)內(nèi)外高新技術(shù)的發(fā)展,學(xué)習(xí)低滲油氣藏開發(fā)的世界先進(jìn)技術(shù),堅持跨行業(yè)、

4、跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新,系統(tǒng)借鑒、消化吸收成熟技術(shù)。集中力量攻破泵組配套、壓裂設(shè)計、封孔設(shè)備、濾失傷害、返排機(jī)理、連續(xù)作業(yè)和效果評估等方面難點(diǎn),初步解決了頁巖氣開發(fā)技術(shù)在煤礦井下使用的適應(yīng)性難題,成功借鑒了頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)水力壓裂技術(shù)。經(jīng)過集成創(chuàng)新,研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵裝備和壓裂技術(shù),形成了低透氣性煤層特色的水治瓦斯技術(shù)體系。二、水力壓裂技術(shù)原理水力壓裂是一種集區(qū)域和局部瓦斯治理為一體的新工藝。將地面煤層氣開發(fā)的成熟技術(shù)移植到井下,針對不同煤體結(jié)構(gòu)煤儲層,采用不同的壓裂方案,以達(dá)到增透、提高抽采效率、縮短抽采時間的目的。 水力壓裂技術(shù)就是通過鉆孔向煤層壓入液體,當(dāng)液體壓入的速度和壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)

5、超過煤層的自然吸水能力時,由于流動阻力的增加,進(jìn)入煤層的液體壓力就會逐漸上升,當(dāng)超過煤層上方的巖壓時,煤層內(nèi)原來的閉合裂隙就會被壓開形成的流通網(wǎng)絡(luò),煤層滲透性就會增加,壓開的裂隙就為煤層瓦斯的流動創(chuàng)造了良好的條件。井下水力壓裂可顯著增加煤層的透氣性,在無需過高抽采負(fù)壓的情況下即可實現(xiàn)有效抽采,加上封孔技術(shù)的改進(jìn),可最大限度降低抽采過程中的漏氣現(xiàn)象,提高抽采瓦斯?jié)舛取Mㄟ^壓裂可實現(xiàn)掘進(jìn)頭深孔壓裂增透可實現(xiàn)大循環(huán)進(jìn)尺,降低區(qū)域消突工程成本。針對我礦6-2煤煤層瓦斯壓力高、含量高及透氣性低的特點(diǎn),通過研究煤層水力壓裂機(jī)理,優(yōu)化水力壓裂參數(shù),增加煤層相互貫通裂隙的數(shù)目和增大單一裂隙面的張開程度,可以大

6、大提高煤層滲透率,提高瓦斯抽采效果。水力壓裂綜合增透技術(shù)“三新”培訓(xùn)授課教案授課人: 授課時間: 授課內(nèi)容:水力壓裂鉆孔鉆孔施工、封孔工藝及壓裂設(shè)備安裝一、水力壓裂鉆孔鉆孔施工、封孔工藝(1)壓裂鉆孔布置在巷道鉆場內(nèi)布置一個壓裂孔,孔徑113mm,終孔位于掩護(hù)巷道輪廓線內(nèi)。(2)水力壓裂施工流程壓裂準(zhǔn)備工作施工壓裂鉆孔和觀察孔壓裂鉆孔封孔高壓水力壓裂施工考察鉆孔考察壓裂半徑施工抽采鉆孔考察抽采半徑。(3)壓裂鉆孔施工工藝1)施工采用153mm復(fù)合片鉆頭開孔施工10m,下入8m108mm巖芯管,再向孔壁和巖芯管之間下入一路4m長4分返漿管,采用棉紗和聚氨酯封堵孔壁1.5m以上,后在巖芯管口裝上帶

7、注漿撥頭的法蘭盤,注入水泥漿(水灰比=0.7:1),直至4分管返漿,然后關(guān)閉返漿管閘閥,繼續(xù)向巖芯管內(nèi)帶壓注漿。2)待水泥漿凝固后,在孔口安裝代防噴裝置。使用94mm復(fù)合片鉆頭帶水施工至預(yù)計見煤點(diǎn)前2m,起出鉆桿,下1寸PVC管至孔底,在孔口處與法蘭盤上的1寸返漿撥頭連接,通過法蘭盤上的注漿撥頭進(jìn)行全孔注漿(水灰比=0.7:1),注漿壓力不低于4MPa。3)待水泥漿凝固(不少于24小時)后,使用94mm復(fù)合片鉆頭進(jìn)行透孔,并帶壓風(fēng)過煤施工至6-2煤頂板1m處。(4)壓裂孔封孔方法采用42mm無縫鋼管封孔。鉆孔采用“一堵多注、帶壓注漿”方式進(jìn)行封孔??變?nèi)下入42mm無縫鋼管,實管下至見煤后0.5

8、m位置,其余見煤段為高壓篩管(篩管前端封實,篩管采用紗布包裹),高壓篩管與壓裂管通過特制變頭進(jìn)行連接,孔口外露不小于400mm??變?nèi)下4分注漿管4m,4分返漿管至見煤點(diǎn),孔口采用聚氨酯加棉紗進(jìn)行封堵固定(長度不小于1.5m)。聚氨酯固孔結(jié)束后,利用注漿泵進(jìn)行注漿,根據(jù)實際情況采用多次注漿,首先從注漿管注漿至返漿管返漿,關(guān)閉注漿管閘閥,然后間隔1小時再次通過返漿管注漿,從無縫鋼管返漿。(5)施工觀察孔水力壓裂前按設(shè)計要求施工觀察孔,觀察孔施工、封孔工藝同壓裂鉆孔,根據(jù)觀察孔出水情況,初步判斷水力壓裂影響范圍。二、水力壓裂設(shè)備安裝(1)壓力泵選擇水力壓裂根據(jù)壓裂所需的壓力選擇相應(yīng)的乳化泵,如選擇B

9、RW200/31.5型乳化泵(額定功率125KW,額定壓力31.5MPa,額定流量200L/min;壓力可在031.5MPa間任意調(diào)節(jié))。(2)高壓系統(tǒng)組成除乳化泵外,高壓水力壓裂系統(tǒng)由壓力表、卸壓閥、高壓膠管及相關(guān)裝置連接接頭等組成,本次壓裂所需要的設(shè)備、材料,詳見表1。表1:南翼6煤底板矸石膠帶機(jī)巷高壓水力壓裂材料清單表序號用途名稱規(guī)格數(shù)量1鉆孔鉆進(jìn)礦用鉆機(jī)ZDY-3200S型1臺2鉆頭153mm2個3鉆頭94mm2個4鉆頭133mm2個5肋骨鉆桿73/63.5mm(1.0m/根)60根6封孔無縫鋼管42mm(1.0m/根)120根7鐵管4分50m8水泥50Kg/袋20袋9聚氨酯A、B10

10、0套10注漿泵ZBY-5.0/7-J型煤礦用液壓注漿泵1臺11參數(shù)測定設(shè)備瓦斯綜合參數(shù)測定儀D504臺12瓦斯綜合參數(shù)測定儀D802臺13瓦斯綜合參數(shù)測定儀D1502臺14瓦斯傳感器GJC100(A)6臺15壓裂設(shè)備耐震壓力表040MPa2個16乳化泵BRW200/31.51臺17高壓管接頭25mm若干18高壓膠管25mm200m19開關(guān)QBZ-3151臺20流量表1只(2)高壓系統(tǒng)安裝將井下供水管連接至高壓乳化泵的水箱進(jìn)水口,通過乳化泵加壓后,采用25mm高壓膠管以及快速接頭連接到壓裂鉆孔孔口直徑42mm無縫鋼管,將高壓水流輸送至鉆孔內(nèi)(乳化泵必須安設(shè)卸壓閥)。水力壓裂綜合增透技術(shù)“三新”培

11、訓(xùn)授課教案授課人: 授課時間: 授課內(nèi)容:高壓水力壓裂實施方案及安全措施水力壓裂可按以下工藝流程進(jìn)行:壓裂準(zhǔn)備工作及安全技術(shù)措施 HYPERLINK l _Toc347406171 高壓水力壓裂安全技術(shù)措施壓裂后安全技術(shù)措施。1、壓裂準(zhǔn)備工作及安全技術(shù)措施1)壓裂準(zhǔn)備工作由機(jī)電部提供水力壓裂地點(diǎn)供電方案,保證滿足用電負(fù)荷要求,并安排人員現(xiàn)場指導(dǎo)乳化泵安裝、使用、維護(hù)事項。抽采隊將25mm高壓膠管從乳化泵出口連接至壓裂鉆孔。詳見高壓管路系統(tǒng)連接示意圖2)安全技術(shù)措施(1)該巷道為全負(fù)壓通風(fēng),必須保證該巷道風(fēng)量不小于1000m3/min。(2)監(jiān)控隊負(fù)責(zé)在壓裂孔回風(fēng)側(cè)最后一個觀察孔510m范圍內(nèi)安

12、裝瓦斯傳感器,其報警點(diǎn)為1.0%,斷電點(diǎn)為1.0%,復(fù)電點(diǎn)1.0%,斷電范圍為乳化泵及回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。同時在乳化泵附近懸掛瓦斯便攜儀,測氣員必須檢查工作面、回風(fēng)流、乳化泵、開關(guān)附近的瓦斯?jié)舛?,?dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?.5%時,方可開泵注水。(3)進(jìn)入該區(qū)域的人員必須隨身攜帶完好的隔離式自救器。壓風(fēng)自救器安設(shè)規(guī)定:在水力壓裂施工地點(diǎn)乳化泵所在位置安設(shè)一組壓風(fēng)自救裝置,每組壓風(fēng)自救器供風(fēng)量符合規(guī)程要求。壓風(fēng)自救器由通風(fēng)隊負(fù)責(zé)安設(shè)、管理和維護(hù),發(fā)現(xiàn)問題及時檢修或更換,必須保證其完好可靠,進(jìn)入該區(qū)域的所有人員必須掌握使用方法。(4)乳化泵必須安排專職司機(jī)操作,司機(jī)必須經(jīng)過培訓(xùn),持證上崗,掌

13、握設(shè)備性能及安全措施,且操作熟練、責(zé)任心強(qiáng),嚴(yán)格按照泵站司機(jī)操作規(guī)程操作,密切關(guān)注乳化泵泵箱水位,防止排空,如供水不及時或出現(xiàn)緊急情況時,必須立即停泵。泵站司機(jī)必須嚴(yán)格按指令進(jìn)行操作。(5)高壓管路系統(tǒng)必須完好可靠,高壓管路(包含卸壓軟管)連接必須設(shè)置卸壓閥并使用專用配套卡子卡牢,每間隔5m采用鋼絲繩配卡子固定在風(fēng)、水、瓦斯管路或皮帶機(jī)H架上。(6)水力壓裂材料不得使用自制件;(7)井下施工作業(yè)期間嚴(yán)禁使用劣質(zhì)材料;(8)高壓材料在使用前必須做一次全面檢查,確保無明顯劃痕、裂隙等影響使用性能的缺陷后方可投入使用;(9)煤層水力壓裂實施前,由專人負(fù)責(zé)注水無關(guān)人員的撤離工作,待人員全部撤到警戒區(qū)域

14、外,由抽采隊安排專人在包含施工區(qū)域(泵站前后20m)及壓裂區(qū)域(超過壓裂孔、檢驗孔開孔點(diǎn)、終孔點(diǎn)在巷道對應(yīng)位置延伸20m)設(shè)置警戒,注水期間嚴(yán)禁任何人員入內(nèi)。具體見附圖1。(10)水力壓裂前,觀察孔必須全部打開。(11)壓裂鉆孔孔口必須施工一根專用鎖緊錨桿,并用鋼絲繩將高壓軟管鎖在錨桿上,且不得少于兩副配套繩卡;專用鎖緊錨桿施工位置離孔口不小于1m。(12)確定合理的避災(zāi)路線。(13)其它未盡事宜按煤礦安全規(guī)程、鉆工操作規(guī)程以及防治煤與瓦斯突出規(guī)定等相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。2、 HYPERLINK l _Toc347406171 高壓水力壓裂安全技術(shù)措施1)壓裂方案待壓裂鉆孔封孔注漿完成并凝固24小時后

15、,即對壓裂鉆孔進(jìn)行高壓水力壓裂。壓裂時,首先將乳化泵壓力靜壓調(diào)至2MPa,然后開始實施壓裂。逐步將壓力調(diào)至5MPa、10MPa、15MPa。壓裂過程中,由抽采隊安排專人對乳化泵的壓力變化情況、注入水量情況進(jìn)行統(tǒng)計,直至乳化泵壓力上升到15MPa,并穩(wěn)定半小時后,或流量表顯示無流量時,方可結(jié)束壓裂。2)安全技術(shù)措施(1)每次開乳化泵以前必須對使用的高壓零部件每班開泵前必須逐一進(jìn)行檢查,確保無異常后方可開泵。(2)當(dāng)乳化泵的壓力上升至額定壓力時,若壓力仍有明顯上升趨勢,必須立即停止注水,同時匯報隊值班室和礦調(diào)度,防止設(shè)備損壞及其它事故的發(fā)生。(3)當(dāng)乳化泵的壓力上升到15Mpa時,并穩(wěn)定半小時后,

16、必須立即停止注水。(4)壓裂期間,瓦斯監(jiān)控機(jī)房值班人員必須連續(xù)觀察壓裂區(qū)域瓦斯變化情況并打印記錄,發(fā)現(xiàn)異常必須立即匯報調(diào)度所。(5)壓裂期間,如發(fā)現(xiàn)巷幫頂有出水、掉渣及支護(hù)材料變形、失效等異常情況時,必須立即停止壓裂,匯報礦調(diào)度,采取可靠措施處理后方可繼續(xù)壓裂。3、 HYPERLINK l _Toc347406172 壓裂后安全技術(shù)措施(1)組織人員對進(jìn)行巷道幫頂、壓裂鉆孔、觀察孔進(jìn)行檢查,確認(rèn)無誤后,人員方可進(jìn)入壓裂區(qū)域。(2)壓裂結(jié)束后,打開壓裂孔及防水孔進(jìn)行放水,放水不少于10天。(3)檢修、拆卸壓裂泵及附屬設(shè)備、材料、配件前,必須確保充分卸壓,卸壓時必須確保卸壓管口無人作業(yè)。當(dāng)壓力表指

17、示降到0MPa時,先關(guān)閉進(jìn)水閘閥,然后打開孔口卸壓閘閥進(jìn)行卸壓,然后方可拆開高壓膠管。水力壓裂綜合增透技術(shù)“三新”培訓(xùn)授課教案授課人: 授課時間: 授課內(nèi)容: 水力壓裂參數(shù)收集及效果考察一、壓裂半徑考察壓裂過程中,出現(xiàn)以下情況之一判定壓裂半徑有效:(1)觀察孔明顯出水。(2)化驗考察孔煤層含水率,煤層瓦斯含量。(3)圍巖滲水,頂板掉渣和圍巖深部爆裂聲。二、未壓裂區(qū)域鉆孔抽采效果考察在未壓裂區(qū)域選擇4組鉆孔(每組9個孔)進(jìn)行抽采效果考察,作為1個計量單元,安裝1套DN80mm在線計量裝置,考察計量單元濃度及抽采純量。同時考察2組組孔抽采濃度及純量,安裝2套DN50mm在線計量裝置,若需考察單孔抽

18、采濃度、純量,則選取部分鉆孔進(jìn)行考察;整個評價單元安裝在線自動計量裝置,考察評價單元抽采濃度及純量,考察時間為30天。表1 未壓裂區(qū)域抽采效果考察表組號單組抽采濃度單組抽采純量計量單元抽采濃度計量單元抽采純量評價單元抽采濃度評價單元抽采純量抽采達(dá)標(biāo)時間三、壓裂區(qū)域鉆孔抽采效果考察在壓裂區(qū)域選擇4組鉆孔(每組9個孔)進(jìn)行抽采效果考察,作為1個計量單元,安裝1套DN80mm在線計量裝置,考察計量單元濃度及抽采純量。同時考察2組組孔抽采濃度及純量,安裝2套DN50mm在線計量裝置,若需考察單孔抽采濃度、純量,則選取部分鉆孔進(jìn)行考察;整個評價單元安裝在線自動計量裝置,考察評價單元抽采濃度及純量,考察時

19、間為30天。表2 壓裂區(qū)域抽采效果考察表組號單組抽采濃度單組抽采純量計量單元抽采濃度計量單元抽采純量評價單元抽采濃度評價單元抽采純量抽采達(dá)標(biāo)時間四、每周對上述資料進(jìn)行統(tǒng)計分析,形成考察報告。五、顧北煤礦南翼矸石膠帶機(jī)巷水力壓裂應(yīng)用考察實例(1) 水力壓裂影響半徑考察1)壓裂期間巷道出水情況水力壓裂前,向迎頭方向距離Y1壓裂孔40m、60m、80m各布置1個考察孔,在Y1壓裂孔處,垂直巷道方向30m、50m各布置1個考察孔,背向迎頭方向距離Y1壓裂孔45m、60m各布置1個觀察孔,壓裂期間出水情況為南翼6煤底板矸石膠帶機(jī)巷距壓裂孔40m位置巷頂快速滴水,40m外壓力孔出現(xiàn)少量滴水情況,壓力孔初步判斷壓裂影響范圍40m。2)考察孔考察情況壓裂結(jié)束保水18天后,施工考察孔,以壓裂孔為中心由遠(yuǎn)到近施工,同時采集考察孔取樣分析煤樣含水率、煤層堅固性系數(shù)、瓦斯含量等指標(biāo),并結(jié)合施工考察孔出水及壓力情況分析有效壓裂影響范圍,如下圖。水力壓裂考察孔布置圖煤層堅固性系數(shù)未壓裂區(qū)域煤層堅固性系數(shù)f:0.53壓裂區(qū)域煤層堅固性系數(shù)孔號K1K6K7K8K9K10壓

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