1351底抽巷水力压裂汇报材料.doc

1351（3）底抽巷水力压裂技术 1351（3）底抽巷水力压裂 汇报材料 二〇一三年六月三日 一、概况 1351（3）底抽巷标高-670.5～-667.1m，距13-1煤底板法距18～23m，设计全长1118m，断面3.6m 3.3m，采用锚网索支护。巷道岩性为砂质泥岩，顶板至13-1煤层底板岩性依次为砂质泥岩（10.1m）、花斑泥岩（3.6m）、砂质泥岩（0.6m）、炭质泥岩（3.0m）、泥岩、12煤（0.7m）、砂质泥岩（4.5m），巷道底板为砂质泥岩。 在1351（3）底抽巷施工穿层钻孔掩护1351（3）下顺槽掘进，每60m施工一个钻场，共19个。钻孔终孔间距10m5m，控制范围为巷道两帮轮廓线外15m范围，总钻孔量6.5万m。1351（3）下顺槽标高-655～-651m，处于突出煤层突出危险区，平均煤厚5.5m，煤层倾角13.5，煤层原始瓦斯压力1.12MPa，瓦斯含量为5.40m3/t，煤层透气性系数为0.00136m2/MPa2d。 二、压裂系统组成 采用BRW400/31.5型乳化泵（额定压力31.5MPa，额定流量400L/min）,注水管路为∮31.5mm高压胶管。单独敷设一路DN80供水管路，保证水量充足。注水系统及管路连接见图1。 图1 水力压裂系统安装示意图 三、压裂孔封孔 采用直径∮113mm钻头施工至13-1煤止煤点，过煤段全程压风撤钻，岩石段压力水排渣，确保钻孔畅通，钻杆撤出后改为∮153mm钻头扩孔5m。 采用∮73.5肋骨钻杆为注水管，过煤段每根钻孔布置8～10个花眼，利用钻机下入孔内，孔口聚氨酯封堵1.5m，外露钻杆连接∮73.5mm变∮31.5mm高压快速接头。 封孔注浆至13-1煤见煤点，二次带压注浆。第一次注浆水灰比0.91,注浆终压2MPa，第一次注浆水灰比0.71,注浆终压4MPa。 四、水力压裂开展情况 第一阶段（Y12钻场） 本次试验压裂孔布置在Y12钻场内，Y11钻场布置1个检验孔，两孔终孔间距 60m。 图2 Y12钻场水力压裂半径考察钻孔设计图 表1 Y12钻场压力半径考察钻孔施工参数表 孔 号 方位 倾角 孔深 13-1煤见止煤 12-40（压裂孔） -6 34 36 21.6m-31.3m 11-40（检验孔） -5 34 38 25.5m-36.5m 1.水力压裂过程 3月12日中班开始进行水力压裂，设定初始压力20MPa,3月22日中班1300注水泵压稳定在21～22MPa，1411泵压突然上升至28MPa，持续时间约3s，随后泵压迅速降至20MPa，跟班人员立即前往11钻场,发现11-40检验孔明显出水，水量2 L/min,水温34℃，随即停止注水。本次试验最大注水压力31MPa，累计注水量375m3。具体注水情况统计表见表2。 水力压裂期间，设定注水压力由20MPa→24MPa→26MPa→28MPa逐渐升高，压力变化曲线图见3。 表2 1351（3）底抽巷12钻场水力压裂注水统计表 日 期 班 次 最大注水泵压 （MPa） 注水量 （m3） 日 期 班 次 最大注水泵压（MPa） 注水量（m3） 3月12日 中 19 7.6 3月18日 夜 / / 3月13日 夜 19 28.3 早 / / 早 18 8 中 25 10.8 中 26 27.2 3月19日 夜 / / 3月14日 夜 26 19.8 早 / / 早 25 10.3 中 26 4.9 中 27 20.7 3月20日 夜 28 0.3 3月15日 夜 27 12.5 早 28 24.6 早 28 21.1 中 31 16.1 中 27 23.6 3月21日 夜 27 2.7 3月16日 夜 26 37.9 早 29 13.4 早 26 29.6 中 / / 中 23 12.4 3月22日 夜 / / 3月17日 夜 / / 早 28 32.8 早 / / 中 中 25 10.8 累计 375 图3 水力压裂压力变化曲线图 2.注水情况分析 从上图可以看出，压裂过程中注水压力处于一个不断升高→降低→再升高的往复震荡过程，当注入的高压水充满现有裂隙后，水流受到阻碍，压力增高而积蓄势能，当能量积蓄到一定程度后煤体再次破裂形成新的裂隙，势能转化为动能，导致压力降低，注水量增加； 3.煤层瓦斯基础参数测定 3.1水力压裂影响半径 （1）在Y12钻场内施工3个倾向压裂考察钻孔（Y3、Y2、Y1），有远至近进行施工，考察半径分别为60m、40m、30m。 （2）在Y13钻场内施工4走向压裂考察钻孔（Y3、Y2、Y1），有远至近进行施工，考察半径分别为90m、70m、50m。 数据分析 根据表2煤层水分测定统计数据，距离压裂孔30m处煤层水分高达11，距离60m处为6.6，以煤层含水率≥4为影响范围，初步判断压裂有效影响半径为60m。距离压裂孔越近煤层坚固性系数越低，瓦斯含量越小，说明在压裂作用下煤层受到挤压揉碎，同时瓦斯不断向外挤压运移。 图4 水力压裂影响半径考察钻孔平面布置图 表3 压裂区域瓦斯基础参数测定统计表 钻场 取样孔号 取样日期 送样时间 水分（） f值 △P 瓦斯含量 （m3/t） 备注 安理大 煤质科 Y13 Y3 4-2夜 4-2中 1.96 2.0 0.75 4.2 4.42 走向90m Y2 4-2中 4-3早 2.83 2.0 0.76 6.4 4.12 走向70m Y1 4-3夜 4-3早 6.37 6.7 0.70 7.8 3.95 走向50m Y12 Y4 4-6早 4-6中 3.3 3.1 1.1 3.8 5.29 倾向70m Y3 4-4中 4-5早 8.22 6.6 0.96 5.6 4.56 倾向60m Y2 4-4夜 4-5早 5.13 6.0 0.83 3.6 4.72 倾向40m Y1 4-5早 4-5中 10.41 11.0 0.63 7.8 4.11 倾向30m 3.2水力压裂钻孔抽采半径 在压裂区域边缘，Y13钻场内施工4个抽采半径考察孔（C1、C2、C3、C4），考察半径分别为5m、7m、9m、11m， 采用示踪法测定钻孔有效抽采半径，Y1钻孔为SF6注入孔。 图5 压裂区域抽采半径考察钻孔布置图 距离释放SF6钻孔分别为9m和11m的收集孔测得SF6浓度随时间的曲线如图8所示。 图6 SF6浓度时间变化曲线图 结论通过分析，压裂区域钻孔抽采有效影响半径达11m。 3.4煤层透气性系数及衰减系数 在Y9钻场布置2个钻孔，测定原始煤层透气性系数及衰减系数，在Y12钻场布置2个钻孔，测定压裂区域煤层透气性系数及衰减系数。具体测定情况如下 图7 Y9钻场T1钻孔钻孔瓦斯涌出量衰减曲线 Y9钻场T1钻孔钻孔瓦斯流量衰减系数β为0.6778 d-1 图8 Y12钻场T1钻孔钻孔瓦斯涌出量衰减曲线 Y12钻场T1钻孔钻孔瓦斯流量衰减系数β为0.484d-1 表4 煤层透气性系数测试原始数据记录表 煤层 孔号 煤层瓦斯压力P0 /MPa 排放孔口压力P1 /Mpa 钻孔半径r1 /m 时间t /d 时间t时流量q /m3/d 煤孔长L /m 13-1 Y9钻场T1钻孔 2.17 0.1 0.0565 4 2.52 4 Y12钻场T1钻孔 2 0.1 0.0565 4 10.332 4 表5 煤层透气性系数计算表 钻孔 α/ m3/m3Mpa1/2 S /m2 q比/ m3/m2d A B λ/ m2/MPa2d K/ cm2 Y9钻场T1钻孔 7.552 1.419 1.776 0.0213 2121.6120 0.06511 1.4110-10 Y12钻场T1钻孔（压裂区域） 7.362 1.419 7.280 0.1031 1925.5239 0.38675 8.3510-10 结论压裂影响区域煤层透气性系数为压裂影响区域附近原始煤体透气性系数的5.94倍，水力压裂后使得原始较难抽放煤层转化为可以抽放煤层。 4.抽采效果考察及分析 4.1考察单元 选择原始区域Y8钻场作为一个考察单元，设计钻孔66个；选择压裂区域Y11钻场（钻孔33个），Y12钻场钻孔33个联合作为一个考察单元。各安装1套DN150钻场计量装置，1套DN50单孔计量装置（串联5个钻孔），考察单元及单孔抽采浓度、流量。 图9 原始区域抽采效果考察钻孔布置图 图12 压裂区域抽采效果考察钻孔布置图 4.2 钻孔施工 Y8钻场于2013年3月17日开始施工，4月20日施工结束。 Y11钻场于2013年3月27日开始施工，4月12日施工结束。 Y12钻场于2013年3月30日开始施工，4月29日施工结束。 压裂区域抽采钻孔施工期间，钻孔喷孔严重。特别是靠近压裂孔附近的钻孔施工较易喷孔，且较为频繁，12-64钻孔喷出煤量达40袋；Y11钻场11-1钻孔喷孔次数多，喷孔强度大。 根据目前施工钻孔分析，距离压裂孔越近，喷孔概率越大，喷孔次数较多、普遍存在延期喷孔现象，当钻孔出水较大更易发生喷孔。 4.3 抽采效果及分析 Y8钻场单元平均抽采浓度45.5，抽采纯量0.26 m3/min，单孔抽采纯量0.0038 m3/min。11～12单元抽采浓度67，抽采纯量0.55 m3/min，单孔抽采纯量0.0083 m3/min。 图10 单元抽采纯量变化曲线图 图11 单元抽采浓度变化曲线图 从上述曲线可以看出，Y11～Y12钻场初期瓦斯抽采浓度及抽采纯量均相对较低，且波动较大，现场实际观测为钻孔出水量大，随着水量的逐渐减少，钻孔抽采浓度及纯量均开始逐渐上升，并趋于稳定。通过与原始区域同类型Y8钻场进行比较，压裂后单孔抽采纯量提高约1.2倍。 第二阶段（Y14钻场） 在Y14钻场施工1个压裂孔，在Y13钻场、Y15钻场各施工1个检验孔（安装压力表，量程0～60MPa）,具体钻孔布置见下图。 图12 Y14钻场水力压裂钻孔布置图 表6 Y14钻场压裂及检验钻孔施工参数表 孔 号 方位 倾角 孔深 13-1煤见止煤 14-1（压裂孔） -6 34 38 26.4m-34.3m 13-1（检验孔） -6 35 36 23.4m-29.1m 15-1（检验孔） -5 34 35 25.5m-31.5m 1、压裂过程 注水泵位于14钻场向里30m，5月20日早班开始进行压裂，5月24日中班压裂结束，累计注水280m3,最大注水压力28MPa,累计注水时间905min，具体情况见下表 表7 1351（3）底抽巷14钻场水力压裂注水统计表 时 间 班 次 设定 泵压（Mpa） 最大注 水泵压（Mpa） 注水量（m3） 累计 注水量（m3） 当班累计注水时间 （min） 5月20日 早 20 20 1.6 1.6 35 中 20 20 11.5 13.1 121 5月21日 夜 / / / / / 早 20 19 6 19.1 30 中 / / / / 东二供水影响 5月22日 夜 / / / / 东二供水影响 早 / / / / 东二供水影响 中 / / / / 东二供水影响 5月23日 夜 25 25 44.75 63.9 123 早 25 25 10.04 73.9 51 中 25 25 72.8 146.7 182 5月24日 夜 25 25 37.3 184.0 99 早 25 25 39.9 223.9 124 中 25 25 23.8 253.8 61 5月25日 早 28 27 26.2 280 79 2、检验孔压力情况分析 图11 检验孔压力变化曲线图 从上图可以看出，压裂期间检验孔压力均呈快速上升趋势，5月24日中班达到峰值，其中Y15钻场检验孔14MPa, Y13钻场检验孔11MPa，因Y13钻场钻孔出水较大，因此暂停注水，开展保压试验。停止压裂后两个检验孔均开始缓慢下降，截止6月2日早班，Y15钻场5MPa, Y13钻场3.5MPa。初步分析压力下降原因为Y13钻场抽采钻孔卸压导致。 3、煤层瓦斯参数测定 5月29日夜班，在Y14钻场施工1倾向考察孔，距离压裂孔60m。施工至42m时改为压风，此时孔内大量出水，47m见煤，水量仍未减小，且出现间歇性喷射（有压），停钻2min后变为清水，钻孔见煤47.4～51.3m，孔内出水较大，70s接满一桶水（直径0.3m、高0.3m,容积21L）,出水量17L/min,水温35。 5月30日夜班，在Y14钻场施工2倾向考察孔，距离压裂孔70m。夜班施工结束，煤粉潮湿，未见明显出水。早班扩孔至3m位置时，孔内出现喷孔，T钻最大0.94，喷出煤量4袋，喷孔后钻孔被煤岩粉堵实。 表8 Y14钻场水力压裂瓦斯基础参数测定统计表 钻场 取样孔号 取样日期 水分（） 瓦斯含量 （m3/t） 备注 Y14 1 5-29夜 15 出水大数据无法测定 倾向60m 2 5-30夜 7.3 3.09 倾向70m 4、抽采效果考察 4.1抽采浓度变化情况 13钻场压裂前合茬抽采钻孔13个，距离14钻场压裂孔最近距离60m，5月24日夜班，13钻场检验孔压力开始逐渐上升，由1930由0.5 MPa增加至2.2MPa,因此判断注水压力已经传递到13钻场。2400发现13钻场抽采浓度由之前的60突然升高至89，随即又迅速降低至30。流量由0.5m3/min升高至5.5m3/min,随后出现持续波动。5月25日0300抽采浓度达到最低值6，1214快速上升至91.8，随后下降至38，并保持平稳。 图12 Y13钻场抽采浓度变化曲线图 4.2数据分析 从上述两个曲线图可以看出，当注水压力传递至13钻场时，煤体瓦斯在高压水的挤压作用下不断向13钻场运移，煤层裂隙张开，此时出现浓度及流量峰值，随着压裂的持续进行，持续时间相对较短。在之后的压裂过程中，再次出现浓度峰值，说明随着注水压力的不断升高，再次形成新的裂隙，形成压裂→渗透→再压裂的典型特征。 图13 Y13钻场抽采流量变化曲线图 五.结论 1.通过在1351（3）底抽巷试验表明，压裂区域的 Y11～Y12钻孔3月27日开始施工，截止5月30日抽采率达20，预计预抽达标时间相比其他采用掏穴增透的钻场，单元抽采纯量平均提高1倍，缩短预抽达标时间2～3个月。 2. 水力压裂后煤层瓦斯基础参数发生显著变化，一是钻孔抽采半径扩大，由原来的5m增加至11m；二是煤层透气性提高，由原始较难抽放煤层转化为可以抽放煤层。 3. 水力压裂与目前采用的钻孔掏穴增透相比，可应用于石门揭煤、穿层钻孔条带预抽，顺层钻孔预抽等，具有影响范围大，适用范围广，投入成本底等诸多优点。 六、注意事项 1. 压裂地点必须具备足够的抗压岩柱，且岩性必须致密、完整，尽量避开断层带、裂隙发育地点及各类钻孔，防止岩壁或钻孔出水导致压裂失败。 2.压裂钻孔应封至见煤点，采用水泥浆带压全孔注实，确保严密不漏气，石门揭煤等测压、前探钻孔压裂前必须带压封堵严实。 3.高压系统管路连接必须牢固可靠，注水前必须对各连接部位进行安全检查，高压胶管与风水管路等生根固定，注水前压裂地点两侧设置警戒。 4. 压裂时需密切关注巷道围岩、钻孔、锚杆（锚索）等出水情况，发现异常及时停泵处理。 5. 压裂区域钻孔施工易出现喷孔，越靠近压裂中心，喷孔强度越大，施工过程中需做好相应的防护工作。 6. 压裂区域钻孔施工普遍出水量较大，且伴随较多煤粉，待孔内无水后方可封孔，避免出现煤粉堵塞造成憋孔，同时完善抽采系统放水、排渣装置。 七.下一步攻关方向 1.根据抽采影响半径，考察不同钻孔布置方式下单元抽采效果，进一步优化钻孔布置参数。 2.考察连续注水与脉冲式注水，不同条件下煤层瓦斯基础参数变化，进一步提高抽采效果。 3.压裂后暂不立即施工抽采钻孔，对压裂区域开展保压试验，研究不同时期条件下钻孔抽采效果变化情况。 4.进一步研究注水量、注水压力、煤层含水率对抽采效果的影响，确定适合不同煤层的注水参数及模式，实现快速消突。 第 20 页 共18页