松藻煤电公司水力压裂情况调研报告.doc

重庆松藻煤电公司水力压裂技术 调研报告 重庆松藻煤电公司水力压裂技术调研报告 根据集团公司领导安排，1月9日～11日，集团公司副总工程师李平带队，由安全开采总院、安监局、生产部装备中心、物资供销分公司、谢桥矿、丁集矿、潘一矿、勘探工程处等单位有关人员组成调研组，前往重庆松藻煤电公司进行了水力压裂技术调研。现将调研情况汇报如下 一、调研矿井概况及水力压裂开展情况 松藻煤电公司位于重庆市南部，是重庆市最大的无烟煤和动力煤生产基地，是重庆能源集团的下属公司。公司矿区探明地质储量为12.5亿吨，工业储量9.8亿吨，规划可采储量6.7亿吨。煤层属中灰、富硫、低磷的无烟煤，年产量已达500万吨以上，煤炭产品主供重庆珞璜电厂和重庆电厂，并为川渝、两广用户提供民用煤和工业用煤。本次到松藻煤电公司所属的同华及逢春两个矿进行了调研。 1、同华煤矿概况 同华煤矿，地处重庆市綦江县安稳镇。矿井设计生产能力30万吨/年，现拟三水平扩建生产能力45万吨/年。矿井绝对瓦斯涌出量34.85m3/min，相对瓦斯涌出量73.73m3/t，属煤与瓦斯突出矿井。 同华煤矿地质构造复杂，井田区内含煤8～10层，自下而上编为K1、K2a、K2b、K3a、K3b、K4、K5、K6、K7煤层，其中K3b煤层为全区可采煤层，K1煤层为大部可采煤层，K2a、K4、K6煤层为局部可采，煤层18～42。K1为弱突出煤层作为下保护层首先开采，平均煤厚为0.65m；K3b煤层为强突出煤层，平均煤厚为2.66m。矿井瓦斯含量随埋藏深度的增加而升高， K3b煤层瓦斯含量梯度为3.06m3/吨煤/100m；K1煤层瓦斯含量梯度为2.88 m 3/吨煤/100m。生产实践中测定0m水平以上各主采煤层原始瓦斯 k1煤层最大20.15m3/t、k3b煤层最大24.53m3/t；瓦斯压力为k1煤层1.7MPa、k3b煤层3.5 MPa。矿井主要开采K1和K3b煤层，现矿井二水平一、二区生产，正向三水平延伸，三水平首采面2013年二季度投产。 该矿从建矿以来共计发生煤与瓦斯突出73次，最大突出强度7138t，喷出瓦斯285000m3，历年突出共死亡188人，其中最多一次死亡125人。 2、逢春煤矿概况 逢春煤矿，地处重庆市綦江县石壕镇。矿井设计生产能力30万吨/年,改扩建后生产能力为90万吨/年。矿井绝对瓦斯涌出量45/min，相对瓦斯涌出量51m3/t，属煤与瓦斯突出矿井。矿井属急倾斜煤层群开采矿井,从上至下依次开采6、7、8煤层，煤层平均倾角63。现生产523水平以上的600-670、670-750两个阶段、开采煤层均具有自燃发火倾向和煤尘爆炸危险性，其中7、8煤层为突出煤层，6煤层作为保护层开采。 8煤层瓦斯含量为25.87m3/t、7煤层为19.85m3/t、6煤层为18.82m3/t。 调研组分别在同华、逢春煤矿与集团公司、矿有关技术人员进行了座谈，了解和学习了松藻煤电公司和矿在水力压裂装备、技术工艺流程、安全管理等方面的经验，并现场参观了同华和逢春煤矿两个水力压裂作业地点水力压裂操作过程。 2011年以来，松藻煤电有限公司在所属各矿进行了水力压裂增透技术试验研究，取得了较好的效果。目前该技术已经在松藻煤电公司各矿进行了推广应用。公司规定突出煤层条带预抽钻孔施工前必须进行高压水力压裂（40 MPa以上），然后再施工穿层钻孔进行预抽，另外还开展了回采工作面顺层钻孔中压（20 MPa左右）水力压裂增透试验研究。公司在水力压裂管理上已形成常态化的管理机制，每年根据各矿井的区域消突计划下达相应的水力压裂计划，每半年召开一次水力压裂技术交流会。通过本次调研，调研组认为，松藻煤电公司在水力压裂增透技术研究和管理上取得了一定的成效和经验，值得我们学习和借鉴。 二、水力压裂设备及系统 水力压裂设备主要包括移动变压器、高压注水泵、电视监测装置。高压水管路系统主要包括清水箱、高压胶管、高压三通、闸阀和卸压阀等辅助材料，具体情况如下 （一）、水力压裂设备 1、高压注水泵一般采用BZW200/56型注水泵（高压压裂）或BRW200/31.5型乳化泵（中压压裂）。生产厂家为南京六合煤矿机械有限责任公司。 2、移动变压器安设一台630KVA移变，专门负责高压注水泵及钻机等设备的供电。 3、电视监测装置配备一套ZSJ127电视监测装置，生产厂家为陕西航泰电气有限公司，主要用于远程实时监视注水过程中高压注水泵的运行状况、注水钻孔及附近巷道情况。 （二）、高压水管路系统 高压水管路系统主要包括清水箱、高压胶管、高压三通、闸阀和卸压阀等管件组成。由南京六合煤矿机械有限责任公司根据需要的压力等级进行配备。所有配件必须取得煤安证。 （三）钻孔封孔套管 水力压裂钻孔施工完成后，必须全程下Φ50*8mm无缝钢管作为套管，煤层段套管必须打上花眼。钻孔外套管必须设置高压三通和卸压阀并与高压水管路系统连接。 水力压裂设备、材料明细 序号 用途 设备名称 规格型号 备注 1 钻进设备 矿用钻机 ZY-750型 2 钻头 PDC 3 强力钻杆 Φ50*800mm 4 封孔设备 高压封孔管 Φ50*8mm厚壁管 5 封孔机 BDF-10/2.4 6 普通硅酸盐水泥 7 白水泥 膨胀增强防收缩 8 马丽散 封孔1.5m 9 注浆泵 10 压裂设备 高压管接头 Φ25mm 11 高压胶管 Φ25mm、75MPa 12 高压电缆 MYJV22-6/6KV-350 13 低压电缆 MY-0.38/0.69-3*70 14 移动变压器 630KVA 15 注水泵 BZW----200/56MPa 南京六和 16 电机 YBK2355m1-4 无锡金亿达 17 清水箱 SX----3000型 南京六和 18 电气控制箱 KXJR4-12 南京六和 19 电视监测装置 ZSJ127 陕西航泰 三、水力压裂技术原理及工艺流程 （一）水力压裂原理 水力压裂技术主要机理通过高压快速驱动水流，在短时间将大量的水挤入煤层微裂隙，微裂缝扩宽伸展后，使煤层发生碎裂，产生网状结构的次生裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性。同时高压水进入煤层微裂隙，置换部分煤层吸附瓦斯。 （二）水力压裂主要工艺流程 1、水力压裂工作按时间先后顺序主要分为八个步骤，具体工艺流程如下 压裂设备安装→压裂钻孔设计与施工→测定煤层原始瓦斯含量及水份→压裂钻孔封孔→水力压裂→压裂效果检验→施工抽采钻孔→数据分析 2、各工序工作标准及要求 1、压裂设备安装 矿机电部门负责提供水力压裂地点电气设备供电系统设计。安装部门根据设计要求安装好供电系统、高压注水泵、高压水管路系统和远程电视监测系统。所有系统安装、调试完成，经机电部门验收合格后，方可开始水力压裂。 （2）压裂钻孔设计与施工 钻孔孔径一般为87mm,终孔孔径不小于75 mm，钻孔要求终孔于待压煤层顶板不小于0.5 m，并封孔至待压煤层底板。压裂钻孔间距一般根据已考察出的水力压裂有效半径，并保留15的富余系数确定。 水力压裂后通过两个方面来确定压裂半径。一是通过观察压裂时围岩渗水、顶板掉渣和围岩深部爆裂声等判断压裂影响范围，或通过在预计影响范围内施工的测压钻孔，钻孔内出水或压力急剧上升确定其有效影响半径。二是以压裂钻孔周边单孔抽采浓度大于20，且稳定时间7天以上，钻孔与压裂孔的间距即为压裂影响半径。 松藻煤电公司通过试验，总结了穿层钻孔水力压裂的有效半径一般为30-70m。 压裂钻孔必须严格按照设计参数进行施工，并详细记录见煤岩情况。施工完成后，将施工资料交地质部门进行审查，保证钻孔施工到位。 （3）、测定煤层原始瓦斯含量及水份 压裂钻孔施工到待压煤层底板2米时，先停止钻孔施工。通知防突员做好瓦斯含量测定准备工作。准备工作完成后，再施工钻孔穿过待压煤层，并用DGC瓦斯含量快速测定仪测定煤层原始瓦斯含量，并收集煤样进行煤层水份测定，并做好相关记录。 （4）、压裂钻孔封孔 钻孔施工完成后，严格按设计进行封孔。钻孔必须全程下Φ50*8mm无缝钢管作为套管，煤层段的套管改成1寸铁管并打上花眼，并在下部设置过滤网，防止封孔材料进入套管内。用普通水泥、白水泥对进行封堵，普通水泥和白水泥比例为3.51，封孔深度以封到待压煤层底板为准。 （5）、高压水力压裂 封孔完成并至少凝固24小时后，方可开始对该压裂钻孔进行高压水力压裂。压裂前，首先将注水泵压力调至40Mpa或设计的压力值，然后开始实施压裂。压裂过程中，由“一通三防”部门安排专人对注水泵的压力变化情况、注入水量情况进行记录，直至注水泵压力急剧上升到40Mpa（或设计压力值）、压裂泵水箱内水位不再下降或注水泵压力急剧下降到15 Mpa以下时，即可结束压裂。 （6）、压裂效果检验 水力压裂完成后，即开始施工预计影响半径边缘的抽采钻孔作为检验钻孔，钻孔见煤时用DGC瓦斯含量快速测定仪测定待压煤层的瓦斯含量,并采集煤样测定其含水份，同时对检验钻孔施工过程中有无出水、喷孔等现象、回风瓦斯变化情况进行记录。检验钻孔检验指标符合设计要求，证明压裂有效即可进行穿层预抽钻孔施工。 （7）、施工抽采钻孔 检验钻孔施工结束后，按设计要求施工穿层预抽钻孔，所有穿层预抽钻孔均作为检验钻孔，同时记录钻孔施工过程中有无出水、喷孔等现象。钻孔施工、封孔结束后，接入矿井抽采系统进行抽采，每个压裂单元必须安装一个自动放水器。 8、数据分析 抽采期间，抽采队每天对该区域试验点的钻孔及单元瓦斯流量、浓度等参数进行测定，并做好记录，连续抽采两个月后，对该区域的预抽效果进行评价，作出总结分析。 四、水力压裂效果 近几年来，重庆能源集团在10多对矿井进行了100多次试验，目前正在进行效果的系统总结过程。通过在同华煤矿的应用，水力压裂技术主要有以下三个方面的效果 1、抽采浓度和抽采量均提高一倍以上。 同华煤矿的3111-1-2运输巷掘进条带位于-60m阶段四石门至一区-60m阶段北边界石门段，巷道长420m，在茅口巷布置14个钻场（钻场间距30m），煤层原始瓦斯含量16.5814m3/t。2011年10-12月分别进行了3个孔压裂试验 。然后施工预抽钻孔进行抽采，平均抽采单孔浓度为41.45、平均单个钻场抽采纯量为0.223m3/min，抽放135天后，经检验有长150m的条带抽采达标。 而同标高的2125-3运巷条带长300m，没有进行水力压裂，于2011年10月～2012年2月进行水力割缝后施工预抽钻孔并抽采，平均抽采浓度仅为13.98、平均单个钻场抽采纯量仅为0.09m3/min。 通过比较，3111-1-2运巷抽采浓度提高了196％，抽采量提高了148％。缩短了抽采达标的时间，平均可缩短4个月。 2、提高了煤巷的掘进单进 3111-1-2运巷于 2012年5月3日开始掘进，两班制作业，5月进尺57m，未出现防突指标超标现象。与3111-1-2运巷垂高差仅50m的21117-2-1运巷，全长508m，采用传统的条带预抽区域措施，三班制作业，月进度仅为33.86m。 因此，通过高压水力压裂后，3111-1-2运巷比2117-1-2运巷掘进单进提高了68，杜绝了防突指标超标现象。 3、减少了煤巷掘进过程防突预测指标超标现象 采用水力压裂后抽采的的3111-1-2运巷于 2012年5月3日进场掘进，掘进过程中未出现防突指标超标现象。而没有采用水力压裂抽采的21117-2-1运巷，在煤巷掘进过程中出现18次防突指标超标，没有消除突出危险，必须在工作面采取局部防突措施，安全威胁大。 4、从压裂试验情况统计分析，压裂后煤层的透气性系数增大，单孔瓦斯抽放浓度、瓦斯抽放纯量大幅度提高，有利于提高抽采效果。 5、压裂后，抽采浓度大幅提高，为瓦斯民用气源提供了充足的保障。 五、水力压裂的主要安全措施 为了确保水力压裂过程中“一通三防”管理及施工人员人身安全，松藻煤电公司主要从通风瓦斯管理、人员防护、防治灾害等方面采取相应的安全措施，确保水力压裂过程安全。 1、健全通风系统，确保压裂地点风量充足。根据压裂点瓦斯涌出情况，选择全负压通风或局部通风，但必须保证风量能够满足稀释瓦斯需要，同时打钻地点要做好防喷工作，必须配备防喷装置。 2、加强监测监控，确保断电灵敏可靠。在压裂钻孔回风侧510m范围内安设专用瓦斯监测探头及CO探头，并将其与该区域回风侧的一切电气设备电源进行闭锁，一旦瓦斯超限，能立即切断压裂点及回风流内的一切非本质型电气设备电源。 3、加强钻孔施工安全管理。在施钻过程中若出现喷孔、卡钻、顶钻、吸钻、抱钻、响煤炮、瓦斯忽大忽小、瓦斯持续上升、矿压显现等明显的突出预兆时，必须立即停止作业、切断电源、撤出人员至地面，并向矿调度室汇报。 4、安全防护设施齐全。进入该区域的人员必须随身携带完好的隔离式自救器。并在压裂地点配备压风自救装置。压裂点附近安设直通矿调度室的调度电话，确保通讯畅通。 5、严格人员撤离和警戒制度。水力压裂实施前，由专人负责将影响区域无关人员撤离，并清点人员无误后向调度室汇报人员撤离情况，人员全部撤至新鲜风流以外，并切断压裂地点及回风侧内的一切非本质安全型电气设备电源。压裂期间设置专人警戒，严禁任何人员进入压裂地点及回风系统。 6、严格水力压裂设备操作及高压管路的安全管理。 （1）高压管路系统必须完好可靠，每间隔3m固定一个点，开注水泵前必须对管路系统进行逐一检查，排除隐患。 （2）注水泵必须安排专职司机进行操作，司机必须经过培训，持证上岗，掌握设备性能及安全措施，密切关注压裂泵泵箱水位，防止排空，如供水不及时或出现紧急情况时，必须立即停泵。 （3）当注水泵的压力急剧上升到40Mpa（或设计压力值）时，必须立即停止注水泵工作。 （4）注水泵停止运行后，必须在压力表指示降到0MPa以下时，方可打开卸压阀，放出管路内积水后，方可拆开高压胶管，严防残留高压水流伤人。 7、安全管理措施。每次进行水力压裂前，施工单位必须编制专项安全技术措施，并确保贯彻到每位职工。各项准备工作完成后，由矿职能部门组织现场验收，验收合格方可按压裂方案步骤进行水力压裂。 六、调研结论 1、松藻煤电公司水力压裂用的压裂注水泵，松藻煤电集团综合价格、设备大小、性能等选择的是南京六和的成套产品（含电机）BZW--200/56MPa，采用双泵联合作业，现场使用效果较好。除该设备外，陕西宝鸡航天、河南煤层气公司等也均生产同类型设备。 2、通过现场调研，ZSJ127型民视监测设备及其关联设备在确保人员撤出后，仍能对压裂情况进行实时监控起到了较为明显的效果。 3、松藻煤电公司通过试验发现，水力压裂的破裂压力与煤层埋藏深度和地应力有密切关系，煤层埋深在700m左右，煤层破裂压力在40MPa以上。 4、松藻煤电公司底板巷布置在茅口灰岩内，灰岩其f值为816，岩石致密，有利于高压水力压裂开展。 5、松藻煤电公司通过试验，认为穿层钻孔水力压裂的有效半径范围为30-70m，但其受被压裂煤层厚度、底（顶）岩性、是否受断层构造影响以及注水量多少等因素影响。松藻煤电公司初步认为，单孔压入水量至少在120m3以上方可合格。 6、条带预抽水力压裂技术在松藻煤电公司各矿应用均比较成功，能够大幅缩短预抽时间，提高抽采效果，已被各矿自觉使用。同时，该技术还被应用于石门揭煤工作面，一般在揭煤地点施工一个压裂钻孔即可，通过压裂，可减少约三分之一石门揭煤钻孔工作量。 七、调研建议 1、为确保水力压裂在集团公司试验取得成功，建议集团公司成立水力压裂领导小组，领导小组由李平副总工程师任组长，成员由安全开采总院、生产部、安监局、物资供应分公司等单位有关人员组成。全面负责水力压裂技术方案和安全技术措施审查、试验设备、材料的保障及指导水力压裂效果考察等工作。 2、试验矿井必须成立由总工程师负责的领导小组，全面负责试验技术方案、安全措施编制和试验日常管理工作。水力压裂的技术方案和安全措施必须报集团公司审批。 为了保证水力压裂工作正常开展和便于过程的安全管理，建议试验矿井安排部分专职人员（松藻公司的各矿一般为10人左右）经过培训后，专门负责水力压裂工作。 3、建议先在部分矿井进行水力压裂试验，取得经验后再进行推广。先期分别在潘一矿（东井）1221（1）底抽巷、1242（1）工作面1联巷揭11-2煤、丁集矿西翼11-2轨道大巷、1221（1）运顺揭11-2煤和谢桥矿1351（3）底抽巷、-905东翼613煤底板回风石门揭6煤开展水力压裂试验。 4、建议集团公司先购置两套水力压裂配套装备。设备由装备中心统一管理，由集团公司试验领导小组根据试验现场需要情况调拨使用。 5、为进一步深入研究水力压裂机理、制定针对性的水力压裂方案、科学分析总结压裂效果，建议邀请科研单位参与试验过程，准确测定煤层的抗剪压强度、地应力方向及大小等有关参数，确定适合试验矿井的水力压裂技术参数和方案。 13