三汇三矿高压水力压裂.doc

三汇三矿高压水力压裂 试验方案 重庆能投集团科技公司 二O一一年五月 编制人员名单 专 业 姓 名 职务或职称 采 矿 沈大富 总经理、高级工程师 王文春 副总经理、高级工程师 余模华 高级工程师 周东平 项目负责人、工程师、博士 郭臣业 工程师、博士 王 联 工程师、硕士 龙官波 高级工程师 地 质 陈 坤 高级工程师 安 全 廖金华 工程师、硕士 机 电 王长秀 高级工程师 概 算 李丽霞 经济师 天府矿业公司三汇三矿高压水力压裂试验方案 目 录 1概况1 1.1矿井概况1 1.2试验区基本请况2 2试验方案4 2.1压裂设备布置4 2.2压裂钻孔布置5 2.3压裂钻孔封堵5 2.4检验孔的施工顺序8 2.5压裂实验参数考察11 3组织保障措施14 3.1实验领导组14 3.2工作小组14 4安全保障17 4.1安全保障系统17 4.1.1通风系统17 4.1.2供电系统17 4.1.3供水系统17 4.1.4通讯系统17 4.1.5监控系统17 4.2安全措施17 附 件 附 图 附 图 目 录 图号 图 名 图 号 图纸 比例 备 注 01 通风系统图 12000 采用 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 20 1概况 1.1矿井概况 1.矿井地理位置 三汇三矿位于重庆合川市三汇镇，南距重庆市中区约85km。襄渝铁路线横穿地面工业广场，渝广公路从矿井附近通过。有矿区铁路专用线与三汇坝站接轨。 2.矿井生产建设情况 井田平均走向6.9km，平均倾斜宽0.75km，面积5.2km2。采用平硐加暗斜井的开拓方式，在100m水平以上为明胶带斜井运煤，100m水平以下为暗斜井并通过明斜胶带运输机运煤。现矿井20水平为主要生产水平，-60水平为生产布置水平，主要在进行巷道掘进及采掘面布置。-130水平为矿井延伸开拓水平。 3.矿井开拓方式及采煤方法 三汇三矿采用平硐、明暗斜井的开拓方式，采煤工作面为走向长壁式开采，采煤工作面采用放炮落煤，皮带连续化运输方式，工作面采用单体液压支柱配合金属铰接顶梁支护，全部垮落法管理顶板。 4.矿井通风方式、主扇型号、电机功率 矿井通风方法为抽出式,通风方式为混合式。由310m主平硐、427m进风井、明斜井进风和465m出风井、363m出风井组成中央并列与一翼对角式通风系统。进风井有位于井田中央上部的310主平硐、位于井田北翼的明斜井和427进风井；南翼回风井位于中部363水平、北翼回风井位于井田北部465水平,通风断面5.5-9.8m2。南翼主要通风机型号为BDK-6-№18型,北翼主要通风机型号为FBDCZⅡ-8-№21，电机功率分别为275kW和2132kW。 南翼风井风机排风量为3722m3/min，总回风巷瓦斯浓度为0.28；北翼风机排风量2450 m3/min，总回风巷瓦斯浓度0.18。矿井总进风量5923m3/min，总排风量6172m3/min，有效风量5793m3/min，风排瓦斯量14.83m3/min。 5.矿井核定生产能力、历年瓦斯等级鉴定和审批情况 矿井设计生产能力30Mt/a，2008年核定年生产能力45Mt/a. 矿井自2003年以来，历年都被鉴定为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。 1.2试验区基本请况 三汇三矿煤层瓦斯含量大，煤层透气性系数低，井下钻孔抽采效果差，严重制约了瓦斯治理和防突效果，影响了矿井的采掘接替和安全生产。为提高煤层的透气性和提高抽采效果，进一步解放生产力，保证矿井的建设和发展，通过大量的调查、研究和翻阅各种技术资料，决定实施井下水力压裂。 本次在-60N1-N3底板巷下实施穿层钻孔水力压裂，力求提高K4煤层的瓦斯抽采效率，改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面，加强安全生产，提高生产效率，积极探索通过水力压裂治理瓦斯的新途径。 根据集团公司要求在三汇三矿实验穿层高压水力压裂实验，为确保高压水力压裂实验顺利进行，特编制此实验方案。 根据目前三汇三矿矿井生产、采、掘情况，压裂地点定为-60N1-N3底板巷下。如图1所示 图1 -60N1-N3底板巷下水力压裂示意图 该底板巷位于-60m水平北一石门至北三石门之间，对应地表寨子堡一带，地面标高725.00～800.00m。井下标高-54.997～-56.665m。岩层走向N 41～44E，倾向SE，倾角34～40，平均35。 2试验方案 2.1压裂设备布置 水力压裂设备（HTB500型压裂泵）布置自-60N3石门出口的茅口灰岩大巷中，如图2水力压裂设备放置示意图所示。与压裂孔口之间距离约200m，需准备不低于50MPa高压管路200m（每盘20m，需10盘）且压裂点与压裂泵组之间有两道风门，风门之间的距离为10 m。靠近泵组的风门与泵组间距15m，满足压裂要求。连机电部门有专业技术人员跟踪水力压裂全过程，以便及时处理压裂过程中出现的问题。 变频电机要求电压1440 V；功率400 KW；压裂期间要求有持续的供水量，压力在0.1MPa，水流量在30 m3/h以上。 图2水力压裂设备放置示意图 压裂试验的泵站设置新鲜风流中、泵站位于完善防突风门保护范围内、坡度15.0m、高度1.8m、宽度2.5m、支护良好、排水良好；0.5m3/min水源、0.5MPa压风、1140V-355KW防爆电源、通讯畅通、瓦斯传感器、监控分站、照明、巷道通畅无杂物、无积水。 2.2压裂钻孔布置 本次压裂试验中的钻孔分标准孔（用于检测参数）、压裂孔（煤层压裂的注水孔）和检测孔（压裂完成后对压裂效果进行检验的孔）。共设计标准孔1个（标1）、压裂孔1个（压1）、检验孔4组分别在走向和倾向上（检1组、检2组、检3组和检4组）共18个钻孔，压裂钻孔位于-60N1-N3底板巷，标1孔位于压裂孔以东80m。钻孔布置图详见图3。 图3 压裂实验钻孔布置图 压裂钻孔施工过程中，抽采部和抽采队安排人员现场跟班，详细记录钻孔施工情况，特别是钻进到进入煤层和出煤层的深度等。 2.3压裂钻孔封堵 2.3.1封孔管加工 压裂钻孔需送入Φ25mm内径、壁厚为5mm以上的无缝钢管作为压裂管，压裂管每根长2m，采用管箍连接，并且在第一根封孔管周边钻Φ8mm筛孔，同时加前端堵头，详见图4。孔外的一根无缝钢管（最末端一根）尾端焊接Φ25mm高压插销式直通快速接头，确保能正常与高压缠绕钢编管连接。由于送入孔内钢管重量重，为确保钢管不从孔内向下滑，还需在最后一根钢管孔外段加工支撑块。 图4 封孔筛管加工示意图 2.3.2封孔工艺 ①压裂钻孔施工成功后，用Φ94mm直径的钻头扩孔至距离K4煤层底板30cm处； ②将橡胶楔（或软木楔）固定在筛孔以下的第二根压裂管（压裂管内径为Φ25 mm，壁厚5.0 mm以上的无缝钢管，每根长2m，用相应接头进行连接）上； ③第三根压裂管与返浆管固定连接，压裂管与返浆管一并采用钻机送入，直接送入压裂钻孔孔底，确保橡胶楔（或软木楔）进入75mm直径的小孔； 图5 压裂钻孔封孔示意图 ④倒数第二根压裂管与注浆管（采用6分钢管，每根钢管长2m，两头套丝，采用管箍连接）采用双管连接头连接，一并送入孔内，如图5压裂钻孔封孔示意图所示； ⑤注浆管口与截止阀连接，截止阀与注浆泵注浆管连接；压裂钻孔孔口采用马丽散加棉纱封堵，长度不低于2m； ⑥压裂钻孔采用水泥砂浆机械封孔，材料为425标号的普通硅酸盐水泥和425标号的膨胀水泥，其普通水泥与膨胀水泥的比例为3.51，水泥与水的混合比例为21，注浆至K4煤层底板位置。 根据压裂钻孔封孔要求，所需封孔材料及工具见表1。 表1 压裂钻孔封孔所需材料表 序号 名称 规格 单位 数量 备注 1 注浆泵 台 1 注浆 2 搅拌装置 台 2 搅拌 3 注浆钢管 2m不钻孔（6分） 根 4 注浆管 4 注浆钢管 2m带钻孔（6分） 根 2 注浆花管 5 管接头 6分管接 个 10 连接 6 压裂管 壁厚大于5mm无缝钢管 根 20 7 压裂管管箍 个 20 8 铁丝 16号 kg 20 捆绑注浆管与压裂管 9 截止阀 6分 个 3 控制注浆 操作工具 10 老虎钳 把 2 11 管钳 18〃 把 2 12 活口扳手 18〃 把 1 13 螺丝刀 平头、梅花 把 各1 14 马丽散 封孔1.5-2m 15 橡胶或软木楔 Φ80-60mm 个 1 16 水泥 425 吨 2 17 白水泥 V32.5级 公斤 500 膨胀增强防收缩 2.4检验孔的施工顺序 为了加快试验进度，尽快得到三汇三矿水力压裂试验的效果参数，根据渝阳煤矿的水力压裂经验，拟定检验孔的施工顺序采用动态施工设计方法，其途径如下 （1）压裂孔倾向下侧从检3-4开始，根据检3-4打孔情况和参数变化确定接着打检4-4或检2-4； （2）压裂孔倾向上侧从检2-2开始，根据检2-2打孔情况和参数变化确定接着打检3-2或检1-2； （3）压裂孔走向只打一侧的检验孔进行检验压裂参数从检3-3开始，根据检3-3打孔情况和参数变化确定接着打检4-3或检2-3. 施工各钻孔时，测定煤层瓦斯压力等参数；压裂工作完成后施工12个检验孔，详见图6和表2。 表2 压裂实验钻孔施工参数表 孔号 方位角 倾角 设计孔深m 终孔位置 施工次序 钻孔功能 标1 K4煤层顶板1m 压裂前 压裂前参数测试 压1 K4煤层顶板2m 压裂前 压裂钻孔 检1-1 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检1-2 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检1-3 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检1-4 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检2-1 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检2-2 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检2-3 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检2-4 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检3-1 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检3-2 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检3-3 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检3-4 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检4-1 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检4-2 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检4-3 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 检4-4 K4煤层顶板1m 压裂后 效果检验 备注 1、标1钻孔在压裂钻孔之前施工，在K4煤层中取样快速测定煤层瓦斯含量、水分；施工成功后测定K4煤层压力，计算煤层透气性系数，并测定、记录自然瓦斯涌出量和抽采情况。 2、压1钻孔施工时在K4煤层中取样快速测定煤层瓦斯含量和水分，施工成功后实施高压水力压裂。 3、压裂成功后距压1钻孔30m、40m、50m、60m施工4组检验钻孔，并取K4煤层煤样测定瓦斯含量及水分，同时测定检验孔自然瓦斯涌出量和抽采参数。 4、压裂钻孔及检验钻孔施工参数根据标1钻孔实际施工参数进行确定。 图6 压裂实验钻孔布置剖面图 2.5压裂实验参数考察 （1）压裂前抽采参数考察 ①瓦斯压力及抽采量参数 压裂钻孔施工前先施工标1钻孔（采样测瓦斯含水量等参数），封孔工艺与压裂孔相同，标1钻孔封孔完成后孔口安装测压表（0-4MPa），1.5级精度以上的压力表，采用被动法测定K4煤层瓦斯压力，压力表安装完成后10天内由抽采队负责每天读出压力表读数，直到压力稳定；压力表读数稳定3天后安装瓦斯表，先测定标1钻孔自然排放浓度和瓦斯量，每天读取数据24组，再测定钻孔抽采状态下浓度和瓦斯量，测定时间不低于10天，标1钻孔瓦斯参数测定见表3、表4。 表3 标1孔瓦斯压力参数表 次数 日期 压力（Mpa） 次数 日期 压力（Mpa） 表4 标1孔瓦斯流量测定表 测定日期 负压（mmHg 浓度（） 瓦斯表读数 纯量（m3/min） 初读数（m3） 3分钟读数（m3） 混合量（m3/min） ②煤层瓦斯含量测定 压裂实验所有钻孔施工过程中，对K4煤层取样快速测定煤层瓦斯含量及水分等。 （2）压裂后参数考察 压1孔正常压裂后分别在距压1孔30m、40m、50m、60m位置施工4组检验孔（每组4个检验孔），施工过程中分别在K4煤层取样测定煤层瓦斯含量和水分；施工成功后钻孔封堵至K4煤层底板，并安装瓦斯表，测定检验孔自然流量和抽采参数，测定表详见表4。 3组织保障措施 3.1实验领导组 组长沈大富 卓泽强 副组长尹建荣 成 员余模华、周东平、廖金华、龙官波、沈洪、陈飞 2、实验领导组主要人员职责 1 沈大富、卓泽强负责全面的人财物平衡。 2沈 洪根据各自工作职责对高压水力压裂提供相应的保障 3成 员负责按高压水力压裂实验领导组组长和副组长的安排，落实具体的工作。 3.2工作小组 领导小组下设几个工作小组，构成如下 （1）地面技术组 组 长沈 洪 成 员周东平、陈飞 2 机电组 组 长李光辉 成 员罗 勇、杨永飞 3 资料收集组 组 长陈飞 成 员张劲松、刘鹏、欧显文、欧源、付进、平凡 4 安全组 组 长潘伦 成 员何春、何绍龙 5 通迅联络组 组 长沈洪 成 员刘松柏、曾兵、贺中东 （6）现场实验组 组长陈飞 成员张劲松、李光富、黄进政、平凡、李恩华、杨光平、付进 3、工作小组人员职责 1沈洪负责全面的技术、人、财、物平衡，异常情况紧急措施的采取。 2 陈飞负责按高压水力压裂实验方案及措施实施，组织和协调抽放专业的具体工作，及资料收集、分析工作。 3何绍龙负责高压水力压裂实验中的安全工作。 5罗勇负责供电、供水及设备的停、运等工作。 6刘松柏负责全面调度工作。 7欧显文负责远控及通讯工作。 8陈飞负责测量及和资料收集的具体工作。 （9）李光富负责现场施工工作 4安全保障 4.1安全保障系统 4.1.1通风系统 通风见附图通风系统图。 4.1.2供电系统 满足HTB500型压裂泵的变频电机要求电压1440 V；功率400 KW。 4.1.3供水系统 压裂期间要求有持续的供水量，压力在0.1MPa，水流量在30 m3/h以上。 4.1.4通讯系统 为保证通讯畅通和应急突发事故，压裂期间安装一部电话在压裂泵操作台附近。 4.1.5监控系统 压裂期间在底板巷道压裂孔的风向下游侧各安装一个瓦斯传感仪和CO传感仪，并安装视频，以便观察压裂孔口情况。 4.2安全措施 1、运输、安装水力压裂泵措施由矿机电运输部编制 2、施工前矿自动化办公室负责在施钻点回风侧5-10m范围各安设一台瓦斯监测传感器和一氧化碳传感器，传感器距帮不小于200mm，距顶不大于300mm。 3、抽采队施钻人员必须经专门培训并考试合格后持证上岗, 抽采队高压水力压裂人员必须经专门培训合格后上岗。 4、施工人员严格执行“敲帮问顶”制度，现场必须配备长2m和2.5m的专用找顶撬棍各1根，如有悬矸，必须清理并确定现场顶、帮安全后才能作业。找顶时必须坚持先上后下、先顶后帮、先上帮后下帮的找顶顺序，同时必须两人配合找顶，一人找顶一人看安全，找顶人员站在帮顶完好、退路畅通，找顶处或矸石滚落下方不得有人。 5、施工当班，由当班负责人必须携带便携式瓦检仪，并将其吊挂在5m 范围内的回风侧，当瓦斯浓度达0.9必须立即停止作业，当瓦斯浓度达1.0，必须切断电源，所有人员必须撤至进风流中的安全位置，并向矿调度室汇报，请示处理。 6、施钻人员必须随身携带不少于30min的压缩氧自救器，且必须会正确使用，工作时将其放于钻机操作台附近2m-3m范围易取用的地方，且压缩氧自救器不能沾油。 7、钻孔施工过程中，施工人员必须处于进风侧操作，并使用好气渣分离器。 8、钻孔施工过程中由抽采部和抽采队安排人员现场跟班，记录钻孔施工原始资料。 9、钻孔施工成功后，采用钻机送入Φ25mm内径的无缝钢管，送入钢管过程中，每根丝扣连接处抹黄油，并将丝扣旋紧，无缝钢管送到孔底后，将无缝钢管支撑牢固。 10、钻孔采用水泥砂浆机械封孔，注浆前，操作人员必须检查注浆泵与钻孔无缝钢管连接是否牢固可靠，无缝钢管支撑是否牢固，确认无误后才能进行注浆工作；注浆时，操作人员必须佩带好护目镜、胶手套等防护用品。 11、钻孔封堵、注浆过程中，操作人员严禁正对钻孔孔口，防止钢管滑落伤人。 12、压裂泵处必须配置2台灭火器和不少于0.5m3的沙箱；压裂泵安装完成必须经实验人员验收合格后才能使用。 13、压裂泵实行远控操作，距压裂钻孔100m；压裂泵操作位置安装1组压风自救器。 14、压裂前，自动化办公室负责在压裂泵进风侧2m范围内安装瓦斯监测传感器，当瓦斯浓度大于0.5时，严禁启动压裂泵；同时在压裂钻孔回风侧5m范围内安装瓦斯监测传感器。 15、压裂泵与压裂钻孔间采用两趟Φ25mm高压管连接，高压管承压压力50MPa以上；高压管严禁直接放于地上，且每隔3m用麻绳吊挂。 16、压裂前，必须撤出瓦斯巷（上段）所有人员，并在绕道交叉口处施工全断面固定栅栏并揭示“正在实验高压水力压裂，人员严禁入内”的警标，压裂泵操作位置处设撤人站岗警戒点，严禁人员通过。 17、压裂时，必须专人在瓦斯巷瓦斯监测分站（设在压裂泵操作位置）处记录压裂时钻孔回风侧瓦斯浓度，如瓦斯浓度突然升高时，立即通知压裂泵操作人员停泵。 18、压裂时，救护队安排2名队员带机在压裂泵操作位置值班。 19、压裂结束40分钟后，首先由1名安瓦员、2名实验人员和带机救护队员一同进入压裂地点，检查巷道顶板情况和瓦斯情况，重点检查压裂地点20m范围内的情况，只有当检查范围内的瓦斯浓度小于1.0时，并且巷道顶板完好时，才能解除警戒，恢复工作。 20、所有压裂工作结束后，严禁拆除压裂钻孔管路，只有对压裂泵卸压，待孔口压力降到0 MP后才能拆除相关的装置，并且要及时启动排水设备进行排水工作。 21、压裂泵司机必须经厂家及矿安排人员进行理论、实际培训，并考试合格后方可进行开、停泵作业。 22、避灾路线 避灾路线压裂操作点→-60N1～N3底板巷→-60N1石门→-60茅口大巷→-60～＋100人车斜井→100～＋310人车斜井→地面。 23、以上未涉及的严格按水力压裂操作规程执行。