义煤集团水力压裂实施方案

义煤集团公司矿井水力压裂技术 实 施 方 案

义煤集团公司 二 00 九年五月八日

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义煤集团公司水力压裂技术实施方案

义煤集团公司现有 5 对突出矿井, 主要煤层二 1 煤赋存极不稳定, 全层未构造煤,透气性差,煤质松软,打钻成孔困难,预抽效果差, 瓦斯治理难度大、治理任务艰巨。 中部义马煤田的 5 对矿井为集团公司骨干矿井, 主采煤层为侏罗 纪长焰煤,煤质硬脆,厚度大,其顶板为巨厚砾岩层,随着开采深度 增加,矿井冲击地压危险性增大,且属于容易自燃发火煤层,煤层自 然发火期 15—30 天,最短 7 天。 定向高压水力压裂技术在煤矿中的尝试应用,取得了初步的成 效。为进一步提高突出矿井瓦斯抽采效果,搞好煤与瓦斯突出防治工 作; 利用水力压裂技术为中部矿井的冲击地压防治增加新的技术手段 和开辟新的预防途径;在防治煤层自燃发火和综合防尘方面,也会带 来明显的效果。为加快井下水力压裂技术的推广范围和扩大应用力 度,使水力压裂技术在义煤集团全面推进,特制定本实施方案。 一、水力压裂技术机理简介 井下压裂的基本原理与地面煤层气井压裂相同, 即将压裂液高压 注入煤(或岩)体中原有的和压裂后出现的裂缝内,克服最小主应力 和煤岩体的破裂压力,扩宽并伸展和沟通这些裂缝,进而在煤中产生 更多的次生裂隙,从而增加煤层的透气性以便于进行瓦斯气体的抽
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放; 在高压水的作用下, 利用人造裂缝与裂隙的通道进行煤体的湿润, 从而达到软化煤体、进行煤体卸压的目的。 压裂液具有不可压缩性, 其在煤层中的流动压裂过程是有一定顺 序的,即由张开度比较大的层理或切割裂隙等一级弱面开始,而后是 二级裂隙弱面,依次下去,直到煤层的原生微裂隙;压裂液的压裂分 解作用是通过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,形成了相互交织的贯通 裂隙网络, 从而达到了提高煤层渗透率, 增加钻孔瓦斯抽出率的目的。 见压裂裂缝网络示意图 1

图 1 压裂裂缝网络示意图

压裂设备系统主要由压裂泵、混砂装置、水箱、指挥舱、高压管 路、实时监测记录系统等组成。 压裂设备系统主要由压裂泵、混砂装置、水箱、指挥舱、高压管
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路、实时监测记录系统等组成。见压裂设备连接流程示意图 2 和压裂 系统布置示意图 3
避灾指挥舱
储液罐

支撑剂

混砂装置

添加剂

压 裂 泵 组

压裂孔

图 2 压裂设备连接流程示意图

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水管 连接管 压力表 专用封孔器 水表 卸压阀 高压管线

水 箱

注 水 泵

图 3 压裂系统布置示意图

二、河南省井下水力压裂技术试验情况 1、河南省煤层气开发利用有限公司试验情况 该公司针对省突出煤层极难抽采的情况进行了区域瓦斯治理研 究工作,借鉴地面油气井压裂施工经验,对煤层的物性特征和煤矿井 下压裂前后煤体应力状态进行分析研究,把增透消突作为研究目标, 提高抽采率和缩短预抽时间作为研究重点, 系统进行煤矿井下定向压 裂增透消突成套技术研究。2008 年 10 月以来在平煤集团、鹤煤集团 和郑煤集团等矿区进行多次工业性试验,试验表明:在改善松软煤层 的透气性、延长有效抽采时间、提高瓦斯抽采量、消除煤与瓦斯突出 和冲击地压危险性、采掘过程中的粉尘防治、阻止煤层自然发火等方 面取得了一定效果。 2、义煤集团新义矿水力压裂技术初步试验情况

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3 月 20 日—4 月 6 日省煤层气公司、瓦斯研究所和新义矿联合在 11041 工作面轨道运输顺槽进行水力压裂试验,初步试验情况如下: 于 3 月 20 日开始施工两个压裂钻孔(7#﹑9#)和一个观察孔,孔径 φ 70mm, 压裂孔孔深 22.2m 和 26m, 封孔深度 20m, 封孔器长度 10m, 3 月 23 日正式开始压裂, 压裂过程中从小到大, 最大注水压力 25Mpa, 最大注水流量 0.37m3/min。压裂结束后,于 3 月 26 日施工了 7 个抽放 孔对压裂效果进行检验。 压裂实验效果分析: 1)压裂后现场情况 压裂后,现场压裂缝沿巷道掘进方向向上延伸 15m,向下延伸 20m,裂缝宽度最大宽达 20mm,平均宽度 10mm 左右,压裂孔所在 的巷帮出现破裂,岩体外移 30mm。 2)压裂后抽放参数分析 1#、2#、3#孔在 9#压裂孔影响范围内,4#、5#、6#孔在 7#压裂孔 影响范围内,8#孔在压裂影响范围之外。从 3 月 30 日到 4 月 6 日 21 小班统计共抽瓦斯 5435.341m3,抽放参数如下表:
孔号 平均浓度(%) 平均瓦斯纯量 (m3/min) 抽放量(m3) 平均负压(kpa)

1 2 3 4 5 6

14.73 1.52 2.24 0.377 0.29 0.24

0.376 0.0343 0.1 0.00742 0.0057 0.00509
5

3765.066 419.314 1011.128 80.647 75.685 51.403

35.5 35.5 35.9 36 36 36.5

8

0.174

0.00318

32.098

37.4

通过压裂,煤层的透气性得到增大,单孔抽放浓度、抽放量大幅 度提高,单孔平均抽放量增加 13—117 倍,平均增加 87 倍。如:1# 孔单孔抽放量达 3765.066m3,是压裂区外 8#孔抽放量的近 117 倍; 2#孔抽放量约为 8#孔的 13.1 倍,说明压裂实验预期效果明显。

三、水力压裂技术实施方案 根据集团公司新安、义马煤田的不同治理重点、不同矿井及不同 矿井不同区域的特点, 结合矿井采掘部署的实际情况, 体现以点带面、 点面结合、稳步实施、总体推进的思路,集团公司水力压裂技术实施 分三个阶段: 第一阶段:选点实验阶段,时间为 2009 年 5---8 月 1、集团公司、矿井制定水力压裂技术实施方案。 2、在防突出、防瓦斯方面新义、孟津矿为试点矿;在冲击地压 防治方面千秋、跃进矿为水力压裂技术实点矿。 3、宣传、发动,提高矿井对水力压裂技术重要性的认识。 4、由集团公司组织召开三次现场经验交流会,可聘请院校、省 煤层气公司专家参加,分别在新义、千秋、孟津矿召开,总结实验结 果,查找存在问题,相互学习、交流。 5、水力压裂技术研究立项为 2009 年重点科研项目。 第二阶段:稳步推进阶段,时间为 2009 年 9---12 月

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1、全面、详细总结、评价第一阶段 4 对矿井水力压裂试验结果, 得出有关基础数据和参数的对比情况,分析试验效果。 2、新义、孟津矿在采、掘面及顶或底板岩巷、石门揭煤头等地 点全面推广实施,千秋、跃进矿推广到各冲击地压危险的采掘面。 3、其它 6 对矿井根据各自实施方案和采掘实际情况,选择采掘 面进行试验。 4、矿井之间相互交流、学习,要求不断培养矿井自己的水力压 裂试验队伍。 5、总结、制定出义煤集团公司水力压裂技术操作规范、技术标 准、安全措施等。 6、科研项目总结,申报省、国家奖项。 第三阶段:全面实施阶段,时间为 2010 年 1---12 月 10 对矿井水力压裂技术在防突、防冲、防尘、防火及快速掘进、 快速揭煤方面的全面实施。 四、主要水力压裂技术工程项目安排及设备、资金需求 (一)主要水力压裂技术工程项目安排 1、第一阶段 水力压裂技术主要工程项目安排: 新义矿:11041 工作面高位抽排巷、11011 轨道顺槽、11011 回 采工作面 千秋矿:21141 工作面下巷 孟津矿:11011 轨道顺槽、11011 皮带顺槽 跃进矿:23130 工作面下巷
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2、2009 年 9—12 月,水力压裂技术主要工程项目安排: 新义、孟津、千秋、跃进矿各施工的采掘地点全面实施水力压 裂技术。 新安矿:14211 工作面下巷底板巷 义安矿: FX002 工作面、11052 工作面皮带顺槽 李沟矿:20131 工作面 耿村矿:13190 工作面上巷 常村矿:2113 工作面 杨村矿:D13131 工作面 3、2010 年水力压裂技术工程项目安排: 10 对矿井的采掘地点全面实施水力压裂技术。 工程项目安排详见下表。 (二)设备、材料及资金需求 根据水力压裂技术实施方案,共需水力压裂设备 32 套,所需资金 4160 万元。 第一阶段。购买设备 4 套,预算 520 万元,为新义、孟津、千秋、 跃进矿各配备 1 套水力压裂设备。 第二阶段。购买设备 10 套,预算 1300 万元,为新义、孟津、千 秋、跃进矿各增加 1 套水力压裂设备,为新安、义安、李沟、耿村、 常村、杨村各配备 1 套水力压裂设备。 第三阶段。购买设备 18 套,预算 2340 万元,为 10 对矿井配备。 设备、材料及资金需求详见下表。
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五、保障措施 1、集团公司成立水力压裂技术实施领导小组。 组 长:武予鲁 翟源涛 副组长:田富军 李建新 乔国厚 成 员:李国旗 裴昌合 张帮雄 段铁管 马跃强 荆宏民 潘 锋

刘 军

崔晓辉及新义、新安、义安、孟津、李沟、千秋、耿村、常

村、跃进、杨村矿矿长和总工程师。 办公室设在通风处、瓦斯研究所和矿压研究所,裴昌合、潘锋和 刘 军分别任办公室主任。防自燃、防尘水力压裂技术实施由通风处 负责;防瓦斯、防突水力压裂技术实施由瓦斯研究所负责;防冲击地 压水力压裂技术实施由矿压研究所负责。主要职责: 1、负责制定煤层压裂技术实施方案、严格管理、严格考核。 2、负责煤层压裂技术的整体规划、部署和工作安排。 3、负责、督促矿井煤层压裂技术工程按计划实施。 4、协调矿井煤层压裂技术所需资金、设备供修、确保压裂技术工 程按计划保质保量完成。 2、设备、资金保障 凡列入煤层水力压裂技术实施方案的设备、资金需求,由发展规 划处按月安排资金计划。 企管部、物资供应公司实施设备、材料招标采购,属放权、合资 矿井按批复计划自行招标采购。

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