水力壓裂實施方案

1、二一二年六月南桐礦業(yè)公司魚田堡煤礦34 區(qū)-350m 西抽放巷道高壓水力壓裂技術(shù)推廣應(yīng)用實 施 方 案目錄前言 . 31 礦井概況及壓裂條件 . 31.1 礦井基本情況 . 31.2 礦井生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀 . 31.3 地質(zhì)特征 . 41.4 壓裂區(qū)概況 . 52、壓裂工藝 . 142.1 壓裂參數(shù)選擇 . 142.2 壓裂設(shè)備 . 152.3 壓裂孔 . 162.4 壓裂劑 . 193.安全措施 . 193.1 防止高壓事故措施 . 193.2 防治瓦斯及頂板事故措施. 203.3 消防措施 . 20前言由于南桐礦業(yè)公司魚田堡煤礦煤層透氣性差，造成采用單一的穿層鉆孔、水力割縫等工藝后預(yù)抽效果不理

2、想，工程量大。同時部分區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造影響，以中風(fēng)壓為主的區(qū)域防突措施難以實施到位，造成較大的空白帶。因此，魚田堡煤礦將在3504w4段工作面頂板的矽質(zhì)灰?guī)r抽放巷道即34 區(qū)-350m 西抽推廣應(yīng)用 “ 高壓水力壓裂技術(shù) ” 。以期望在保護層突出煤層中全面達到 “ 增透、卸壓、消突 ” 的作用，從而真正實現(xiàn)快速達標(biāo)、經(jīng)濟防突的目的。1 礦井概況及壓裂條件1.1礦井基本情況魚田堡煤礦隸屬于重慶市能源投資集團南桐礦業(yè)公司。該礦地處重慶市萬盛經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)。礦井位于重慶市南東面，方位152 ，距萬東鎮(zhèn) 4.0km，距重慶市主城區(qū) 130 km。礦井于 1956 年建礦， 1959 年正式投產(chǎn)，設(shè)計能力

3、60 萬噸/年，2006 年核定生產(chǎn)能力39萬噸/年， 現(xiàn)實際生產(chǎn)能力約33 萬噸/年。 礦井開采古生代二疊紀(jì)樂平統(tǒng)煤系煤層，煤系厚 80100m，含煤 6 層，從新到老分別為16 號煤層。井田內(nèi)13 號煤層不可采； 4 號、6 號煤層穩(wěn)定可采，5 號煤層局部可采，其中4 號煤層為主采層。1.2礦井生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀1.2.1礦井開拓、開采礦井采用立井 +暗斜井的綜合開拓方式，在井田中部布置主、副立井到二水平（+331m-100m 標(biāo)高） ；三水平（ -100m-350m 標(biāo)高）在井田中部布置4 個暗斜井；目前，礦井采掘活動主要集中在三水平四區(qū)，采掘活動相對比較集中。為了緩解這一不利局面以及礦井的長

4、遠發(fā)展，礦井開展了四水平延深工程。目前，四水平各采區(qū)以剃頭下座的方式已分別延深至-400m、-431m、-465m以及-600m 標(biāo)高。1.2.2礦井通風(fēng)礦井通風(fēng)方式為用兩翼對角抽出式，在井田兩翼及采區(qū)布置了專用回風(fēng)道。1.2.3礦井供水系統(tǒng)礦井供水供水方式主要為采用4 寸無縫鋼管從 +150m 水平利用自壓方式向 -100m 水平及主要用水地點供水，在 -100m 建有專門的防塵水池向 -350m 水平各用水點供水，水源充足。1.2.4礦井供電系統(tǒng)礦井井下根據(jù)生產(chǎn)需求，在-100米水平和 -350 米水平各設(shè)有一個中央變電所，水平各采區(qū)變電所設(shè)于采區(qū)石門附近，與中央變電所聯(lián)系，為各采區(qū)運輸設(shè)

5、備、掘進裝巖機和一通三防設(shè)備設(shè)施等供電。1.2.5礦井排水系統(tǒng)礦井排水方式為分水平集中排水，現(xiàn)礦井年平均涌水量750t/h，總排水能力 2170t/h。1.2.6礦井抽采系統(tǒng)礦井建立了地面永久抽采站以及井下移動瓦斯抽放站，對瓦斯來源采取分源抽放，即地面永久抽放站抽放卸壓瓦斯，井下移動瓦斯抽放站抽放預(yù)抽瓦斯。同時各主要抽采地點及管路可隨時實現(xiàn)并網(wǎng)抽放。1.2.7礦井監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)2003 年國債、 2005 年國債兩次改造、完善，2008 年監(jiān)測系統(tǒng)進行升級（kj101 型升級為 kj1o1n 型） ，經(jīng)國債安裝和逐步完善后kj101n 系統(tǒng)能基本滿足目前安全需要。1.2.8礦井

6、通訊系統(tǒng)礦井通訊系統(tǒng)目前約有200 門電話，地面主機型號為mtd-958 ，主機通過交接箱分接至地面和井下。1.3地質(zhì)特征1.3.1地層及構(gòu)造礦區(qū)的地層除了缺失泥盆系、石炭系外，其余新老地層均有出露，出露地層由老至新分別為志留系韓家店組；二疊系下統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組，上統(tǒng)龍?zhí)督M和長興組；三疊系下統(tǒng)玉龍山組、飛仙關(guān)組、嘉陵江組，中統(tǒng)雷口坡組，上統(tǒng)須家河組；侏羅系下統(tǒng)白流井群。礦井西翼與南桐煤礦井田接壤，東翼與東林煤礦井田接壤，魚田堡煤礦成東西走向，處于八面山向斜軸部，軸部煤層走向東西，傾角緩，八面山向斜東翼向鴉雀巖扭折帶過度，西翼扭折巖層走向ne30 40 ，傾角較陡約 40 ，向魚塘角扭折

7、帶過度。受其影響，井田范圍內(nèi)出現(xiàn)隱伏小斷層三條，分別是f1、f2、f3斷層。1.3.2水文地質(zhì)魚田堡煤礦水文地質(zhì)條件西面簡單、東面比較復(fù)雜，受大氣降雨影響明顯，年降雨量10001400mm，平均 1200mm，對礦井開采有一定的影響，礦井主要含水層為頂部的長興灰?guī)r、下部的茅口灰?guī)r。1.3.3煤層及頂?shù)装灞敬螖M定壓裂煤層為5#煤層，也是目前礦井作為保護層開采的煤層。該煤層位于煤系中下部，屬局部可采煤層，煤厚20.51m，平均 0.7m，堅固系數(shù) 0.20.46。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自上而下分為 3 個自然分層 ,其中二分層多為構(gòu)造煤 ,光澤暗淡，在二分層在三分層之間多數(shù)范圍含有夾矸一層，厚約0.050

8、.2m，其余兩個自然分層屬于原生結(jié)構(gòu)煤。直接頂為2.49m 的鈣質(zhì)頁巖，老頂 10.39m的硅質(zhì)灰?guī)r，底板為7.61m 的鋁土頁巖，煤層破壞類型iiiii 類。1.3.4瓦斯魚田堡煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井。可采煤層均為突出煤層，4 號煤層為強突出煤層，共發(fā)生突出 221 次，最大突出強度 8765噸，最大瓦斯涌出量 350 萬 m3。5 號煤層在可采區(qū)內(nèi)為相對較弱突出層，共發(fā)生突出194 次，其中打鉆突出2 次，最大突出強度343 噸，最大瓦斯涌出量 2.18萬 m3，在壓裂實施抽放巷道鄰近的34 區(qū)-350m 東抽實測瓦斯壓力為3.6mpa。6 號煤層為中等突出層，共發(fā)生突出321次，其中延

9、期突出18 次，打鉆突出 7 次，最大突出強度 895 噸，最大瓦斯涌出量7.8 萬 m3。各煤層瓦斯參數(shù)詳見表1. 表 1 礦井煤層瓦斯參數(shù)表項目4號煤層5 號煤層6 號煤層煤層原始瓦斯壓力（ mpa）10-15 3-5 4-7 煤層瓦斯含量（ m3/t）18-22 14-16 15-18 始突標(biāo)高（ m）+368 +81 +290 始突深度（ m）74 291 144 平均突出強度（ t）175 37.2 45.2 延期突出（次）9 0 18 1.3.5地溫、地壓本區(qū)地溫梯度為1.45 1.91/100m，平均1.71 c/100 米；地溫增溫將52.3698.31m/ c，平均 65.2

10、9m/ c。結(jié)論是本區(qū)屬地溫正常區(qū)，無異常區(qū)出現(xiàn)。-350m 水平巖溫為32.85，-600m 水平巖溫為 36.68。礦井未出現(xiàn)沖擊地壓區(qū)。1.4壓裂區(qū)概況1.4.1巷道布置此次壓裂的煤層為作為礦井保護層開采的5#煤層，該煤層頂?shù)装鍘r性產(chǎn)狀、分類、頂?shù)装鍘r性等詳見圖 1、2。1分層厚0.25m類矸夾煤0.35m類夾矸厚0.1m545#煤層（f=0.2 0.46）2分層厚0.25-0.3m類圖 1 壓裂區(qū)域 5#煤層結(jié)構(gòu)圖3738394041424344454647484950序號巖石名稱巖 柱真厚（m ）矽 灰 巖砂 頁 巖灰 巖鈣 頁 巖#5 煤 層鋁 土砂 頁 巖鈣 頁 巖石 灰 巖鈣

11、頁 巖6 煤 層#鋁土頁巖角 礫 巖茅口灰?guī)r巖層堅固性系數(shù)（ f ）12149101012670.46圖 2 壓裂區(qū)域 5#煤層綜合柱狀圖根據(jù)礦井實際條件，壓裂地點選在34 區(qū)-350m 西抽放巷道距 -350mw4石門 518.5m 至662.4m 范圍內(nèi)，該抽放巷道布置在5 號煤層頂板的矽質(zhì)灰?guī)r中，位于-350m 水平西四石門以西，巷道凈寬 3.6m、凈高 2.5m，采用錨桿支護，詳見圖3。1.5m2.5m34區(qū)-350m抽放巷道斷面圖3.6m圖 3 巷道斷面布置圖34區(qū)-350m 西抽放巷道對應(yīng)工作面為3504w4段，該工作面區(qū)域5#煤層埋深約為 660m。該工作面位于井田三水平四區(qū)，上

12、接 3504w3段工作面（回采中），下接 4504w1段工作面（未開采） ，東鄰 3504e4段工作面（ 3504e4段機巷工作面擬進場作業(yè)） ，西面為礦井井田邊界。目前，該抽放巷道大部分區(qū)域已施工機巷條帶預(yù)抽鉆孔及“31.5mpa”泵壓系統(tǒng)的水力壓裂試驗鉆孔，本次水力壓裂區(qū)域選定為未施工任何鉆孔且能滿足高壓水力壓裂要求的剩余段抽放巷道內(nèi)，詳見圖 4：壓裂區(qū)域巷道及采掘關(guān)系示意圖。井田邊界為隔離煤柱線壓裂區(qū)域3504w4 段工作面（未布置）3504w3 段工作面 （回采中）3504e4 段工作面（未布置）34區(qū)-350m 西抽34區(qū)-350m 東抽-350mw4石門-216mw4 石門34區(qū)-

13、175m 石門34區(qū)-271m 石門222m78m518.5m612m34區(qū)-277m 石門2#抽放上山1#抽放上山圖 4 壓裂區(qū)域巷道布置及采掘關(guān)系圖1.4.2 通風(fēng)系統(tǒng)水力壓裂技術(shù)實施區(qū)域已形成穩(wěn)定的全負壓通風(fēng)系統(tǒng)，目前，擬選壓裂巷道配風(fēng)量為350m3/min 左右，詳見圖 5：壓裂區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。34區(qū)回風(fēng)上山w4石門-277m回風(fēng)平巷34區(qū)-277m 西抽放巷-277m 東抽反掘34區(qū)-350m 東抽放巷34區(qū)-277m 東抽放巷34區(qū)-350m 西抽放巷2097.2邊界矽質(zhì)上山3285.23027.23504e3 段機巷魚塘角風(fēng)機-350m 西大巷圖 5 壓裂區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)示意1.

14、4.3供水系統(tǒng)壓裂地點安設(shè)有完備的供水管路系統(tǒng)，dn50 水管的流量約為60-70m3/h，能夠滿足水力壓裂連續(xù)供水的需要，詳見附圖6：壓裂區(qū)域供水系統(tǒng)示意圖。w4石門34區(qū)-350m東抽放巷34區(qū)-350m西抽放巷變電所57500m57300m57100m自壓120m供水方式-100m3容量標(biāo)高沙箱滅火器消火栓閘閥-350m西大巷-100m水池圖 6 壓裂區(qū)域供水系統(tǒng)示意圖1.4.4監(jiān)測系統(tǒng)壓裂區(qū)域已形成了可靠的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，并且在各壓裂區(qū)域?qū)?yīng)的石門安設(shè)有監(jiān)測主機，壓裂前需完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)，詳見圖8：監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。w4石門44區(qū)回風(fēng)上山回風(fēng)平巷34區(qū)-350m東抽放巷34區(qū)-350m

15、西抽放巷變電所t瓦t瓦t瓦t瓦k-350m西大巷圖 8 壓裂區(qū)域瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)示意圖1.4.5供電系統(tǒng)-350mw4石門設(shè)有采區(qū)變電所， 實施前根據(jù)壓裂設(shè)備的情況需進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和完善，詳見圖 7：壓裂區(qū)域供電系統(tǒng)示意圖，所需供電材料詳見表2。myjv22-6kv-350kbsg2-t-315/66000v/1140v主電機（250kw 1140v ）-350西四石門采區(qū)變電所kbz-400/1140pbg630-6z來自-350m水平中央變電所kbz-400/1140qjr-400/1140操作臺防爆電腦400a1233my3 90+13554圖 7 壓裂區(qū)域供電系統(tǒng)示意圖表 2 水力壓裂

16、所需供電材料計劃表序號名稱規(guī)格數(shù)量生產(chǎn)廠家備注1 高壓開關(guān)pbg630-6z 2 臺濟源市華語礦業(yè)電器有限公司2 變壓器kbsg2-t-500/6 2 臺南京中電電器特種變壓器廠3 低壓開關(guān)kbz-630/1140 5 臺溫州江南礦業(yè)有限公司4 軟啟動器kjr-400/1140 1 臺5 電纜myp-1140 ，3*150mm2+1*50 1000m 1.4.6通訊系統(tǒng)壓裂區(qū)域?qū)?yīng)的石門均安設(shè)有直通調(diào)度室的防爆電話，壓裂時可根據(jù)需要在壓裂區(qū)域操作點安設(shè)一部直通調(diào)度室的防爆電話，詳見圖9：通訊系統(tǒng)示意圖。w4石門34區(qū)-350m 東抽放巷34區(qū)-350m 西抽放巷皮帶上山變電所-350m 西大巷

17、圖 9 壓裂區(qū)域通訊系統(tǒng)示意圖1.4.7抽采系統(tǒng)壓裂區(qū)域已形成了完備的抽放系統(tǒng)，能滿足壓裂后瓦斯抽放需要；同時，壓裂區(qū)域的抽放系統(tǒng)可隨時實現(xiàn)地面永久瓦斯抽放系統(tǒng)與井下移動瓦斯抽放系統(tǒng)的并網(wǎng)與分網(wǎng)抽放。2、壓裂工藝2.1壓裂參數(shù)及壓裂方式根據(jù)礦井前期“ 31.5mpa”水力壓裂情況、壓裂煤層物理性質(zhì)及巷道埋深計算等情況綜合考慮，壓裂壓力選擇為3550mpa；注水量選在為5m3/h40 m3/h（預(yù)計） ；壓裂方式為高壓注水。2.1.2根據(jù)煤層埋深計算需要壓裂水壓。水力壓裂注水壓力根據(jù)試驗地點地應(yīng)力和瓦斯壓力計算。計算公式：sppozb式中，pb為煤層破裂壓力，z為煤層垂直地應(yīng)力， p0為煤層的孔

18、隙壓力， s 為煤層的抗張強度。壓裂地點埋深約為660m，因此，初步確定為煤體注水壓力為：2530mpa，壓裂時應(yīng)大于該壓力。2.2壓裂設(shè)備2.2.1高壓泵選型通過總結(jié)魚田堡煤礦前期試驗“31.5mpa”水力壓裂的情況，同時結(jié)合在松藻公司考察情況，擬選用寶雞航天動力泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的型號為byw1100/50 型的壓裂泵。同時高壓壓裂泵必須配有與高壓泵站相匹配的控制箱。高壓管路選用壓力匹配的高壓纏絲膠管或高壓鋼管。壓裂設(shè)備選型詳見表3。表 3 壓裂設(shè)備計劃表序號名稱規(guī)格數(shù)量生產(chǎn)廠家4 煤礦用漏斗下料注漿泵yfk 1 臺重慶煤科院5 水泥425 硅酸鹽及白色硅酸鹽水泥若干南桐特種水泥廠6 高壓壓

19、裂泵byw1100/50 1 臺寶雞航天動力泵業(yè)有限公司7 高壓纏絲膠管內(nèi)徑 32mm、70mpa 1500m 河北衡水亞冠或與泵站配套8 高壓纏絲膠管內(nèi)徑 25mm、70mpa 100m 9 無縫鋼管25mm*8.5mm-50mpa/2m 100m/孔重慶邁爾10 無縫鋼管25mm*13mm-50mpa/2m 100m/孔11 變徑管25mm*13mm-50mpa/0.5m 20 根12 篩管25mm*8.5mm-50mpa/2m 20 根12 導(dǎo)向堵頭25mm-50mpa 20 件14 孔口連接座25mm-50mpa 50 件15 超高壓截止閥qj-25-50mpa 10 件16 連接直通

20、kjr25-50mpa 500 件17 水表 100mm4 個18 壓力表高壓耐震 60mpa 20 個2.2.2壓裂管壓裂孔外壓裂管路選用 32 高壓纏絲管配合相應(yīng)的快速接頭連接而成；孔內(nèi)壓裂管前10m 選用 dn25 *13 的無縫鋼管 ,剩余孔段選用 dn25 *8.5 的無縫鋼管，兩種規(guī)格無縫鋼管采用變徑管組成；孔內(nèi)與孔外的壓裂管采用孔口連接座連接成整個壓裂管路。壓裂管選型詳見表 3，壓裂管路連接詳見附圖10：壓裂管線布置圖。2.2.3平面布置壓裂泵安設(shè)在 34 區(qū)-350m 東抽放巷道適當(dāng)位置。詳見附圖10：壓裂管線布置圖。進水管進水閘門水量表水 箱連接管壓裂泵32高壓膠管遠方操作臺

21、（含監(jiān)控參數(shù)系統(tǒng)）壓力表（60mpa ）鉆孔34區(qū)-350m東抽34區(qū)-350m西抽圖 10 壓裂管線布置圖2.3壓裂孔2.3.1壓裂孔布置（1）鉆孔布置方式鑒于抽放巷道的現(xiàn)場情況，同時結(jié)合魚田堡進行水力壓裂試驗數(shù)據(jù)，在實施水力壓裂技術(shù)前分別布置1 個壓裂鉆孔（鉆孔終孔點位于待掘機巷輪廓線以上10m 位置，目的在于利用水力壓裂處理機巷條帶的同時考察壓裂效果及半徑）。待壓裂結(jié)束后，在預(yù)計的壓裂影響范圍（半徑30m）內(nèi)沿走向 30m 布置考察鉆孔，以此來考察壓裂影響范圍。壓裂鉆孔施工參數(shù)及要求詳見圖11-1、11-2：壓裂鉆孔布置圖以及表4：鉆工施工參數(shù)表。2.3.2考察孔布置方式待壓裂結(jié)束后，在預(yù)計的壓裂影響范圍（半徑30m）內(nèi)沿走向 30m 布置考察鉆孔，以此來考察壓裂影響范圍。若未達到預(yù)期壓裂范圍，則采取由遠及近向壓裂孔位置重新布孔。壓裂鉆孔施工參數(shù)及要求詳見圖11-1、11-2：壓裂鉆孔布置圖以及表4：鉆工施工參數(shù)表。表 4 鉆工施工參數(shù)表參數(shù)孔號方位角（）傾角（）孔徑（m）見煤孔深（m）