水力压裂报告

南桐矿业公司鱼田堡煤矿穿层钻孔定向水力压裂煤层增透技术报告（初稿）二〇一一年三月防止煤与瓦斯突出在煤矿安全上一直是世界性的难题。

在近年来重庆发生的煤矿安全重大事故中，瓦斯突出占了很高的比例。

随着采深的不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力在不断增加，瓦斯问题日益凸显。

为解决重庆地区瓦斯治理难题，重庆能源投资集团科技有限公司联合重庆大学开展了定向水力压裂增透技术相关研究，并在松藻煤电有限责任公司逢春煤矿和南桐矿业有限责任公司鱼田堡煤矿进行了应用研究。

在理论研究和实验室实验研究的基础上，在南桐矿业公司鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道实施了水力压裂并取得了以下成果：通过2011-1-8日的实验得出，在鱼田堡煤矿34区-350m东抽放道5#煤层起裂压力为23MPa，延伸压力为19MPa。

实验共进行了40min，注水量为6.9m3。

经现场查看，发现压裂孔东侧10m考察孔出口处压力表读数为15.6MPa，上方、西侧考察孔压力均超过压力表量程（10MPa），下方压力表没有读数，但有水流出。

可以判断，鱼田堡5#煤层在40分钟以内其有效压裂范围能够达到10m以上。

分别在在4个考察孔附近钻进4个抽放孔进行瓦斯抽放考察压裂后瓦斯抽放参数。

并于2011-01-26开始接抽，截止到2011-02-17，压裂孔平均抽放浓度为95.4%，平均抽放纯量为0.0673m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔2#平均抽放浓度为33.1%，平均抽放纯量为0.02m3/min；抽放孔1#平均抽放浓度为25.6%，平均抽放纯量为0.0147m3/min；抽放孔3#平均抽放浓度为33.4%，平均抽放纯量为0.0177m3/min；抽放孔4#平均抽放浓度为36.1%，平均抽放纯量为0.0192m3/min。

压裂范围内平均抽放浓度为44.72%，平均抽放纯量为0.1389m3/min；相比同一抽放道普通钻孔抽放浓度（13.28571%）提高了 3.37倍，抽放纯量（0.00796 m3/min）提高了17.45倍。

共抽放23天，5个孔共抽放瓦斯纯量为4725m3，相比同一抽放道5个钻孔瓦斯抽放纯量（368m3）提高了12.83倍。

摘要 (I)1 前言 (1)2 穿层孔定向水力压裂理论分析 (2)2.1 穿层孔定向压裂提高煤层透气性定性分析 (2)2.2 穿层孔定向水力压裂裂缝控制研究 (4)3 穿层孔定向水力压裂技术装备及工艺 (6)3.1 穿层孔定向水力压裂技术装备 (6)3.2 穿层孔定向水力压裂工艺流程 (6)3.3 封孔工艺 (7)4 鱼田堡煤矿穿层孔定向水力压裂试验 (9)4.1试验地点概况 (9)4.1.1 矿井概况 (9)4.1.2 试验地点概况 (10)4.2 第一阶段试验 (11)4.2.1 钻孔布置 (11)4.2.2 压裂过程 (12)4.2.3 方案修正 (13)4.3 第二阶段试验 (14)4.4 第三阶段试验 (14)4.4 第四阶段试验 (16)4.5 试验数据分析 (17)5 结论与建议....................................................................... 错误!未定义书签。

防止煤与瓦斯突出在煤矿安全上一直是世界性的难题。

在近年来重庆发生的煤矿安全重大事故中，瓦斯突出占了很高的比例。

随着采深的不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力在不断增加，高瓦斯矿井和突出矿井的数量还会不断的增加。

解决高瓦斯突出煤层开采过程中的瓦斯问题的常规措施之一是瓦斯抽放。

通过瓦斯抽放，不仅可以有效地减少煤层开采过程中的瓦斯涌出，确保煤矿生产的安全性，同时，所抽出来的高浓度瓦斯又可加以利用，实现双能源开采，一举两得。

但是，由于松藻矿区煤层属于低透气性煤层，常规的瓦斯抽放方法难以发挥作用，主要存在的问题是：钻孔有效影响范围小，工作面钻孔施工工作量大，抽放效率低，这就必须在抽放瓦斯前对所抽煤层区域采取卸压增透方法，扩大抽放钻孔有效影响范围，提高煤层瓦斯抽放效果。

高瓦斯低透气性突出煤层的卸压增透技术可分为两大类，一类是煤层层内卸压增透技术，另一类是煤层层外卸压增透技术。

层外卸压增透技术如开采保护层技术已经应用得相当成熟，并取得良好的效果。

对于不具备保护层开采条件的高瓦斯突出煤层，特别是低透气松软煤层，就目前区域防突措施技术水平而言，采用层内卸压增透技术较为合理且效果较好。

层内卸压增透的难点在于煤层透气性差，而瓦斯抽采效果主要取决于煤层的透气性系数。

增大煤层层内瓦斯抽采流量，主要采取的措施是增加煤层透气性。

但由于防突措施工序复杂，使得煤巷掘进速度缓慢，造成采掘比例严重失调。

严重突出矿井更是采掘效率低，经营状况举步维艰。

目前，大多数严重突出矿井煤层巷道掘进速度大都在30~40m/月。

现有防突技术装备不能满足现场实际要求，在一些条件特殊的矿井采用常规防突措施又很难取得预期效果。

因而，开发一种可行的高效防突设备及技术措施，提高防突效果和工作面进尺，改善防突现状，是煤与瓦斯突出矿井实现安全、高效生产的迫切需要。

高压水射流割缝已经被证明能够有效快速的提高煤层透气性，但其影响范围相对较小。

水力压裂随能够达到较大的影响范围，但因其昂贵的设备、复杂的工序，遏制了其推广应用。

针对以上问题，结合高压水射流割缝及水力压裂的优点，重庆大学提出煤层定向压裂增透技术，即在高压水射流割缝的基础上，对煤层实施水力压裂，以达到卸压增透的目的。

2 穿层孔定向水力压裂理论分析穿层孔定向压裂是采用高压水射流在煤层中割缝，在煤层中形成一定的卸压区域，扩大钻孔周围塑性区范围。

之后对钻孔进行封孔，向煤层中注入高压水，促使煤层裂隙扩展，增大煤层透气性。

为此，需明确定向压裂提高煤层透气性机理、高压水射流切缝后煤层塑性区特性，以及塑性区内裂缝起裂和扩展机理。

2.1 穿层孔定向压裂提高煤层透气性定性分析通过煤及煤层的形成过程可以了解到，煤分层中含有大量的原生微裂隙，而煤层中分层之间存在着层理弱面，同时受地质构造的作用，在煤分层和煤层内部将产生与层面成一定角度的构造裂隙，这种构造裂隙有可能只存在于煤分层之中，也有可能贯穿于分层之间，故将其统称为切割裂隙。

由于层理、切割裂隙、以及原生微裂隙的分割作用，在煤层内部将其分割成一些单独的块体，而在块体内又分布着大量孔隙。

当采用水力压裂提高煤层的渗透率时，高压水对煤层的结构破坏过程不同于实验室中单轴压缩条件下破坏过程。

单轴压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下的破坏，而煤层注水压裂破坏是借助流体水在煤层各种弱面内对弱面两壁面的支撑作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割。

这种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加了裂隙等弱面的空间体积，另一方面通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。

正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高。

由于煤层在原始状态下其内部层理、切割裂隙、原生微裂隙、孔隙存在的规模和尺度存在差异，以及这些弱面所在平面与原岩应力场中主应力方向之间的空间位置关系不同，导致压力水在侵入其中的顺序和在其中的运动状态上也不一样。

在顺序上表现为先从张开度大、联接能力弱的一级弱面开始，然后到二级的弱面，最后到分层中的原生微裂隙和孔隙中。

而压力水在煤层内的运动状态上可依次分为渗流、毛细浸润和水分子扩散三种状态。

在渗流状态下，水首先沿着规模大的层理或切割裂隙流动，保持渗流工作状态的一个特点是压力水的最大压力不应超过某一极限值，当水的注入压力很高时，和渗流状态时一样，块体并不发生破坏，而表现为水在压力作用下提高层理或切割裂隙的张开度和导液性上，表现出该弱面的扩展和延伸。

在层理或切割裂隙张开度增大的过程中。

其张开壁面的切向拉应力增加，当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的原始应力之和时，将在该位置处发生次级弱面起裂，水在压力作用下将进入其中，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程。

依此规律反复发展下去，直至达到煤分层中的微裂隙，水便达到对煤层的逐级分割作用。

需要说明的是，无论是在哪一个级别的裂隙弱面发生扩展和延伸的过程中，均会伴随有水的扩散和毛细浸润过程。

根据以上的分析、压力水在煤层内的运动过程可表示为图2–1。

图2-1 压力水流动次序示意图通过以上定性分析可知，压力水对煤层的压裂破坏过程，是通过对各级裂隙弱面产生内压，从而导致裂隙弱面在空间上发生扩展和延伸来实现的，是建立在原始裂隙弱面的基础上的扩展延伸以至相互贯通的分解过程，并不是产生新的裂隙而对煤体产生压裂分解的过程。

总之，通过上面的定性分析可以得出以下几点结论：1) 压力水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，直到煤分层的原生微裂隙；2) 水在煤层内的运动状态具有渗流、毛细浸润和水分子扩散三种状态，且在渗透过程中伴随有毛细浸润和水分子扩散过程；3) 压力水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过程来完成的，该过程是建立在原始各级弱面的基础上的变化过程；4) 正是通过压力水对煤体的以上压裂分解过程，导致内部裂隙弱面的扩展、延伸、以及相互之间贯通，才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的目的。

2.2 穿层孔定向水力压裂裂缝控制研究高压水进入煤体后，由于煤层在原始状态下其内部层理切割裂隙与原生裂隙孔隙存在的规模和尺度存在差异，以及这些弱面所在的平面与原岩应力场中主应力方向之间的空间位置关系不同，导致压力水灾侵入其中的顺序和在其中的运动状态上也不一样，在顺序上表现为先从张开度大、联接能力弱的一级弱面开始，然后到二级的弱面，最后到分层中的原生微裂隙和孔隙中。

如果不加以人为向导，高压水在煤体中会出现无序流向，这样将会导致部分卸压，部分应力集中，虽然瓦斯抽放浓度有所提高，但是由于出现应力集中，为安全回采埋下了隐患，为了达到整体卸压的压裂效果，必须实现定向水力压裂。

裂缝的扩展与地层岩性的变化、岩层交界面、断裂面和裂隙的分布等有关。

相关实验研究表明裂缝的延伸面恒垂直于最小原地应力的方向，即使起裂的方向与最小主应力相垂直，只要最大和最小水平应力之差大于75磅/英寸2，在裂纹未到达边界之前就逐渐改向转而垂直于最小主应力。

另外，裂缝的延伸与煤体顶底板和煤体之间岩性的相关。

裂缝是否能够伸进顶底板，对顶底板进行破坏，取决于两层交界面处裂缝端部的应力强度因子的变化情况。

假定相邻的上下两层具有相同的泊松系数，但弹性模量相差较大，裂缝向界面逼近导致其端部不断增大，因此裂缝愈是接近于交界面便愈易扩展并最后穿过界面延伸进隔层中的KⅠ去。