CN111577232A - 一种煤矿井下控制压裂安全保障方法 - Google Patents

一种煤矿井下控制压裂安全保障方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿井下控制压裂安全保障方法，包括第一步，安全影响因素识别；第二步，围岩参数数据库构建；第三步，最小安全边界距离计算；第四步，压裂方案专项设计；第五步，压裂施工安全管控；第六步，压裂后验收评价改进。其中，安全影响因素识别包括对主观和客观影响因素的识别；最小安全边界距离计算，包括结合安全影响因素及围岩参数数据库，应用数学模型对压裂区域内最薄弱点的安全距离进行计算；其中，数学模型包括钻孔控制水力压裂封孔力学模型和最小安全边界力学模型。本发明的有益效果是，通过科学合理地建立全方位的煤矿井下水力压裂安全保障体系，保障压裂工作的安全实施，使整个压裂安全管理工作贯穿事前、事中和事后全过程。

Description

一种煤矿井下控制压裂安全保障方法
技术领域
本发明属于煤层气开发领域，具体涉及一种煤矿井下控制压裂安全保障方 法。
背景技术
在煤矿低透气性煤层增透方面，目前应用比较广泛的是以水力压裂、水力 冲孔、水力割缝等为代表的水力化增透措施，其中，水力压裂技术在大范围煤 层增透方面的技术和经济优势最为显著。在瓦斯灾害严重地区，目前已形成了 以“水力压裂为区域措施，水力割缝为局部措施”的煤层增透模式，至今已进 行数千次的水力压裂，取得了明显的效果。但仍不时发生煤矿井下压裂巷道垮 塌引起瓦斯超限事故，表明水力压裂技术仍未本质安全。因此，有必要从煤矿 井下控制压裂的设计、施工、评价全过程进行研究，建立煤矿井下水力压裂安 全保障体系，科学有效的保障压裂工作的安全实施。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种煤矿井下控制压裂安全 保障方法，该方法通过安全影响因素识别、围岩参数数据库构建、最小安全边 界距离计算、压裂方案专项设计、压裂施工安全管控和压裂后验收评价改进等 步骤，全方位建立煤矿井下水力压裂安全保障体系，科学有效的保障压裂工作 的安全实施，使整个压裂的安全管理工作贯穿事前、事中和事后全过程。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。
一种煤矿井下控制压裂安全保障方法，包括以下步骤：
第一步，安全影响因素识别：包括压裂区域内的薄弱点、临空面的类型、 位置、规模、距离参数的确定；
第二步，围岩参数数据库构建：包括采集压裂区域煤层、顶底板的煤岩样， 实验室测试及现场测定获得压裂区域地应力、测压系数、单轴抗压强度、泊松 比等围岩基础参数；
第三步，最小安全边界距离计算：包括利用建立的钻孔控制水力压裂封孔 力学模型和最小安全边界力学模型计算最小安全封孔长度和最小安全边界距 离；
第四步，压裂方案专项设计：包括确定具有倾角、方位角和间距的压裂钻 孔布置参数，以及具有压力、流量和流速的压裂工艺施工参数，制定控制压裂 系统专项设计方案；
第五步，压裂施工安全管控：包括编制煤矿井下控制水力压裂现场施工安 全管控清单，并按该清单进行现场施工前的安全确认；
第六步，压裂后验收评价改进：包括压裂后对压裂效果进行验收和评价， 并优化和改进压裂方案。
采用前述方案的本发明，通过安全影响因素识别、围岩参数数据库构建、 最小安全边界距离计算、压裂方案专项设计、压裂施工安全管控和压裂后验收 评价改进等步骤，全方位建立煤矿井下水力压裂安全保障体系，科学有效的保 障压裂工作的安全实施。其技术手段全面，安全保障可靠。
优选的，在第一步的安全影响因素识别中，包括采用资料查阅、现场勘察 方式，对目标压裂区域内的安全影响因素进行判识，以确定压裂区域内薄弱点、 临空面的类型、位置、规模、距离参数。以全面识别出与现场地质条件相吻合， 且针对性强的安全影响因素，为安全保障可靠方案制定打下良好基础。
优选的，在第一步的安全影响因素识别中，所述安全影响因素包括主观影 响因素和客观影响因素；主观影响因素主要为受人为因素影响的施工压裂钻孔 进入煤体内通道的封孔质量，包括受封孔长度和封孔材料强度；客观影响因素 包括压裂区域客观存在的巷道、地质钻孔、水体、地质构造等临空面。以全面 识别出影响安全的主观影响因素和客观影响因素，为安全保障可靠方案制定打 下良好基础。
优选的，在第二步的围岩参数数据库构建中，包括在压裂区域现场采集煤 层、顶板、底板的煤岩样，通过资料分析、实验室测试及现场测定方式，获 得压裂区域埋深、厚度、垂直地应力、侧压系数、单轴抗压强度、内摩擦角、 黏结力、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、泊松比、水平渗透系数、垂直渗透 系数和岩体重度参数，构建压裂区域的围岩数据库。以构建成覆盖整个压裂区 域内，具有各种物理特性参数的数据库，为方案制定和方案验证打下良好基础。
优选的，在第三步的最小安全边界距离计算步骤中，包括结合安全影响因 素及围岩参数数据库，应用数学模型对压裂区域内最薄弱点的安全距离进行 计算；其中，数学模型包括钻孔控制水力压裂封孔力学模型和最小安全边界力 学模型。为压裂实施安全性提供保障。
进一步优选的，所述钻孔控制水力压裂封孔力学模型包括按下式计算的 最小安全封孔长度l，
Figure BDA0002502533870000031
式中：K安为安全系数，取2～5；D1为钻孔直径，m；D2为压裂管外径，m； K1、K2分别为两界面的剪切比例系数，按K1＝KaKb/(Ka+Kb)，K1＝KbKc/(Kb+Kc) 计算；Ka为煤岩体剪切刚度，MPa，Kb为封孔材料剪切刚度，MPa，Kc为压 裂管剪切刚度，MPa；pc为封孔材料能够承受的最大水压，MPa，Pmax为水力 压裂过程中可施加的最大水压，MPa；
其中，最小安全封孔长度l还大于因巷道掘进形成的巷道卸压圈即裂隙带 的长度，m；
所述最小安全边界力学模型包括按下式计算的最小安全边界距离L安min；
Figure BDA0002502533870000041
式中：K安为安全系数，取2～5；h为二分之一的煤层厚度，m；λ为侧压力 系数；pr为巷道支护阻力，MPa；γ为上覆岩层容重，N/m3；H为煤层埋深， m；b为二分之一的巷道宽度，m；
Figure BDA0002502533870000042
为煤岩界面内摩擦角，°；cc为煤岩界面 黏聚力，MPa；d为巷道高度，m；psmax为水力压裂时的最大水压，MPa；Kp为煤岩抗拉强度，MPa。以通过数学模型获得安全、可靠的压裂参数方案，确 保压裂过程安全。
进一步优选的，所述施工工艺参数的压力、流量和流速分别按以下方法确 定；其中，
所述压力为泵注压力Pb，泵注压力Pb按下式计算，
Pb＝Pf+Pg+Pz
式中，Pf为煤体破裂压力，MPa；Pg为管路沿程摩阻，MPa；Pz为重力摩 阻，MPa；
其中，破裂压力Pf按下式计算，Pb＝P1+P2+P3；
式中，P1-上覆岩石压力，MPa，P2-岩石抗张强度，MPa；P3-孔隙压 力，MPa；
其中，P1按下式计算，
Figure BDA0002502533870000043
式中，γi-上覆岩石比重；hi-岩石厚度，m；
管路摩阻Pg按下式计算，Pg＝λlρv2/(2d)
式中，ρ-压裂液密度，g/cm3；l-管路长度，m；d-管路内径，cm； v-管内液体的平均流速，m/s；λ-摩擦系数，是雷诺数和流经管路的管壁粗 糙度的函数；
重力摩阻Pz按下式计算，Pz＝ρg(h1-h0)
式中，Pz-重力摩阻，Pa；ρ-水密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2； h0-压裂泵位置标高，m；h1-压裂孔处标高，m；
所述流量为泵注流量ν水，泵注流量ν水按下式计算，ν水＝vs+νc
式中，νs-煤层压入水量，m3；νc-管路充填水量，m3；
其中，煤层压入水量vs按下式计算，vs＝v体k
式中，ν体-注水影响体体积，m3；k-为影响体孔隙率，％；
所述充填水量νc按下式计算，
νc＝νg十νk；
νg-管道充填量，用于充填压裂泵组至压裂孔的管道，m3；νk-已压裂孔 充填量，用于充填已经压裂的孔，m3；
其中，管道充填量νg按下式计算，
νg＝πγg 2hg；
式中，γg-管道半径，m，hg-管道长度，m；
已压裂孔充填量νk按下式计算，
νk＝πγk 2hk
式中，γk-压裂孔半径，m，hk-压裂孔长度，m；
所述流速确定包括确定：
①煤层动态渗透率；
煤层动态渗透率K按下式计算，
Figure BDA0002502533870000051
式中：K为煤层动态渗透率，10-12m2；K0为初始应力下的渗透率， 10-12m2；Cf为煤层割理压缩系数，MPa-1；σ为煤层改变后的应力，MPa；σ0为煤层初始应力，MPa；Δσ为煤层有效应力变化值，MPa；其中，有效应力变 化值Δσ按下式计算，
Δσ＝(σv-βPh)-(σv-βP)＝β(P-Ph)；
式中，σv为煤层垂直方向上的应力，MPa；β为Biot常数，取值为1；Ph为压裂施工时的压裂孔底压力，MPa；P为煤层孔隙压力，MPa；
②煤层孔隙内流体压缩系数；
煤层孔隙内流体压缩系数CL按下式计算，
CL＝SwCw+SgCg+Cd
式中：Sw为煤层孔隙内含水饱和度；Cw为煤层孔隙内水的压缩系数， MPa-1；Sg为煤层孔隙内含气饱和度；Cg为煤层孔隙内流体的压缩系数， MPa-1；Cd为煤层气因压力变化所导致解吸/吸附的压缩系数，MPa-1；
其中，解吸/吸附的压缩系数Cd按下式计算，
Figure BDA0002502533870000061
式中：Pc为标准状态下的煤层气压力，MPa；PL为朗格缪尔(Langmiur) 压力，MPa；VL为朗格缪尔(Langmiur)体积；T为地层温度，℃；Z为地层 状态下气体体积压缩因子；
Figure BDA0002502533870000062
为煤层孔隙度；Tc为标准状态下的温度，℃；Zc为标准状态下气体体积压缩因子。
③煤层孔隙度变化；
煤层孔隙度变化
Figure BDA0002502533870000063
按下式计算，
Figure BDA0002502533870000064
式中，ΔP为井底压力与孔隙压力的差值，MPa；
④煤层综合滤失系数，单位，m/min1/2；
a，受压裂液黏度控制、对煤层渗透率敏感的滤失系数C1按下式计算，；
Figure BDA0002502533870000065
式中，μa为压裂液黏度，MPa·S；
b，受煤层内流体压缩性控制、对煤层渗透率敏感的滤失系数C2按下式计 算，单位，m/min1/2；
Figure BDA0002502533870000071
式中，μ为煤层流体黏度，MPa·S；
压裂液综合滤失系数C按下式计算，单位，m/min1/2；
Figure BDA0002502533870000072
⑤煤层压裂液滤失速度
煤层压裂液滤失速度vc按下式计算；
vc＝V/t＝πLC2
式中：vc为压裂液综合滤失速度，m3/min；V为综合滤失量，m3；t为压 裂时长，min；L为模型长度，m，取值50；
所述流速按滤失速度的4～8倍取值。
以通过数学模型获得准确的工艺参数方案，以在获得预期压裂效果的条件 下，确保压裂过程安全。
优选的，在第四步的压裂方案专项设计步骤中，根据理论计算公式并结合 现场经验数据确定包括倾角、方位角和间距的压裂钻孔布置参数，包括压力、 流量和流速的施工工艺施工参数，以及控制压裂系统配置。以获得针对性强 的压裂，过程安全的方案；其中，控制压裂系统配置是指压裂泵组、压裂管汇、 供水系统、供电系统、供风系统、视频监控系统、参数监测系统等硬件设施配 备。
进一步优选的，所述压裂钻孔布置参数按以下方法确定，其中，
压裂孔倾角确定：在穿层钻孔的方案中，设置钻孔为仰角孔；在回采工作 面进行本煤层顺层钻孔水力压裂的方案中，设在进风巷的压裂孔与煤层倾角 一致；设在回风巷的压裂孔采用角度仰角施工，并保证压裂钻孔起裂点位于煤 层中；
压裂孔方位确定：钻孔的方位布置在与最大主应力垂直的方向，并与预期 的主裂隙方向垂直；
压裂孔间距确定：包括确定裂缝半径R，两个压裂孔间距离为裂缝半长的2 倍，即2R；其中，裂缝半长R通过现场实测和经验数据相结合的方法综合确 定。
以进一步获得针对性强的压裂，过程安全的方案。
优选的，所述第五步的压裂施工安全管控包括，压裂前严格按照《煤矿井 下控制水力压裂现场施工安全管控清单》进行现场施工安全确认，并留存确认 结果。其中，《煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单》依据现行的《煤 矿井下水力压裂技术安全规范》要求编制形成；所述第六步的压裂后验收评价 改进包括，压裂后由专业人员进行验收，对压裂区域临空面薄弱点是否存在危 险进行现场校验，评估水力压裂设计方案的安全性，针对验收结果进行优化 改进，填写《压裂现场施工验收报告单》，并留底报备。以符合现行安全管理 规范要求，并进行不断完善和改进。其中，《煤矿井下水力压裂技术安全规范》 按照行业或地方的现行规范执行。
本发明的有益效果是，通过科学合理地建立全方位的煤矿井下水力压裂安 全保障体系，保障压裂工作的安全实施，使整个压裂安全管理工作贯穿事前、 事中和事后全过程。
附图说明
图1是本发明方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述 的实施例范围之中。
一种煤矿井下控制压裂安全保障方法，包括以下步骤：
第一步，安全影响因素识别：包括压裂区域内的薄弱点、临空面的类型、 位置、规模、距离参数的确定；
第二步，围岩参数数据库构建：包括采集压裂区域煤层、顶底板的煤岩样， 实验室测试及现场测定获得压裂区域地应力、测压系数、单轴抗压强度、泊松 比等围岩基础参数；
第三步，最小安全边界距离计算：包括利用建立的钻孔控制水力压裂封孔 力学模型和最小安全边界力学模型计算最小安全封孔长度和最小安全边界距 离；
第四步，压裂方案专项设计：包括确定具有倾角、方位角和间距的压裂钻 孔布置参数，以及具有压力、流量和流速的压裂工艺施工参数，制定控制压裂 系统专项设计方案；
第五步，压裂施工安全管控：包括编制煤矿井下控制水力压裂现场施工安 全管控清单，并按该清单进行现场施工前的安全确认；
第六步，压裂后验收评价改进：包括压裂后对压裂效果进行验收和评价， 并优化和改进压裂方案。
其中，在第一步的安全影响因素识别中，包括采用资料查阅、现场勘察方 式，对目标压裂区域内的安全影响因素进行判识，以确定压裂区域内薄弱点、 临空面的类型、位置、规模、距离参数；在第一步的安全影响因素识别中，所 述安全影响因素包括主观影响因素和客观影响因素；主观影响因素主要为受人 为因素影响的施工压裂钻孔进入煤体内通道的封孔质量，包括受封孔长度和封 孔材料强度；客观影响因素包括压裂区域客观存在的巷道、地质钻孔、水体、 地质构造等临空面。
在第二步的围岩参数数据库构建中，包括在压裂区域现场采集煤层、顶 板、底板的煤岩样，通过资料分析、实验室测试及现场测定方式，获得压裂 区域埋深、厚度、垂直地应力、侧压系数、单轴抗压强度、内摩擦角、黏结力、 弹性模量、抗压强度、抗拉强度、泊松比、水平渗透系数、垂直渗透系数和岩 体重度参数，构建压裂区域的围岩数据库。
在第三步的最小安全边界距离计算步骤中，包括结合安全影响因素及围岩 参数数据库，应用数学模型对压裂区域内最薄弱点的安全距离进行计算；其 中，数学模型包括钻孔控制水力压裂封孔力学模型和最小安全边界力学模 型。其中，钻孔控制水力压裂封孔力学模型包括按下式计算的最小安全封孔 长度l，
Figure BDA0002502533870000101
式中：K安为安全系数，取2～5；D1为钻孔直径，m；D2为压裂管外径，m； K1、K2分别为两界面的剪切比例系数，按K1＝KaKb/(Ka+Kb)，K1＝KbKc/(Kb+Kc) 计算；Ka为煤岩体剪切刚度，MPa，Kb为封孔材料剪切刚度，MPa，Kc为压 裂管剪切刚度，MPa；pc为封孔材料能够承受的最大水压，MPa，Pmax为水力 压裂过程中可施加的最大水压，MPa；
其中，最小安全封孔长度l还大于因巷道掘进形成的巷道卸压圈即裂隙带 的长度，m；
最小安全边界力学模型包括按下式计算的最小安全边界距离L安min；
Figure BDA0002502533870000102
式中：K安为安全系数，取2～5；h为二分之一的煤层厚度，m；λ为侧压力 系数；pr为巷道支护阻力，MPa；γ为上覆岩层容重，N/m3；H为煤层埋深， m；b为二分之一的巷道宽度，m；
Figure BDA0002502533870000111
为煤岩界面内摩擦角，°；cc为煤岩界面 黏聚力，MPa；d为巷道高度，m；psmax为水力压裂时的最大水压，MPa；Kp为煤岩抗拉强度，MPa。以通过数学模型获得安全、可靠的压裂参数方案，确 保压裂过程安全。
施工工艺参数的压力、流量和流速分别按以下方法确定；其中，
所述压力为泵注压力Pb，泵注压力Pb按下式计算，
Pb＝Pf+Pg+Pz
式中，Pf为煤体破裂压力，MPa；Pg为管路沿程摩阻，MPa；Pz为重力摩 阻，MPa；
其中，破裂压力Pf按下式计算，Pb＝P1+P2+P3；
式中，P1-上覆岩石压力，MPa，P2-岩石抗张强度，MPa；P3-孔隙压 力，MPa；
其中，P1按下式计算，
Figure BDA0002502533870000112
式中，γi-上覆岩石比重；hi-岩石厚度，m；
管路摩阻Pg按下式计算，Pg＝λlρv2/(2d)
式中，ρ-压裂液密度，g/cm3；l-管路长度，m；d-管路内径，cm； v-管内液体的平均流速，m/s；λ-摩擦系数，是雷诺数和流经管路的管壁粗 糙度的函数；
重力摩阻Pz按下式计算，Pz＝ρg(h1-h0)
式中，Pz-重力摩阻，Pa；ρ-水密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2； h0-压裂泵位置标高，m；h1-压裂孔处标高，m；
所述流量为泵注流量ν水，泵注流量ν水按下式计算，ν水＝vs+νc
式中，νs-煤层压入水量，m3；vc-管路充填水量，m3；
其中，煤层压入水量νs按下式计算，vs＝ν体k
式中，ν体-注水影响体体积，m3；k-为影响体孔隙率，％；
所述充填水量vc按下式计算，
νc＝νg十νk；
νg-管道充填量，用于充填压裂泵组至压裂孔的管道，m3；νk-已压裂孔 充填量，用于充填已经压裂的孔，m3；
其中，管道充填量νg按下式计算，
νg＝πγg 2hg；
式中，γg-管道半径，m，hg-管道长度，m；
已压裂孔充填量νk按下式计算，
νk＝πγk 2hk
式中，γk-压裂孔半径，m，hk-压裂孔长度，m；
所述流速确定包括确定：
①煤层动态渗透率；
煤层动态渗透率K按下式计算，
Figure BDA0002502533870000121
式中：K为煤层动态渗透率，10-12m2；K0为初始应力下的渗透率， 10-12m2；Cf为煤层割理压缩系数，MPa-1；σ为煤层改变后的应力，MPa；σ0为煤层初始应力，MPa；Δσ为煤层有效应力变化值，MPa；其中，有效应力变 化值Δσ按下式计算，
Δσ＝(σv-βPh)-(σv-βP)＝β(P-Ph)；
式中，σv为煤层垂直方向上的应力，MPa；β为Biot常数，取值为1；Ph为压裂施工时的压裂孔底压力，MPa；P为煤层孔隙压力，MPa；
②煤层孔隙内流体压缩系数；
煤层孔隙内流体压缩系数CL按下式计算，
CL＝SwCw+SgCg+Cd
式中：Sw为煤层孔隙内含水饱和度；Cw为煤层孔隙内水的压缩系数， MPa-1；Sg为煤层孔隙内含气饱和度；Cg为煤层孔隙内流体的压缩系数， MPa-1；Cd为煤层气因压力变化所导致解吸/吸附的压缩系数，MPa-1；
其中，解吸/吸附的压缩系数Cd按下式计算，
Figure BDA0002502533870000131
式中：Pc为标准状态下的煤层气压力，MPa；PL为朗格缪尔(Langmiur) 压力，MPa；VL为朗格缪尔(Langmiur)体积；T为地层温度，℃；Z为地层 状态下气体体积压缩因子；
Figure BDA0002502533870000132
为煤层孔隙度；Tc为标准状态下的温度，℃；Zc为标准状态下气体体积压缩因子。
③煤层孔隙度变化；
煤层孔隙度变化
Figure BDA0002502533870000133
按下式计算，
Figure BDA0002502533870000134
式中，ΔP为井底压力与孔隙压力的差值，MPa；
④煤层综合滤失系数，单位，m/min1/2；
a，受压裂液黏度控制、对煤层渗透率敏感的滤失系数C1按下式计算，；
Figure BDA0002502533870000135
式中，μa为压裂液黏度，MPa·S；
b，受煤层内流体压缩性控制、对煤层渗透率敏感的滤失系数C2按下式计 算，单位，m/min1/2；
Figure BDA0002502533870000136
式中，μ为煤层流体黏度，MPa·S；
压裂液综合滤失系数C按下式计算，单位，m/min1/2；
Figure BDA0002502533870000137
⑤煤层压裂液滤失速度
煤层压裂液滤失速度vc按下式计算；
vc＝V/t＝πLC2
式中：vc为压裂液综合滤失速度，m3/min；V为综合滤失量，m3；t为压 裂时长，min；L为模型长度，m，取值50；
所述流速按滤失速度的4～8倍取值。
在第四步的压裂方案专项设计步骤中，根据理论计算公式并结合现场经验 数据确定包括倾角、方位角和间距的压裂钻孔布置参数，包括压力、流量和流 速的施工工艺施工参数，以及控制压裂系统配置。其中，压裂钻孔布置参数按 以下方法确定；
压裂孔倾角确定：在穿层钻孔的方案中，设置钻孔为仰角孔；在回采工作 面进行本煤层顺层钻孔水力压裂的方案中，设在进风巷的压裂孔与煤层倾角 一致；设在回风巷的压裂孔采用角度仰角施工，并保证压裂钻孔起裂点位于煤 层中；
压裂孔方位确定：钻孔的方位布置在与最大主应力垂直的方向，并与预期 的主裂隙方向垂直；
压裂孔间距确定：包括确定裂缝半径R，两个压裂孔间距离为裂缝半长的2 倍，即2R；其中，裂缝半长R通过现场实测和经验数据相结合的方法综合确 定。
第五步的压裂施工安全管控包括，压裂前严格按照《煤矿井下控制水力压 裂现场施工安全管控清单》进行现场施工安全确认，并留存确认结果。其中， 《煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单》依据现行的《煤矿井下水力 压裂技术安全规范》要求编制形成；所述第六步的压裂后验收评价改进包括， 压裂后由专业人员进行验收，对压裂区域临空面薄弱点是否存在危险进行现 场校验，评估水力压裂设计方案的安全性，针对验收结果进行优化改进，填 写《压裂现场施工验收报告单》，并留底报备。以符合现行安全管理规范要求， 并进行不断完善和改进。其中，《煤矿井下水力压裂技术安全规范》按照行业 或地方的现行规范执行，如重庆市地方标准《煤矿井下水力压裂技术安全规 范》，其标准号为DB50/T461-2012。
其中，《煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单》和《压裂现场施工 验收报告单》分别见附表A和附表B。
附表A煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单
地点：
Figure BDA0002502533870000151
Figure BDA0002502533870000161
备注：所有指标均需满足，否则整改合格后方能签字
压裂专项技术负责人签字： 施工现场负责人签字：
年 月 日 年 月 日。附表B压裂现场施工验收报告单
地点：压裂孔编号：
Figure BDA0002502533870000162
Figure BDA0002502533870000171
压裂专项技术负责人签字： 施工现场负责人签字：
年 月 日 年 月 日。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，安全影响因素识别：包括压裂区域内的薄弱点、临空面的类型、位置、规模、距离参数的确定；
第二步，围岩参数数据库构建：包括采集压裂区域煤层、顶底板的煤岩样，实验室测试及现场测定获得压裂区域地应力、测压系数、单轴抗压强度、泊松比等围岩基础参数；
第三步，最小安全边界距离计算：包括利用建立的钻孔控制水力压裂封孔力学模型和最小安全边界力学模型计算最小安全封孔长度和最小安全边界距离；
第四步，压裂方案专项设计：包括确定具有倾角、方位角和间距的压裂钻孔布置参数，以及具有压力、流量和流速的压裂工艺施工参数，制定控制压裂系统专项设计方案；
第五步，压裂施工安全管控：包括编制煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单，并按该清单进行现场施工前的安全确认；
第六步，压裂后验收评价改进：包括压裂后对压裂效果进行验收和评价，并优化和改进压裂方案。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，在第一步的安全影响因素识别中，包括采用资料查阅、现场勘察方式，对目标压裂区域内的安全影响因素进行判识，以确定压裂区域内薄弱点、临空面的类型、位置、规模、距离参数。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，在第一步的安全影响因素识别中，所述安全影响因素包括主观影响因素和客观影响因素；主观影响因素主要为受人为因素影响的施工压裂钻孔进入煤体内通道的封孔质量，包括受封孔长度和封孔材料强度；客观影响因素包括压裂区域客观存在的巷道、地质钻孔、水体、地质构造等临空面。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，在第二步的围岩参数数据库构建中，包括在压裂区域现场采集煤层、顶板、底板的煤岩样，通过资料分析、实验室测试及现场测定方式，获得压裂区域埋深、厚度、垂直地应力、侧压系数、单轴抗压强度、内摩擦角、黏结力、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、泊松比、水平渗透系数、垂直渗透系数和岩体重度参数，构建压裂区域的围岩数据库。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，在第三步的最小安全边界距离计算步骤中，包括结合安全影响因素及围岩参数数据库，应用数学模型对压裂区域内最薄弱点的安全距离进行计算；其中，数学模型包括钻孔控制水力压裂封孔力学模型和最小安全边界力学模型。
6.根据权利要求5所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，所述钻孔控制水力压裂封孔力学模型包括按下式计算的最小安全封孔长度l，
Figure FDA0002502533860000021
式中：K安为安全系数，取2～5；D1为钻孔直径，m；D2为压裂管外径，m；K1、K2分别为两界面的剪切比例系数，按K1＝KaKb/(Ka+Kb)，K1＝KbKc/(Kb+Kc)计算；Ka为煤岩体剪切刚度，MPa，Kb为封孔材料剪切刚度，MPa，Kc为压裂管剪切刚度，MPa；pc为封孔材料能够承受的最大水压，MPa，Pmax为水力压裂过程中可施加的最大水压，MPa；
其中，最小安全封孔长度l还大于因巷道掘进形成的巷道卸压圈即裂隙带的长度，m；
所述最小安全边界力学模型包括按下式计算的最小安全边界距离L安min；
Figure FDA0002502533860000031
式中：K安为安全系数，取2～5；h为二分之一的煤层厚度，m；λ为侧压力系数；pr为巷道支护阻力，MPa；γ为上覆岩层容重，N/m3；H为煤层埋深，m；b为二分之一的巷道宽度，m；
Figure FDA0002502533860000032
为煤岩界面内摩擦角，°；cc为煤岩界面黏聚力，MPa；d为巷道高度，m；psmax为水力压裂时的最大水压，MPa；Kp为煤岩抗拉强度，MPa。
7.根据权利要求5所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，所述施工工艺参数的压力、流量和流速分别按以下方法确定；其中，
所述压力为泵注压力Pb，泵注压力Pb按下式计算，
Pb＝Pf+Pg+Pz
式中，Pf为煤体破裂压力，MPa；Pg为管路沿程摩阻，MPa；Pz为重力摩阻，MPa；
其中，破裂压力Pf按下式计算，Pb＝P1+P2+P3；
式中，P1-上覆岩石压力，MPa，P2-岩石抗张强度，MPa；P3-孔隙压力，MPa；
其中，P1按下式计算，
Figure FDA0002502533860000033
式中，γi-上覆岩石比重；hi-岩石厚度，m；
管路摩阻Pg按下式计算，Pg＝λlρv2/(2d)
式中，ρ-压裂液密度，g/cm3；l-管路长度，m；d-管路内径，cm；v--管内液体的平均流速，m/s；λ-摩擦系数，是雷诺数和流经管路的管壁粗糙度的函数；
重力摩阻Pz按下式计算，Pz＝ρg(h1-h0)
式中，Pz-重力摩阻，Pa；ρ-水密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2；h0-压裂泵位置标高，m；h1-压裂孔处标高，m；
所述流量为泵注流量v水，泵注流量v水按下式计算，v水＝vs+νc
式中，vs-煤层压入水量，m3；νc-管路充填水量，m3；
其中，煤层压入水量νs按下式计算，vs＝ν体k
式中，ν体-注水影响体体积，m3；k-为影响体孔隙率，％；
所述充填水量vc按下式计算，
νc＝νg+νk；
νg-管道充填量，用于充填压裂泵组至压裂孔的管道，m3；νk-已压裂孔充填量，用于充填已经压裂的孔，m3；
其中，管道充填量νg按下式计算，
νg＝πγg 2hg；
式中，γg-管道半径，m，hg-管道长度，m；
已压裂孔充填量νk按下式计算，
νk＝πγk 2hk
式中，γk-压裂孔半径，m，hk-压裂孔长度，m；
所述流速确定包括确定：
①煤层动态渗透率；
煤层动态渗透率K按下式计算，
Figure FDA0002502533860000041
式中：K为煤层动态渗透率，10-12m2；K0为初始应力下的渗透率，10-12m2；Cf为煤层割理压缩系数，MPa-1；σ为煤层改变后的应力，MPa；σ0为煤层初始应力，MPa；Δσ为煤层有效应力变化值，MPa；其中，有效应力变化值Δσ按下式计算，
Δσ＝(σv-βPh)-(σv-βP)＝β(P-Ph)；
式中，σv为煤层垂直方向上的应力，MPa；β为Biot常数，取值为1；Ph为压裂施工时的压裂孔底压力，MPa；P为煤层孔隙压力，MPa；
②煤层孔隙内流体压缩系数；
煤层孔隙内流体压缩系数CL按下式计算，
CL＝SwCw+SgCg+Cd
式中：Sw为煤层孔隙内含水饱和度；Cw为煤层孔隙内水的压缩系数，MPa-1；Sg为煤层孔隙内含气饱和度；Cg为煤层孔隙内流体的压缩系数，MPa-1；Cd为煤层气因压力变化所导致解吸/吸附的压缩系数，MPa-1；
其中，解吸/吸附的压缩系数Cd按下式计算，
Figure FDA0002502533860000051
式中：Pc为标准状态下的煤层气压力，MPa；PL为朗格缪尔(Langmiur)压力，MPa；VL为朗格缪尔(Langmiur)体积；T为地层温度，℃；Z为地层状态下气体体积压缩因子；
Figure FDA0002502533860000052
为煤层孔隙度；Tc为标准状态下的温度，℃；Zc为标准状态下气体体积压缩因子。
③煤层孔隙度变化；
煤层孔隙度变化
Figure FDA0002502533860000053
按下式计算，
Figure FDA0002502533860000054
式中，ΔP为井底压力与孔隙压力的差值，MPa；
④煤层综合滤失系数，单位，m/min1/2；
a，受压裂液黏度控制、对煤层渗透率敏感的滤失系数C1按下式计算，；
Figure FDA0002502533860000055
式中，μa为压裂液黏度，MPa·S；
b，受煤层内流体压缩性控制、对煤层渗透率敏感的滤失系数C2按下式计算，单位，m/min1/2；
Figure FDA0002502533860000056
式中，μ为煤层流体黏度，MPa.S；
压裂液综合滤失系数C按下式计算，单位，m/min1/2；
Figure FDA0002502533860000061
⑤煤层压裂液滤失速度
煤层压裂液滤失速度vc按下式计算；
vc＝V/t＝πLC2
式中：vc为压裂液综合滤失速度，m3/min；V为综合滤失量，m3；t为压裂时长，min；L为模型长度，m，取值50；
所述流速按滤失速度的4～8倍取值。
8.根据权利要求1所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，在第四步的压裂方案专项设计步骤中，根据理论计算公式并结合现场经验数据确定包括倾角、方位角和间距的压裂钻孔布置参数，包括压力、流量和流速的施工工艺施工参数，以及控制压裂系统配置。
9.根据权利要求8所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，所述压裂钻孔布置参数按以下方法确定，其中，
压裂孔倾角确定：在穿层钻孔的方案中，设置钻孔为仰角孔；在回采工作面进行本煤层顺层钻孔水力压裂的方案中，设在进风巷的压裂孔与煤层倾角一致；设在回风巷的压裂孔采用角度仰角施工，并保证压裂钻孔起裂点位于煤层中；
压裂孔方位确定：钻孔的方位布置在与最大主应力垂直的方向，并与预期的主裂隙方向垂直；
压裂孔间距确定：包括确定裂缝半径R，两个压裂孔间距离为裂缝半长的2倍，即2R；其中，裂缝半长R通过现场实测和经验数据相结合的方法综合确定。
10.根据权利要求1所述的煤矿井下控制压裂安全保障方法，其特征在于，所述第五步的压裂施工安全管控包括，压裂前严格按照《煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单》进行现场施工安全确认，并留存确认结果；其中，《煤矿井下控制水力压裂现场施工安全管控清单》依据现行的《煤矿井下水力压裂技术安全规范》要求编制形成；所述第六步的压裂后验收评价改进包括，压裂后由专业人员进行验收，对压裂区域临空面薄弱点是否存在危险进行现场校验，评估水力压裂设计方案的安全性，针对验收结果进行优化改进，填写《压裂现场施工验收报告单》，并留底报备。
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