脈動(dòng)水力壓裂增透技術(shù)在較難抽放煤層的應(yīng)用

（作者單位：通化礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）

通化礦業(yè)集團(tuán)公司松樹鎮(zhèn)煤礦是煤與瓦斯突出礦井，+206西一采區(qū)為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)，采區(qū)瓦斯含量為 8.17～11.31m3／L之間，瓦斯壓力為 1.65～3.98MPa，為低透氣性、較難抽放煤層。為確保安全生產(chǎn)，增大煤層透氣性，提高瓦斯抽放量，對(duì)該采區(qū)采用脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)進(jìn)行增透，取得了良好效果，表明脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)在較難抽放煤層中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

一、采區(qū)概況

1.煤層賦存及頂?shù)装?/h3>

+206西一采區(qū)位于松樹鎮(zhèn)煤礦三水平+206西部區(qū)，地面標(biāo)高為+840~+850，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，火成巖侵入嚴(yán)重，可采煤層為Ⅰ層、Ⅱ?qū)用?。煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為0.80m3/min，自然發(fā)火期為10個(gè)月。煤塵爆炸指數(shù)為37.5﹪。煤層頂板基本頂厚度為8.8m，為中-粗粒砂巖，直接頂厚度為1.0m，黑色細(xì)砂巖，煤層底板基本底厚度為0.7m，黑灰色細(xì)砂巖。

2.采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，走向平均125°，地層傾角平均10°。區(qū)域內(nèi)有r1、r2、r3斷層，r1正斷層傾向330°，走向 63°，傾角 68°，落差8.0～13.0m，對(duì)巷道掘進(jìn)沒有影響。r2正斷層傾向 148°、走向 59°、傾角 65°、落差 8.0～3.0m，對(duì)巷道掘進(jìn)有影響。 r3正斷層傾向 360°，走向 90°，傾角 64°，落差13.0m，對(duì)巷道掘進(jìn)沒有影響。

二、脈動(dòng)水力壓裂施工設(shè)計(jì)方案

1.脈動(dòng)壓裂系統(tǒng)

松樹鎮(zhèn)煤礦應(yīng)用的脈動(dòng)壓裂系統(tǒng)由脈動(dòng)泵系統(tǒng)、自動(dòng)控制水箱、高壓管路系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

高壓脈動(dòng)泵脈沖強(qiáng)度：0~20MPa；脈沖頻率：1460次/min；輸出流量：125L/min；電機(jī)電壓：660V，功率：55Kw。高壓管路選用DN32高壓膠管，鉆孔內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，采用快速接頭與高壓膠管相連接。

2.鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)松樹鎮(zhèn)煤礦煤層的實(shí)際賦存情況及+206西一采區(qū)3111工作面巷道布置方式，在第二集中上山分別布置3組脈動(dòng)壓裂孔和導(dǎo)向孔。如圖2所示。

圖1 脈動(dòng)水力壓裂系統(tǒng)框圖

圖2 鉆孔布置剖面圖

脈動(dòng)壓裂孔和導(dǎo)向孔交替布置，在實(shí)施過程中，先施工導(dǎo)向孔A，然后依次對(duì)A→1#→B→2#→C→3#→D打鉆。鉆孔A距離邊界巷58m處，壓裂孔與導(dǎo)向孔間距為5m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆孔情況，最終形成了A、B、2#、3#為導(dǎo)向孔，1#、C、D為壓裂孔的鉆孔布置方式。鉆孔實(shí)際參數(shù)見表1。

表1 脈動(dòng)壓裂孔和導(dǎo)向孔實(shí)際參數(shù)

設(shè)備管路連接完畢后要進(jìn)行確認(rèn)檢查，確保壓裂過程的安全。準(zhǔn)備工作完畢后開始?jí)毫选毫堰^程中，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.現(xiàn)場(chǎng)施工

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施脈動(dòng)壓裂孔為1#、C和D孔。

第一天，對(duì)1#孔和C孔進(jìn)行脈動(dòng)水力壓裂。

1#孔：采用PD材料密封，首先連接好脈動(dòng)壓裂管路，做好脈動(dòng)壓裂前的檢查工作。12∶05開泵，經(jīng)過20min，迅速調(diào)節(jié)溢流閥，壓力緩慢上升為2MPa。又經(jīng)過30min，壓力一直穩(wěn)定在2MPa。12∶55停泵，此時(shí)壓裂孔1#孔和左右導(dǎo)向孔A、B均未出水。表明鉆孔的密封效果較好，脈動(dòng)水力壓裂產(chǎn)生的裂隙沒有穿過導(dǎo)向孔，而向深部擴(kuò)展。脈動(dòng)注水總時(shí)間為50min，總注水量為6.25m3。

C孔：采用PD材料密封，首先連接好脈動(dòng)壓裂管路，做好脈動(dòng)壓裂前的檢查工作。1∶20開泵，經(jīng)過20min，迅速調(diào)節(jié)溢流閥，壓力緩慢上升為2MPa，之后壓力一直穩(wěn)定在2Mpa。當(dāng)?shù)?5min時(shí)，壓力突然降為0，停泵，此時(shí)C孔右側(cè)未封孔的導(dǎo)向孔3#孔出水，表明脈動(dòng)壓裂產(chǎn)生的裂隙穿過導(dǎo)向孔，壓裂成功結(jié)束。注水總時(shí)間為55min，總注水量為6.875m3。

第三天，對(duì)壓裂孔D進(jìn)行脈動(dòng)水力壓裂及C孔的二次壓裂。

D孔：采用注壓一體快速封孔器進(jìn)行密封，首先利用單向閥、截止閥等連接好膠囊和注水管路，實(shí)現(xiàn)注壓一體。啟動(dòng)脈動(dòng)泵，首先對(duì)膠囊進(jìn)行注水升壓，經(jīng)過1min，使膠囊壓力達(dá)到10MPa。膠囊壓力穩(wěn)定后，切換注水管路，10∶55開泵，開始對(duì)鉆孔注水，單向閥能夠使膠囊壓力保持在10MPa。經(jīng)過2min，壓力緩慢升到6MPa， 之后突然降為 0，11∶15 停泵，此時(shí)導(dǎo)向孔3#孔和壓裂孔D均出水，導(dǎo)向孔出現(xiàn)黑色污水。注水總時(shí)間為20min，總注水量為2.5m3。

C孔二次壓裂：首先連接管路，啟動(dòng)脈動(dòng)泵。12∶40開泵，脈動(dòng)水充滿鉆孔以及鉆孔周圍裂隙，該階段大約持續(xù)30min。13∶10注水壓力開始上升，壓裂孔周圍聽到零星“吱吱”聲音。該階段大約持續(xù)10min。隨著壓力上升，壓裂孔左側(cè)4～7m范圍內(nèi)的上部巷幫出現(xiàn)掉渣，伴隨“吱吱”聲音。13∶40，經(jīng)過50min后，注水壓力突然降為零，壓裂孔左側(cè)6～7m上部巷幫錨桿出水，壓裂結(jié)束。壓裂總時(shí)間為60min，總注水量為7.5m3。

表2 脈動(dòng)水力壓裂各孔現(xiàn)場(chǎng)信息一覽

三、脈動(dòng)水力壓裂效果

1.脈動(dòng)水的分布

圖3脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域煤體水分布圖

圖3 為第三天脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域煤體水分布圖。圖中顯示，1#孔兩側(cè)水的影響半徑為3m，縱向影響長(zhǎng)度為90m，說明1#壓裂孔兩側(cè)導(dǎo)向孔沒有出水，壓裂裂隙向1#孔深部擴(kuò)展。

對(duì)比1#壓裂孔和未注水的B孔、2#孔，可以看出，未注水鉆孔的水量較小，且范圍小，而1#孔的兩側(cè)水的影響較大，且縱向方向更深入。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

D#孔采用高壓膠囊封孔的脈動(dòng)壓裂，由于D孔下鉆時(shí)間短，第一次測(cè)試D孔時(shí)周圍3m范圍內(nèi)有水分布，脈動(dòng)壓裂后，對(duì)D孔進(jìn)行二次壓裂，水在D孔中的分布向深部延伸5～7m，壓裂半徑橫向增大 2～3m。

四、結(jié)論

通過對(duì)比可以看出，脈動(dòng)水力壓裂以后，鉆孔影響范圍擴(kuò)大至5～7m。脈動(dòng)水力壓裂可以使煤體產(chǎn)生疲勞破壞，從而達(dá)到疏通孔隙，提高煤層透氣性；脈動(dòng)壓力在24MPa、頻率在20Hz時(shí)，卸壓效果最好，煤層瓦斯含量及瓦斯壓力明顯降低，可以有效增大單孔影響范圍，提高抽采效率。

通過在松樹鎮(zhèn)煤礦采取脈動(dòng)水力壓裂增透的方法，可有效擴(kuò)大鉆孔有效影響范圍，提高瓦斯抽采效率，減少了鉆孔的施工量，降低了成本，縮短了瓦斯抽采時(shí)間，為低透氣性、較難抽放的突出煤層瓦斯治理工作提供了一條新的途徑。