脈動(dòng)水力壓力技術(shù)研究

1、脈動(dòng)水力壓力技術(shù)研究 （潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)） 一、技術(shù)原理脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)是在普通水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的一種新的煤層卸壓增透技術(shù)，是將具有一定頻率的脈動(dòng)水持續(xù)注入鉆孔中，由峰值壓力與谷底壓力構(gòu)成周期性的脈動(dòng)波，對(duì)煤體裂隙產(chǎn)生交變或重復(fù)荷載，逐漸使煤體出現(xiàn)疲勞損傷，促使煤層中的微小孔裂隙形成和逐漸張開(kāi)，宏觀裂隙擴(kuò)展聯(lián)通，最終形成新的裂隙網(wǎng)。三、技術(shù)方案1、鉆孔布置根據(jù)巷道實(shí)際情況，在S1206回風(fēng)順槽距里程700m處設(shè)計(jì)兩組脈動(dòng)壓裂孔和導(dǎo)向孔，探索適合于本煤層的導(dǎo)向孔間距。第一組設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔與壓裂孔間距3m，第二組設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔與壓裂孔間距5m。每組脈動(dòng)壓裂孔壓裂影響區(qū)域根據(jù)壓裂孔兩側(cè)導(dǎo)向孔

2、布置而定，一般范圍為左右導(dǎo)向孔兩側(cè)2m以?xún)?nèi)。為對(duì)比脈動(dòng)水力壓裂效果，在距離壓裂區(qū)域15m外施工效果對(duì)比孔，兩對(duì)比孔間距5m。受巷道實(shí)際和施工條件的限制，最終脈動(dòng)壓裂孔和導(dǎo)向孔布置如圖所示。圖1 鉆孔位置圖圖2鉆孔布置圖采用113mm的鉆頭，以40°方位角向巷幫施工鉆孔，孔深150m。脈動(dòng)壓裂孔、導(dǎo)向孔及效果對(duì)比孔參數(shù)見(jiàn)表1。表1 脈動(dòng)壓裂孔與導(dǎo)向孔參數(shù)位置類(lèi)型孔徑(mm)孔深(m)傾角方位角S1206回風(fēng)順槽脈動(dòng)壓裂孔113150順層2°40°導(dǎo)向孔113150順層2°40°效果對(duì)比孔113150順層2°40°2、鉆孔封孔試

3、驗(yàn)使用膠囊加套管的封孔方法。圖3高壓膠囊封孔示意圖該方法采用高壓膠囊和瓦斯抽放管相結(jié)合的方式，形成套管膠囊封孔方法。其中膠囊采用3個(gè)膠囊串聯(lián)的方式。所使用膠囊均為1.8m，常壓狀態(tài)下外徑50mm，自由狀態(tài)下最大膨脹可達(dá)到80mm，具體參數(shù)如表2所示。表2高壓膠囊參數(shù)名稱(chēng)長(zhǎng)度（m）外徑（mm）工作壓力（MPa）最大壓力（MPa）最大膨脹比（%）高壓膠囊封孔器1.85015401603、鉆孔壓裂2月2對(duì)試驗(yàn)1#、試驗(yàn)2#進(jìn)行脈動(dòng)水力壓裂，1#孔壓裂時(shí)，導(dǎo)向孔C1出水，2#壓裂時(shí)，返漿管出水。2月28日對(duì)2#孔返漿管注入波雷因。3月1日分別對(duì)試驗(yàn)2#、C3進(jìn)行脈動(dòng)水力壓裂，3月2日對(duì)C2進(jìn)行壓裂。3

4、月8日，對(duì)C5進(jìn)行脈動(dòng)水力壓裂，右側(cè)C4、C3均出水，C3至C5貫通。表3鉆孔壓裂信息表孔號(hào)封孔長(zhǎng)度/m壓裂時(shí)間最大壓力/MPa注水量/m³注水時(shí)長(zhǎng)/ min壓裂結(jié)果1#1650.62左側(cè)3m處導(dǎo)向孔出水2#2561.3512孔口返漿管漏水2#2561.4518右上方超前探測(cè)孔出水C326101.5019左側(cè)C4出水C21583.60(2次)25C3右上方0.5m處出水C52551.213右側(cè)C4、C3均出水4、壓裂后抽采效果分析(1)壓裂孔抽采效果變化圖4 試驗(yàn)1#鉆孔抽采濃度及抽采純流量變化試驗(yàn)1#孔于2月2日進(jìn)行壓裂，導(dǎo)向孔C1出水后停止，2月3日開(kāi)始并網(wǎng)抽采。抽采效果如圖所示

5、，在前期抽采瓦斯?jié)舛仍?%3%之間，純流量在00.004m³/min，3月2日對(duì)該孔進(jìn)行管網(wǎng)整理之后，濃度和流量均有較大變化，截至3月26日，濃度在15%50%之間，純流量0.010.1 m³/min。圖5 試驗(yàn)2#鉆孔抽采濃度及抽采純流量變化試驗(yàn)2#孔于2月2日進(jìn)行首次壓裂，由于返漿管出水結(jié)束，3月2日對(duì)其返漿管注入波雷因之后，于3月1日分別對(duì)試驗(yàn)2#孔重新進(jìn)行脈動(dòng)水力壓裂，壓裂前抽采瓦斯?jié)舛仍谝恢痹?%8%之間，壓裂后濃度和流量均有明顯提升，抽采濃度最高達(dá)到44%，純流量最高達(dá)到0.06m³/min。圖6 C2鉆孔抽采濃度及抽采純流量變化C2于3月2日進(jìn)行脈動(dòng)

6、水力壓裂，距C3孔0.5m處煤幫出水后停止，壓裂之前，抽采瓦斯?jié)舛仍?%7%之間，純流量在0.010.12 m³/min之間，壓裂之后，抽采濃度最高達(dá)到80%，流量在0.050.11 m³/min之間變化。圖7 C3鉆孔抽采濃度及抽采純流量變化C3于3月1日進(jìn)行壓裂，導(dǎo)向孔C4出水之后停止，壓裂之前抽采瓦斯?jié)舛仍?0%15%之間，純流量在0.010.03 m³/min，壓裂之后，純流量在0.030.06 m³/min，濃度在20%60%之間。圖8 C5孔抽采濃度及抽采純流量變化C5鉆孔于3月8日壓裂，最大壓力5MPa，壓裂時(shí)長(zhǎng)13min，至右側(cè)導(dǎo)向孔C4

7、、C3均出水停止壓裂。壓裂結(jié)束后開(kāi)始抽采。起始抽采濃度較低，后期出現(xiàn)多次起伏，最大抽采濃度達(dá)到30%，最大抽采純流量達(dá)到0.04 m³/min（2）導(dǎo)向孔抽采效果變化圖9 C1鉆孔抽采濃度及抽采純流量變化C1為1#孔的導(dǎo)向孔，2月2日1#壓裂時(shí)，C1出水，隨后并網(wǎng)抽采。濃度保持在50%90%之間，純流量在0.070.19 m³/min之間。圖10 C4孔抽采濃度及抽采純流量變化C4鉆孔作為壓裂孔C5和C3的導(dǎo)向孔，兩次壓裂均導(dǎo)致該孔出水。壓裂之后，濃度較低，流量緩慢上升，壓裂8天后由0.02m³/min升至0.06m³/min，10天后升至0.08m&#

8、179;/min。圖11 C6孔抽采濃度及抽采純流量變化C6鉆孔作為壓裂孔C5的導(dǎo)向孔，進(jìn)行C5壓裂時(shí)出水。壓裂后濃度和流量有所提升，至第10天流量達(dá)到0.13m³/min，且流量保持較高水平。（3）對(duì)比效果分析選擇普通孔D1作為效果對(duì)比孔進(jìn)行對(duì)比分析。圖12 壓裂孔1#、C2與普通孔D1抽采濃度對(duì)比圖13 壓裂孔1#、C2與普通孔D1抽采純量對(duì)比圖14 導(dǎo)向孔C1、C4與普通孔D1抽采純量對(duì)比由圖12、13、14可以看出，脈動(dòng)壓裂孔及其導(dǎo)向孔抽采效果均高于普通孔。具體表現(xiàn)在：（1）抽采濃度高，壓裂孔和導(dǎo)向孔最大抽采濃度達(dá)到89%，普通孔不理想，10%左右；（2）抽采純量高，壓裂孔和導(dǎo)向孔最大抽采純流量達(dá)到0.11m³/min，普通孔則在0.016m³/min左右，提高近10倍；（3）瓦斯抽采衰減慢，壓裂孔和導(dǎo)向孔抽采瓦斯時(shí)濃度和流量出現(xiàn)多次起伏，20天時(shí)仍保持較高水平。3結(jié)論脈動(dòng)壓裂孔壓裂之前抽采瓦斯?jié)舛仍?%15%之間，純流量在0.01 m³/min左右，脈動(dòng)水力壓裂之后，脈動(dòng)壓裂孔最大純流量達(dá)到0.12m³/mi