脈動水力壓裂項目階段總結(jié)

word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯高壓脈動注水及水力壓裂防治煤與瓦斯突出技術(shù)項目階段總結(jié)通化礦業(yè)集團松樹鎮(zhèn)煤礦中國礦業(yè)大學(xué)2012年9月word文檔可自由復(fù)制編輯目錄1工作面概況 12脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)原理 12.1煤體的疲勞損傷 12.2高壓脈動水的“水楔”作用 22.3脈動水壓力的傳播 32.4脈動水力壓裂卸壓增透過程分析 53脈動水力壓裂設(shè)備及操作安全措施 53.1密封設(shè)備 53.2壓裂系統(tǒng) 63.3脈動壓裂考察設(shè)備 73.4安全措施 74脈動水力壓裂施工方案設(shè)計 94.1鉆孔參數(shù) 94.2鉆孔密封 115脈動水力壓裂現(xiàn)場實施 146脈動水力壓裂效果考察 156.1脈動水的分布 156.2脈動水力壓裂效果 167主要結(jié)論及下一步工作計劃 197.1結(jié)論 197.2下一步工作計劃 20word文檔可自由復(fù)制編輯1工作面概況該工作面為三水平+206西一采區(qū)，地面標(biāo)高為+840~+850，井下標(biāo)高為+280~+180，煤層厚度（最大-最?。?.34~2.8/3.0，煤層傾角較大，煤層傾角（最大-最?。?1°~9°。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，火成巖侵入嚴(yán)重，絕對瓦斯涌出量為0.80m3/min，自然發(fā)火期為10個月。煤塵爆炸指數(shù)為37.50﹪。煤層頂板基本頂厚度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0.7m該工作面地質(zhì)構(gòu)造為向斜的南翼深部，呈單斜構(gòu)造，地層走向最大130°最小118°，平均地層走向125°。地層傾角最大11°，最小9°，平均地層傾角10°。由于該區(qū)域內(nèi)沒有巷道控制，所有資料都借鑒地質(zhì)報告，在采區(qū)內(nèi)有r1、r2、r3斷層，r1正斷層傾向330°、走向63°、傾角68°、落差8.0～13.0米，對巷道掘進(jìn)沒有影響。r2正斷層傾向148°、走向59°、傾角65°、落差8.0～3.0米，對巷道掘進(jìn)有影響。r3正斷層傾向360°、走向90°、傾角64°、落差13.0米，對巷道掘進(jìn)沒有影響。該采區(qū)Ⅰ層煤呈條帶狀，黑色油脂光澤。為石炭二迭系山西組含煤系，煤層最大厚度為3.34米，最小厚度為2.8米，平均厚度為3.0米；Ⅱ?qū)用撼史勰?，黑色油脂光澤。為石炭二迭系山西組含煤系，煤層最大厚度為3.1米，最小厚度為2.8米，平均厚度為2.95米；Ⅱ?qū)用喉敯寮匆粚用旱装鍨榛液谏?xì)砂巖，含植物根莖化石，平均厚度為0.7米。Ⅰ層煤直接頂為灰黑色細(xì)砂巖，平均厚度為1米，老頂為灰白色石英質(zhì)中粒砂巖，平均厚度為8.8米。2脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)原理2.1煤體的疲勞損傷疲勞特性是材料的動力性能之一，在重復(fù)、循環(huán)或交變荷載作用下，任何材料都會出現(xiàn)疲勞損傷。研究表明，煤巖在循環(huán)荷載作用下會發(fā)生疲勞損傷，其強度和變形規(guī)律與靜態(tài)荷載作用下有顯著不同，煤巖是否發(fā)生疲勞破壞和應(yīng)力門檻值有關(guān)，單軸循環(huán)荷載作用下煤樣疲勞破壞“門檻值”不超過單軸抗壓強度的81%，且在疲勞破壞“門檻值”以下進(jìn)行循環(huán)加載、卸載時，也會產(chǎn)生一定程度的疲勞損傷。圖1周期脈動水壓特征參數(shù)示意圖為脈動周期載荷的上限應(yīng)力，為脈動周期載荷的下限應(yīng)力，應(yīng)力幅值，為平均應(yīng)力值，f為頻率。煤體中的原生裂隙發(fā)育豐富，對煤巖進(jìn)行水力壓裂時，宏觀上高壓脈動水對煤層的結(jié)構(gòu)破壞過程不同于單軸(多軸)壓縮條件下煤巖破壞過程。單軸(多軸)壓縮作用下煤的破壞是煤體在外力作用下的破壞，而煤層注水壓裂破壞是借助流體水在煤層各種弱面內(nèi)對弱面兩壁面的支撐作用，使弱面發(fā)生張開、擴展和延伸，從而對煤層形成內(nèi)部分割。微觀上而言，對于單個的裂隙面，脈動水以強烈的交變應(yīng)力作用于裂隙面，在裂隙面內(nèi)產(chǎn)生周期性張壓應(yīng)力。一方面，高頻壓力波激發(fā)煤層孔隙堵塞物，使堵塞物疲勞破碎，疏通煤體孔隙通道，提高注水孔周邊滲透率；另一方面，煤體在交變應(yīng)力下產(chǎn)生疲勞破壞，比在恒壓載荷作用下產(chǎn)生破壞所需的最大應(yīng)力值低。2.2高壓脈動水的“水楔”作用脈動水力壓裂時，脈動高壓水作用于介質(zhì)后首先在介質(zhì)上產(chǎn)生裂縫，脈動水滲流到裂縫中，使裂縫得以擴展和延伸，這種作用可以認(rèn)為是“水楔”的劈裂作用。裂紋初步形成和匯合后，在水射流沖擊壓力作用下，水射流楔入裂隙，裂隙將產(chǎn)生一定的壓力場，在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)，它使裂隙迅速發(fā)展和擴大，最后使煤巖體破裂。煤體屬于一種準(zhǔn)脆性材料，裂紋失穩(wěn)擴散準(zhǔn)則為[：(1)式中，為裂紋失穩(wěn)擴散尖端應(yīng)力臨界值；為裂紋尖端失穩(wěn)所需的表面能，即裂紋失穩(wěn)擴散所需克服的阻力；為煤體的彈性模量；為裂紋尺寸。由斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子斷裂判據(jù)得知，在裂紋尖端應(yīng)力場強度因子可以表述為QUOTEK=ασaπ(2)式中，為應(yīng)力強度因子；QUOTEα為形狀系數(shù)(與裂紋大小、位置等有關(guān))；為裂紋尖端應(yīng)力。由式(2)可以看出，應(yīng)力強度因子與載荷呈線性關(guān)系，并依賴于物體與裂紋的幾何形狀和尺寸。當(dāng)脈動高壓水的“水楔”作用產(chǎn)生的裂紋尖端應(yīng)力時，裂紋就失穩(wěn)擴展。圖2脈動水楔作用模型隨著煤體內(nèi)應(yīng)力升高，發(fā)生失穩(wěn)擴展的臨界裂紋長度逐漸變?。浑S著裂隙擴展和貫通，使煤體中細(xì)宏觀裂隙增多，即“水楔”作用就是水體在較大的注水壓力作用下沿孔周圍多種張開型裂隙的流動、滲透和親潤而使各種裂隙擴大、擴展和貫通的過程。由于脈動水使煤層內(nèi)產(chǎn)生周期性的擴張應(yīng)力，針對煤體的這一力學(xué)性質(zhì)，利用水的“不可壓縮”性，采用具有較高壓力的脈動水對煤層進(jìn)行注水壓裂，加速了層理或切割裂隙張開度的增大過程，當(dāng)在某位置的切向拉應(yīng)力大于與此相連的次級弱面的壁面之間的聯(lián)結(jié)力和相應(yīng)切線方向的原始應(yīng)力之和時，將在該位置處發(fā)生次級弱面起裂，具有高壓脈動特點的壓力水不斷沖擊煤體的次級裂隙，使其發(fā)生上一級弱面所經(jīng)歷的擴展延伸過程。依此規(guī)律反復(fù)發(fā)展下去，直至達(dá)到煤分層中的微小裂隙。壓力水便達(dá)到對煤層的逐級分割作用，達(dá)到煤層增透的目的。2.3脈動水壓力的傳播在對煤體實施脈動水力壓裂時，脈動壓力是脈動水力壓裂的直觀表現(xiàn)。通過實驗室試驗和理論分析得到，對于裂隙中脈動水的傳播來說，一定頻率的脈動水在裂隙中以脈動壓力波的形式傳播，在傳播過程中可能存在下列情形，即脈動壓力波的反射、疊加、往復(fù)等。(a)(b)(c)(d)圖3脈動水壓力在裂隙中的傳播脈動壓力波在傳播過程中發(fā)生了以下情況：（1）在脈動壓力波開始傳播時，初始位移平均分成正負(fù)方向傳播，到達(dá)邊界前相當(dāng)于波在無限長的弦上傳播；（2）脈動壓力波到達(dá)邊界后，發(fā)生反射，產(chǎn)生半波損失；（3）自邊界反射回來的波，相向運動，相遇后，產(chǎn)生疊加，繼續(xù)傳播。以上原因分析了引起脈動壓力波振幅的擴大、壓力增加的原因。實驗室利用數(shù)值分析方法通過定義模擬計算得出特定條件下，脈動壓力波的振幅擴大1.0~5倍，物理模擬實驗對比分析給出了脈動壓力幅值能夠擴大2.2~4.2倍，現(xiàn)場實施脈動水力壓裂對比分析，得出脈動壓力幅值能夠擴大1.5~3.0倍。特定的煤層具有特定的水力壓裂起裂壓力。上面對振幅和壓力增大的幅度進(jìn)行了分析，依據(jù)分析結(jié)果，振幅最大增加5倍。假定同一煤層，p脈為脈動水在裂隙傳播過程中產(chǎn)生的最大壓力，p靜為常規(guī)靜壓水力壓裂過程中最大壓力。在煤體裂隙未貫通時，存在p靜=γp脈式中，γ為壓力控制系數(shù)，取值范圍[1.5，3]。在已知煤層常規(guī)水力壓裂起裂壓力或者水力壓裂過程中出現(xiàn)的最大壓力，可以推算出脈動水力壓裂中會出現(xiàn)的最大壓力。2.4脈動水力壓裂卸壓增透過程分析脈動水力壓裂煤層可以分成四個階段，首先脈動水進(jìn)入煤體原生裂隙和孔隙中，對煤體產(chǎn)生周期性的沖擊，使高壓水滲透到煤體中的裂隙和孔隙中并使其充滿水。其次，當(dāng)水充滿煤體裂隙后一定頻率的脈動壓力開始作用煤體，裂隙表面受到交變荷載作用，在脈動水累積沖擊下逐漸出現(xiàn)疲勞損傷。再次，隨著脈動水壓力的逐漸增加，當(dāng)其超過煤體裂隙的起裂壓力時裂隙開始擴展，衍生更多裂隙。最后，在持續(xù)的脈動作用下，部分初始裂隙相互連接，新生裂隙進(jìn)一步延伸，形成貫通裂隙網(wǎng)，煤體透氣性大幅度提高。整個脈動水力壓裂過程中，煤體的疲勞損傷和脈動水的“水楔”作用是最終形成裂隙網(wǎng)的關(guān)鍵。3脈動水力壓裂設(shè)備及操作安全措施3.1密封設(shè)備PD復(fù)合密封材料密封設(shè)備包括攪拌機和注漿泵。攪拌機在運輸?shù)倪^程中被損壞，因此采用人工攪拌，注漿泵采用ZBQ-0.6/18氣動注漿泵，主要由料斗、氣缸組成、泵頭總成、氣源三聯(lián)體、雙向氣控?fù)Q向閥、行程換向閥、黃銅消聲器、高壓膠管、機架等組成。（一）工作原理氣動注漿泵利用井下風(fēng)源作為動力源，可以在大淋水、高瓦斯等惡劣環(huán)境下工作。該泵通過壓縮空氣經(jīng)球閥、氣源三聯(lián)體，經(jīng)氣控?fù)Q向閥進(jìn)入氣缸，推動氣缸活塞帶動拉桿、柱塞做往復(fù)運動，并通過吸排漿閥實現(xiàn)漿液吸排漿工作。換向時，活塞運行到氣缸端部觸動行程換向閥，行程換向閥改變壓縮空氣氣路控制氣控?fù)Q向閥換向。利用工作介質(zhì)（漿液、壓縮空氣）傳遞壓力信號，組成閉環(huán)系統(tǒng)具有自動調(diào)控性能。該泵結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，無注漿超壓問題。該泵換向機構(gòu)具有氣壓自動定位性能，無‘自停’現(xiàn)象。還可以無級調(diào)節(jié)泵排漿量，排漿壓力。并具有按照調(diào)定所驅(qū)動的氣源壓力自動調(diào)節(jié)泵排漿量的性能。大量實驗證明，自動調(diào)節(jié)對保證注漿質(zhì)量，提高注漿效率，特別對注漿施工的安全具有重要意義。（二）主要特點1、能夠注粘稠性系數(shù)高的粘稠漿液，運動粘度系數(shù)可達(dá)到2000厘斯，因此，注漿過程中不易堵塞排漿管路，注漿流暢。2、配有氣壓穩(wěn)定自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠根據(jù)漿液粘稠度自動調(diào)節(jié)出漿壓力和流量，避免“自?！爆F(xiàn)象，保障了泵體運行的穩(wěn)定?？梢越鉀Q高仰角，高壓力等復(fù)雜條件下的各種注漿需求。3、注漿過程中避免了氣體與漿體的直接接觸，解決了注漿過程中出現(xiàn)的“氣包”現(xiàn)象，確保了注漿封孔質(zhì)量，注漿速率快，大大提高了工作效率。4、操作簡單，清洗方便，移動方便，采用風(fēng)動力作為動力源，運行過程中安全隱患小。（三）使用環(huán)境1、周圍空氣最高溫度不超過50℃2、周圍空氣最低溫度不低于-5℃3、周圍空氣相對濕度：不大于95%（+25℃4、環(huán)境大氣壓：80kPa～106kPa；3.2壓裂系統(tǒng)壓裂系統(tǒng)由脈動泵系統(tǒng)、自動控制水箱、高壓管路系統(tǒng)等組成如圖4所示。高壓脈動泵脈沖強度：0~20MPa；脈沖頻率：1460次/min；輸出流量：125L/min；電機電壓：660V，功率：55Kw。為便于操作和控制，注水泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，水箱容積2m3圖4脈動水力壓裂系統(tǒng)總圖高壓管路選用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。無縫鋼管外徑32mm，內(nèi)徑20mm，壁厚6mm，每節(jié)長2m。鋼管壓裂段開孔，孔密10孔/米。無縫鋼管通過中間接頭連接，加裝密封圈，保證其密封性。3.3脈動壓裂考察設(shè)備脈動水力壓裂過程中采用YCS401礦用瞬變電磁儀探測壓裂過程中脈動水的分布。YCS401礦用瞬變電磁儀是便攜式、功能強大礦井地質(zhì)探測儀器，主要用于煤礦井下巷道周圍地質(zhì)構(gòu)造勘探、測水勘探和地面工程勘探。圖5YCS401礦用瞬變電磁儀在軟件設(shè)計上，集成了經(jīng)典的和專家的時間域瞬變電磁法勘探理論、技術(shù)與方法，其一次場波形發(fā)射和二次磁場接收技術(shù)和方法，可以進(jìn)行復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造勘探。1、現(xiàn)場探測：集成了多樣式一次磁場發(fā)射，高精度、高分辨率的二次磁場接收技術(shù)與方法。2、文件管理：文件管理工具，可創(chuàng)建文件和刪除文件，創(chuàng)建和刪除當(dāng)前二次磁場記錄文件。3、數(shù)據(jù)顯示：一次磁場波形發(fā)射顯示工具，接收二次磁場顯示。4、檢測處理：一次磁場發(fā)射時相對應(yīng)電流檢測，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器校零，及對二次渦流場增益檢測，手工置增益。3.4安全措施（一）前期準(zhǔn)備1、脈動水力壓裂施工前要對所有參與施工的人員進(jìn)行安全技術(shù)培訓(xùn)及操作培訓(xùn)。2、脈動泵下井前由瓦斯管理科負(fù)責(zé)先試運行，確保完好。3、瓦斯管理科在+206西一采區(qū)第二集中上山壓裂孔附近50米范圍標(biāo)注測點，每10米一個，觀測脈動水力壓裂前后底板、煤層位移等情況。4、由瓦斯管理科負(fù)責(zé)在泵站處安裝3組15個壓風(fēng)自救，并保證壓風(fēng)風(fēng)量充足。5、脈動壓裂設(shè)備要安排專職人員操作，操作人員必須經(jīng)過培訓(xùn)，掌握設(shè)備性能及安全措施，且操作熟練、責(zé)任心強，嚴(yán)格按照《脈動注水泵使用說明》操作。6、高壓脈動泵開啟前開泵司機要詳細(xì)檢查高壓脈動泵的機械油位情況，水箱的水位。7、加強高壓管路系統(tǒng)的安裝、使用、維護(hù)管理。水力壓裂前高壓水管路必須用鐵線每4m綁扎在巷幫梯子梁或棚腿上；高壓膠管連接時，U型卡必須卡到位。安裝后必須對高壓管路系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真全面的檢查，使用前必須對高壓管路進(jìn)行耐壓測試，發(fā)現(xiàn)異常必須立即處理，否則不得進(jìn)行高壓壓裂操作。8、每次施工之前機電科防爆人員及電工要進(jìn)行防失爆檢查，嚴(yán)禁電氣失爆。9、所有進(jìn)入該工作面的人員必須熟悉工作面的避災(zāi)路線。10、脈動壓裂操作系統(tǒng)必須安裝在壓裂點的上風(fēng)側(cè)，脈動壓裂操作系統(tǒng)處安設(shè)瓦斯傳感器，報警、斷電值為0.5%。在壓裂地點安裝瓦斯探頭，一旦瓦斯超過1.0%，自動斷電。壓裂期間，壓裂區(qū)域的所有人員需撤離。（二）試驗過程及控制措施1、脈動水力壓裂時水壓要逐漸加壓，起始水壓應(yīng)在5MPa以下。2、脈動水力壓裂過程中，參與脈動水力壓裂人員需隨身攜帶瓦斯便攜儀，隨時掌握鉆場瓦斯情況，當(dāng)瓦斯達(dá)到0.7%以上時，必須停止壓裂，只有當(dāng)瓦斯降到0.5%以下時方可繼續(xù)施工。需要有風(fēng)電閉鎖裝置，一旦瓦斯達(dá)到1%超限，需自動斷電。3、壓裂前由瓦斯管理科人員在壓裂地點上風(fēng)側(cè)100m，下風(fēng)側(cè)200m地點外設(shè)置警戒，警戒人員必須佩帶便攜式瓦斯報警儀，未經(jīng)允許嚴(yán)禁進(jìn)入水力壓裂區(qū)域。4、壓裂前由瓦斯管理科放警戒人員落實所在第二集中上山范圍以內(nèi)與脈動水力壓裂無關(guān)人員的撤離；清點人員無誤后電話向礦方現(xiàn)場指揮人員匯報人員撤離情況，人員全部撤到警戒線以外。5、脈動水力壓裂過程中，試驗人員要站到安全位置，安檢部門要設(shè)專人觀察，警戒，發(fā)現(xiàn)瓦斯、頂板異常、片幫或突出現(xiàn)象時，要立即組織人員撤退。6、脈動壓裂時，要有專人控制閥門，并密切注意壓裂情況和水壓表讀數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有突出現(xiàn)象或水壓超過30MPa時立即卸壓。7、壓裂跟班負(fù)責(zé)人必須與生產(chǎn)、通風(fēng)調(diào)度保持電話通信，壓裂期間每10~15分鐘向通風(fēng)調(diào)度匯報一次參數(shù)（壓力、水量）。8、壓力瞬時失壓時應(yīng)停止脈動水力壓裂。9、密切關(guān)注水箱水位，防止排空，如供水不及時或出現(xiàn)緊急情況時，必須立即停泵。10、脈動泵停止后，當(dāng)壓力表指示降到0MPa，方可打開卸壓閥門放水卸壓，放水卸壓時嚴(yán)禁人員正對卸壓閥門出水口處，防止高壓力水噴孔傷人。壓裂孔口外與泵站連接段應(yīng)設(shè)置三通并安裝卸壓閥門。11、壓裂結(jié)束停泵30分鐘后，首先由現(xiàn)場工作人員進(jìn)入現(xiàn)場察看情況；經(jīng)工作人員及現(xiàn)場負(fù)責(zé)人檢查確認(rèn)無異常情況后，方可宣布壓裂工作結(jié)束并向調(diào)度室匯報，由調(diào)度室通知相關(guān)施工單位正常工作。12、脈動水力壓裂結(jié)束，卸載高壓膠管時，嚴(yán)禁人員正對水力壓裂注水孔口，防止高壓水流噴孔傷人。13、脈動水力壓裂結(jié)束兩天，待鉆孔孔內(nèi)壓力穩(wěn)定后，方可卸載孔口高壓膠管，并連接管網(wǎng)進(jìn)行抽放。14、避災(zāi)路線：發(fā)生緊急情況時，現(xiàn)場人員及可能波及到的人員要迅速打開自救器佩戴好，按避災(zāi)路線撤離危險現(xiàn)場，進(jìn)入安全地帶，不能夠及時撤離現(xiàn)場的人員要迅速打開壓風(fēng)管路閥門，鉆入自救袋中。4脈動水力壓裂施工方案設(shè)計4.1鉆孔參數(shù)由于松樹礦脈動水力壓裂條件限制，根據(jù)Ⅰ煤層的實際賦存情況及+206西一采區(qū)3112工作面巷道布置方式，提出如下方案：在第二集中上山分別布置3組脈動壓裂孔和導(dǎo)向孔，通過對壓裂孔進(jìn)行脈動水力壓裂，增大煤體的透氣性，提高瓦斯抽采效果。巷道和鉆孔布置如圖6、圖7所示。鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1、表2。圖6巷道和鉆孔布置圖圖7鉆孔剖面圖表1脈動壓裂孔設(shè)計參數(shù)壓裂孔孔號孔深/m傾角/°封孔長度/m方位角/°鉆孔直徑/mm1#55610273942#75510273943#8051027394表2脈動導(dǎo)向孔設(shè)計參數(shù)導(dǎo)向孔孔號孔深/m傾角/°封孔長度/m方位角/°鉆孔直徑/mmA5081027394B7051027394C8051027394D8051027394脈動壓裂孔和導(dǎo)向孔交替布置，在實施過程中，先施工導(dǎo)向孔A，然后依次進(jìn)行A1#B2#C3#D的打鉆。鉆孔A距離邊界巷58米處，壓裂孔與導(dǎo)向孔間距為5m。由于現(xiàn)場打鉆的問題，2#孔處打了兩個鉆孔，已不能作為壓裂孔，因此將2#孔作為導(dǎo)向孔，C孔作為壓裂孔；且C孔在進(jìn)行脈動壓裂過程中，3#孔出水，此現(xiàn)象會影響3#孔的脈動壓裂，因此將3#孔作為導(dǎo)向孔，D孔作為壓裂孔。由于現(xiàn)場實施打鉆的條件限制，現(xiàn)場施工鉆孔與設(shè)計鉆孔參數(shù)之間存在差異，現(xiàn)場施工脈動水力壓裂鉆孔實際參數(shù)，見表3。表3脈動壓裂孔和導(dǎo)向孔實際參數(shù)鉆孔鉆孔類型傾角/°方位角/°鉆孔直徑/mm孔深/m巖石/m煤/mA導(dǎo)向孔827310052.52725.51#壓裂孔62731005628.527.5B導(dǎo)向孔527310070.544.5262#導(dǎo)向孔527310076.51.575C壓裂孔527310073.5073.53#導(dǎo)向孔52731006331.531.5D壓裂孔527310061.511.5504.2鉆孔密封鉆孔密封分為導(dǎo)向孔的密封和壓裂孔的密封。4.2.1導(dǎo)向孔密封脈動壓裂孔兩邊的導(dǎo)向孔采用兩種實驗封孔材料。第一種材料為復(fù)合柔性膏體，復(fù)合柔性膏體和水的質(zhì)量比為1:9，設(shè)計密封長度均為10m。。第二種材料采用PD復(fù)合材料，PD復(fù)合材料與水的質(zhì)量比為2:1。所用的設(shè)備均為瓦斯抽采管、注漿管、攪拌機、注漿泵等材料。攪拌機、注漿泵均為風(fēng)動裝置，需在壓裂區(qū)域巷道提供風(fēng)源和水源。（一）復(fù)合柔性膏體封孔方法及步驟導(dǎo)向孔A采用復(fù)合柔性膏體封孔，布袋封孔方式，如圖8所示。圖8復(fù)合柔性膏體封孔方法1-第1注漿管；2-第2注漿管；3-瓦斯抽采管；4-布袋；5-鉆孔布袋長度為5米，布袋前端距離孔口10m處，采用復(fù)合柔性膏體封孔材料。首先通過第1注漿管注入一定時間的復(fù)合柔性膏體，使其堵住布袋前端；然后通過第2注漿管注入復(fù)合柔性膏體，當(dāng)注漿泵注不進(jìn)去或注漿管1出漿時，停止注漿。布袋體積為39.5L，注漿管在布袋內(nèi)所占體積為4L，因此需要復(fù)合柔性膏體漿液為35.5L。密封導(dǎo)向孔A用復(fù)合柔性膏體3.5L，水的體積為35L，因此實際復(fù)合柔性膏體漿液體積為38.5L。注漿時間為10min。（二）PD材料封孔方法由于+206西一采區(qū)3112工作面地質(zhì)條件限制，以及為了脈動水力壓裂效果的考察，決定導(dǎo)向孔B孔、2#孔和3#孔均采用PD-Ⅲ封孔材料，PD-Ⅲ封孔材料與水的比例為2:1。B孔封孔長度為12.5m，2#下孔為11m，2#上為8m。4.2.2壓裂孔密封壓裂孔的密封采用兩種封孔方法，第一種方法為PD-Ⅲ方法，第二種為注壓一體快速封孔器。（一）PD-Ⅲ方法1#孔采用PD-Ⅲ材料封孔，利用人工攪拌，風(fēng)動注漿泵注漿方式進(jìn)行鉆孔密封，風(fēng)動注漿泵額定工作壓力為0.5MPa，工作性能良好。1#孔用PD-Ⅲ材料4.5袋，封孔長度為15m，PD-Ⅲ材料與水的比例為1.5:1。注漿時間為0.5小時。由于在2#孔位置打了兩個鉆孔，影響壓裂效果。因此改C孔為第二個壓裂孔，2#孔為導(dǎo)向孔。C孔也采用PD-Ⅲ材料封孔，用PD-Ⅲ材料5袋，封孔長度為15m，PD-Ⅲ材料與水的比例為2:1。封孔時間0.5小時。（二）注壓抽一體快速封孔器C孔在進(jìn)行脈動壓裂過程中，3#孔出水，此現(xiàn)象會影響3#孔的脈動壓裂，因此將3#孔作為導(dǎo)向孔，D孔作為壓裂孔。壓裂孔D采用注壓一體快速封孔器封孔。注壓抽一體封孔器封孔所需材料主要包括高壓膠囊、壓力表、單向閥等?？焖俜饪灼鬟B接如圖9所示。圖9注壓一體快速封孔器注壓抽一體封孔器封孔工藝選用耐高壓膠囊，可承受40MPa以上的壓力。利用單向閥、截止閥等閥組實現(xiàn)了注壓一體快速封孔及壓裂。該工藝具有操作方便、抗壓強度大、封孔質(zhì)量可靠、適應(yīng)性強等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)快速封孔和回收利用，大大減少了時間成本和經(jīng)濟成本。注壓抽一體封孔器的使用方法如下：如圖連接注壓抽一體快速封孔裝置，其中2號管路的一端應(yīng)固定在對面巷幫上，一方面防止壓裂過程中高壓水將膠囊壓出，另一方面能夠固定膠囊，防止膠囊移動影響其密封性能；2、壓裂前應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格細(xì)致地檢查各個接頭的連接可靠性；3、確定系統(tǒng)連接準(zhǔn)確無誤、人員撤至安全區(qū)域；4、關(guān)閉管路2上的截止閥，打開管路3上的截止閥，開啟脈動注水泵對高壓膠囊進(jìn)行注水作業(yè)，當(dāng)連接3號管路的壓力表升至10MPa時，完成膠囊注水作業(yè)；5、打開管路2上的截止閥，進(jìn)行壓裂作業(yè)（管路3上的截止閥始終處于打開狀態(tài)，確保膠囊的密封效果）；6、壓裂作業(yè)結(jié)束后，關(guān)閉脈動注水泵、切斷電源、打開溢流閥，對脈動注水泵至管路1段進(jìn)行卸壓，關(guān)閉2、3管路上的截止閥，拆除兩個單向閥之后的所有設(shè)備，整理完畢后妥當(dāng)放置。壓裂孔壓裂后的密封為了滿足壓后抽采的要求，在脈動水力壓裂后1天進(jìn)行密封。打開管路2、3上的截止閥，對鉆孔和膠囊進(jìn)行卸壓，密封方法同導(dǎo)向抽放孔方法相同。表4脈動水力壓裂壓裂孔和導(dǎo)向孔實際封孔情況鉆孔鉆孔類型孔深/m封孔長度/m封孔方法封孔時間A導(dǎo)向孔52.510復(fù)合柔性膏體2012.8.201#壓裂孔5615PD材料2012.8.19B導(dǎo)向孔70.512.5PD材料2012.8.212#導(dǎo)向孔76.511PD材料2012.8.21C壓裂孔73.515PD材料2012.8.203#導(dǎo)向孔6314PD材料2012.8.30D壓裂孔61.513注壓一體快速封孔器2012.8.305脈動水力壓裂現(xiàn)場實施設(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。設(shè)備配件是否齊全、管路的連接是否正確、U型卡是否缺少、閥門的開閉情況、瓦斯傳感器是否效檢、警戒線內(nèi)是否無人、在壓裂的過程中操作人員的安全防護(hù)以及現(xiàn)場安全聯(lián)絡(luò)等問題參照《脈動水力壓裂安全措施》一一落實。準(zhǔn)備工作完畢后開始壓裂。壓裂過程中，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況。根據(jù)前面所述，本次現(xiàn)場實施脈動壓裂孔為1#孔、C孔和D孔。2012/8/30對1#孔和C孔進(jìn)行了脈動水力壓裂，壓裂過程如下：1#孔：采用PD材料密封，首先連接好脈動壓裂管路，做好脈動壓裂前的檢查工作。12:05開泵，經(jīng)過20min，迅速調(diào)節(jié)溢流閥，壓力緩慢上升為3MPa。又經(jīng)過30min，壓力一直穩(wěn)定在3MPa。12:55停泵，此時壓裂孔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，脈動水力壓裂產(chǎn)生的裂隙沒有穿過導(dǎo)向孔，而向深部擴展。脈動注水總時間為50min，總注水量為6.25m3C孔：采用PD材料密封，首先連接好脈動壓裂管路，做好脈動壓裂前的檢查工作。1:20開泵，經(jīng)過20min，迅速調(diào)節(jié)溢流閥，壓力緩慢上升為4MPa，之后壓力一直穩(wěn)定在4MPa，當(dāng)?shù)?5min時，壓力突然降為零，停泵。此時C孔右側(cè)未封孔的導(dǎo)向孔3#孔出水。表明脈動壓裂產(chǎn)生的裂隙穿過導(dǎo)向孔，壓裂成功結(jié)束。注水總時間為55min，總注水量為6.875m32012/9/1對壓裂孔D進(jìn)行脈動水力壓裂及C孔的二次壓裂，壓裂過程如下：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、截止閥等按圖6結(jié)構(gòu)連接好膠囊和注水管路，實現(xiàn)注壓一體。啟動脈動泵，首先對膠囊進(jìn)行注水升壓，經(jīng)過1min，使膠囊壓力達(dá)到12MPa。膠囊壓力穩(wěn)定后，切換注水管路，10:55開泵，開始對鉆孔注水，單向閥能夠使膠囊壓力保持在12MPa。經(jīng)過2min，壓裂緩慢升到9MPa，之后管路壓力突然降低為零，11:15停泵，此時導(dǎo)向孔3#孔和壓裂孔D均出水，導(dǎo)向孔出現(xiàn)黑色污水。注水總時間為20min，總注水量為2.5m3C孔二次壓裂：首先連接管路，啟動脈動泵。12:40開泵，脈動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,。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)少量水滲出。在13:40，經(jīng)過50分鐘后，注水壓力突然6MPa降為零，壓裂孔左側(cè)6~7m上部巷幫錨桿出水，壓裂結(jié)束。壓裂總時間為60min，總注水量為7.5m3表5脈動水力壓裂各孔現(xiàn)場信息一覽壓裂孔注水時間注水量脈動壓力等效靜壓注水壓力壓裂結(jié)果1#50min6.25m3MPa4.8MPa裂隙向深部擴展，導(dǎo)向孔未出水C55min6.875m4MPa6.4MPa右側(cè)未封孔的導(dǎo)向孔3#孔出水D20min3.5m39MPa14.4MPa導(dǎo)向孔3#孔，后期出現(xiàn)黑色污水C二次60min7.5m6MPa9.6MPa壓裂孔左側(cè)6~7m上部巷幫錨桿出水6脈動水力壓裂效果考察6.1脈動水的分布圖10脈動水力壓裂區(qū)域煤體水的分布圖圖10為2012/9/1脈動水力壓裂區(qū)域煤體水的分布圖，從圖中可以看出，1#孔的兩側(cè)水的影響半徑為3m，但是縱向影響長度為90m，這可以很好的解釋壓裂孔1#孔兩側(cè)導(dǎo)向孔沒有出水，而是壓裂裂隙向1#孔深部擴展。對比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。圖片反映了壓裂鉆孔和未注水鉆孔的不同。D#孔為采用高壓膠囊封孔的脈動壓裂孔，通過圖7可以看出，由于D孔下鉆時間短，第一次測試D孔時周邊3m范圍內(nèi)有水分布，脈動壓裂后，對D孔進(jìn)行第二次測試，從右側(cè)圖可以看出，水的分布向深部延伸5~7m，壓裂半徑橫向增大2~3m。從以上分析可以得出，脈動水力壓裂之后，鉆孔影響范圍擴大了5~7m。6.2脈動水力壓裂效果在脈動水力壓裂完成后，需要立即連接抽采管路，對壓裂孔和導(dǎo)向孔進(jìn)行抽采，考察鉆孔瓦斯?jié)舛?個月。并需要提供該區(qū)域礦上鉆場瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，進(jìn)行對比。圖11脈動水力壓裂效果考察示意圖本次脈動水力效果考察如圖11所示，鑒于礦方孔板流量只有三個的前提下，在脈動壓裂C孔、抽采孔3#鉆孔及右側(cè)總管路布置，進(jìn)行瓦斯?jié)舛扰c流量考察。表6+206西一采區(qū)壓裂現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄日期1#壓裂孔B抽放孔2#壓裂孔3號孔板C壓裂孔3#壓裂孔總管孔板1/Pa孔板2/Pa孔板3/Pa16.00%15.00%3.00%3.00%3.00%2.00%2.00%604040235.00%15.00%10.00%5.00%3.00%2.00%2.00%80604044.00%10.00%9.00%3.00%2.00%2.00%3.00%10010010055.00%12.00%6.00%4.00%3.00%2.00%3.00%6012012063.00%9.00%6.00%5.00%3.00%2.00%3.00%100608075.00%12.00%7.00%4.00%2.00%2.00%3.00%80100120表7+206西一采區(qū)1號鉆場數(shù)據(jù)記（壓裂前）日期12345678910總管12.40%0.50%0.50%1.00%1.40%1.60%2.40%3.70%0.80%1.10%1.40%300.50%1.00%1.00%0.50%1.50%2.00%0.50%2.50%1.00%1.00%1.00%380.50%1.30%1.50%0.50%2.00%1.20%0.60%1.10%0.70%0.50%1.10%420.50%1.30%2.0