脈動水力壓裂增透技術在較難抽放煤層的應用

（作者單位：通化礦業集團有限責任公司）

通化礦業集團公司松樹鎮煤礦是煤與瓦斯突出礦井，+206西一采區為煤與瓦斯突出危險區，采區瓦斯含量為 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，增大煤層透氣性，提高瓦斯抽放量，對該采區采用脈動水力壓裂技術進行增透，取得了良好效果，表明脈動水力壓裂技術在較難抽放煤層中具有推廣應用價值。

一、采區概況

1.煤層賦存及頂底板

+206西一采區位于松樹鎮煤礦三水平+206西部區，地面標高為+840~+850，地質構造復雜，火成巖侵入嚴重，可采煤層為Ⅰ層、Ⅱ層煤。煤層絕對瓦斯涌出量為0.80m3/min，自然發火期為10個月。煤塵爆炸指數為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，黑色細砂巖，煤層底板基本底厚度為0.7m，黑灰色細砂巖。

2.采區地質構造

該區域地質構造為單斜構造，走向平均125°，地層傾角平均10°。區域內有r1、r2、r3斷層，r1正斷層傾向330°，走向 63°，傾角 68°，落差8.0～13.0m，對巷道掘進沒有影響。r2正斷層傾向 148°、走向 59°、傾角 65°、落差 8.0～3.0m，對巷道掘進有影響。 r3正斷層傾向 360°，走向 90°，傾角 64°，落差13.0m，對巷道掘進沒有影響。

二、脈動水力壓裂施工設計方案

1.脈動壓裂系統

松樹鎮煤礦應用的脈動壓裂系統由脈動泵系統、自動控制水箱、高壓管路系統等組成。如圖1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。高壓管路選用DN32高壓膠管，鉆孔內采用優質無縫鋼管，采用快速接頭與高壓膠管相連接。

2.鉆孔設計參數

根據松樹鎮煤礦煤層的實際賦存情況及+206西一采區3111工作面巷道布置方式，在第二集中上山分別布置3組脈動壓裂孔和導向孔。如圖2所示。

圖1 脈動水力壓裂系統框圖

圖2 鉆孔布置剖面圖

脈動壓裂孔和導向孔交替布置，在實施過程中，先施工導向孔A，然后依次對A→1#→B→2#→C→3#→D打鉆。鉆孔A距離邊界巷58m處，壓裂孔與導向孔間距為5m。根據現場實際鉆孔情況，最終形成了A、B、2#、3#為導向孔，1#、C、D為壓裂孔的鉆孔布置方式。鉆孔實際參數見表1。

表1 脈動壓裂孔和導向孔實際參數

設備管路連接完畢后要進行確認檢查，確保壓裂過程的安全。準備工作完畢后開始壓裂。壓裂過程中，記錄相關數據和現場情況。

3.現場施工

現場實施脈動壓裂孔為1#、C和D孔。

第一天，對1#孔和C孔進行脈動水力壓裂。

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，經過20min，迅速調節溢流閥，壓力緩慢上升為2MPa。又經過30min，壓力一直穩定在2MPa。12∶55停泵，此時壓裂孔1#孔和左右導向孔A、B均未出水。表明鉆孔的密封效果較好，脈動水力壓裂產生的裂隙沒有穿過導向孔，而向深部擴展。脈動注水總時間為50min，總注水量為6.25m3。

C孔：采用PD材料密封，首先連接好脈動壓裂管路，做好脈動壓裂前的檢查工作。1∶20開泵，經過20min，迅速調節溢流閥，壓力緩慢上升為2MPa，之后壓力一直穩定在2Mpa。當第55min時，壓力突然降為0，停泵，此時C孔右側未封孔的導向孔3#孔出水，表明脈動壓裂產生的裂隙穿過導向孔，壓裂成功結束。注水總時間為55min，總注水量為6.875m3。

第三天，對壓裂孔D進行脈動水力壓裂及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，實現注壓一體。啟動脈動泵，首先對膠囊進行注水升壓，經過1min，使膠囊壓力達到10MPa。膠囊壓力穩定后，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10MPa。經過2min，壓力緩慢升到6MPa， 之后突然降為 0，11∶15 停泵，此時導向孔3#孔和壓裂孔D均出水，導向孔出現黑色污水。注水總時間為20min，總注水量為2.5m3。

C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10min。隨著壓力上升，壓裂孔左側4～7m范圍內的上部巷幫出現掉渣，伴隨“吱吱”聲音。13∶40，經過50min后，注水壓力突然降為零，壓裂孔左側6～7m上部巷幫錨桿出水，壓裂結束。壓裂總時間為60min，總注水量為7.5m3。

表2 脈動水力壓裂各孔現場信息一覽

三、脈動水力壓裂效果

1.脈動水的分布

圖3脈動水力壓裂區域煤體水分布圖

圖3 為第三天脈動水力壓裂區域煤體水分布圖。圖中顯示，1#孔兩側水的影響半徑為3m，縱向影響長度為90m，說明1#壓裂孔兩側導向孔沒有出水，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#孔的兩側水的影響較大，且縱向方向更深入。

2.實驗結果分析

D#孔采用高壓膠囊封孔的脈動壓裂，由于D孔下鉆時間短，第一次測試D孔時周圍3m范圍內有水分布，脈動壓裂后，對D孔進行二次壓裂，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、結論

通過對比可以看出，脈動水力壓裂以后，鉆孔影響范圍擴大至5～7m。脈動水力壓裂可以使煤體產生疲勞破壞，從而達到疏通孔隙，提高煤層透氣性；脈動壓力在24MPa、頻率在20Hz時，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。

通過在松樹鎮煤礦采取脈動水力壓裂增透的方法，可有效擴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。