脉动水力压力技术研究

                                                  ——（潞安集团余吾煤业）

一、技术原理

脉动水力压裂卸压增透技术是在普通水力压裂技术的基础上提出的一种新的煤层卸压增透技术，是将具有一定频率的脉动水持续注入钻孔中，由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉动波，对煤体裂隙产生交变或重复荷载，逐渐使煤体出现疲劳损伤，促使煤层中的微小孔裂隙形成和逐渐张开，宏观裂隙扩展联通，最终形成新的裂隙网。

三、技术方案

1、钻孔布置

根据巷道实际情况，在S1206回风顺槽距里程700m处设计两组脉动压裂孔和导向孔，探索适合于本煤层的导向孔间距。第一组设计导向孔与压裂孔间距3m，第二组设计导向孔与压裂孔间距5m。每组脉动压裂孔压裂影响区域根据压裂孔两侧导向孔布置而定，一般范围为左右导向孔两侧2m以内。为对比脉动水力压裂效果，在距离压裂区域15m外施工效果对比孔，两对比孔间距5m。受巷道实际和施工条件的，最终脉动压裂孔和导向孔布置如图所示。

图1 钻孔位置图

图2钻孔布置图

采用Ф113mm的钻头，以40°方位角向巷帮施工钻孔，孔深150m。脉动压裂孔、导向孔及效果对比孔参数见表1。

表1  脉动压裂孔与导向孔参数

试验使用胶囊加套管的封孔方法。

图3高压胶囊封孔示意图

该方法采用高压胶囊和瓦斯抽放管相结合的方式，形成套管胶囊封孔方法。其中胶囊采用3个胶囊串联的方式。所使用胶囊均为1.8m，常压状态下外径50mm，自由状态下最大膨胀可达到80mm，具体参数如表2所示。

表2高压胶囊参数

2月2对试验1#、试验2#进行脉动水力压裂，1#孔压裂时，导向孔C1出水，2#压裂时，返浆管出水。2月28日对2#孔返浆管注入波雷因。3月1日分别对试验2#、C3进行脉动水力压裂，3月2日对C2进行压裂。3月8日，对C5进行脉动水力压裂，右侧C4、C3均出水，C3至C5贯通。

表3钻孔压裂信息表

(1)压裂孔抽采效果变化

图4 试验1#钻孔抽采浓度及抽采纯流量变化

试验1#孔于2月2日进行压裂，导向孔C1出水后停止，2月3日开始并网抽采。抽采效果如图所示，在前期抽采瓦斯浓度在1%~3%之间，纯流量在0~0.004m³/min，3月2日对该孔进行管网整理之后，浓度和流量均有较大变化，截至3月26日，浓度在15%~50%之间，纯流量0.01~0.1 m³/min。

图5 试验2#钻孔抽采浓度及抽采纯流量变化

试验2#孔于2月2日进行首次压裂，由于返浆管出水结束，3月2日对其返浆管注入波雷因之后，于3月1日分别对试验2#孔重新进行脉动水力压裂，压裂前抽采瓦斯浓度在一直在4%~8%之间，压裂后浓度和流量均有明显提升，抽采浓度最高达到44%，纯流量最高达到0.06m³/min。

图6 C2钻孔抽采浓度及抽采纯流量变化

C2于3月2日进行脉动水力压裂，距C3孔0.5m处煤帮出水后停止，压裂之前，抽采瓦斯浓度在1%~7%之间，纯流量在0.01~0.12 m³/min之间，压裂之后，抽采浓度最高达到80%，流量在0.05~0.11 m³/min之间变化。

图7 C3钻孔抽采浓度及抽采纯流量变化

C3于3月1日进行压裂，导向孔C4出水之后停止，压裂之前抽采瓦斯浓度在10%~15%之间，纯流量在0.01~0.03 m³/min，压裂之后，纯流量在0.03~0.06 m³/min，浓度在20%~60%之间。

图8 C5孔抽采浓度及抽采纯流量变化

C5钻孔于3月8日压裂，最大压力5MPa，压裂时长13min，至右侧导向孔C4、C3均出水停止压裂。压裂结束后开始抽采。起始抽采浓度较低，后期出现多次起伏，最大抽采浓度达到30%，最大抽采纯流量达到0.04 m³/min

（2）导向孔抽采效果变化

图9 C1钻孔抽采浓度及抽采纯流量变化

C1为1#孔的导向孔，2月2日1#压裂时，C1出水，随后并网抽采。浓度保持在50%~90%之间，纯流量在0.07~0.19 m³/min之间。

图10 C4孔抽采浓度及抽采纯流量变化

C4钻孔作为压裂孔C5和C3的导向孔，两次压裂均导致该孔出水。压裂之后，浓度较低，流量缓慢上升，压裂8天后由0.02m³/min升至0.06m³/min，10天后升至0.08m³/min。

图11 C6孔抽采浓度及抽采纯流量变化

C6钻孔作为压裂孔C5的导向孔，进行C5压裂时出水。压裂后浓度和流量有所提升，至第10天流量达到0.13m³/min，且流量保持较高水平。

（3）对比效果分析

选择普通孔D1作为效果对比孔进行对比分析。

图12 压裂孔1#、C2与普通孔D1抽采浓度对比

图13 压裂孔1#、C2与普通孔D1抽采纯量对比

图14  导向孔C1、C4与普通孔D1抽采纯量对比

由图12、13、14可以看出，脉动压裂孔及其导向孔抽采效果均高于普通孔。具体表现在：（1）抽采浓度高，压裂孔和导向孔最大抽采浓度达到%，普通孔不理想，10%左右；（2）抽采纯量高，压裂孔和导向孔最大抽采纯流量达到0.11m³/min，普通孔则在0.016m³/min左右，提高近10倍；（3）瓦斯抽采衰减慢，压裂孔和导向孔抽采瓦斯时浓度和流量出现多次起伏，20天时仍保持较高水平。

3结论

脉动压裂孔压裂之前抽采瓦斯浓度在1%~15%之间，纯流量在0.01 m³/min左右，脉动水力压裂之后，脉动压裂孔最大纯流量达到0.12m³/min，最高抽采浓度达到80%。导向孔最大纯流量达到0.19m³/min，最高抽采浓度达到90%。脉动压裂孔及其导向孔在整个抽采过程中，随着水分的逐渐排出，浓度和流量表现出较大的起伏，抽采水平衰减较慢，20天时仍能维持在一定水平。与普通孔对比，抽采量提高10倍以上。