脉动水力压裂增透技术在较难抽放煤层的应用

（作者单位：通化矿业集团有限责任公司）

通化矿业集团公司松树镇煤矿是煤与瓦斯突出矿井，+206西一采区为煤与瓦斯突出危险区，采区瓦斯含量为 8.17～11.31m3／L之间，瓦斯压力为 1.65～3.98MPa，为低透气性、较难抽放煤层。为确保安全生产，增大煤层透气性，提高瓦斯抽放量，对该采区采用脉动水力压裂技术进行增透，取得了良好效果，表明脉动水力压裂技术在较难抽放煤层中具有推广应用价值。

一、采区概况

1.煤层赋存及顶底板

+206西一采区位于松树镇煤矿三水平+206西部区，地面标高为+840~+850，地质构造复杂，火成岩侵入严重，可采煤层为Ⅰ层、Ⅱ层煤。煤层绝对瓦斯涌出量为0.80m3/min，自然发火期为10个月。煤尘爆炸指数为37.5﹪。煤层顶板基本顶厚度为8.8m，为中-粗粒砂岩，直接顶厚度为1.0m，黑色细砂岩，煤层底板基本底厚度为0.7m，黑灰色细砂岩。

2.采区地质构造

该区域地质构造为单斜构造，走向平均125°，地层倾角平均10°。区域内有r1、r2、r3断层，r1正断层倾向330°，走向 63°，倾角 68°，落差8.0～13.0m，对巷道掘进没有影响。r2正断层倾向 148°、走向 59°、倾角 65°、落差 8.0～3.0m，对巷道掘进有影响。 r3正断层倾向 360°，走向 90°，倾角 64°，落差13.0m，对巷道掘进没有影响。

二、脉动水力压裂施工设计方案

1.脉动压裂系统

松树镇煤矿应用的脉动压裂系统由脉动泵系统、自动控制水箱、高压管路系统等组成。如图1所示。

高压脉动泵脉冲强度：0~20MPa；脉冲频率：1460次/min；输出流量：125L/min；电机电压：660V，功率：55Kw。高压管路选用DN32高压胶管，钻孔内采用优质无缝钢管，采用快速接头与高压胶管相连接。

2.钻孔设计参数

根据松树镇煤矿煤层的实际赋存情况及+206西一采区3111工作面巷道布置方式，在第二集中上山分别布置3组脉动压裂孔和导向孔。如图2所示。

图1 脉动水力压裂系统框图

图2 钻孔布置剖面图

脉动压裂孔和导向孔交替布置，在实施过程中，先施工导向孔A，然后依次对A→1#→B→2#→C→3#→D打钻。钻孔A距离边界巷58m处，压裂孔与导向孔间距为5m。根据现场实际钻孔情况，最终形成了A、B、2#、3#为导向孔，1#、C、D为压裂孔的钻孔布置方式。钻孔实际参数见表1。

表1 脉动压裂孔和导向孔实际参数

设备管路连接完毕后要进行确认检查，确保压裂过程的安全。准备工作完毕后开始压裂。压裂过程中，记录相关数据和现场情况。

3.现场施工

现场实施脉动压裂孔为1#、C和D孔。

第一天，对1#孔和C孔进行脉动水力压裂。

1#孔：采用PD材料密封，首先连接好脉动压裂管路，做好脉动压裂前的检查工作。12∶05开泵，经过20min，迅速调节溢流阀，压力缓慢上升为2MPa。又经过30min，压力一直稳定在2MPa。12∶55停泵，此时压裂孔1#孔和左右导向孔A、B均未出水。表明钻孔的密封效果较好，脉动水力压裂产生的裂隙没有穿过导向孔，而向深部扩展。脉动注水总时间为50min，总注水量为6.25m3。

C孔：采用PD材料密封，首先连接好脉动压裂管路，做好脉动压裂前的检查工作。1∶20开泵，经过20min，迅速调节溢流阀，压力缓慢上升为2MPa，之后压力一直稳定在2Mpa。当第55min时，压力突然降为0，停泵，此时C孔右侧未封孔的导向孔3#孔出水，表明脉动压裂产生的裂隙穿过导向孔，压裂成功结束。注水总时间为55min，总注水量为6.875m3。

第三天，对压裂孔D进行脉动水力压裂及C孔的二次压裂。

D孔：采用注压一体快速封孔器进行密封，首先利用单向阀、截止阀等连接好胶囊和注水管路，实现注压一体。启动脉动泵，首先对胶囊进行注水升压，经过1min，使胶囊压力达到10MPa。胶囊压力稳定后，切换注水管路，10∶55开泵，开始对钻孔注水，单向阀能够使胶囊压力保持在10MPa。经过2min，压力缓慢升到6MPa， 之后突然降为 0，11∶15 停泵，此时导向孔3#孔和压裂孔D均出水，导向孔出现黑色污水。注水总时间为20min，总注水量为2.5m3。

C孔二次压裂：首先连接管路，启动脉动泵。12∶40开泵，脉动水充满钻孔以及钻孔周围裂隙，该阶段大约持续30min。13∶10注水压力开始上升，压裂孔周围听到零星“吱吱”声音。该阶段大约持续10min。随着压力上升，压裂孔左侧4～7m范围内的上部巷帮出现掉渣，伴随“吱吱”声音。13∶40，经过50min后，注水压力突然降为零，压裂孔左侧6～7m上部巷帮锚杆出水，压裂结束。压裂总时间为60min，总注水量为7.5m3。

表2 脉动水力压裂各孔现场信息一览

三、脉动水力压裂效果

1.脉动水的分布

图3脉动水力压裂区域煤体水分布图

图3 为第三天脉动水力压裂区域煤体水分布图。图中显示，1#孔两侧水的影响半径为3m，纵向影响长度为90m，说明1#压裂孔两侧导向孔没有出水，压裂裂隙向1#孔深部扩展。

对比1#压裂孔和未注水的B孔、2#孔，可以看出，未注水钻孔的水量较小，且范围小，而1#孔的两侧水的影响较大，且纵向方向更深入。

2.实验结果分析

D#孔采用高压胶囊封孔的脉动压裂，由于D孔下钻时间短，第一次测试D孔时周围3m范围内有水分布，脉动压裂后，对D孔进行二次压裂，水在D孔中的分布向深部延伸5～7m，压裂半径横向增大 2～3m。

四、结论

通过对比可以看出，脉动水力压裂以后，钻孔影响范围扩大至5～7m。脉动水力压裂可以使煤体产生疲劳破坏，从而达到疏通孔隙，提高煤层透气性；脉动压力在24MPa、频率在20Hz时，卸压效果最好，煤层瓦斯含量及瓦斯压力明显降低，可以有效增大单孔影响范围，提高抽采效率。

通过在松树镇煤矿采取脉动水力压裂增透的方法，可有效扩大钻孔有效影响范围，提高瓦斯抽采效率，减少了钻孔的施工量，降低了成本，缩短了瓦斯抽采时间，为低透气性、较难抽放的突出煤层瓦斯治理工作提供了一条新的途径。