[发明专利]岩层变频脉冲缝网压裂方法与装备

权利要求书

1.一种岩层变频脉冲缝网压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过改变初始脉冲压力峰值和脉冲频率以适应不同强度岩层；根据每层岩层的物理力学性质及围压确定每层岩层的初始脉冲压力峰值，初始脉冲压力峰值小于恒排量压裂时岩石的破裂压力；根据每层岩层的碰撞力测定实验确定每层岩层的脉冲频率；

S2、设计变频脉冲缝网压裂泵注方案，以第一层岩层对应的初始脉冲压力峰值和脉冲频率压裂5~10 min后将脉冲压力峰值提高2~5 MPa，压裂5~10 min后再将脉冲压力峰值提高2~5 MPa，依次类推直至第一层岩层压裂结束；然后以第二层岩层对应的初始脉冲压力峰值和脉冲频率压裂5~10 min后将脉冲压力峰值提高2~5 MPa，压裂5~10 min后再将脉冲压力峰值提高2~5 MPa，依次类推直至第二层岩层压裂结束；采用同样的方法直至所有岩层压裂结束；每层岩层压裂期间逐级提升脉冲压力峰值，在钻孔附近由近及远分级形成多个环形缝网结构，并最终依次叠加成大范围裂隙网络，从而充分破碎较大范围岩体；

S3、根据不同工况，设计岩层变频脉冲缝网压裂钻孔布置方案；

S4、按照岩层变频脉冲缝网压裂钻孔布置方案，在所要压裂的岩层打设压裂孔，在设计缝网扩展区域边缘处打设观测钻孔；

S5、按照岩层变频脉冲缝网压裂泵注方案进行压裂，控制泵注排量以脉冲波的形式进行高频率的周期性波动，导致水压力周期性变化，钻孔附近岩层随机分布大量微观裂缝，在较低的脉冲循环载荷作用下发生随机疲劳损伤，克服围岩主应力差的影响，在钻孔附近形成密集的裂缝网络；

S6、观测钻孔内有压裂液流出后停止压裂；

所述初始脉冲压力峰值的确定方法：通过现场取岩样并测试围压，进行岩层物理力学参数测试，从而得到岩层的三轴抗拉屈服强度，初始脉冲压力的峰值为岩石的三轴抗拉屈服强度；

所述脉冲频率的确定方法：在实验室内测定用压裂泵一周期所泵注的一定质量的水在不同频率下与现场岩样进行碰撞所产生的不同碰撞力，选择碰撞力为抗拉屈服强度所对应的频率作为脉冲频率。

2.根据权利要求1所述的岩层变频脉冲缝网压裂方法，其特征在于，步骤S2采用变频脉冲+恒排量缝网压裂方法，以初始脉冲压力和脉冲频率压裂一段时间，形成脉冲压裂缝网后，换用恒排量泵注方式继续压裂，使密集脉冲缝网尖端重张，形成密集多裂缝扩展；同时，脉冲压裂形成的缝网改变了局部应力场，缝间干扰转向慢，减缓远场地应力控制裂缝转向，形成范围更大的缝网。

3.根据权利要求1所述的岩层变频脉冲缝网压裂方法，其特征在于，步骤S4中所述所要压裂的岩层是掘进头前方即将被揭露的坚硬岩层，在硬岩巷道掘进过程中，在掘进头中央位置沿掘进方向施工中央长钻孔并进行脉冲压裂，在掘进头前方即将被揭露的坚硬岩层内预先形成密集的裂缝网络，充分破碎岩层，使能在后续掘进机的切割下或者爆破作用下顺利掉落，从而提高掘进速度；在正式压裂施工前，首先在掘进头中央沿掘进方向打设中央长钻孔，在巷道顶板、两帮和底板处各打设一个与所述中央长钻孔平行且等长的观测钻孔并布置湿度传感器，压裂中央长钻孔并记录各观测钻孔湿度随压裂时间的变化情况，从而推断裂缝扩展至预掘巷道围岩的时间，此时间作为后续脉冲压裂时间。

4.根据权利要求1所述的岩层变频脉冲缝网压裂方法，其特征在于，步骤S4所述的所要压裂的岩层是采煤工作面初次放顶期间煤层上方坚硬顶板，在采煤工作面初次放顶期间，在开切眼和两顺槽向上方坚硬顶板内打设钻孔并进行脉冲压裂，在顶板内形成密集的裂缝网络，开切眼钻孔的开孔位置靠近后煤壁；运输顺槽钻孔的开孔位置和回风顺槽钻孔的开孔位置在顺槽顶板中线位置处。

5.根据权利要求1所述的岩层变频脉冲缝网压裂方法，其特征在于，步骤S4所述的所要压裂的岩层是处理采煤工作面端头悬顶期间两端头上方坚硬顶板，在采煤工作面端头悬顶期间，在工作面端头打设钻孔并进行脉冲压裂，在工作面端头上方坚硬顶板内形成密集的裂缝网络，充分破碎此区域岩层，在工作面端头打设钻孔的开孔位置在顺槽顶板中线位置处，钻孔倾角为70°，钻孔方向倾斜向采空区。