[发明专利]岩层变频脉冲缝网压裂方法与装备

说明书

本发明公开了一种岩层变频脉冲缝网压裂方法及装备。所述岩层变频脉冲缝网压裂方法，首先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，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。然后设计变频脉冲缝网压裂泵注方案，最后根据不同工况，设计岩层变频脉冲缝网压裂钻孔布置方案。所述岩层变频脉冲缝网压裂装备包括泵注方式和频率可变压裂泵、水力致裂测控仪、自动封隔器、机械送杆机、双路注水钢管。本发明岩层变频脉冲缝网压裂方法及装备可以在钻孔附近由近及远分级形成多个环形缝网结构，并最终依次叠加成较大范围裂隙网络，从而充分破碎较大范围岩体。

技术领域

本发明涉及岩层的破碎方法和装置，尤其涉及一种岩层变频脉冲缝网压裂方法与装备。

背景技术

在巷（隧）道掘进、矿山开采等工程中，完整岩层对保持巷（隧）道及采场的稳定起到了积极作用。然而硬岩巷（隧）道掘进速度慢、采煤工作面回采过程中坚硬顶板难垮落、金属矿阶段自然崩落法开采过程中坚硬矿石难冒落等是目前制约巷（隧）道快速掘进和矿井安全高效生产的技术难题。解决这些难题涉及到一个共性的核心问题为岩层结构改造，在岩层中人工增加裂缝，弱化其强度。

在岩层中形成裂缝的方法主要有炸药爆破、CO₂相变致裂和水压致裂。炸药爆破在矿山生产中使用较为广泛，然而炸药爆破弱化岩层安全管理复杂，涉及到炸药、雷管的管理运输，放炮要严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”；大规模爆破瞬时产生的大量CO等有害气体给矿井通风安全管理造成巨大影响；对于高瓦斯矿井，炸药爆破由于存在爆破火花诱导瓦斯爆炸的隐患而不宜采用；爆破单孔作用范围小，所以需要大量的火药和雷管等火工品，爆破经济成本高；深孔爆破时，受围压影响，爆生裂纹范围较小，爆破效果有限。

CO₂相变致裂以超临界CO₂与气态CO₂之间的能量差作为破岩动力，致裂时液态CO₂首先吸热转化为超临界态，再卸压膨胀转换为高压气体，破碎岩层。整个岩层致裂过程不仅无火花，还能吸热抑燃，属于典型的物理爆炸，适用于高瓦斯矿井。然而与炸药爆破相比，CO₂相变致裂威力较小且爆破成本较高。

水压致裂是一种以清水作为压裂液的压裂技术，水压致裂技术最早被应用于油田增产、页岩气的开采、地热开采、地应力测量以及控制岩爆等领域，近年来水压致裂技术在矿山行业也得到广泛应用。水压致裂是连续对岩体做功过程，因此相比于炸药爆破和CO₂相变致裂，水压致裂具有裂缝长度更长、控制范围更大的特点；

然而常规的水压致裂受地应力控制在岩层内部形成的裂缝较为单一，所以在破碎岩层方面效果有限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种岩层变频脉冲缝网压裂方法及装备，提出的岩层变频脉冲缝网压裂方法是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，每层岩层压裂期间逐级提升脉冲压力峰值可以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。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段；

一种岩层变频脉冲缝网压裂方法，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；