董潤平，張 儉，閆志銘，劉 樂，王晨陽

（1.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

礦井瓦斯（煤層氣）作為一種清潔、綠色能源得到社會廣泛關(guān)注。強化瓦斯抽采不僅可以減小煤礦災(zāi)害事故，而且能夠促進(jìn)清潔能源的開發(fā)利用[1]。近年來，隨著礦井開采機(jī)械化、智能化程度提高，開采活動向深部不斷延伸，煤層“低滲透率、高瓦斯含量、高瓦斯壓力”等問題日益凸顯，瓦斯治理難度不斷增加[2-3]。為實現(xiàn)礦井瓦斯災(zāi)害的有效治理和煤層氣的高效開發(fā)[4-5]，密集鉆孔強化抽采[6]、松動爆破[7]、水力掏槽[8]、高壓水射流割縫[9-10]、水力沖孔[11]等技術(shù)相繼應(yīng)用工程，取得了良好的效果。水力壓裂技術(shù)作為增加煤層滲透率的有效措施得到了廣泛應(yīng)用[12-14]。中煤科工集團(tuán)西安研究院依靠自主研發(fā)ZDY12000LD等多功能定向長鉆孔裝備優(yōu)勢，提出了順煤層長鉆孔、煤層頂、底板長鉆孔壓裂煤層強化瓦斯抽采的思路，在陽泉、新疆、韓城、淮南、淮北等礦區(qū)推廣應(yīng)用，取得了良好的效果。張群等[15]提出碎軟低滲煤層的煤層氣頂板巖層水平井分段壓裂高效抽采模式，在淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦應(yīng)用，日產(chǎn)氣量突破1 萬m3，創(chuàng)造了我國碎軟突出煤層地面煤層氣井日產(chǎn)氣量新紀(jì)錄；張儉[16]利用千米定向鉆機(jī)施工煤層長鉆孔，并實施整體壓裂，累計注水量2 865 m3，較常規(guī)抽采鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高2.81 倍，瓦斯抽采純量提高4.8 倍；賈秉義等[17]針對韓城礦區(qū)碎軟、難抽煤層提出了頂板梳狀長鉆孔分段壓裂技術(shù)并進(jìn)行工程試驗，壓裂后鉆孔平均瓦斯抽采純量1.18 m3/min，平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為43.5%，增透效果顯著；鄭凱歌[18]闡明了煤層底板梳狀鉆孔分段壓裂增透機(jī)理并進(jìn)行工程試驗，結(jié)果表明該技術(shù)具有很好的增透效果；陳冬冬等[19]以水力壓裂工程為背景，總結(jié)了適用于不同煤層f 值系數(shù)壓裂增透工程技術(shù)體系。

陽泉礦區(qū)作是我國典型的突出礦區(qū)，煤層屬于典型的碎軟、低滲、高瓦斯含量/壓力、突出煤層，煤層透氣性小于0.001 16 m2/（MPa2·d），瓦斯壓力在3 MPa 左右，瓦斯含量在15～20 m3/t 之間，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約陽泉礦區(qū)煤炭安全高效開采。2016 年以來，華陽新材料科技集團(tuán)有限公司（原陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）先后開展了穿層鉆孔水力壓裂、順層長鉆孔水力壓裂、底板梳狀孔分段壓裂增透技術(shù)的科研攻關(guān)，實現(xiàn)了水力壓裂技術(shù)在陽泉礦區(qū)的成功應(yīng)用，極大地改善了陽泉礦區(qū)瓦斯治理現(xiàn)狀。然而，由于煤層賦存的復(fù)雜性和煤層自身的特殊性，鉆孔成孔困難、塌孔嚴(yán)重、煤層衰減快、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)周期長、瓦斯治理成本高、瓦斯治理效果不理想。受石油系統(tǒng)水力加砂壓裂工藝技術(shù)啟發(fā)，在已有的壓裂技術(shù)基礎(chǔ)之上，經(jīng)過科研攻關(guān)研發(fā)了水力加砂分段壓裂裝備系統(tǒng)，提出了煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂技術(shù)，在山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司井下開展相關(guān)工程試驗，以期為礦井瓦斯治理和高效抽采提供新的技術(shù)思路。

1 水力加砂分段壓裂作用原理

選擇距離煤層較近的穩(wěn)定砂巖層位，利用成套的鉆進(jìn)裝備和成熟的鉆進(jìn)工藝技術(shù)施工頂板定向長鉆孔。依據(jù)鉆孔施工軌跡將長鉆孔分為若干壓裂段，利用定向噴砂射孔技術(shù)對所有壓裂段朝煤層方向噴砂射孔形成導(dǎo)向裂縫，保證裂隙沿煤層方向擴(kuò)展，隨后進(jìn)行分段加砂壓裂施工，其分3 個階段：①清水壓裂階段：高壓水迫使巖、煤層產(chǎn)生裂隙，為支撐劑進(jìn)入巖、煤層提供通道；②加砂壓裂階段：在壓裂液中添加支撐劑形成攜砂液進(jìn)入已產(chǎn)生的裂縫，達(dá)到支撐劑進(jìn)入裂縫的目標(biāo)；③頂替階段：停止加入支撐劑，繼續(xù)注入壓裂液對裂縫中的核桃殼砂優(yōu)化分布，使水力加砂壓裂效果最優(yōu)。

該技術(shù)具有以下4 點優(yōu)勢：①保證了壓裂區(qū)域均勻壓裂和全覆蓋，提高了瓦斯治理的可靠性；②有效延緩了頂板及煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)的閉合，為瓦斯長時流動提供通道，保障了瓦斯高效抽采；③壓裂鉆孔作為瓦斯抽采孔具有距煤層近、穩(wěn)定性好、不易塌孔等優(yōu)點；④該技術(shù)適用性強，不受煤體結(jié)構(gòu)特性影響。分段加砂壓裂示意圖如圖1。

圖1 水力加砂分段壓裂示意圖Fig.1 Schematic diagram of staged sand fracturing

2 工業(yè)性試驗

2.1 試驗區(qū)地質(zhì)條件

礦井位于沁水煤田內(nèi)陽泉礦區(qū)大單斜構(gòu)造的西側(cè)，最大相對瓦斯涌出量48.73 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。試驗地點位于陽泉新景煤礦保安區(qū)9 300 m 三北軌道巷北六正巷掘進(jìn)頭。壓裂煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層，煤層厚2.07～2.70 m，埋深458.94～558.18 m。整體呈3 層分布，下分層為軟分層，厚0.45 m，f 值0.3～0.4；中、上分層煤層較好，f 值0.71～0.84。煤層瓦斯含量為15.95 m3/t，瓦斯壓力2.6 MPa，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.597 d-1。煤層頂板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或細(xì)砂巖，整體巖性較好，具備施工定向長鉆孔條件。

2.2 頂板壓裂孔設(shè)計

鉆孔開孔位置布置位于3#煤層頂板巖層中，鉆孔與煤層的平均距離約5 m。鉆孔設(shè)計長度600 m，實際施工609 m。為了控制鉆孔與煤層的垂直距離，鉆孔施工2 個分支，孔深216 m 處向煤層施工1-1號分支，長度為110 m；孔深425 m 處向煤層施工1-2 號分支，長度為154 m，累計鉆探進(jìn)尺873 m，壓裂鉆孔軌跡圖如圖2。鉆孔采用兩級孔身結(jié)構(gòu)，一開鉆孔直徑?120 mm，鉆進(jìn)35 m，經(jīng)過?120 mm?153 mm-?215 mm 2 次擴(kuò)孔，下?146 mm 套管并注水泥漿固孔，套管固孔質(zhì)量合格后，二開定向鉆進(jìn)，孔徑?120 mm，孔長574 m。

圖2 壓裂鉆孔軌跡圖Fig.2 Trajectory chart of fracturing drilling hole

2.3 水力加砂壓裂系統(tǒng)裝備

1）加砂壓裂泵組裝備。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)的BYW（S）-30/1000 型加砂壓裂泵組裝備，具有“大排量、高壓力、攜砂能力強”等優(yōu)點，對煤礦井下加砂壓裂具有里程碑意義。水力加砂泵系統(tǒng)最高工作壓力可達(dá)70 MPa；最大排量為147 m3/h（Ⅳ檔）；攜砂能力達(dá)到20%，砂粒≤1 mm。加砂壓裂泵組裝備由供水系統(tǒng)、混砂系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、管匯系統(tǒng)和板車等組成，加砂壓裂示意圖如圖3。供水系統(tǒng)為加砂壓裂過程中自動供水；混砂系統(tǒng)能夠完成壓裂泵前端的自動供砂、混砂，確保攜砂液均勻地進(jìn)入主泵及壓裂目標(biāo)層；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制水力加砂壓裂作業(yè)，保證井下安全施工。該裝備系統(tǒng)還能實現(xiàn)包括壓裂壓力、流量、砂比等壓裂參數(shù)數(shù)據(jù)儲存和設(shè)備運行狀態(tài)自我反饋及報警功能，對井下加砂壓裂施工安全判別及壓裂效果分析提供支撐。

圖3 加砂壓裂示意圖Fig.3 Schematic diagram of sand fracturing

2）工具組合。工具組合包含定向噴砂射孔和分段加砂壓裂2 部分。主要由引鞋、球座、定向噴射器、投球器、扶正器、高壓油管、封隔器、反洗閥、定壓截流器等組成。定向噴砂射孔工具組合為：引鞋+球座+油管+扶正器+定向射孔器+扶正器+油管。分段加砂壓裂工具組合為：引鞋+球座+油管+封隔器+反洗閥+油管+定壓截流器+油管+封隔器+安全丟手+油管。工具串組合連接圖示意圖如圖4。工具串參數(shù)見表1。

圖4 工具串組合連接圖示意圖Fig.4 Schematic diagram of tool string combination connection

表1 工具串參數(shù)表Table 1 Tool string parameters table

2.4 方案設(shè)計及流程

1）方案設(shè)計。依據(jù)應(yīng)力、微地震、瞬變電磁等監(jiān)測手段對穿層鉆孔煤層壓裂影響半徑約40 m[20-21]。綜合考慮壓裂鉆孔分支孔對壓裂位置影響，鉆孔共設(shè)計6 段壓裂，2 封隔器之間的卡距為10 m。第2 壓裂段距煤層最近，垂直距離為4 m，第6 壓裂段距煤層最遠(yuǎn)為，垂直距離6 m。所有壓裂段分清水壓裂、加砂壓裂、頂替壓裂3 個階段：清水壓裂階段設(shè)計注液量50～60 m3，加砂壓裂階段設(shè)計注液量70～90 m3，頂替階段設(shè)計注液量15～30 m3。煤層和頂板砂質(zhì)泥巖含有黏土礦物質(zhì)，在滿足壓裂要求的同時，為防止黏土礦物質(zhì)遇水膨脹導(dǎo)致裂縫閉合，壓裂液中增加KCL 防膨劑；清水未經(jīng)過處理，含有大量細(xì)菌，壓裂液增加殺菌劑；核桃殼砂作為支撐劑，按照設(shè)計砂比加入混砂箱。

2）施工流程：①依據(jù)地層賦存特征設(shè)計壓裂鉆孔并施工；②向壓裂鉆孔送入射孔工具串至設(shè)計位置，由孔底向孔口逐段定向噴砂射孔事故；③對壓裂鉆孔掃孔、洗孔、沖渣；④向鉆孔送入壓裂工具串至設(shè)計位置；⑤啟動供水系統(tǒng)、遠(yuǎn)程啟動壓裂泵；封隔器膨脹坐封，分段加砂壓裂施工；⑥達(dá)到設(shè)計前置液量后，啟動混砂系統(tǒng)，按照設(shè)計砂比開始加砂壓裂；⑦攜砂液達(dá)到設(shè)計值后，停止加砂；繼續(xù)注入壓裂液至頂替液設(shè)計值；⑧遠(yuǎn)程關(guān)閉壓裂泵、關(guān)閉供水系統(tǒng)，完成1 段加砂壓裂作業(yè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 泵壓力及砂比曲線特征

選取部分（第5 段、第6 段）壓裂段泵壓力及砂比等曲線進(jìn)行，部分水力加砂分段壓裂曲線特征如圖5。分段加砂壓裂注入量統(tǒng)計如圖6。

圖5 部分水力加砂分段壓裂曲線特征Fig.5 Characteristics of staged sand fracturing curves

圖6 分段加砂壓裂注入量統(tǒng)計Fig.6 Statistics of injection volume of staged sand fracturing

依據(jù)加砂壓裂情況將整個過程分為清水壓裂階段、加砂壓裂階段、頂替壓裂3 階段。清水壓裂階段通過清水迫使巖、煤層發(fā)生破裂產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂時間約60 min，注液量約60 m3，清水壓裂階段結(jié)束前20～40 min 開始加入KCl 和殺菌劑，KCl 與殺菌劑注入比例分別是1%和0.1%。加砂壓裂階段砂比呈梯度增加，第1 步加砂比為1%，加砂約20 min，設(shè)計加砂量0.22 t，第2 步砂比為2%，加砂約30 min，設(shè)計加砂量0.64 t；第3 步砂比為3%，加砂約30 min，設(shè)計加砂量0.95 t。頂替階段持續(xù)20 min 后停止加KCl、殺菌劑，繼續(xù)注入壓裂液至設(shè)計值，優(yōu)化核桃殼砂分布。

依據(jù)壓裂壓力曲線特征可分為壓力上升-下降-穩(wěn)定3 個階段。開始以36.5 m3/h 的排量（Ⅰ檔）向孔內(nèi)開始注入壓裂液，壓力上升到1 MPa 封隔器開始膨脹坐封，壓力上升至3 MPa 封隔器完成坐封；升高壓裂泵檔位增加排量，排量增加至48.3 m3/h（Ⅱ檔），壓力上升，遠(yuǎn)程觀測泵、高壓管路及壓裂鉆孔孔口狀況；無異常情況，繼續(xù)升高泵檔位達(dá)到設(shè)計排量63.5 m3/h（Ⅲ檔），壓力持續(xù)上升達(dá)到巖層破裂壓力，達(dá)到破裂壓力約20 min，第1～第6 段的破裂壓力依次為29.6、29.4、29.1、26.0、21.7、22.6 MPa，呈逐漸下降趨勢。

造成上述現(xiàn)象有以下3 種可能：①孔底相對孔口距離水力加砂泵組系統(tǒng)遠(yuǎn)，管路摩擦阻力大，導(dǎo)致巖層破裂壓力大，隨著壓裂位置距離孔口越近，破裂壓力呈下降趨勢；②壓裂位置的層位是影響破裂壓力的關(guān)鍵因素，一般情況下，細(xì)砂巖濾失小、粗砂巖濾失大，細(xì)砂巖段壓裂破裂壓力大于粗砂巖段壓裂破裂壓力：③壓裂受噴砂射孔作業(yè)、分支孔、壓裂位置距煤層的垂直距離等因素有關(guān)。壓力達(dá)到巖層破裂壓力產(chǎn)生裂縫，形成了較大的儲液空間導(dǎo)致壓力快速下降。壓力下降至一定值開始呈鋸齒型變化進(jìn)入壓力穩(wěn)定階段，穩(wěn)定階段包含清壓裂水、加砂壓裂和頂替壓裂3 個階段，其中清水與頂替壓裂階段壓力大小、壓力鋸齒形變化幅值和頻率均小于加砂壓裂階段，這可能是加砂壓裂階段核桃殼砂進(jìn)入裂縫“不及時”或形成“暫時砂堵”導(dǎo)致壓力鋸齒型變化幅值和頻率高。

由圖6 可知，前置液注入量50～66 m3，考慮壓裂段孔深，孔底壓裂段較孔口壓裂段前置液略有減少。攜砂液注入量65～90 m3，前2 壓裂段位于壓裂鉆孔的下行方向，為了防止“砂堵”，前2 段攜砂液量分別是66、65 m3，后4 段攜砂液量約90 m3。頂替液量約20 m3。單段注液量154～177 m3，累積注液量967 m3。單段殺菌劑注入量0.05～0.13 t，累積加入0.6t。單段KCl 注入量0.9～1.32 t，累積加入6.69 t。單段核桃砂殼注入量1.76～2.41 t，累積加入13.11 t。

3.2 瓦斯抽采效果

統(tǒng)計分析壓裂后60 d 鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)，鉆孔日均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)如圖7。鉆孔日均瓦斯抽采純量如圖8。

圖7 鉆孔日均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Daily average gas drainage volume fraction

圖8 鉆孔日均瓦斯抽采純量Fig.8 Daily average net amount of gas drainage from boreholes

由圖7 可知，前30 d，瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在60%以上，最高為93%，平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為66.2%，后30 d，瓦斯體積分?jǐn)?shù)略有下降，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在50%～60%之間波動，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為55.5%。

由圖8 可以看出，前13 d，日抽采瓦斯純量超過1 000 m3，最高日抽采純量達(dá)到1 381.5 m3，平均日抽采純量為1 142 m3；第13～第41 d，日抽采純量在900 m3左右，平均日抽采純量為879 m3；第41～第60 d，日抽采純量低于900 m3，平均日抽采純量為715 m3。

統(tǒng)計瓦斯抽采數(shù)據(jù)可知，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為60.65%，平均瓦斯抽采混合流量1.027 m3/min，日均瓦斯抽采純量為887.4 m3，取得了較好的瓦斯抽采效果。

為了評價本次煤層頂板分段加砂壓裂增透效果，收集了試驗區(qū)附近千米鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)及順煤層鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)。順層長鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6.892%，瓦斯抽采混合量為12.864 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.004 8 m3/（min·hm）；千米鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為2.221%，瓦斯抽采混合量為4.812 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.014 1 m3/（min·hm）；分段加砂壓裂后抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為60.65%，瓦斯抽采混合量為1.027 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.103 8 m3/（min·hm）。

對比發(fā)現(xiàn)，壓裂孔較順層鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了8.8 倍，百米鉆孔抽采純量提高了21.4 倍；壓裂孔較千米鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了3.96倍，百米鉆孔抽采純量提高了7.28 倍，本次煤層頂板水力加砂分段壓裂取得良好的增透效果。

4 結(jié) 語

1）提出煤礦井下頂板分段加砂壓裂強化瓦斯抽采的思路，形成了適合碎軟、低滲、突出煤層頂板定向長鉆孔分段加砂壓裂關(guān)鍵技術(shù)工藝。在陽泉礦區(qū)首次進(jìn)行609 m 煤層頂板長鉆孔分6 段加砂壓裂工程試驗，泵注排量超過1 m3/min，單段壓液量154～177 m3，累計注液量967 m3；支撐劑比例最高達(dá)到3%，單段加入支撐劑1.76～2.41 t，累積加入13.11 t；孔底至孔口破裂壓力呈下降趨勢，最大破裂壓力為29.6 MPa，最小破裂壓力為22.6 MPa。

2）統(tǒng)計分析了壓裂后60 d 瓦斯抽采數(shù)據(jù)，最高瓦斯體積分?jǐn)?shù)93%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)60.6%；單日最高瓦斯抽采純量達(dá)到1 381.5 m3，平均日抽采純量為887.3 m3。瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)較較順層鉆孔和千米鉆孔分別提高了8.8 倍和3.96 倍；百米鉆孔抽采純量分別提高了21.4 倍和7.28 倍，取得了很好的增透效果。

3）該技術(shù)打破了在煤層施工鉆孔強化瓦斯抽采的固有思維，在煤礦井下成功進(jìn)行分段加砂壓裂試驗，初步形成了煤層頂板定向長鉆孔的“定向噴砂射孔+分段加砂壓裂”增透的技術(shù)工藝，為礦井瓦斯治理提供新的思路，有助于提高礦井瓦斯治理水平，具有良好的應(yīng)用前景。