煤礦井下煤層頂板分段加砂壓裂增滲技術與應用

董潤平，張 儉，閆志銘，劉 樂，王晨陽

（1.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；2.中煤科工集團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注。強化瓦斯抽采不僅可以減小煤礦災害事故，而且能夠促進清潔能源的開發利用[1]。近年來，隨著礦井開采機械化、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]。為實現礦井瓦斯災害的有效治理和煤層氣的高效開發[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]等技術相繼應用工程，取得了良好的效果。水力壓裂技術作為增加煤層滲透率的有效措施得到了廣泛應用[12-14]。中煤科工集團西安研究院依靠自主研發ZDY12000LD等多功能定向長鉆孔裝備優勢，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、淮北等礦區推廣應用，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，在淮北礦區蘆嶺煤礦應用，日產氣量突破1 萬m3，創造了我國碎軟突出煤層地面煤層氣井日產氣量新紀錄；張儉[16]利用千米定向鉆機施工煤層長鉆孔，并實施整體壓裂，累計注水量2 865 m3，較常規抽采鉆孔抽采瓦斯體積分數提高2.81 倍，瓦斯抽采純量提高4.8 倍；賈秉義等[17]針對韓城礦區碎軟、難抽煤層提出了頂板梳狀長鉆孔分段壓裂技術并進行工程試驗，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數為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理并進行工程試驗，結果表明該技術具有很好的增透效果；陳冬冬等[19]以水力壓裂工程為背景，總結了適用于不同煤層f 值系數壓裂增透工程技術體系。

陽泉礦區作是我國典型的突出礦區，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，瓦斯災害嚴重制約陽泉礦區煤炭安全高效開采。2016 年以來，華陽新材料科技集團有限公司（原陽泉煤業（集團）有限責任公司）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的科研攻關，實現了水力壓裂技術在陽泉礦區的成功應用，極大地改善了陽泉礦區瓦斯治理現狀。然而，由于煤層賦存的復雜性和煤層自身的特殊性，鉆孔成孔困難、塌孔嚴重、煤層衰減快、瓦斯抽采達標周期長、瓦斯治理成本高、瓦斯治理效果不理想。受石油系統水力加砂壓裂工藝技術啟發，在已有的壓裂技術基礎之上，經過科研攻關研發了水力加砂分段壓裂裝備系統，提出了煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂技術，在山西新景礦煤業有限責任公司井下開展相關工程試驗，以期為礦井瓦斯治理和高效抽采提供新的技術思路。

1 水力加砂分段壓裂作用原理

選擇距離煤層較近的穩定砂巖層位，利用成套的鉆進裝備和成熟的鉆進工藝技術施工頂板定向長鉆孔。依據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對所有壓裂段朝煤層方向噴砂射孔形成導向裂縫，保證裂隙沿煤層方向擴展，隨后進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、煤層產生裂隙，為支撐劑進入巖、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入已產生的裂縫，達到支撐劑進入裂縫的目標；③頂替階段：停止加入支撐劑，繼續注入壓裂液對裂縫中的核桃殼砂優化分布，使水力加砂壓裂效果最優。

該技術具有以下4 點優勢：①保證了壓裂區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絡的閉合，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、穩定性好、不易塌孔等優點；④該技術適用性強，不受煤體結構特性影響。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 工業性試驗

2.1 試驗區地質條件

礦井位于沁水煤田內陽泉礦區大單斜構造的西側，最大相對瓦斯涌出量48.73 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災害嚴重。試驗地點位于陽泉新景煤礦保安區9 300 m 三北軌道巷北六正巷掘進頭。壓裂煤層為二疊系下統山西組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為0.597 d-1。煤層頂板為灰黑色砂質泥巖、粉砂巖或細砂巖，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，累計鉆探進尺873 m，壓裂鉆孔軌跡圖如圖2。鉆孔采用兩級孔身結構，一開鉆孔直徑?120 mm，鉆進35 m，經過?120 mm?153 mm-?215 mm 2 次擴孔，下?146 mm 套管并注水泥漿固孔，套管固孔質量合格后，二開定向鉆進，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 水力加砂壓裂系統裝備

1）加砂壓裂泵組裝備。中煤科工集團西安研究院有限公司自主研發的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”等優點，對煤礦井下加砂壓裂具有里程碑意義。水力加砂泵系統最高工作壓力可達70 MPa；最大排量為147 m3/h（Ⅳ檔）；攜砂能力達到20%，砂粒≤1 mm。加砂壓裂泵組裝備由供水系統、混砂系統、遠程控制系統、管匯系統和板車等組成，加砂壓裂示意圖如圖3。供水系統為加砂壓裂過程中自動供水；混砂系統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入主泵及壓裂目標層；遠程控制系統可實現遠距離控制水力加砂壓裂作業，保證井下安全施工。該裝備系統還能實現包括壓裂壓力、流量、砂比等壓裂參數數據儲存和設備運行狀態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 工具串參數表Table 1 Tool string parameters table

2.4 方案設計及流程

1）方案設計。依據應力、微地震、瞬變電磁等監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：清水壓裂階段設計注液量50～60 m3，加砂壓裂階段設計注液量70～90 m3，頂替階段設計注液量15～30 m3。煤層和頂板砂質泥巖含有黏土礦物質，在滿足壓裂要求的同時，為防止黏土礦物質遇水膨脹導致裂縫閉合，壓裂液中增加KCL 防膨劑；清水未經過處理，含有大量細菌，壓裂液增加殺菌劑；核桃殼砂作為支撐劑，按照設計砂比加入混砂箱。

2）施工流程：①依據地層賦存特征設計壓裂鉆孔并施工；②向壓裂鉆孔送入射孔工具串至設計位置，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計位置；⑤啟動供水系統、遠程啟動壓裂泵；封隔器膨脹坐封，分段加砂壓裂施工；⑥達到設計前置液量后，啟動混砂系統，按照設計砂比開始加砂壓裂；⑦攜砂液達到設計值后，停止加砂；繼續注入壓裂液至頂替液設計值；⑧遠程關閉壓裂泵、關閉供水系統，完成1 段加砂壓裂作業。

3 結果與分析

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計Fig.6 Statistics of injection volume of staged sand fracturing

依據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、煤層發生破裂產生裂縫網絡，壓裂時間約60 min，注液量約60 m3，清水壓裂階段結束前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，設計加砂量0.22 t，第2 步砂比為2%，加砂約30 min，設計加砂量0.64 t；第3 步砂比為3%，加砂約30 min，設計加砂量0.95 t。頂替階段持續20 min 后停止加KCl、殺菌劑，繼續注入壓裂液至設計值，優化核桃殼砂分布。

依據壓裂壓力曲線特征可分為壓力上升-下降-穩定3 個階段。開始以36.5 m3/h 的排量（Ⅰ檔）向孔內開始注入壓裂液，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，遠程觀測泵、高壓管路及壓裂鉆孔孔口狀況；無異常情況，繼續升高泵檔位達到設計排量63.5 m3/h（Ⅲ檔），壓力持續上升達到巖層破裂壓力，達到破裂壓力約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遠，管路摩擦阻力大，導致巖層破裂壓力大，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鍵因素，一般情況下，細砂巖濾失小、粗砂巖濾失大，細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、分支孔、壓裂位置距煤層的垂直距離等因素有關。壓力達到巖層破裂壓力產生裂縫，形成了較大的儲液空間導致壓力快速下降。壓力下降至一定值開始呈鋸齒型變化進入壓力穩定階段，穩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入裂縫“不及時”或形成“暫時砂堵”導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

統計分析壓裂后60 d 鉆孔瓦斯抽采體積分數，鉆孔日均瓦斯抽采體積分數如圖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數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，瓦斯體積分數保持在60%以上，最高為93%，平均抽采瓦斯體積分數為66.2%，后30 d，瓦斯體積分數略有下降，瓦斯體積分數在50%～60%之間波動，平均瓦斯抽采體積分數為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。

統計瓦斯抽采數據可知，平均瓦斯抽采體積分數為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，收集了試驗區附近千米鉆孔瓦斯抽采數據及順煤層鉆孔瓦斯抽采數據。順層長鉆孔抽采瓦斯體積分數為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數為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數為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）。

對比發現，壓裂孔較順層鉆孔抽采瓦斯體積分數提高了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數提高了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 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鍵技術工藝。在陽泉礦區首次進行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）統計分析了壓裂后60 d 瓦斯抽采數據，最高瓦斯體積分數93%，平均瓦斯抽采體積分數60.6%；單日最高瓦斯抽采純量達到1 381.5 m3，平均日抽采純量為887.3 m3。瓦斯抽采體積分數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，具有良好的應用前景。