煤礦井下長鉆孔分段水力壓裂技術研究進展及發展趨勢

孫四清，李文博,2，張 儉，陳冬冬，趙繼展，鄭凱歌，龍威成，王晨陽，賈秉義，杜天林，劉 樂，楊 歡，戴 楠

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學研究總院，北京 100013)

水力壓裂是利用高壓泵將水(或攜帶有支撐劑液體)注入到煤巖鉆孔中，當鉆孔注入液體量遠大于煤巖孔液體濾失量，使得孔內液體壓力升高直至煤巖層破裂，產生煤巖裂縫并不斷延伸和擴展，在煤巖層中形成豐富的裂隙網絡，從而達到提高瓦斯抽采量、改造弱化煤巖層強度的目的。自20 世紀40 年代美國開展水力壓裂增產作業以來，水力壓裂已成為油氣儲層增滲改造、提高采收速度和采收率及改善油氣田開發效益的重要手段[1-2]。20 世紀60 年代，蘇聯將水力壓裂技術作為一種煤層卸壓增透手段引入到煤礦[3]；1965 年，我國開始進行地面鉆孔煤層注水壓裂工程試驗[4]，因技術和設備等影響因素水力壓裂技術未在煤礦井下大規模推廣應用。“十一五”“十二五”以來，在國家科技重大專項資助下，煤礦井下煤層氣(瓦斯)開發加快發展，推動了煤礦井下水力壓裂技術與裝備及工程應用研究[5-7]，水力壓裂技術在重慶松藻[8-9]、安徽淮南[10-12]和河南平頂山[13-14]等煤礦區推廣應用，主要在穿層鉆孔和順層短鉆孔進行整體水力壓裂增透抽采煤層氣(瓦斯)。

穿層鉆孔、順層短鉆孔壓裂覆蓋范圍相對較小、單孔產氣量也較低，長鉆孔整體水力壓裂又易出現壓裂不均衡等問題。“十三五”以來，為了滿足煤礦瓦斯、礦壓災害區域防治和煤層氣資源開發戰略的實際需要，借鑒頁巖氣水平井分段壓裂技術和碎軟煤層煤層氣頂板水平井分段壓裂抽采技術的成功經驗[15-16]，開始進行煤礦井下定向長鉆孔分段水力壓裂技術與裝備及工程示范應用研究。成功研制出了適合于煤礦井下裸眼定向長鉆孔分段壓裂工藝技術及裝備，研發了煤礦井下具有加砂、攜砂功能的大排量、高壓力加砂泵組及配套的壓裂工藝技術。定向長鉆孔分段水力壓裂技術與裝備在山西陽泉[17-18]，陜西韓城[19-20]、黃陵[21-22]、彬長，河南焦作[23-24]，神東[25-26]和山東兗州[27-28]等礦區大量工程中推廣應用，形成了適合不同地質條件的煤礦井下裸眼定向長鉆孔差異化水力壓裂技術工藝體系。針對煤炭智能開采和地質災害區域治理的需要，提出了下一步開展井下水力壓裂裝備和井?地聯合分段水力壓裂技術的發展構想，以供讀者借鑒。

1 煤礦井下煤巖層裸眼分段壓裂技術及工具

1.1 分段壓裂技術

分段壓裂是保障煤巖長鉆孔能形成規模、連續、均勻裂縫縫網的關鍵技術。20 世紀80 年代國內外開始分段壓裂技術研究，到2007 年，分段壓裂技術已成為地面非常規油氣開發的主體技術，形成了裸眼封隔器+滑套、泵送橋塞、固井滑套、雙封單卡提管柱、管內封隔器和水力噴射加砂等地面油氣井分段壓裂技術[29-32]。煤礦井下分段壓裂技術工程實踐應用，始于2016 年山西陽泉寺家莊煤礦15117 工作面15 號煤底板梳狀長鉆孔分段壓裂增透瓦斯抽采[33-34]，隨著煤礦分段壓裂技術在煤層瓦斯增透高效抽采、堅硬頂板強礦壓災害治理中的實踐及推廣應用，逐步形成了適合于煤礦井下煤巖層裸眼長鉆孔分段水力壓裂工藝技術[35]。煤礦井下分段壓裂技術，總體上可劃分為不動管柱裸眼分段壓裂和動管柱裸眼分段壓裂。不動管柱裸眼分段壓裂是根據鉆孔壓裂段數和每段段長將預設封隔器隨壓裂油管一次性送入孔中，然后利用油管注水將孔中所有封隔器膨脹座封，再采用投球方式依次打開壓差滑套由里向外逐段壓裂的分段壓裂方式；動管柱裸眼分段壓裂(即雙封單卡拖動式分段壓裂)是根據鉆孔每段壓裂段長將2 個預設一定間距的封隔器隨壓裂油管送入孔底，利用油管注水使封隔器膨脹座封，然后繼續注水壓裂直至煤巖層被壓裂開，壓裂完畢后解封封隔器，再將封隔器拖動至預定位置，重復上述壓裂步驟，由里向外依次完成整個煤巖鉆孔壓裂的一種分段壓裂方式。不動管柱分段壓裂工藝相對簡單，但在孔徑一定的情況下，鉆孔分段壓裂的段數有限，而動管柱分段壓裂工藝相對復雜，但每個鉆孔壓裂段數可根據實際需要合理設定。

1.2 分段壓裂工具

分段壓裂工具的主要功能是將煤巖長鉆孔分成不同的壓裂段，并輸送壓裂液對每段煤巖層進行逐段壓裂。不動管柱裸眼分段壓裂工具主要由引鞋、單流閥、壓差滑套、逐級封隔器、丟手和油管等部件構成，動管柱裸眼分段壓裂工具主要由引鞋、單流閥、封隔器、節流器、丟手和油管等部件構成。兩類分段壓裂工具組合如圖1 所示。“十三五”期間針對井下裸眼鉆孔分段壓裂技術要求、煤巖層地質特征和鉆孔尺寸等情況，設計并研制出了?73 mm 和?89 mm 兩種規格型號的煤礦井下裸眼分段壓裂工具，工具耐壓能力整體達到70 MPa 以上，滿足89～133 mm 孔徑壓裂的需要。在煤層瓦斯增透高效抽采和礦壓災害治理等現場進行了大量的分段壓裂工程實踐應用，不動管柱裸眼分段壓裂工具在120 mm 孔徑中實現了5 段530 m 孔深的分段壓裂，動管柱裸眼分段壓裂在工程實踐實現了單孔17 段、孔深800 m 的分段壓裂。

圖1 煤礦井下裸眼分段水力壓裂工具組合Fig.1 Schematic diagram of open hole staged hydraulicfracturing tool combination in underground coal mine

2 煤礦井下高壓力大排量壓裂泵組

壓裂泵組是壓裂施工作業的主要動力設備。煤礦井下壓裂泵組一般由壓裂泵、電機、啟動箱和水箱等4 大部件構成，目前國內井下長鉆孔壓裂一般使用BYW型[36]和BRW 型[37]壓裂泵組。BYW 型壓裂泵組額定排量達到1.45 m3/min，額定工作壓力達65 MPa，額定功率400 kW，具有遠程操控、實時存儲壓裂相關參數的功能。BRW 型壓裂泵組的雙泵并聯排量達到0.8 m3/min，額定工作壓力達到40 MPa，額定功率710 kW。從油氣和地面煤層氣開發實踐經驗來看，攜砂壓裂是保障煤巖層壓裂增透、實現穩產高產的重要措施，目前BYW 型和BRW 型壓裂泵均不具備高壓力大量攜砂、過砂能力，“十三五”期間中煤科工集團西安研究院有限公司分別研制了煤礦井下低壓端加砂壓裂泵組和高壓端加砂壓裂裝置，解決了井下無加砂壓裂裝備的難題。

2.1 低壓端加砂壓裂泵組

低壓端加砂壓裂是在壓裂泵組前端安置混砂裝置，將支撐劑與壓裂液均勻混合后，由低壓管匯將懸混有支撐劑的壓裂液送入到高壓泵組進行加壓加速，然后由高壓管匯輸送至壓裂鉆孔及煤巖層中，實現煤巖層加砂壓裂。根據低壓端加砂壓裂思路，設計并研制了適合于煤礦井下大排量、高壓力、大砂比攜砂過砂能力的BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組[38]，該裝備設計構成和實物如圖2 所示。BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組主要由壓裂泵、電機、控制柜、水箱和加砂混砂裝置及遠程監測操控平臺等部件構成，其額定功率1 000 kW，最大壓力70 MPa，最大排量90 m3/h，高壓泵攜砂過砂比達20%，過砂粒徑最大達1 mm。裝備操作運行采用遠程操控，能夠實時監測并存儲泵組工作壓力、流量、砂比等壓裂關鍵參數，為加砂壓裂施工安全判別及壓裂效果分析及時提供依據。

圖2 煤礦井下低壓段加砂壓裂泵組Fig.2 Fracturing pump set with sand at low pressure end in underground coal mine

采用該泵組在山西陽泉新景礦煤業公司保安區北六、北七的3 號煤層頂板巖層，進行了煤礦井下低壓端加砂分段壓裂瓦斯抽采工程應用試驗。壓裂過程泵注壓力21.3～29.6 MPa，泵注排量48.0～63.5 m3/h，鉆孔累計注入液量分別是963.9 m3和1 844.7 m3，單段壓入液量為153.8～235.1 m3/段；鉆孔累計加入支撐劑量分別是13.1 t 和23.4 t。BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組的研制以及工程試驗成功應用，表明了該裝備在高壓力、大流量條件下具有較好的攜砂壓裂能力。

2.2 高壓端加砂壓裂裝置

高壓端加砂壓裂是指在連接壓裂泵組與壓裂鉆孔之間的高壓管匯中嵌入加砂裝置，在壓裂施工作業過程中向高壓管匯添加支撐劑，利用高壓管匯中高壓、高速運行的壓裂液攜帶進入到壓裂鉆孔及煤巖層中，實現煤巖層加砂壓裂目的。研制的煤礦井下高壓端加砂壓裂裝置[39-41]如圖3 所示。主要由混砂倉、攜砂倉、控制閥等3 大部件構成，其中混砂倉兩端呈半球狀、中間為長2.74 m、直徑0.50 m 的圓筒狀結構，混砂倉容積達450 L，可一次連續加注石英砂750 kg；攜砂倉兩端呈圓錐狀，中間為長2.57 m、直徑0.21 m 的圓筒狀結構；混砂倉與攜砂倉之間由控制閥連接，遠程控制加砂裝置的開啟與關閉。該裝置整體耐壓能力在55 MPa 以上，采用遠程遙控加砂，利用壓裂液旋流作用均勻加砂，便于煤礦井下安全使用。

圖3 煤礦井下高壓端加砂壓裂裝置Fig.3 Device of fracturing with sand at high pressure end in underground coal mine

采用該裝置在淮南潘三礦2131 工作面C13?1煤層的穿層鉆孔中進行了壓裂工程試驗應用[41]，實現單孔壓入水量316 m3，加砂量150 kg，泵注壓力達34 MPa，加砂壓裂后鉆孔瓦斯抽采純量是清水壓裂鉆孔的2.38 倍。高壓端加砂壓裂裝置的研制及現場工程試驗成功應用，有效解決了常規清水壓裂泵無法大量加砂壓裂的技術與裝備難題。

3 定向長鉆孔分段壓裂煤巖層瓦斯高效抽采技術

《煤礦安全規程》(2022 年)和《防治煤與瓦斯突出細則》(2019 年)均強調，預抽煤層瓦斯是突出煤層和高瓦斯煤層防治的重要舉措，通過預抽可將突出煤層降為非突、高瓦斯煤層降為低瓦斯煤層。對于不同瓦斯地質條件的煤層，我國已經建立起了硬煤順層鉆孔預抽、碎軟煤層穿層鉆孔或圍巖鉆孔或順層鉆孔預抽等煤層瓦斯區域預抽方法；硬煤層預抽瓦斯鉆孔深度已達到3 353 m[42]，碎軟煤層圍巖預抽瓦斯鉆孔深度已突破600 m[43]、順層鉆孔預抽瓦斯鉆孔深度已突破500 m[44]。我國煤層滲透性總體較差、瓦斯預抽難度大，預裂增透是提高煤層瓦斯預抽效果的重要舉措，近年來，在山西陽泉，陜西韓城、黃陵和彬長等典型礦區的工程實踐探索，基本形成了碎軟煤層圍巖梳狀鉆孔分段壓裂和碎軟煤層圍巖加砂分段壓裂、硬煤層順層長鉆孔分段壓裂等區域性增透模式，煤層瓦斯預抽效果比常規措施好。

3.1 碎軟煤層分段水力壓裂瓦斯抽采技術

1) 碎軟煤層分段壓裂模式

碎軟煤層煤體結構整體比較破碎，具有低強度、弱黏結、滲透率低(儲層條件下)的特征，順層鉆孔抽采瓦斯普遍存在鉆長孔難、成孔性差、抽采效果差等難題。為了突破碎軟煤層井下大區域高效抽采技術瓶頸，借鑒地面煤層氣頂板水平井開發思路，在煤礦井下實施煤層圍巖定向長鉆孔分段壓裂，實現碎軟煤層大區域高效抽采瓦斯。近幾年，先后在山西陽泉、陜西韓城等典型碎軟煤層礦區進行的井下煤層頂底板定向長鉆孔分段壓裂抽采瓦斯探索，形成了煤礦井下頂底板梳狀鉆孔分段壓裂和頂板長鉆孔分段壓裂高效瓦斯抽采技術。煤層頂底板梳狀鉆孔分段壓裂技術模式是在近鄰煤層的砂巖或砂質泥巖中施工主孔，沿主孔間隔一定距離向煤層方向開分支孔，進入煤層后并適當延伸。整個鉆孔施工完畢后，采用分段壓裂方式對每個分支鉆孔由里向外逐一壓裂改造，在分支鉆孔與圍巖和煤層中形成復雜裂縫網絡通道，使得煤層瓦斯快速運移產出，如圖4 所示。頂板長鉆孔分段壓裂是沿著緊鄰煤層頂板砂巖或砂質泥巖中施工定向長鉆孔，采用加砂分段壓裂工藝沿著定向長鉆孔由里向外逐一壓裂，在壓裂頂板巖層形成的裂縫將煤層溝通并在煤層中進一步延伸，支撐劑被壓裂液攜帶進入壓裂縫系統并充填其中，在煤層與頂板和鉆孔之間形成穩定復雜的裂縫網絡，便于煤層瓦斯長期穩定抽采，如圖5 所示。

圖4 煤層頂底板梳狀鉆孔分段壓裂Fig.4 Staged fracturing of comb borehole in roof or floor

圖5 煤層頂板定向長鉆孔分段壓裂Fig.5 Staged fracturing directional long-borehole in roof

2) 底板梳狀鉆孔分段壓裂

山西陽泉礦區是我國比較典型的碎軟煤層礦區，煤體結構類型從原生結構煤至糜棱煤均有，以碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤為主。為了探索碎軟煤層大區域瓦斯抽采技術，2016 年，在陽泉寺家莊煤礦15117 工作面實施了底板梳狀鉆孔分段壓裂預抽15 號煤層瓦斯的井下工程應用試驗，工作面煤層埋深436～536 m，煤層厚度2.8～7.4 m，平均5.1 m，煤層瓦斯含量7.3～8.6 m3/t，均值8.1 m3/t，透氣性系數為0.011 9～0.197 9 m2/(MPa2·d)，煤體結構類型為碎粒煤和糜棱煤為主，煤的堅固性系數f為0.1～0.5。梳狀鉆孔布置在煤層底板，鉆孔直徑120 mm，主孔長度534 m，施工4 個分支孔溝通煤層，采用不動管柱壓裂工藝，在主孔下入油管長度490 m，采用6 個封隔器將主孔分5 段進行壓裂，底板梳狀分段壓裂鉆孔軌跡和典型段泵注壓力排量曲線如圖6所示。

圖6 底板梳狀鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數曲線Fig.6 Drilling trajectory and pump injection parameters curve of staged fracturing in the floor comb-borehole

壓裂選用BYW65/400 型煤礦井下壓裂泵組和?73 mm 型壓裂工具，鉆孔累計壓入水量2 865 m3，單段最大壓入水量611 m3，壓力達到17.2 MPa。采用全水分法測得壓裂影響半徑為40～60 m，壓裂鉆孔百米瓦斯抽采純量是同區域常規鉆孔的3.53 倍。寺家莊煤礦底板梳狀鉆孔分段壓裂實踐取得成功后，在韓城礦區[19-20]和陽泉礦區[45]等典型碎軟突出煤層中繼續開展頂底板梳狀鉆孔分段壓裂抽采瓦斯工程應用試驗，并不斷完善分段壓裂技術，將不動管柱分段壓裂發展到拖動式分段壓裂。

3) 頂板梳狀鉆孔分段壓裂

韓城礦區目前主要開采二疊系山西組3 號煤層，煤層厚度4.0～7.0 m，平均5.97 m，煤的變質程度為貧瘦煤和貧煤。3 號煤層煤體結構以碎粒煤和糜棱煤為主，煤的堅固性系數f為0.1～0.5，煤層透氣性系數為0.072 9～0.229 m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯含量為6.75～9.80 m3/t，煤層瓦斯壓力達2.5 MPa，是典型碎軟低滲高突煤層。2018 年，在陜西韓城桑樹坪二號井北膠帶大巷3309 工作面3 號煤層頂板實施了梳狀定向長鉆孔分段壓裂抽采瓦斯工程試驗。梳狀鉆孔主孔長為588 m，開了8 個分支鉆孔，鉆孔直徑為98 mm，主孔距3 號煤層最大距離為5.27 m。在主孔按照4 段對整個梳狀鉆孔進行了分段水力壓裂，鉆孔軌跡和泵注壓裂曲線如圖7 所示。

圖7 頂板梳狀鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數曲線Fig.7 Drilling trajectory and pump injection parameters curve of staged fracturing in the floor comb borehole

壓裂選用BYW65/400 型煤礦井下壓裂泵組和?73 mm 型分段壓裂工具，整個鉆孔累計壓入液體量為2 012 m3，壓裂最大泵注壓力為8.74 MPa，采用全水分分析測得壓裂影響半徑最大值為39.6 m，最小值為20.3 m。鉆孔分段壓裂完畢后，監測73 d 鉆孔抽采瓦斯純量為480～2 776 m3/d，平均1 559 m3/d，百米鉆孔瓦斯抽采量均值是同區域常規鉆孔的4.8 倍。先后在韓城礦區王峰煤礦、桑樹坪二號井和下峪口等煤礦的3 號煤層中進行分段水力壓裂工程示范應用，均取得較好效果，形成了適合于韓城礦區碎軟低滲高突煤層區域增透瓦斯高效抽采治理模式。

4)頂板定向長鉆孔加砂分段壓裂

針對梳狀鉆孔開分支工藝復雜且效率低，清水壓裂壓裂縫易收縮、影響瓦斯抽采效果等不足，提出了碎軟煤層頂板定向長鉆孔加砂分段壓裂工藝，即直接壓裂煤層頂板以將煤層溝通，實現煤層瓦斯高效預抽。2020 年，在陽泉新景煤礦保安區三北軌道巷3 號煤層頂板實施2 個定向長鉆孔并進行加砂分段壓裂，預抽3 號煤層瓦斯。施工作業區煤層埋深458.9～558.2 m，煤層厚度2.1～2.7 m，煤體結構類型以碎粒煤、糜棱煤和碎裂煤為主，煤的堅固性系數(f值)為0.3～0.8，煤層瓦斯含量16.0 m3/t，煤層透氣性系數為0.001 16 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數0.597 d?1。壓裂選用BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組，采用?89 mm 型雙封單卡拖動式泵注分段壓裂工具。2 個鉆孔分段壓裂施工參數和瓦斯抽采情況見表1，鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數如圖8 所示。

圖8 頂板定向長鉆孔軌跡和加砂分段壓裂泵注參數曲線Fig.8 Drilling trajectory and pump injection parameter curves of the staged fracturing with sand in roof directional long borehole

表1 煤礦頂板定向長鉆孔加砂分段壓裂施工參數與瓦斯抽采效果Table 1 Pump injection parameters of staged fracturing with sand and gas drainage in roof directional long-borehole

壓裂前后綜合探測獲得鉆孔加砂分段壓裂影響半徑為20～38 m，2 個鉆孔100 d 抽采純甲烷量均值分別為1 025 m3/d 和2 811 m3/d，頂板加砂分段壓裂鉆孔百米瓦斯抽采純量是同區域順煤層未壓裂鉆孔瓦斯抽采量的5.6～15.4 倍，取得了良好的應用效果。該技術可在我國碎軟突出煤層瓦斯災害區域防治或井下煤層氣開發中推廣應用。

3.2 硬煤層分段水力壓裂瓦斯抽采技術

硬煤層煤體結構相對完整，煤體具有較高的抗拉、抗壓和抗剪強度，外力作用下變形小，易于順煤層鉆進和鉆后成孔，也有利于水力壓裂封孔器座封，硬煤層壓裂一般采用順層長鉆孔分段壓裂增透抽采瓦斯，如圖9所示。順煤層裸眼壓裂直接作用于煤層，煤層被壓裂改造較充分，鉆孔見煤率高，鉆孔利用充分，有利于提高煤層瓦斯預抽效果。順煤層裸眼分段壓裂鉆孔往往是后期瓦斯抽采鉆孔，一般采用拖動式、由里向外分段壓裂工藝。壓裂泵注壓力根據煤層埋藏深度和煤本身物理力學性質以及區域地應力情況等因素合理確定，確保煤層被壓開并形成比較復雜的壓裂縫網；每段壓裂液注入量根據煤層厚度和預計壓裂影響范圍確定。

圖9 硬煤順煤層鉆孔裸眼分段壓裂Fig.9 Sketch map of staged fracturing of open hole in hard coal seam

鄂爾多斯盆地西南緣黃隴煤田是我國14 個大型煤炭生產基地之一，為典型中生代侏羅紀低變質硬煤，煤的鏡質體反射率為0.50%～0.75%，煤的堅固性系數(f值)一般在1.0～1.2，煤層瓦斯含量為0.08～6.88 m3/t。煤田內成煤后期因地下水作用煤層裂隙多被礦物充填，導致煤層滲透性下降，僅依靠順層長鉆孔抽采瓦斯不能有效滿足煤層快速采掘推進的需要。2020 年，在彬長大佛寺煤礦40206 工作面4 號煤層，開展了井下順煤層裸眼分段壓裂增透抽采瓦斯工程應用示范。工作面煤層埋深520～596 m，煤層厚度4.9～18.3 m，平均11.6 m；煤層瓦斯壓力0.65～0.70 MPa，瓦斯含量5.5～6.0 m3/t。在該工作面布置3 個順煤層裸眼定向長鉆孔，進行分段壓裂增透抽采瓦斯。壓裂選用BYW65/400型壓裂泵組和?89 mm 型分段壓裂工具，分段壓裂鉆孔的施工參數和瓦斯抽采情況見表2，3 個分段壓裂定向長鉆孔平面布置及典型段泵注壓力和排量曲線如圖10所示。

圖10 硬煤順層分段壓裂鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數曲線Fig.10 Drilling trajectory and pump injection parameters of staged fracturing in hard coal seam long hole

表2 40206 工作面順煤層鉆孔裸眼分段壓裂施工參數與瓦斯抽采效果Table 2 Parameters of staged fracturing and gas drainage of coal seam open borehole at 40206 working face

鉆孔壓裂前采用瞬變電磁(TEM)在鉆孔內進行探測，獲得分段水力壓裂影響范圍為30～40 m，3 個鉆孔壓裂后瓦斯抽采純量均值為1 037～2 491 m3/d，百米瓦斯抽采純量是同區域未壓裂鉆孔的4.9～11.0 倍。結果表明，順煤層分段壓裂措施在硬煤層中能夠實現區域增透瓦斯高效抽采。該技術先后在陜西黃陵礦區和彬長礦區開展工程應用，探索形成了適合于黃隴煤田的硬煤層順層裸眼長鉆孔分段水力壓裂增透高效抽采瓦斯技術模式，該模式可在西北中生代低變質高瓦斯硬煤層中推廣應用。

4 堅硬頂板定向長鉆孔分段壓裂強礦壓災害防治技術

堅硬頂板是指在煤層上方賦存有巖石強度大、裂隙不發育、分層厚度大和整體性好的巖層。煤炭開采過程中堅硬頂板難以及時垮落，在采空區上方形成大面積懸頂，易引起工作面底鼓、片幫、壓架乃至誘發煤與瓦斯突出或沖擊地壓等地質災害[46-48]。據不完全統計，我國堅硬頂板賦存煤層占到30%以上[49]，其嚴重威脅了高產高效礦井的安全生產。針對堅硬頂板引起強礦壓等地質災害問題，利用定向長鉆孔分段壓裂頂板堅硬巖層，產生的壓裂裂縫形成力學弱面，注入的高壓水進一步浸潤弱化巖石，使巖層整體強度降低，從而達到區域弱化堅硬頂板巖層、改變巖層破斷規律、防治強礦壓災害目的。基本施工流程是，采用定向鉆機在工作面巷道向煤層頂板堅硬巖層中實施定向長鉆孔，鉆孔施工完畢后下入雙封單卡拖動式分段壓裂工具，由里向外對巖孔進行逐段壓裂。定向長鉆孔分段水力壓裂堅硬頂板治理強礦壓模式如圖11 所示。

圖11 堅硬頂板定向長鉆孔分段水力壓裂Fig.11 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing of hard roof in directional long-borehole

神東某礦某工作面開采4?2煤層，煤層埋深370～475 m，煤層厚度3.8～7.3 m，平均厚度6.05 m。距煤層頂12 m 發育1 層平均厚度為22 m 的細粒砂巖，巖石抗壓強度達60 MPa 以上，煤層開采后該層巖石難以垮落導致大面積懸頂，引起強礦壓，導致工作面底鼓(最大底鼓量達 1.5 m)、片幫嚴重，曾多次出現液壓支架被壓死、爆缸等動力災害現象。采用頂板定向長鉆孔分段水力壓裂技術對該工作面上覆細粒砂巖層進行壓裂改造，每個鉆場均勻布置3 個壓裂鉆孔，鉆孔長度為330～600 m。根據鉆孔長度設計壓裂段數，單孔壓裂6～12 段。壓裂選用BRW800 型壓裂泵組和?73 mm型動管柱分段壓裂工具，每段壓入水量約50 m3，泵注最高壓力30.5 MPa，最低壓力12.4 MPa，最大壓降12.9 MPa。分段水力壓裂泵注壓力曲線如圖12 所示。壓裂完成后，采用TEM 物探儀器探得鉆孔壓裂影響半徑約為35 m。根據工作面煤炭回采期間液壓支架監測數據的統計分析結果，壓裂區頂板來壓步距、動載系數和最高壓力值較未壓裂區分別下降18.9%～70.6%、5.8%～7.9%、13.7%～19.4%，保障了工作面安全高效回采。

圖12 堅硬頂板定向長鉆孔分段壓裂鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數曲線Fig.12 Drilling trajectory and pump injection parameter curves of staged fracturing in hard-roof directional long-borehole

目前定向長鉆孔分段水力壓裂技術已在陜西、內蒙古、山東和山西等省的典型煤礦區10 多對礦井中完成了1 000 余個定向長鉆孔的壓裂工程，成功掩護了30 余個工作面煤炭資源的安全高效回采。在工程實踐應用中，形成了堅硬頂板強礦壓定向長鉆孔分段壓裂治理模式。該模式可在煤層頂板堅硬巖層較發育或遺留煤柱引起強礦壓的礦井中推廣應用。

5 煤礦井下分段水力壓裂技術發展趨勢

我國煤炭資源賦存豐富，在未來相當長一段時間內煤炭仍將作為主體能源。我國煤炭每年以20 m 的開采速度向深部延伸，隨著開采深度增加，開采地質條件變得更加復雜，煤層瓦斯、沖擊地壓等災害防治形勢也將變得日趨嚴峻。煤礦智能化已是煤炭工業高質量發展的核心技術[50]，隨著煤礦智能化建設的推進，煤礦各種裝備將逐步實現遠程控制。2020 年國家八部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，文中明確要求對瓦斯、沖擊地壓等災害威脅礦井優先發展智能化技術與裝備，提高瓦斯、沖擊地壓等災害的防治效果。水力壓裂技術作為煤礦瓦斯和沖擊地壓災害防治的重要手段，煤礦井下水力壓裂技術與裝備智能化發展是必然趨勢。

5.1 煤礦井下水力壓裂裝備發展需求

1) 井下大排量高壓力智能化壓裂泵組

壓裂泵是煤巖層壓裂改造的硬件保障，對水力壓裂成敗起著關鍵性作用。地面壓裂泵功率已從223.8 kW(300 HP)發展到4 476 kW(6 000 HP)，工作壓力從70 MPa 發展到140 MPa，輸出排量從0.8 m3/min發展到4.0 m3/min 以上[51]。從地面煤層氣井壓裂成功經驗來看，壓裂泵組排量一般要達到6 m3/min 以上才能取得比較好產氣效果[52-53]。與之相比，目前井下壓裂泵組在能力和工程應用實踐中存在一定的差距。另外，煤礦井下分段水力壓裂施工作業，在坐封、起裂、壓裂和卸壓等不同階段，泵注流量和泵注壓力存在階段差異和實時突變特點，依靠人工觀察和手動操作難以滿足實時調控要求，調控不及時也易導致壓裂工程效果不佳、安全事故發生。為了更好提高煤礦井下煤巖層水力壓裂改造效果，保障煤礦井下水力壓裂施工作業安全，煤礦井下壓裂泵組研制的主要發展方向是：在能力上，井下壓裂泵組的排量、壓力、攜砂能力還需要進一步提升：泵組排量2～3 m3/min、壓力70～100 MPa、攜砂比20%以上，以滿足煤礦井下壓裂預期效果不斷改進和提升的需要；在性能上，壓裂泵組要向遠程智能操控、自動無極精準調控方向發展，壓裂施工作業過程要實現泵注流量智能監測、泵注壓力實時跟蹤、壓力流量匹配及時分析、風險故障智能預警和遠程智能自動調控等功能，以保障煤礦井下壓裂改造效果和安全高效施工作業；在體積上，井下壓裂泵組要向小型化方向發展，結構更加緊湊、體積更小、質量更輕，以便壓裂泵組在煤礦井下搬運、安裝和使用。

2) 井下長鉆孔裸眼分段壓裂智能工具串

分段壓裂工具是長鉆孔實現體積壓裂區域改造的關鍵裝備之一，壓裂成敗和效果好壞均與壓裂工具有著密切關系。在石油、天然氣行業針對不同完井條件、地質條件已經形成了比較成熟的封隔器滑套分段壓裂、水力噴砂分段壓裂和裸眼封隔器分段壓裂等技術及配套工具[54-55]。煤礦要針對自身條件和實際地質問題，借鑒油氣行業分段壓裂工具開發的成功經驗，研發適合于煤礦井下的分段壓裂工具。井下工具串研發需要從如下4 個方面攻關：一是研制具有高強度、高韌性、耐高壓油管，耐壓能力要達到100 MPa 以上，滿足超長鉆孔(大于1 000 m)大排量、高壓力分段壓裂輸送壓裂液的需要，提高長鉆孔分段壓裂施工作業能力；二是研發高強度、大變形、抗疲勞封隔器，滿足煤層、砂質泥巖或強度較低砂巖裸眼分段壓裂的需要，減少孔內事故，提高壓裂施工效率；三是研發具有孔內壓力監測和遠程控制的智能壓裂截流器，以便準確了解孔內狀況、及時調控，提高分段壓裂施工作業效果；四是井下分段壓裂工具要具備高清可視化及自動解堵功能，以便壓裂工具串在輸送過程中能及時觀察到煤巖孔壁情況，確定封隔器最佳座封位置，出現砂堵時能啟動解堵功能，防止砂堵事故發生。

5.2 井?地聯合分段水力壓裂技術

碎軟煤層頂板水平井地面分段壓裂實現了單井日產氣量超萬立方米，而碎軟煤層頂板長鉆孔煤礦井下分段壓裂單孔日抽采量僅兩千立方米左右，造成地面和井下壓裂效果差異的原因主要是井下壓裂泵組能力和施工條件。為了更好地提高煤礦井下瓦斯、礦壓等地質災害區域治理效果，井?地聯合分段水力壓裂是煤礦井下壓裂技術的發展趨勢。井?地聯合分段水力壓裂(圖13)就是利用地面大排量、高壓力、攜砂壓裂泵組，通過垂直井將大排量、高壓力的攜砂液引入到煤礦井下，對井下施工的批量煤巖定向長鉆孔進行分段水力壓裂，形成適合于煤礦井下“井工廠”壓裂改造作業新模式[56]。

圖13 井?地聯合分段水力壓裂模式Fig.13 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing mode in Surface and underground combination

井?地聯合分段水力壓裂是一種新的煤礦井下壓裂作業模式，要從地面壓裂泵組裝備的選擇及部署、井?地聯通井的施工、壓裂高壓管線布置、井下煤巖層定向長鉆孔的鉆進和固孔、孔內分段壓裂工具及施工作業等方面進行相應的研究。需要著重研究解決如下幾個主要關鍵技術難題：一是研究煤礦井下批量平行長鉆孔大規模分段壓裂裂縫擴展機理以及區域改造壓裂的預期效應，以指導井?地聯合分段壓裂設計及施工作業；二是地面垂直井與井下壓裂施工作業區巷道的精準對接技術，解決大垂深對接井套管設計和固井技術；三是煤礦井下近水平大直徑定向長鉆孔下套管與固孔及固孔效果檢測技術；四是井下水平定向長鉆孔套管內分段射孔、分段壓裂工藝技術，保障長鉆孔均勻壓裂效果；五是井?地聯合大排量高壓力攜砂分段壓裂遠程智能操控施工作業以及通信保障技術。

井?地聯合分段水力壓裂模式采用大排量、高壓力的地面攜砂壓裂泵組，在地面對井下批量鉆孔實施分段壓裂，煤巖鉆孔壓裂影響范圍將會進一步增大，壓裂改造效果及作業安全性將會進一步提升，壓裂施工成本也將會進一步降低，為煤礦瓦斯、礦壓等地質災害區域防治等提供了新的技術思路。

6 結 論

a.“十三五”以來圍繞我國煤礦瓦斯、礦壓等地質災害區域治理的實際需求，借鑒地面水平井分段壓裂技術的成功經驗，提出了適合于煤礦井下煤巖層定向長鉆孔裸眼分段水力壓裂的技術思路，并開發了適合于不動管柱裸眼分段壓裂和定向長鉆孔裸眼拖動式分段壓裂2 種工藝技術。井下分段壓裂技術提出以及成功推廣應用，推動煤礦井下以穿層鉆孔和順層短鉆孔整體壓裂為主壓裂增透方式向以定向長鉆孔分段壓裂區域增透模式的轉變，實現了煤礦井下長鉆孔區域均勻精準壓裂改造。

b.成功研發了?73 mm 型和?89 mm 型2 種規格的煤礦井下裸眼定向長鉆孔分段壓裂工具，工具耐壓能力整體達到70 MPa 以上，滿足直徑89～133 mm定向長鉆孔分段壓裂的需要。定向長鉆孔裸眼分段壓裂工程的鉆孔深度達到了800 m，單孔壓裂段數達到了17 段。針對常規壓裂泵組不具備大量攜砂壓裂的難題，設計并研制了BYW(S)-30/1000 型低壓端加砂壓裂泵組和高壓端混砂加砂壓裂裝置，BYW(S)-30/1000 型低壓端加砂壓裂泵組的研制，高壓端混砂加砂壓裂裝置的研制解決了BYW 型和BRW 型常規壓裂泵組不能大量加砂壓裂的難題。

c.建立了碎軟煤層圍巖梳狀定向長鉆孔分段壓裂、碎軟煤層頂板定向長鉆孔分段壓裂、硬煤順層定向長鉆孔分段壓裂高效抽采區域瓦斯和堅硬頂板定向長鉆孔分段水力壓裂區域弱化治理強礦壓災害技術模式。碎軟煤層定向長鉆孔分段壓裂鉆孔長度突破了600 m，分段數達到10 段，百米鉆孔瓦斯抽采量是常規的3.53～15.4 倍；硬煤順層定向長鉆孔分段壓裂鉆孔長度也達到了600 m，單孔壓裂段數達到了8 段，百米鉆孔瓦斯抽采量是常規法的4.9～11.0 倍。堅硬頂板強礦壓定向鉆孔分段壓裂區域治理鉆孔長度突破了800 m，治理后工作面煤炭回采期間頂板來壓步距、動載系數和最高壓力值較未壓裂區分別下降18.9%～70.6%、5.8%～7.9%、13.7%～19.4%，有效治理了工作面強礦壓災害。

d.根據我國煤礦智能化發展需求，分析了煤礦井下分段水力壓裂技術及裝備在工程實踐應用中將面臨的主要問題，從提高井下分段水力壓裂裝備能力、智能遠程精確調控、井下安全操控性能和改善井下水力壓裂規模及壓裂效果等方面，提出了煤礦井下大排量、高壓力智能壓裂泵組、井下長鉆孔裸眼分段壓裂智能工具等裝備與煤礦井?地聯合分段水力壓裂技術的研發方向。