煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂技術與裝備

張 儉，劉 樂，趙繼展，孫四清，王晨陽

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤層賦存地質條件復雜，碎軟煤層透氣性低，透氣性系數一般在10?2～10?3m2/(MPa2·d)，煤層堅固性系數小，衰減系數大，瓦斯抽采效率低，礦井瓦斯治理難度大[1-2]。隨著礦井開采活動不斷向深部延伸，煤層破碎、滲透性低等問題日益凸顯，煤層瓦斯抽采難度增加。水力壓裂技術作為一種增加低滲儲層透氣性的有效措施在煤礦井下得到廣泛應用，脈動水力壓裂[3]、變排量壓裂[4]、復合壓裂[5-6]、分段壓裂[7-8]、水力加砂壓裂技術[9]也相繼應用于工程實踐，取得了較好的增透效果。

起初階段水力壓裂技術在煤礦井下應用，受井下作業空間、鉆探裝備及鉆進工藝的限制，主要在煤層底板巷道施工穿層鉆孔壓裂增透，學者對水力壓裂機理[10-11]、壓裂效果評價[12-14]等深入研究并開展工程應用。王祺[15]在大灣煤礦對9 號煤層開展水力壓裂工程，壓裂后煤層透氣性系數提高了18.37 倍，瓦斯抽采純量較未壓裂區域提高了2 倍。陳建等[16]利用高壓端加骨料實施穿層鉆孔加骨料壓裂，最大加入176.5 kg石英砂，壓裂區域鉆孔瓦斯抽采體積分數較未壓裂區域提高了2～15 倍，骨料有效延緩裂縫閉合，縮短瓦斯抽采達標周期。穿層鉆孔壓裂技術工程推廣中，壓裂增透范圍小、鉆孔有效壓裂段短，無法實現礦井煤層區域瓦斯預抽的目標。隨著井下鉆探裝備、鉆進工藝技術及壓裂技術發展，煤層長鉆孔壓裂技術、頂(底)板梳狀長鉆孔分段壓裂技術、水力加砂壓裂技術等相繼應用于工程實踐。張群等[17]提出了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，并在安徽淮北礦區蘆嶺煤礦應用，取得了很好的瓦斯抽采效果。孫四清等[18]在山西陽泉礦區碎軟煤層開展整體水力壓裂技術研究與工程應用，壓裂煤層段長307 m，壓裂后煤層透氣性系數提高2.67 倍，日均抽采瓦斯純量2 173 m3，取得了很好的增透效果，對碎軟煤層瓦斯治理具有重要意義。賈秉義等[19]針對韓城礦區碎軟、難抽煤層提出頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術并開展工程試驗，壓裂后鉆孔瓦斯抽采體積分數為43.54%，瓦斯抽采純量1.18 m3/min，較試驗點鄰近區域本煤層鉆孔抽采瓦斯純量提高4 倍，對碎軟煤層瓦斯治理提供一條新的途徑。鄭凱歌[20]深入分析了煤層底板梳狀鉆孔分段壓裂增透機理、形成了煤層底板梳狀長鉆孔分段壓裂工藝，現場驗證了該技術的增透效果，壓裂后煤層透氣性系數提高16.63 倍，鉆孔瓦斯抽采體積分數提高12.80 倍，鉆孔瓦斯抽采純量提高2.53 倍。實踐證明，改善煤層透氣性是礦井瓦斯高效抽采關鍵，水力壓裂是增加煤層透氣性的有效措施，特別是定向長鉆孔水力壓裂技術對礦井大區域瓦斯超前預抽具有重要意義。

地面煤層氣井采用成熟的水力加砂分段壓裂技術，并取得了很好的排采效果。受煤礦井下作業空間限制，地面大型加砂壓裂裝備無法直接應用于煤礦井下，煤礦井下煤層頂板長鉆孔水力加砂分段壓裂技術應用鮮見報道。基于現有井下水力壓裂技術的不足：清水壓裂裂縫易發生閉合；定向長鉆孔壓裂段有限，一般不超過5 段，存在壓裂盲區；未見成套的煤礦井下水力加砂壓裂泵組裝備、定向噴砂射孔裝置、長鉆孔分隔裝置等。基于此，筆者提出了煤礦井下煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂強化瓦斯抽采的思路，研發相應設備及煤礦井下定向長鉆孔定向噴砂射孔技術和水力加砂分段壓裂技術，并在煤礦井下開展工程試驗，為碎軟煤層瓦斯高效抽采提供裝備和工藝技術支撐。

1 煤層頂板分段加砂壓裂技術思路

基于煤礦井下常規水力壓裂增透范圍小，存在壓裂盲區，裂縫在地應力作用下易發生閉合等問題，提出了煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂強化瓦斯抽采的技術思路。首先，通過先進的鉆進工藝技術在近煤層頂板穩定巖層(優選砂巖)施工定向長鉆孔(≥500 m)。而后，利用成套的定向噴砂射孔工具組合及施工工藝在煤層頂板長鉆孔內向煤層實施定向噴砂射孔作業，有效溝通煤層產生裂縫引導壓裂裂縫向煤層擴展。最后，采用拖動式水力加砂分段壓裂工藝技術在煤層頂板定向長鉆孔進行均勻水力加砂分段壓裂，使煤層頂板、煤層產生裂縫網絡，為瓦斯流動產生通道，其縫網改造如圖1 所示。

圖1 煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂縫網改造Fig.1 Schematic diagram of fracture network construction through roof-supporting,long-reach directional drilling and multistage fracturing treatment

煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂技術較本煤層壓裂技術而言，鉆孔施工層位在頂板較堅硬巖層，其穩定性好，鉆進效率高、不易塌孔，同時鉆孔施工有效長度更長，覆蓋范圍更廣。拖動式水力加砂分段壓裂技術保證了鉆孔均勻分隔和壓裂區域全覆蓋，實現了精準壓裂。水力加砂分段壓裂不僅在煤層頂板巖層產生裂縫形成卸壓區，而且高壓水迫使煤層產生裂縫并溝通煤層中微裂隙，形成豐富的裂縫網絡。另外，水力加砂壓裂過程中添加的支撐劑有效延緩已產生裂縫的閉合，保障煤層瓦斯長時高效抽采。壓裂后煤層頂板壓裂鉆孔作為瓦斯抽采鉆孔，具有與增透煤層接觸面積大、鉆孔穩定性好等優點，保證了瓦斯高效抽采。該工藝技術的適用性強，不受煤體結構影響。

2 水力加砂分段壓裂裝備

2.1 加砂壓裂泵組

自主研發煤礦井下BYW(S)-30/1000 型水力加砂壓裂泵組，具有“大排量、高壓力、攜砂能力強”等優點，能夠實現低壓端加砂、高壓端出砂，保障連續加砂作業。水力加砂泵組最大工作壓力70 MPa；最大排量90 m3/h(Ⅳ檔)；攜砂能力達到20%，砂的粒徑小于等于1 mm。水力加砂壓裂泵組由供水系統、混砂系統、泵組系統、遠程控制系統等組成，如圖2 所示。供水系統分別為壓裂泵組供水和混砂罐供水；混砂系統主要由儲砂倉、加砂臺、輸砂器、混砂罐等組成。作業流程：將支撐劑加入加砂臺，遠程調節輸砂器的輸砂頻率，按設計輸砂量向混砂罐加入支撐劑，同時結合輸砂量調節混砂罐供水量進而控制支撐劑比例，支撐劑在混砂罐中均勻攪拌后，通過輸砂管路壓裂泵組，而后經高壓管路注入壓裂目標層。水力加砂壓裂泵組實現低壓端的自動供砂、混砂，混砂液均勻輸入主泵。遠程控制系統可遠距離控制水力加砂壓裂作業，保證井下安全施工，能存儲壓力、流量、砂含量等壓裂參數數據，具有設備運行狀態自我反饋及報警功能，可對井下加砂壓裂進行施工安全判別及壓裂曲線分析。

圖2 水力加砂壓裂泵組Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing pump unit

2.2 定向噴砂射孔裝置及工具組合

定向噴砂射孔裝置及其組成如圖3a 組成。其工作原理是鍵槽套內高密度球自由滑動至重力勢能的最低點，鍵槽套中的推管向前移動使高密度球進入鍵槽套內置的定位槽，高壓水推動定向槽旋轉(噴射器的噴嘴旋轉至預設位置)，定向槽旋轉過程中高密度球移動至定向槽的末端鎖定實現定向。定向噴砂射孔裝置長1 050 mm，最大外徑104 mm，噴射器四周交叉設計6 個噴嘴，噴嘴直徑3～12 mm，轉向角度為雙向旋轉180°。配套的還有引鞋、扶正器、安全丟手等。扶正器用于防止噴射器與鉆孔孔壁接觸影響噴射器旋轉。

定向噴砂射孔工具組合如圖3b 所示。

圖3 定向噴砂射孔裝置及工具組合Fig.3 Directional sand blasting perforation device and its components

2.3 水力加砂分段壓裂裝置及工具組合

自主研發了適合裸眼長鉆孔水力加砂分段壓裂裝置，如圖4a 所示。防砂封隔器最大承壓70 MPa，最大膨脹系數為2；該裝置相較于普通封隔器，能夠防止水力加砂壓裂作業過程中支撐劑進入封隔器內，提高了加砂壓裂施工的可靠性。定壓截流器作用是封隔器膨脹座封后，壓力水(≥2 MPa)擠壓彈簧迫使定壓截流器內置的壓差滑套打開，壓裂液從定壓截流器流入壓裂段內。正洗裝置主要作用是提高砂堵的處理能力，遇到砂堵，高壓油管正向沖洗，可清除砂堵。

圖4 水力加砂分段壓裂裝置及工具組合Fig.4 Hydraulic sand adding staged fracturing device and its combination

水力加砂分段壓裂工具組合為：引鞋+球座+防砂封隔器+正洗裝置+定壓截流器+防砂封隔器+安全丟手，如圖4b 所示。

3 關鍵工藝技術

為了確保煤層頂板長鉆孔水力加砂分段壓裂順利施工，分別研發了煤層頂板定向長鉆孔軌跡精確控制技術、定向噴砂射孔技術、水力加砂分段壓裂技術。

1)煤層頂板定向長鉆孔軌跡精確控制技術

鉆孔軌跡控制技術是煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂的關鍵技術之一，也是影響壓裂效果的關鍵因素。鉆孔施工之前，應深入分析施工區域地質條件，如煤層厚度、煤層頂板(巖性、厚度)賦存特征、地質構造等。為了保證鉆孔軌跡精確控制，采用以下措施：鉆進過程中實時監控給進壓力、回轉壓力、泥漿泵壓力等參數變化情況，觀察返水顏色、返渣情況，分析判斷鉆遇地層巖性，動態調整鉆孔設計軌跡；每3 m 采集1 次鉆孔傾角和方位角等參數，確定鉆孔實際軌跡，并將其與設計軌跡進行對比，及時調整施工參數。

2)煤層頂板定向長鉆孔定向噴砂射孔技術

煤層頂板定向長鉆孔定向噴砂射孔技術，其核心參數是定向噴砂射孔的噴嘴數量、噴嘴規格、噴嘴角度、施工排量、施工壓力、噴射砂比等。該工藝技術分為前進式和后退式2 種作業方式，前進式定向噴砂射孔作業方式是從壓裂長鉆孔孔口至孔底依次實施定向噴砂射孔作業，反之為后退式。作業流程為：(1) 將定向噴砂射孔工具組合送入頂板定向長鉆孔設計位置；(2) 啟動水力加砂壓裂泵組，低壓使定向噴砂射孔裝置噴射器轉向至煤層方向；(3) 增加組泵注排量，啟動混砂系統，開始定向噴砂射孔作業。定向噴砂射孔后清水沖洗鉆孔并拖動至下一射孔位置，依此重復定向噴砂射孔作業。

3)煤層頂板定向長鉆孔“雙封單卡”拖動式水力加砂分段壓裂技術

該技術流程為：(1) 依據鉆孔軌跡確定壓裂段數和壓裂位置，將水力加砂分段壓裂工具組合送入鉆孔設計壓裂位置；啟動水力加砂壓裂泵組，清水沖洗定向長鉆孔(≤1 MPa)；(2) 水力加砂壓裂泵組升檔加壓，防砂封隔器膨脹后座封，作業時間約20 min；(3) 提高向壓裂泵的供水能力，遠程操控水力加砂壓裂泵組，升檔增加泵注排量至設計排量開始清水壓裂；(4) 清水壓裂完成后啟動混砂系統開始加砂壓裂，實時觀察泵注壓力，調節砂比防止堵砂；(5) 加砂壓裂完成后繼續清水壓裂沖洗鉆孔后停止壓裂，關閉孔口安全閥保壓觀測；(6) 當鉆孔內壓力降低至地層壓力，防砂封隔器收縮與鉆孔孔壁分離，啟動鉆機拖動壓裂工具組合至下一壓裂段位置，依此重復實施其余段加砂壓裂。該工藝技術具有耐壓高、封孔效率高、封孔位置可調、操作性強等優點，保障了水力加砂分段壓裂施工效率和壓裂效果。

4 工程試驗

4.1 試驗區概況

選擇山西陽泉新景煤礦為試驗礦井，該煤礦最大絕對瓦斯涌出量為48.73 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井。試驗地點位于新景煤礦保安區9 300 m 三北軌道巷北六、北七正巷工作面 。壓裂煤層為二疊系下統山西組3 號煤層，煤層厚度2.07～2.70 m，埋深458.9～558.2 m。煤體按硬度分三層，下分層為軟分層，厚度約0.45 m，堅固性系數f為0.3～0.4；中、上分層煤層較好，堅固性系數f為0.71～0.84。煤層瓦斯含量16 m3/t，瓦斯壓力2.6 MPa，透氣性系數0.001 16 m2/(MPa2·d)，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，具備施工定向長鉆孔的條件。

4.2 壓裂鉆孔軌跡控制及施工

綜合分析試驗區地質條件，選擇3 號煤層頂板砂巖層作為鉆孔施工層位，2 個鉆孔設計長度均為600 m，孔徑120 mm，與煤層垂距約5 m。采用兩級孔身結構，一開鉆孔直徑120 mm，經過?153、?193、?215 mm 三次擴孔，最后下?146 mm 套管并注水泥漿固孔。1 號、2 號壓裂鉆孔主孔孔深609 m(圖5)，為了確保鉆孔在設計層位，施工期間還分別施工1-1 分支、1-2 分支孔用于探測鉆孔與煤層間距，如圖5a 所示。

圖5 煤層頂板定向長鉆孔軌跡Fig.5 Track diagram of directional long borehole in coal seam roof

4.3 加砂壓裂方案設計及施工

根據鉆孔軌跡及鉆遇巖層情況，1 號鉆孔壓裂分6 段，2 號鉆孔壓裂分10 段。每段設計5 次定向噴砂射孔，間距0.5 m，射孔深度3 m，選用石英砂作為定向噴砂射孔磨料，定向噴砂射孔石英砂體積分數2%～3%，每次注入噴砂液約40 m3。每段注入壓裂液不少于150 m3，優選核桃殼砂作為支撐劑，核桃殼砂體積分數大于2%，壓裂液中增加KCl 防膨劑和殺菌劑。壓裂液配比為：清水+1%KCl+0.05%殺菌劑。

用時22 d 完成2 個鉆孔定向噴砂射孔和水力加砂分段壓裂施工。實施定向噴砂射孔16 段，共計80 次，定向噴砂射孔石英砂的體積分數為2%～3%，定向噴砂射孔壓力22.6～28.6 MPa，共計使用石英砂19.84 t，使用噴砂液1 072 m3。水力加砂分段壓裂泵注壓力21.3～29.6 MPa，單段注入壓裂液153.8～235.1 m3。1 號壓裂孔共計注入壓裂液963.9 m3，2 號壓裂孔共計注入壓裂液1 844.6 m3，累計注入壓裂液2 808.5 m3。核桃殼砂體積分數為2.02%～2.56%，單段最小注入核桃殼砂1.76 t，最大注入核桃殼砂3.49 t，1 號壓裂孔注入核桃殼砂13.1 t，2 號壓裂孔注入核桃殼砂23.4 t，累計注入核桃殼砂36.47 t。1 號壓裂孔注入KCl 6.7 t，2號壓裂孔注入KCl 17.2 t，累計注入23.9 t。

4.4 試驗結果與分析

4.4.1 壓裂曲線特征

選取4個典型壓裂段(1-5 段、1-6 段、2-2 段、2-6 段)泵注壓力及砂比等曲線，如圖6 所示。達到破裂壓力后，泵注壓力呈上升變化趨勢、下降變化趨勢、穩定不變及劇烈的鋸齒形變化特征。

圖6 泵注壓力曲線特征Fig.6 Characteristics of pumping pressure curve

由圖6 可知，所有泵注壓力曲線劃分為3 個階段，即壓力上升階段、下降變化階段以及鋸齒形變化階段。壓力上升階段包含防砂封隔器座封，低壓使防砂封隔器充分膨脹與孔壁接觸實現鉆孔封隔。隨后泵注壓力升高，打開定壓截流器內置的壓差滑套，壓裂液進入壓裂段，泵注壓力達到頂板巖(煤)層的破裂壓力，巖(煤)層破壞產生新裂縫形成儲液空間導致壓力下降，壓力下降幅值大小反映產生裂縫體積大小或裂隙網絡的豐富程度，壓力下降越大、裂縫越豐富、形成的儲液空間越大。同時也發現，在壓力下降變化階段會出現多次不同幅值壓力下降現象，且第一次壓力下降幅值最大，如1 號壓裂孔1-5 段、1-6 段，2 號鉆孔2-1 段、2-6 段、2-8 段、2-10 段均出現了不少于3 次壓力下降。造成這種現象有2 種可能：(1) 巖層產生裂縫后，裂縫擴展至不同巖層層位，如壓裂鉆孔下部砂巖、泥巖層位，在不同巖性層位產生裂縫導致壓力下降；(2) 巖層段破壞產生裂縫導致第一次壓降，其余壓降發生在煤層中，裂縫在煤層發生起裂?擴展?延伸的過程。泵注壓力下降至某一穩定值后進入鋸齒形變化階段，壓力鋸齒形波動幅值大小不同，表明裂縫延伸擴展難易程度及產生裂縫豐富程度不同。鋸齒形變化越明顯，煤層重復發生破裂?擴展的過程，產生豐富裂縫網絡；鋸齒形變化不明顯，可能是形成了單一裂縫或沿著煤層內結構面向前擴展。另外，這可能是由于核桃殼砂加入比例不同導致壓力鋸齒形變化幅值和頻率不同。

4.4.2 壓裂效果綜合評價

1)瞬變電磁法

利用孔內瞬變電磁探測1 號孔壓裂前、后瞬變電磁變化特征。壓裂前探測深度為50～401 m，壓裂后探測鉆孔深度為50～239 m。結果表明：探測區發現2 個異常區域，1 號異常區域在孔深150 m 附近，異常區沿孔深方向呈條帶分布，長度約40 m。2 號異常區域在孔深205 m 附近，異常區沿鉆孔方向長度約50 m。結合鉆孔壓裂位置及探測異常區域位置，初步判斷本次分段加砂壓裂影響半徑為20～25 m。

2)微量元素示蹤劑法

壓裂施工完成后，在壓裂鉆孔下方煤層中分別施工1 號、2 號效果檢測孔。壓裂施工前，在施工1 號壓裂孔第5 段、第6 段以及2 號壓裂孔第8 段、第9 段壓裂液中添加微量元素示蹤劑。測試結果表明：1 號壓裂孔第5 段、第6 段相隔60 m，第6 段右側35 m 檢測到示蹤劑，第5 段左側25 m 檢測到示蹤劑。2 號效果檢測孔示蹤劑在第9 壓裂段位置附近，左側27 m 處檢測到示蹤劑，右側38 m 處檢測到示蹤劑。因此，壓裂影響半徑25～38 m。

3)瓦斯抽采數據

統計分析2 個鉆場壓裂后100 d 瓦斯抽采數據，1號鉆場瓦斯抽采體積分數16.95%～72.75%，平均瓦斯抽采體積分數43.97%，瓦斯抽采混合流量0.86～2.50 m3/min，平均瓦斯抽采混合流量1.61 m3/min，日均抽采瓦斯純量1 025 m3，如圖7a 所示。2 號鉆場瓦斯抽采體積分數13.36%～47.65%，平均瓦斯抽采體積分數23.17%，瓦斯抽采混合流量5.35～12.46 m3/min，平均瓦斯抽采混合流量8.56 m3/min，日均抽采瓦斯純量2 811 m3，如圖7b 所示。

圖7 瓦斯抽采數據曲線Fig.7 Gas drainage data curve

對比分析發現，1 號鉆場瓦斯抽采體積分數高于2 號鉆場，而日均瓦斯抽采純量低于2 號鉆場。分析認為，1 號壓裂孔受探測孔施工影響，共計施工6 段，壓裂段數小于2 號壓裂孔，同時壓裂點也不均勻，存在壓裂盲區。另外，1 號壓裂孔單段注液量和砂比總體小于2 號壓裂孔，導致日均瓦斯抽采純量差異較大。2 號鉆場瓦斯抽采體積分數遠低于1 號鉆場，是由于2 號壓裂孔第10 段壓裂施工時，其壓裂位置底部有一條回風巷垂直經過，壓裂施工期間發現回風巷頂板漏水，瓦斯抽采期間對較明顯裂縫封堵處理，但仍舊存在漏風，導致2 號鉆場抽采期間瓦斯體積分數低。

5 結 論

a.研制了煤礦井下水力加砂壓裂泵組、定向噴砂射孔裝置及工具組合、水力加砂分段壓裂裝置及工具組合。水力加砂壓裂泵組最大排量90 m3/h，最大攜砂能力達到20%；定向噴砂射孔裝置實現水壓驅動定向，最大旋轉角度達到180°；防砂封隔器最大承壓70 MPa，最大膨脹系數為2。

b.研發了煤層頂板定向長鉆孔定向噴砂射孔和水力加砂分段壓裂技術。該技術在煤礦井下開展工程試驗，累計實施80 次定向噴砂射孔，石英砂的體積分數2%～3%，定向噴砂射孔壓力22.6～28.6 MPa，累計使用噴砂液超過1 072 m3，使用石英砂量19.84 t；完成2 個定向長鉆孔共計16 段水力加砂分段壓裂施工，單段注入壓裂液153.8～235.1 m3、核桃殼砂的體積分數2.02%～2.56%、累計注入壓裂液2 808.5 m3、注入核桃殼砂36.47 t。

c.本次水力加砂分段壓裂影響半徑為20～38 m。壓裂后，1 號鉆場平均瓦斯抽采體積分數為43.97%，平均瓦斯抽采混合流量1.61 m3/min，日均抽采瓦斯純量1 025 m3。2 號鉆場平均瓦斯抽采體積分數為23.17%，平均瓦斯抽采混合流量8.56 m3/min，日均抽采瓦斯純量2 811 m3，取得很好的瓦斯抽采效果。

d.煤層頂板定向長鉆孔水力加砂分段壓裂技術對碎軟煤層區域瓦斯治理提供新的思路，為我國類似礦區瓦斯超前治理提供技術借鑒，具有良好的應用前景。