煤礦巷道磨料射流泄壓增透新方法初探*

王斌 黃中偉 楊睿月 李學臣 李敬彬 陳健翔 秦小舟

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 2.河南煤業化工集團焦煤公司)

0 引 言

煤炭是保障我國能源安全的壓艙石，在國家經濟社會高速發展進程中具有兜底保障作用。2021年全國原煤生產總量41.3億t，在能源消費結構中占比高達56.0%[1-2]。加快煤礦瓦斯抽采與利用，有利于減少瓦斯爆炸事故，保障煤礦安全生產，同時降低溫室氣體排放，助力我國實現“雙碳”目標。

我國煤層開采中存在滲透性差、儲層壓力低，煤礦瓦斯強化抽采面臨影響范圍小、抽采難度大、瓦斯流量衰減速度快等問題[3]。水力增透技術是解決上述煤礦瓦斯問題，實現高效抽采的關鍵技術之一，該技術主要包括水力壓裂技術、水力沖孔技術及水力割縫技術等。其中，水力壓裂技術源于致密油氣開發，通過向地層泵注高壓水，壓開地層以形成裂縫[4]。但是，煤層氣地面井壓裂施工成本高，抽采覆蓋難均勻[5]，對于碎軟煤層，水力壓裂易發生壓裂液竄流，導致裂縫延伸短、改造范圍較小[6]。水力沖孔技術是通過高壓水射流沖擊破碎煤體以形成大直徑孔洞，改變孔周應力場，在一定范圍內形成泄壓增透區域，提高煤層透氣性[7-8]；水力沖孔技術主要適用于松軟、易破碎煤層。與水力沖孔技術類似，水力割縫技術是通過高壓水射流對鉆孔周圍煤巖進行切割以形成縫槽，縫槽與原有裂隙、孔隙之間相互貫通，從而改善瓦斯流動的條件[9]。但設備整體處于高承壓狀態，存在事故風險高、后期運行維護成本高的問題，應用范圍較小[3]。為有效解決以上問題，磨料射流技術被引入煤礦開采之中[10-11]。相對于純水射流，磨料射流割縫技術速度提高了40%，割縫深度提高了約60%，表明其具有更強的切割、增透能力[10-13]，因此，磨料射流割縫沖孔技術可有效解決純水切割硬煤難度大的問題。但是，目前該技術及工藝尚不完善，存在鉆進效率較低、施工周期較長、作業成本高等問題。

筆者綜合石油工程中磨料射流噴砂射孔[14]和水力噴射徑向水平井開采剩余油氣的技術方式[15]，提出2種基于穿層鉆孔的高效泄壓增透技術：①磨料射流深穿透泄壓增透技術；②連續送進磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術。這2種泄壓方法都是在穿層鉆孔的主孔眼中進行磨料射流分支射孔和徑向鉆孔作業，從而在堅硬煤層中產生多組輻射狀的深穿孔，解決堅硬煤層泄壓效率低的難題。同時，計劃在施工作業中采用連續管送進，實現連續鉆進，提高鉆孔效率。本文敘述其作業原理，并通過試驗進行分析探討和驗證。

1 磨料射流深穿透泄壓增透技術

磨料射流指的是磨料顆粒和流體經地面混合加壓后泵入井下，通過噴嘴噴出形成高速磨料射流，并利用高速流體攜帶磨料顆粒的高頻沖蝕和磨削作用沖擊破壞巖石，最終形成具有一定直徑和深度的孔道[16]。磨料射流深穿透泄壓增透技術是在主孔鉆進完成后，采用拖動式磨料射流噴槍沿主孔噴射側孔，在煤層三維空間中形成多條輻射狀深穿透孔眼，從而增大泄壓增透范圍的一種技術(見圖1)。

圖1 磨料射流深穿透泄壓增透方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure relief and permeability enhancement by deep penetration with abrasive jet

磨料射流深穿透技術工藝流程如圖2所示。

圖2 磨料射流深穿透泄壓增透工藝流程Fig.2 Workflow of pressure relief and permeability enhancement by deep penetration with abrasive jet

將噴槍(本體內有滑套)與穿層鉆孔工具共同下入主孔，當主孔完鉆之后，拖動噴槍到達側孔待鉆位置，泵送飛鏢入座，滑套上行，打開噴嘴。在鉆桿內泵入體積分數10%～15%的攜砂液進行噴射作業，利用高壓磨料射流對煤層進行深穿透(孔徑15～30 mm，孔深1～2 m)。噴射作業完成后，拖動噴槍到下一噴射點繼續作業。循環以上步驟，最終沿主孔形成多條輻射狀深穿透分支孔眼。為了在噴槍本體有限的空間內盡可能多地布置噴嘴，提高深穿透的作業效率，每個噴槍上安裝6個水眼，均布于2個平面，平面內噴嘴相位為120°，平面間噴嘴相位為0°或60°。破碎后的煤粉和石英砂從孔眼環空返出，通過固液分離系統振動分離，從而實現水的循環利用。

利用磨料射流提高破巖能力后，工作泵壓可從100 MPa降低至25 MPa，在10～15 min形成孔徑15～30 mm、孔深1～2 m的深穿透孔眼，解決了純水力破碎堅硬煤巖效率低及高壓作業安全隱患大等問題。同時煤層天然裂隙發育，深穿透鉆孔一方面增強井眼與天然裂縫的連通性，另一方面在高壓水力沖擊過程中形成孔內增壓，促進了裂隙沿孔眼軸向和徑向方向上的擴展，配合多組深穿透孔眼形成立體泄壓通道。

2 連續送進磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術

連續送進磨料射流徑向鉆孔泄壓增透裝置主要包括連續送進系統、磨料射流破巖系統、轉向器、軌跡測量短節等(見圖3)，在巷道內可實現多角度連續鉆進，利用旋轉磨料射流高效破碎硬巖，降低水力破巖工作壓力，提高泄壓增透效率。連續送進系統主要由連續管作業裝備(由控制臺、動力橇、滾筒橇、注入頭組成)、高壓泵、儲液罐、磨料罐、固液分離裝置、鉆井液處理裝置等部分組成(見圖4)。受限于巷道空間，推薦采用的油管外徑為25.4～50.8 mm。該方法可免去傳統井下定向鉆機接單根、工具拆卸等工序，通過遠程控制即可實現連續鉆進、水力沖孔軌跡測量一體化，減輕了勞動強度，具有安全、高效及自動化程度高等特點。

圖3 連續送進磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術Fig.3 Schematic diagram of pressure relief and permeability enhancement by radial drilling with continuous conveye abrasive jet

圖4 連續送進系統Fig.4 Continuous convey system

工藝流程如圖5所示。由圖5可見：該工藝包括采用巷道鉆機鉆完主孔后，起出鉆頭，下入接有水力錨和轉向器的鉆桿，到達目標層段后進行方位設定和管柱錨定；然后，利用連續管下入旋轉磨料射流噴嘴和軌跡測量短節，側鉆分支孔(孔徑為50～60 mm，單分支長度>10 m)，同時進行孔眼軌跡測量。側鉆完成后解封水力錨，改變轉向器的方位或層位，進行下一個分支孔的鉆進。循環以上步驟，最終可以在煤層中形成多層、多分支孔眼的泄壓增透體系，有效溝通天然裂縫，增加透氣性，充分泄壓，從而提高瓦斯釋放效率。

圖5 連續送進磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術Fig.5 Workflow of pressure relief and permeability enhancement by radial drilling with continuous conveye abrasive jet

3 旋轉磨料射流破碎煤巖試驗研究

為了驗證旋轉磨料射流破巖沖孔效果，采集焦作礦區煤巖和頂板砂巖進行破巖試驗。焦作礦區煤系地層屬石炭二疊系，主采煤層為山西組二1煤層，煤層平均厚度6 m，傾角10°～15°。礦區瓦斯含量高、壓力大、煤層透氣性差，瓦斯、水文地質條件復雜，是全國煤與瓦斯問題較為嚴重的礦區之一。近些年來采用水力沖孔技術，焦作礦區瓦斯治理工作取得一定成效，但隨著開采深度的加大和地質條件的復雜化，在堅硬煤層水力沖孔難度大、效率低[17]。

3.1 磨料射流試驗裝置

本試驗主要采用自主搭建的高壓磨料射流破巖試驗系統，該試驗系統由混砂單元(輸砂能力40～120 kg/min)、動力單元(447 kW，70 MPa)、數據采集與控制單元、破巖作業單元4部分組成，如圖6所示。清水和磨料在混合罐中通過高速攪拌器實現均勻混合，而后通過離心泵將混砂液輸送至動力單元(三缸柱塞泵)，經柱塞泵加壓后高速噴出，進而破碎巖石。系統安裝有壓力傳感器和液體流量計，通過數據采集單元可以精準監控出口端壓力和排量。噴嘴和巖樣位于破巖作業單元，采用夾持器固定巖樣，通過升降平臺調節射流噴距。

圖6 高壓磨料射流破巖試驗系統Fig.6 High-pressure abrasive jet rock-breaking testing system

3.2 巖樣試件及試驗方案

(1)試驗巖樣。試驗所用煤巖和砂巖取自焦作礦區趙固二礦煤層及頂板砂巖。巖樣的物理力學參數見表1。將巖樣制備為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，煤巖鏡質體反射率為2.34%(見表2)，成熟度表現為高階煤特征，內部裂隙較發育，因此在煤巖巖樣四周包裹環氧樹脂以避免沖擊過程中煤巖整體破碎，如圖7a所示。

表1 巖石力學強度參數Table 1 Parameters of rock mechanic strengths

表2 煤巖成熟度及工業分析Table 2 Coal maturity and industrial analysis

(2)試驗方案。本文采用控制變量的方法，探究壓力和噴距變化對旋轉磨料射流破巖效果的影響規律。選取煤巖和砂巖2種巖樣，試驗方法為選用5 mm旋轉噴嘴，如圖7b所示。選用46目石英砂，10%砂比，射流壓力30 MPa，射流噴距2d～8d(d為噴嘴直徑)，如表3所示，在淹沒條件下沖蝕巖樣1 min。

表3 破巖試驗方案Table 3 Rock breaking testing scheme

圖7 試驗巖樣及噴嘴結構圖Fig.7 Rock specimen and nozzle structure

3.3 試驗結果

3.3.1 煤巖破巖成孔特征

圖8為噴射壓力30 MPa時旋轉磨料射流沖蝕煤巖的孔眼形態。射流破巖過程中孔眼結構穩定，沒有出現破碎、垮塌等現象，孔眼整體形狀呈圓形，孔眼內壁平整，表面有明顯的顆粒磨蝕痕跡。因為旋轉磨料射流的破巖機理為射流在垂直沖擊巖石的同時增加了平行于巖石表面的切向載荷[18]，所以在顆粒切向速度的沖擊下，孔壁表面突起被逐漸磨蝕形成平整壁面。由圖8e可知，當顆粒沖擊到巖石表面時，尖峰處不斷發生壓痕斷裂破壞。中心部位存在錐形凸起[19]。這是由于流體經噴嘴內部葉輪旋轉加速，使磨料顆粒受離心力的影響呈螺旋放射狀噴出，顆粒在沖擊巖石時，圓周區域沖蝕強度大，中心區域沖蝕強度小，在磨料顆粒的剪切磨蝕下形成中心凸臺[20]。由圖8f可知，采用CFD-DPM模型模擬旋轉磨料射流顆粒運動軌跡，引入沖蝕模型表征顆粒沖擊到底部平面時的成孔形態，模擬與試驗結果顯示出了相同的沖蝕特征。

煤巖的層理對成孔形態影響顯著。當平行于層理噴射時(見圖8g)，切向速度在孔眼表面形成的剪切力易激活層理，高壓流體和顆粒嵌入其中，形成水楔效應，使煤巖沿層理方向發生劈裂破壞(見圖8b和圖8c)，沿平行層理方向可以觀察到顆粒嵌入，煤巖有發生劈裂破壞的趨勢。當垂直于層理噴射時(見圖8h)，顆粒沖擊產生的裂隙可溝通層理，沿噴射方向發生片狀剝蝕，提高破巖效率(見圖8d)，煤巖成孔右下角白色區域沿層理面出現片狀煤體剝蝕。因此，水楔作用的存在提升了射流破巖效率。

圖8 旋轉磨料射流沖蝕煤巖孔眼形態Fig.8 Morphology of holes in coal seams by rotary abrasive jet

圖9為破巖孔徑及孔深隨噴距的變化曲線。由孔眼參數變化曲線可知，當噴距大于4d時，煤巖孔徑和孔深隨噴距變化趨于平緩。這是由于旋轉磨料射流的破巖效率對噴距變化更為敏感，相較于錐形和圓形噴嘴，旋轉射流在徑向上的湍流脈動增大了其射流擴散角和沖擊范圍，但也造成了強烈的湍流耗散，隨著噴距的增大，磨料顆粒速度快速衰減。孔徑的大小決定了泄壓范圍和泄壓效果，孔眼深度反映了射流破巖效率。因此，鉆進過程中在達到需求的孔眼直徑條件下，可將噴距維持在4d以內，從而獲得較高的鉆進效率。

圖9 破巖孔徑及孔深隨噴距變化曲線(煤巖)Fig.9 Hole diameter and depth vs.jetting distance (coal)

3.3.2 砂巖破巖成孔特征

圖10為射流壓力為30 MPa時旋轉磨料射流沖蝕砂巖的成孔形態。

由圖10可知，旋轉磨料射流能夠有效破碎砂巖，并形成較大直徑的規則孔眼。在此試驗條件下，在2d～8d的噴距范圍內，隨著旋轉磨料射流噴距的增加破巖直徑增大，在最低噴距下形成的孔眼直徑也能滿足連續管順利通過的條件。因此，在作業過程中即使遇到砂巖夾層的阻擋，也不會影響連續管的持續鉆進。

旋轉射流能夠高效破巖的另外一個原因是沖擊過程中，顆粒軌跡沿孔眼壁面呈螺旋狀向外輻射，減少了直射流條件下沖蝕孔內回流的干擾(見圖10c)。此外，周向速度的存在使射流對周圍流體的卷吸能力增強，射流擴散角增加，部分顆粒離開底部孔眼后被重新卷吸進入射流流場并對壁面形成二次沖蝕(見圖10f)，因而增大了顆粒沖擊頻率，有助于提升破巖效果[21-22]。

圖10 30 MPa旋轉磨料射流沖蝕砂巖孔眼形態及磨料顆粒運動軌跡Fig.10 Hole morphology in sandstone by rotary abrasive jet at 30 MPa and motion paths of abrasive particles

孔眼參數變化曲線如圖11所示。由圖11可知，與煤巖相同，砂巖孔眼參數變化同樣受噴距影響顯著。因此，在砂巖層鉆進作業過程中，綜合考慮巖屑返排和破巖效率的影響，可將噴射距離控制在5d以內，可形成直徑為50～60 mm的孔眼，在保持孔眼結構穩定的同時可擁有較高的鉆進效率。

圖11 不同壓力條件下孔徑及孔深變化曲線(砂巖)Fig.11 Hole diameter and depth vs.jet pressure (sandstone roof)

4 結 論

(1)磨料射流深穿透泄壓增透技術的工藝原理是在穿層鉆孔的基礎上，利用磨料射流在堅硬煤層中產生多組深穿透的分支孔，溝通天然裂縫，形成立體泄壓空間，達到堅硬煤層高效泄壓增透的目的。

(2)連續送進磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術是利用旋轉磨料射流高效破碎硬巖的優勢，形成大直徑孔眼的技術，通過連續管和遠程控制可實現多角度連續定向鉆進、水力沖孔軌跡測量一體化，避免了傳統井下定向鉆機接單根、工具拆卸等繁雜工序。有望在煤層中形成多層、多分支孔眼的增透體系，高效溝通天然裂縫，充分泄壓，增加透氣性，提高瓦斯釋放效率。

(3)旋轉磨料射流在垂直沖擊巖石的同時還增加了平行于巖石表面的切向載荷，因此可實現堅硬煤層及致密砂巖中的高效破巖鉆孔。在噴射壓力為30 MPa的條件下，可形成直徑為50～60 mm的孔眼，孔壁光滑、形狀規則、孔眼結構穩定，有利于后續連續管的順利通過。旋轉磨料射流破巖成孔效果受噴距影響顯著，達到需求的孔眼直徑時，建議將噴距維持在4倍噴嘴直徑以內，從而獲得較高的鉆孔深度，以提高鉆進效率。