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煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备 张俭，刘乐，赵继展，孙四清，王晨阳 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077 摘要针对碎软煤层渗透率低、瓦斯抽采衰减快、压裂不均匀、裂缝易闭合、瓦斯抽采效果差、无 法实现区域瓦斯超前预抽的问题，提出了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的技 术思路，研发适合煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透技术，研制了成套的煤 矿井下水力加砂压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置及工具组合、防砂封隔器及工具组合。水力压裂 泵组装备最大排量 90 m3/h，最大泵注压力 70 MPa，最大携砂能力 20，支撑剂粒径小于等于 1 mm； 定向喷砂射孔装置通过水压驱动喷射器定向，最大旋转角度 180；防砂封隔器最大承压 70 MPa，最 大膨胀系数为 2。研发的定向长钻孔连续定向喷砂射孔工艺技术和定向长钻孔拖动式水力加砂分段 压裂工艺技术，在山西阳泉新景煤矿井下开展工程试验，完成 2 个压裂钻孔孔深均为 609 m 共计 16 段水力加砂分段压裂施工，累计实施 80 次定向喷砂射孔作业，石英砂的体积分数 23，定向 喷砂射孔压力 22.628.6 MPa，共计使用石英砂 19.8 t；水力加砂分段压裂单段注入压裂液 153.8235.1 m3、核桃壳砂的体积分数 2.022.56，累计注入压裂液 2 808.57 m3，注入核桃壳砂 36.47 t；综合评价本次水力加砂分段压裂影响半径为 2038 m，统计分析压裂后 2 个钻场 100 d 瓦斯 抽采数据，1 号钻场、2 号钻场日均瓦斯抽采纯量分别为 1 025、2 811m3。试验结果表明压裂装备 加砂量大，施工排量大，能够实现连续作业，压裂后煤层透气性显著增加，极大地提高瓦斯抽采浓 度和瓦斯抽采纯量。研究成果对碎软煤层区域瓦斯增透提供新思路，为我国类似矿区区域瓦斯超前 治理提供技术借鉴。 关键词水力加砂分段压裂；顶板定向长钻孔；定向喷砂射孔装置；加砂压裂泵组；定向喷砂 射孔 中图分类号TD713 文献标志码A 文章编号1001-1986202208-0037-08 Researchonhydraulicfracturingtechnologyandequipmentof directionallongdrillingwithsandincoalseamroof ZHANG Jian, LIU Le, ZHAO Jizhan, SUN Siqing, WANG Chenyang Xian Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xian 710077, China AbstractDue to low permeability, fast gas-rate decline, uneven fracturing, easy fracture closure, it is difficult to per- advance gas extraction in broken-soft coal seams. Aimed at these issues, this study has been proposed a new idea to enhance the coalbed permeability and eventually the gas extraction, which is based on roof-supporting, long-reach direc- tional drilling, and hydraulic fracturing. Corresponding equipment including fracturing pump unit, directional sandblast- ing perforation assembly, sand control packer and tools have been developed. Specifically, the pumping unit is capable of a pumping rate up to 90 m3/h, a pumping pressure up to 70 MPa, and a proppant concentration up to 20, and a prop- pant particle size up to 1 mm; The directional sandblasting perforation assembly is driven by hydraulic pressure, with a 收稿日期2022-03-30；修回日期2022-04-22 基金项目中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目2020XAYDC04-5；2021XAYJSQ07 第一作者张俭，1980 年生，男，辽宁锦州人，硕士，高级工程师，从事煤矿瓦斯治理工作. E-mail 通信作者刘乐，1993 年生，男，陕西宝鸡人，硕士，实习研究员，从事水力压裂技术研究. E-mailL 第 50 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol. 50 No.8 2022 年 8 月COAL GEOLOGY And the sand control packer can uphold up to 70 MPa with a maximum expansion factor of 2. In addition, we applied such technologies as long-reach directional drilling, continuous sandblasting perfora- tion, and multistage hydraulic fracturing to a field pilot test in Xinjing coal mine, Yangquan, Shanxi Province. A total of 80 directional sandblasting shots at a pressure of 22.6-28.6 MPa, and 16 fracturing stages were carried out in two bore- holes at an average depth of 609 m. And 19.8 t silica sand a concentration of 2-3 vol., 2 808.5 m3 fracturing fluid 153.8-235.1 m3 for a single fracturing stage, and 36.47 t walnut shell a concentration of 2.02-2.56 were injected. The tests achieved a fracture half-length of 20-38 m in estimation, and average gas rates of 1 025 and 2 811 m3/d in 100 days after the treatment. Besides, it is found that the fracturing equipment has a large sand injection capacity, high pumping rate, and continuous operation. The coal seam permeability was significantly enhanced after fracturing, which led to great improvement in gas concentration and purity. This research provide new ideas for permeability enhancement in broken-soft coal seams and serves as a good reference for advance treatment in similar mining areas in China. Keywordsstaged sand fracturing; roof directional long drilling; directional sand blasting perforation device; hydraulic sand fracturing pump set; directional sand blasting perforation 我国煤层赋存地质条件复杂，碎软煤层透气性低， 透气性系数一般在 102103 m2/MPa2d，煤层坚固性 系数小，衰减系数大，瓦斯抽采效率低，矿井瓦斯治理 难度大1-2。随着矿井开采活动不断向深部延伸，煤层 破碎、渗透性低等问题日益凸显，煤层瓦斯抽采难度 增加。水力压裂技术作为一种增加低渗储层透气性的 有效措施在煤矿井下得到广泛应用，脉动水力压裂3、 变排量压裂4、复合压裂5-6、分段压裂7-8、水力加砂 压裂技术9也相继应用于工程实践，取得了较好的增 透效果。 起初阶段水力压裂技术在煤矿井下应用，受井下 作业空间、钻探装备及钻进工艺的限制，主要在煤层 底板巷道施工穿层钻孔压裂增透，学者对水力压裂机 理10-11、压裂效果评价12-14等深入研究并开展工程应 用。王祺15在大湾煤矿对 9 号煤层开展水力压裂工 程，压裂后煤层透气性系数提高了 18.37 倍，瓦斯抽采 纯量较未压裂区域提高了 2 倍。陈建等16利用高压 端加骨料实施穿层钻孔加骨料压裂，最大加入 176.5 kg 石英砂，压裂区域钻孔瓦斯抽采体积分数较未压裂区 域提高了 215 倍，骨料有效延缓裂缝闭合，缩短瓦斯 抽采达标周期。穿层钻孔压裂技术工程推广中，压裂 增透范围小、钻孔有效压裂段短，无法实现矿井煤层 区域瓦斯预抽的目标。随着井下钻探装备、钻进工艺 技术及压裂技术发展，煤层长钻孔压裂技术、顶底板 梳状长钻孔分段压裂技术、水力加砂压裂技术等相继 应用于工程实践。张群等17提出了碎软低渗煤层的 煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式，并在 安徽淮北矿区芦岭煤矿应用，取得了很好的瓦斯抽采 效果。孙四清等18在山西阳泉矿区碎软煤层开展整 体水力压裂技术研究与工程应用，压裂煤层段长 307 m， 压裂后煤层透气性系数提高 2.67 倍，日均抽采瓦斯纯 量 2 173 m3，取得了很好的增透效果，对碎软煤层瓦斯 治理具有重要意义。贾秉义等19针对韩城矿区碎软、 难抽煤层提出顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术并开 展工程试验，压裂后钻孔瓦斯抽采体积分数为 43.54， 瓦斯抽采纯量 1.18 m3/min，较试验点邻近区域本煤层 钻孔抽采瓦斯纯量提高 4 倍，对碎软煤层瓦斯治理提 供一条新的途径。郑凯歌20深入分析了煤层底板梳 状钻孔分段压裂增透机理、形成了煤层底板梳状长钻 孔分段压裂工艺，现场验证了该技术的增透效果，压裂 后煤层透气性系数提高 16.63 倍，钻孔瓦斯抽采体积 分数提高 12.80 倍，钻孔瓦斯抽采纯量提高 2.53 倍。 实践证明，改善煤层透气性是矿井瓦斯高效抽采关键， 水力压裂是增加煤层透气性的有效措施，特别是定向 长钻孔水力压裂技术对矿井大区域瓦斯超前预抽具有 重要意义。 地面煤层气井采用成熟的水力加砂分段压裂技术， 并取得了很好的排采效果。受煤矿井下作业空间限制， 地面大型加砂压裂装备无法直接应用于煤矿井下，煤 矿井下煤层顶板长钻孔水力加砂分段压裂技术应用鲜 见报道。基于现有井下水力压裂技术的不足清水压 裂裂缝易发生闭合；定向长钻孔压裂段有限，一般不超 过 5 段，存在压裂盲区；未见成套的煤矿井下水力加砂 压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置、长钻孔分隔装置 等。基于此，笔者提出了煤矿井下煤层顶板定向长钻 孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的思路，研发相应 设备及煤矿井下定向长钻孔定向喷砂射孔技术和水力 加砂分段压裂技术，并在煤矿井下开展工程试验，为碎 软煤层瓦斯高效抽采提供装备和工艺技术支撑。 1煤层顶板分段加砂压裂技术思路 基于煤矿井下常规水力压裂增透范围小，存在压 裂盲区，裂缝在地应力作用下易发生闭合等问题，提出 了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽 采的技术思路。首先，通过先进的钻进工艺技术在近煤 层顶板稳定岩层优选砂岩施工定向长钻孔500 m。 38 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 而后，利用成套的定向喷砂射孔工具组合及施工工艺 在煤层顶板长钻孔内向煤层实施定向喷砂射孔作业， 有效沟通煤层产生裂缝引导压裂裂缝向煤层扩展。最 后，采用拖动式水力加砂分段压裂工艺技术在煤层顶 板定向长钻孔进行均匀水力加砂分段压裂，使煤层顶 板、煤层产生裂缝网络，为瓦斯流动产生通道，其缝网 改造如图 1 所示。 主孔 顶板 底板 煤层裂隙网络 导向裂缝 煤层 瓦斯瓦斯瓦斯瓦斯瓦斯瓦斯 图 1 煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂缝网改造 Fig.1 Schematic diagram of fracture network construction through roof-supporting, long-reach directional drilling and multistage fracturing treatment 煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术较本 煤层压裂技术而言，钻孔施工层位在顶板较坚硬岩层， 其稳定性好，钻进效率高、不易塌孔，同时钻孔施工有 效长度更长，覆盖范围更广。拖动式水力加砂分段压 裂技术保证了钻孔均匀分隔和压裂区域全覆盖，实现 了精准压裂。水力加砂分段压裂不仅在煤层顶板岩层 产生裂缝形成卸压区，而且高压水迫使煤层产生裂缝 并沟通煤层中微裂隙，形成丰富的裂缝网络。另外，水 力加砂压裂过程中添加的支撑剂有效延缓已产生裂缝 的闭合，保障煤层瓦斯长时高效抽采。压裂后煤层顶 板压裂钻孔作为瓦斯抽采钻孔，具有与增透煤层接触 面积大、钻孔稳定性好等优点，保证了瓦斯高效抽采。 该工艺技术的适用性强，不受煤体结构影响。 2水力加砂分段压裂装备 2.1加砂压裂泵组 自主研发煤矿井下 BYWS-30/1000 型水力加砂 压裂泵组，具有“大排量、高压力、携砂能力强”等优 点，能够实现低压端加砂、高压端出砂，保障连续加砂 作业。水力加砂泵组最大工作压力 70 MPa；最大排 量 90 m3/h档；携砂能力达到 20，砂的粒径小于 等于 1 mm。水力加砂压裂泵组由供水系统、混砂系 统、泵组系统、远程控制系统等组成，如图 2 所示。供 水系统分别为压裂泵组供水和混砂罐供水；混砂系统 主要由储砂仓、加砂台、输砂器、混砂罐等组成。作 业流程将支撑剂加入加砂台，远程调节输砂器的输砂 频率，按设计输砂量向混砂罐加入支撑剂，同时结合输 砂量调节混砂罐供水量进而控制支撑剂比例，支撑剂 在混砂罐中均匀搅拌后，通过输砂管路压裂泵组，而后 经高压管路注入压裂目标层。水力加砂压裂泵组实现 低压端的自动供砂、混砂，混砂液均匀输入主泵。远 程控制系统可远距离控制水力加砂压裂作业，保证井 下安全施工，能存储压力、流量、砂含量等压裂参数数 据，具有设备运行状态自我反馈及报警功能，可对井下 加砂压裂进行施工安全判别及压裂曲线分析。 2.2定向喷砂射孔装置及工具组合 定向喷砂射孔装置及其组成如图 3a 组成。其工 作原理是键槽套内高密度球自由滑动至重力势能的最 低点，键槽套中的推管向前移动使高密度球进入键槽 套内置的定位槽，高压水推动定向槽旋转喷射器的喷 嘴旋转至预设位置，定向槽旋转过程中高密度球移动 至定向槽的末端锁定实现定向。定向喷砂射孔装置 长 1 050 mm，最大外径 104 mm，喷射器四周交叉设 计 6 个喷嘴，喷嘴直径 312 mm，转向角度为双向旋 转 180。配套的还有引鞋、扶正器、安全丢手等。扶正 器用于防止喷射器与钻孔孔壁接触影响喷射器旋转。 定向喷砂射孔工具组合如图 3b 所示。 2.3水力加砂分段压裂装置及工具组合 自主研发了适合裸眼长钻孔水力加砂分段压裂装 置，如图 4a 所示。防砂封隔器最大承压 70 MPa，最大 膨胀系数为 2；该装置相较于普通封隔器，能够防止水 力加砂压裂作业过程中支撑剂进入封隔器内，提高了 加砂压裂施工的可靠性。定压截流器作用是封隔器膨 胀座封后，压力水2 MPa 挤压弹簧迫使定压截流器 内置的压差滑套打开，压裂液从定压截流器流入压裂 段内。正洗装置主要作用是提高砂堵的处理能力，遇 第 8 期张俭等煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备 39 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 到砂堵，高压油管正向冲洗，可清除砂堵。 水力加砂分段压裂工具组合为引鞋球座防砂 封隔器正洗装置定压截流器防砂封隔器安全丢 手，如图 4b 所示。 3关键工艺技术 为了确保煤层顶板长钻孔水力加砂分段压裂顺利 施工，分别研发了煤层顶板定向长钻孔轨迹精确控制 技术、定向喷砂射孔技术、水力加砂分段压裂技术。 1 煤层顶板定向长钻孔轨迹精确控制技术 钻孔轨迹控制技术是煤层顶板定向长钻孔水力加 砂分段压裂的关键技术之一，也是影响压裂效果的关 键因素。钻孔施工之前，应深入分析施工区域地质条 件，如煤层厚度、煤层顶板岩性、厚度赋存特征、地 质构造等。为了保证钻孔轨迹精确控制，采用以下措 施钻进过程中实时监控给进压力、回转压力、泥浆泵 压力等参数变化情况，观察返水颜色、返渣情况，分析 判断钻遇地层岩性，动态调整钻孔设计轨迹；每 3 m 采 集 1 次钻孔倾角和方位角等参数，确定钻孔实际轨迹， 并将其与设计轨迹进行对比，及时调整施工参数。 2 煤层顶板定向长钻孔定向喷砂射孔技术 煤层顶板定向长钻孔定向喷砂射孔技术，其核心 参数是定向喷砂射孔的喷嘴数量、喷嘴规格、喷嘴角 度、施工排量、施工压力、喷射砂比等。该工艺技术 分为前进式和后退式 2 种作业方式，前进式定向喷砂 射孔作业方式是从压裂长钻孔孔口至孔底依次实施定 向喷砂射孔作业，反之为后退式。作业流程为1 将 定向喷砂射孔工具组合送入顶板定向长钻孔设计位 置；2 启动水力加砂压裂泵组，低压使定向喷砂射孔 装置喷射器转向至煤层方向；3 增加组泵注排量，启 动混砂系统，开始定向喷砂射孔作业。定向喷砂射孔 后清水冲洗钻孔并拖动至下一射孔位置，依此重复定 向喷砂射孔作业。 3 煤层顶板定向长钻孔“双封单卡”拖动式水力 加砂分段压裂技术 该技术流程为1 依据钻孔轨迹确定压裂段数和 压裂位置，将水力加砂分段压裂工具组合送入钻孔设 计压裂位置；启动水力加砂压裂泵组，清水冲洗定向长 钻孔1 MPa；2 水力加砂压裂泵组升档加压，防砂 封隔器膨胀后座封，作业时间约 20 min；3 提高向压 裂泵的供水能力，远程操控水力加砂压裂泵组，升档增 加泵注排量至设计排量开始清水压裂；4 清水压裂 压裂目标层矿井水仓 压裂水箱 储砂仓 移动变电站 压裂泵电机 压裂泵组 混砂罐 压力 传感器 供水系统混砂系统泵组系统远程控制系统 加砂台 输砂器 清水管路高压管路信号线输砂管路携砂液管路 图 2 水力加砂压裂泵组 Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing pump unit 键槽套定向管套喷嘴喷射器第 2 接头第 1 接头 油管 安全丢手扶正器扶正器 球座引鞋 定向喷砂 射孔装置 a 定向喷砂射孔装置 b 定向喷砂射孔工具组合 图 3 定向喷砂射孔装置及工具组合 Fig.3 Directional sand blasting perforation device and its components 安全丢手定压截流器正洗装置引鞋 防砂封隔器 a 部分水力加砂分段压裂装置 b 水力加砂分段压裂装置及工具组合 油管 安全 丢手防砂封隔器 防砂 封隔器正洗装置引鞋球座 定压 截流器 图 4 水力加砂分段压裂装置及工具组合 Fig.4 Hydraulic sand adding staged fracturing device and its combination 40 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 完成后启动混砂系统开始加砂压裂，实时观察泵注 压力，调节砂比防止堵砂；5 加砂压裂完成后继续 清水压裂冲洗钻孔后停止压裂，关闭孔口安全阀保压 观测；6 当钻孔内压力降低至地层压力，防砂封隔器 收缩与钻孔孔壁分离，启动钻机拖动压裂工具组合至 下一压裂段位置，依此重复实施其余段加砂压裂。该 工艺技术具有耐压高、封孔效率高、封孔位置可调、 操作性强等优点，保障了水力加砂分段压裂施工效率 和压裂效果。 4工程试验 4.1试验区概况 选择山西阳泉新景煤矿为试验矿井，该煤矿最大 绝对瓦斯涌出量为 48.73 m3/t，属于煤与瓦斯突出矿井。 试验地点位于新景煤矿保安区 9 300 m 三北轨道巷北 六、北七正巷工作面 。压裂煤层为二叠系下统山西 组 3 号 煤 层 ， 煤 层 厚 度 2.072.70 m， 埋 深 458.9 558.2 m。煤体按硬度分三层，下分层为软分层，厚度 约 0.45 m，坚固性系数 f 为 0.30.4；中、上分层煤层较 好，坚固性系数 f 为 0.710.84。煤层瓦斯含量 16 m3/t， 瓦斯压力 2.6 MPa，透气性系数 0.001 16 m2/MPa2d， 钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.597 d1。煤层顶板为灰黑 色砂质泥岩、粉砂岩或细砂岩，具备施工定向长钻孔 的条件。 4.2压裂钻孔轨迹控制及施工 综合分析试验区地质条件，选择 3 号煤层顶板砂 岩层作为钻孔施工层位，2 个钻孔设计长度均为 600 m， 孔径 120 mm，与煤层垂距约 5 m。采用两级孔身结构， 一开钻孔直径 120 mm，经过153、193、215 mm 三 次扩孔，最后下146 mm 套管并注水泥浆固孔。1 号、 2 号压裂钻孔主孔孔深 609 m图 5，为了确保钻孔在 设计层位，施工期间还分别施工 1-1 分支、1-2 分支孔 用于探测钻孔与煤层间距，如图 5a 所示。 0 开孔位置 开孔位置 套管段 套管段 1 号主孔 1 号主孔 1-1 分支 1-2 分支 1-2 分支 3 号煤层 钻孔平面 钻孔剖面 1-1 分支 60120180240300 钻孔深度/m a 1 号压裂钻孔 b 2 号压裂钻孔 360420480540600 610 0 开孔 位置 开孔位置 套管段 套管段 2 号主孔 2 号主孔 3 号煤层 钻孔平面 钻孔剖面 60120180240300 钻孔深度/m 360420480540600 610 图 5 煤层顶板定向长钻孔轨迹 Fig.5 Track diagram of directional long borehole in coal seam roof 4.3加砂压裂方案设计及施工 根据钻孔轨迹及钻遇岩层情况，1 号钻孔压裂分 6 段，2 号钻孔压裂分 10 段。每段设计 5 次定向喷砂 射孔，间距 0.5 m，射孔深度 3 m，选用石英砂作为定向 喷砂射孔磨料，定向喷砂射孔石英砂体积分数 23， 每次注入喷砂液约 40 m3。每段注入压裂液不少于 150 m3，优选核桃壳砂作为支撑剂，核桃壳砂体积分数 大于 2，压裂液中增加 KCl 防膨剂和杀菌剂。压裂 液配比为清水1KCl0.05 杀菌剂。 用时 22 d 完成 2 个钻孔定向喷砂射孔和水力加 砂分段压裂施工。实施定向喷砂射孔 16 段，共计 80 次，定向喷砂射孔石英砂的体积分数为 23，定 向喷砂射孔压力 22.628.6 MPa，共计使用石英砂 19.84 t，使用喷砂液 1 072 m3。水力加砂分段压裂泵 注压力21.329.6 MPa，单段注入压裂液153.8235.1 m3。 1 号压裂孔共计注入压裂液 963.9 m3，2 号压裂孔共计 注入压裂液 1 844.6 m3，累计注入压裂液 2 808.5 m3。 核桃壳砂体积分数为 2.022.56，单段最小注入核 桃壳砂 1.76 t，最大注入核桃壳砂 3.49 t，1 号压裂孔注 入核桃壳砂 13.1 t，2 号压裂孔注入核桃壳砂 23.4 t，累 计注入核桃壳砂 36.47 t。1 号压裂孔注入 KCl 6.7 t，2 号压裂孔注入 KCl 17.2 t，累计注入 23.9 t。 第 8 期张俭等煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备 41 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 4.4试验结果与分析 4.4.1 压裂曲线特征 选取 4 个典型压裂段1-5 段、1-6 段、2-2 段、 2-6 段泵注压力及砂比等曲线，如图 6 所示。达到破 裂压力后，泵注压力呈上升变化趋势、下降变化趋势、 稳定不变及剧烈的锯齿形变化特征。 锯齿形变化阶段下降阶段 上升 阶段 40801201600 6 12 18 24 30 36 时间/min a 1-5 段 泵注压力 排量 核桃壳砂占比 KCl 占比杀菌剂占比 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 排量/m3h1 泵注压力/MPa 核桃壳砂注入体积分数/ KCl 注入体积分数/ 杀菌剂注入体积分数/ 锯齿形变化阶段下降阶段 上升 阶段 40801201600 5 10 15 20 25 30 时间/min b 1-6 段 杀菌剂占比 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 排量/m3h1 泵注压力/MPa 核桃壳砂注入体积分数/ KCl 注入体积分数/ 杀菌剂注入体积分数/ 锯齿形变化阶段下降阶段上升 阶段 40801201602000 6 12 18 24 30 36 时间/min c 2-2 段 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 0.36 排量/m3h1 泵注压力/MPa 核桃壳砂注入体积分数/ KCl 注入体积分数/ 杀菌剂注入体积分数/ 锯齿形变化阶段 下降 阶段 上升 阶段 40801201600 5 10 15 20 25 35 30 时间/min d 2-6 段 0 15 30 45 75 90 105 0 1 2 3 4 5 7 6 0 0.5 1.5 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 0 0.10 0.15 0.05 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 排量/m3h1 泵注压力/MPa 核桃壳砂注入体积分数/ KCl 注入体积分数/ 杀菌剂注入体积分数/ 图 6 泵注压力曲线特征 Fig.6 Characteristics of pumping pressure curve 由图 6 可知，所有泵注压力曲线划分为 3 个阶段， 即压力上升阶段、下降变化阶段以及锯齿形变化阶段。 压力上升阶段包含防砂封隔器座封，低压使防砂封隔 器充分膨胀与孔壁接触实现钻孔封隔。随后泵注压力 升高，打开定压截流器内置的压差滑套，压裂液进入压 裂段，泵注压力达到顶板岩煤层的破裂压力，岩煤 层破坏产生新裂缝形成储液空间导致压力下降，压力 下降幅值大小反映产生裂缝体积大小或裂隙网络的丰 富程度，压力下降越大、裂缝越丰富、形成的储液空间 越大。同时也发现，在压力下降变化阶段会出现多次 不同幅值压力下降现象，且第一次压力下降幅值最大， 如 1 号压裂孔 1-5 段、1-6 段，2 号钻孔 2-1 段、2-6 段、 2-8 段、2-10 段均出现了不少于 3 次压力下降。造成 这种现象有 2 种可能1 岩层产生裂缝后，裂缝扩展 至不同岩层层位，如压裂钻孔下部砂岩、泥岩层位，在 不同岩性层位产生裂缝导致压力下降；2 岩层段破坏 产生裂缝导致第一次压降，其余压降发生在煤层中，裂 缝在煤层发生起裂扩展延伸的过程。泵注压力下 降至某一稳定值后进入锯齿形变化阶段，压力锯齿形 波动幅值大小不同，表明裂缝延伸扩展难易程度及产 生裂缝丰富程度不同。锯齿形变化越明显，煤层重复 发生破裂扩展的过程，产生丰富裂缝网络；锯齿形变 化不明显，可能是形成了单一裂缝或沿着煤层内结构 面向前扩展。另外，这可能是由于核桃壳砂加入比例 不同导致压力锯齿形变化幅值和频率不同。 4.4.2 压裂效果综合评价 1 瞬变电磁法 利用孔内瞬变电磁探测 1 号孔压裂前、后瞬变电 磁变化特征。压裂前探测深度为 50401 m，压裂后探 测钻孔深度为 50239 m。结果表明探测区发现 2 个 异常区域，1 号异常区域在孔深 150 m 附近，异常区沿 孔深方向呈条带分布，长度约 40 m。2 号异常区域在 孔深 205 m 附近，异常区沿钻孔方向长度约 50 m。结 合钻孔压裂位置及探测异常区域位置，初步判断本次 分段加砂压裂影响半径为 2025 m。 2 微量元素示踪剂法 压裂施工完成后，在压裂钻孔下方煤层中分别施 工 1 号、2 号效果检测孔。压裂施工前，在施工 1 号压 裂孔第 5 段、第 6 段以及 2 号压裂孔第 8 段、第 9 段 压裂液中添加微量元素示踪剂。测试结果表明1 号 压裂孔第 5 段、第 6 段相隔 60 m，第 6 段右侧 35 m 检 测到示踪剂，第 5 段左侧 25 m 检测到示踪剂。2 号效 果检测孔示踪剂在第 9 压裂段位置附近，左侧 27 m 处 检测到示踪剂，右侧 38 m 处检测到示踪剂。因此，压 裂影响半径 2538 m。 3 瓦斯抽采数据 统计分析 2 个钻场压裂后 100 d 瓦斯抽采数据，1 号钻场瓦斯抽采体积分数 16.9572.75，平均瓦斯 抽采体积分数 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 42 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 均抽采瓦斯纯量 1 025 m3，如图 7a 所示。2 号钻场瓦 斯抽采体积分数 13.3647.65，平均瓦斯抽采体积 分数 23.17，瓦斯抽采混合流量 5.3512.46 m3/min， 平均瓦斯抽采混合流量 8.56 m3/min，日均抽采瓦斯纯 量 2 811 m3，如图 7b 所示。 204060801000 20 40 60 80 抽采天数 a 1 号钻场 瓦斯抽采体积分数/ 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 日均瓦斯抽采纯量/m3 204060801000 20 40 60 80 瓦斯抽采体积分数日均瓦斯抽采纯量 抽采天数 b 2 号钻场 瓦斯抽采体积分数/ 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 日均瓦斯抽采纯量/m3 图 7 瓦斯抽采数据曲线 Fig.7 Gas drainage data curve 对比分析发现，1 号钻场瓦斯抽采体积分数高于 2 号钻场，而日均瓦斯抽采纯量低于 2 号钻场。分析 认为，1 号压裂孔受探测孔施工影响，共计施工 6 段， 压裂段数小于 2 号压裂孔，同时压裂点也不均匀，存在 压裂盲区。另外，1 号压裂孔单段注液量和砂比总体 小于 2 号压裂孔，导致日均瓦斯抽采纯量差异较大。 2 号钻场瓦斯抽采体积分数远低于 1 号钻场，是由于 2 号压裂孔第 10 段压裂施工时，其压裂位置底部有一 条回风巷垂直经过，压裂施工期间发现回风巷顶板漏 水，瓦斯抽采期间对较明显裂缝封堵处理，但仍旧存在 漏风，导致 2 号钻场抽采期间瓦斯体积分数低。 5结论 a. 研制了煤矿井下水力加砂压裂泵组、定向喷砂 射孔装置及工具组合、水力加砂分段压裂装置及工具 组合。水力加砂压裂泵组最大排量 90 m3/h，最大携砂 能力达到 20；定向喷砂射孔装置实现水压驱动定向， 最大旋转角度达到 180；防砂封隔器最大承压 70 MPa， 最大膨胀系数为 2。 b. 研发了煤层顶板定向长钻孔定向喷砂射孔和水 力加砂分段压裂技术。该技术在煤矿井下开展工程试 验，累计实施 80 次定向喷砂射孔，石英砂的体积分数 23，定向喷砂射孔压力 22.628.6 MPa，累计使用 喷砂液超过 1 072 m3，使用石英砂量 19.84 t；完成 2 个 定向长钻孔共计 16 段水力加砂分段压裂施工，单段注 入压裂液 153.8235.1 m3、核桃壳砂的体积分数 2.02 2.56、累计注入压裂液 2 808.5 m3、注入核桃壳砂 36.47 t。 c. 本次水力加砂分段压裂影响半径为 2038 m。 压裂后，1 号钻场平均瓦斯抽采体积分数为 43.97，平 均瓦斯抽采混合流量 1.61 m3/min，日均抽采瓦斯纯量 1 025 m3。2 号钻场平均瓦斯抽采体积分数为 23.17， 平均瓦斯抽采混合流量 8.56 m3/min，日均抽采瓦斯纯 量 2 811 m3，取得很好的瓦斯抽采效果。 d. 煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术对 碎软煤层区域瓦斯治理提供新的思路，为我国类似矿 区瓦斯超前治理提供技术借鉴，具有良好的应用 前景。 参考文献References 申宝宏，刘见中，张泓. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策J. 煤炭 学报，2007，327673679. SHEN Baohong，LIU Jianzhong，ZHANG Hong. The technical measures of gas control in China coal minesJ. Journal of China Coal Society，2007，327673679. 1 程远平，付建华，俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展J. 采 矿与安全工程学报，2009，262127139. CHENG Yuanping，FU Jianhua，YU Qixiang. Development of gas extraction technology in coal mines of ChinaJ. Journal of Mining Safety Engineering，2009，262127139. 2 李全贵，林柏泉，翟成，等. 煤层脉动水力压裂中脉动参量作用 特性的实验研究J. 煤炭学报，2013，38711851190. LI Quangui， LIN Baiquan， ZHAI Cheng， et al. Experimental study on action charact