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煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势 孙四清1，李文博1,2，张俭1，陈冬冬1，赵继展1，郑凯歌1，龙威成1， 王晨阳1，贾秉义1，杜天林1，刘乐1，杨欢1，戴楠1 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 煤炭科学研究总院，北京 100013 摘要“十三五”以来，围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治 理”两大难题，将定向长钻孔与分段压裂技术结合，通过技术攻关与装备研发及工程试验，在煤矿井 下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在 如下 4 个方面1 开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压 裂工艺技术与工具，不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了 500 m，单孔压裂实现了 5 段；动 管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了 800 m，单孔压裂实现了 17 段。2 研发了煤矿井下低压端加 砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置，低压端加砂泵组压力达到了 70 MPa，排量达到 90 m3/h，携砂 比达到 20；高压端加砂压裂装备耐压能力达到 55 MPa，一次连续加砂压裂的砂量达到 750 kg；低 压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用，应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。3 建 立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式，前者在山西 阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了 2 811 m3/d 和 1 559 m3/d，后者在陕 西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了 2 491 m3/d。4 探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长 钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式，工程应用钻孔长度突破了 800 m，坚硬顶板分 段水力压裂治理后，顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了 18.970.6， 5.87.9，13.719.4，有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力 压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要，提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下 长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井地联合分段水力压裂技术研发方向，以更好地推动煤 矿井下水力压裂技术与装备发展，为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。 关键词定向长钻孔；分段水力压裂；碎软煤层；瓦斯抽采；坚硬顶板；区域增透；区域弱化； 煤矿井下 中图分类号TD32 文献标志码A 文章编号1001-1986202208-0001-15 收稿日期2022-06-01；修回日期2022-06-30 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2013XAYFX002，2016XAYZD05 第一作者孙四清，1977 年生，男，河南新县人，博士，研究员，从事煤矿瓦斯治理及煤层气勘探开发工作. E-mail 第 50 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol. 50 No.8 2022 年 8 月COAL GEOLOGY 2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China AbstractSince the “13th Five-Year Plan”, significant progress has been made in the directional long-borehole staged hydraulic fracturing technology, equipment development and engineering demonstration application of underground coal mine through the technical research, equipment development and engineering test with directional long-borehole and staged hydraulic fracturing technology in combination, focusing on the two major issues of regional permeability en- hancement, efficient gas drainage and rock weakening treatment of hard roof for coal seams in underground coal mine in China. It is mainly manifested in the following four aspects 1 Two staged hydraulic fracturing technologies and tools with/without rig movement have been developed. Specifically, the borehole hydraulically fractured in stages without rig movement has exceeded 500 m in engineering application, with up to 5 stages of single-hole fracturing achieved. Be- sides, the borehole hydraulically fractured in stages with rig movement has exceeded 800 m in engineering application, with up to 17 stages of single-hole fracturing achieved. 2 The sand fracturing pump set for the low-pressure end and the sand fracturing device for the high-pressure end of underground coal mine were developed. Definitely, the sand fractur- ing pump set for the low-pressure end has the pressure up to 70 MPa, the displacement up to 90 m3/h and the sand carry- ing ratio up to 20. The sand fracturing device for the high-pressure end has the bearing pressure up to 55 MPa and the sand volume for one-time continuous sand fracturing reaching 750 kg. Besides, the sanding equipment for the low-pres- sure end and the high-pressure end have been applied in the field engineering, of which the results show that the equip- ment has good sand carrying and fracturing perance. 3 An efficient gas drainage technology model with regional permeability enhancement was established for the staged fracturing in the surrounding rock of broken-soft coal seam and in the borehole along the hard coal seam. The er was applied in Yangquan mining area in Shanxi and Hancheng mining area in Shaanxi, with the net volume of gas drained from the borehole reaching 2 811 m3/d and 1 559 m3/d re- spectively, while the latter was applied in Binchang mining area in Shaanxi, with the net volume of gas drained from the borehole up to 2 491 m3/d. 4 A new mode of regional weakening treatment for the active leading area of staged hy- draulic fracturing of directional long-borehole in the underground coal mine with hard roof and strong underground pres- sure has been explored. Specifically, the directional long-borehole hydraulically fractured in stages has exceeded 800 m in engineering application. After the staged hydraulic fracturing treatment of hard roof, the pressure step, dynamic load coefficient and maximum pressure value of roof have been reduced by 18.970.6, 5.87.9 and 13.719.4 re- spectively compared with those in the unfractured area, effectively controlling the strong ground pressure hazard caused by the hard roof of the working face. With the improvement of staged hydraulic fracturing technology in underground coal mine and the actual requirements of the development of intelligent coal mining, the research and development re- quirements have been put forward for the equipment such as the large-displacement and high-pressure intelligent fractur- ing pump set in underground coal mine, the intelligent tools for staged hydraulic fracturing in underground long-bore- hole and the integrated coal mine-ground staged hydraulic fracturing technology, so as to better promote the develop- ment of hydraulic fracturing technology and equipment for underground coal mine, and thus provide technical and equipment support for the safe, efficient, green and intelligent mining in coal mine. Keywordsdirectional long-borehole; staged hydraulic fracturing; broken-soft coal seam; gas drainage; hard roof; regional permeability enhancement; regional weakening; underground coal mine 水力压裂是利用高压泵将水或携带有支撑剂液 体注入到煤岩钻孔中，当钻孔注入液体量远大于煤岩 孔液体滤失量，使得孔内液体压力升高直至煤岩层破 裂，产生煤岩裂缝并不断延伸和扩展，在煤岩层中形成 丰富的裂隙网络，从而达到提高瓦斯抽采量、改造弱 化煤岩层强度的目的。自 20 世纪 40 年代美国开展水 力压裂增产作业以来，水力压裂已成为油气储层增渗 改造、提高采收速度和采收率及改善油气田开发效益 的重要手段1-2。20 世纪 60 年代，苏联将水力压裂技 术作为一种煤层卸压增透手段引入到煤矿3；1965 年， 我国开始进行地面钻孔煤层注水压裂工程试验4，因 技术和设备等影响因素水力压裂技术未在煤矿井下大 规模推广应用。“十一五”“十二五”以来，在国家科 技重大专项资助下，煤矿井下煤层气瓦斯开发加快 2 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 发展，推动了煤矿井下水力压裂技术与装备及工程应用 研究5-7，水力压裂技术在重庆松藻8-9、安徽淮南10-12 和河南平顶山13-14等煤矿区推广应用，主要在穿层钻 孔和顺层短钻孔进行整体水力压裂增透抽采煤层 气瓦斯。 穿层钻孔、顺层短钻孔压裂覆盖范围相对较小、 单孔产气量也较低，长钻孔整体水力压裂又易出现压 裂不均衡等问题。“十三五”以来，为了满足煤矿瓦斯、 矿压灾害区域防治和煤层气资源开发战略的实际需要， 借鉴页岩气水平井分段压裂技术和碎软煤层煤层气顶 板水平井分段压裂抽采技术的成功经验15-16，开始进 行煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术与装备及工 程示范应用研究。成功研制出了适合于煤矿井下裸眼 定向长钻孔分段压裂工艺技术及装备，研发了煤矿井 下具有加砂、携砂功能的大排量、高压力加砂泵组及 配套的压裂工艺技术。定向长钻孔分段水力压裂技术 与装备在山西阳泉17-18，陕西韩城19-20、黄陵21-22、彬 长，河南焦作23-24，神东25-26和山东兖州27-28等矿区 大量工程中推广应用，形成了适合不同地质条件的煤 矿井下裸眼定向长钻孔差异化水力压裂技术工艺体系。 针对煤炭智能开采和地质灾害区域治理的需要，提出 了下一步开展井下水力压裂装备和井地联合分段水 力压裂技术的发展构想，以供读者借鉴。 1煤矿井下煤岩层裸眼分段压裂技术及工具 1.1分段压裂技术 分段压裂是保障煤岩长钻孔能形成规模、连续、 均匀裂缝缝网的关键技术。20 世纪 80 年代国内外开 始分段压裂技术研究，到 2007 年，分段压裂技术已成 为地面非常规油气开发的主体技术，形成了裸眼封隔 器滑套、泵送桥塞、固井滑套、双封单卡提管柱、管 内封隔器和水力喷射加砂等地面油气井分段压裂技 术29-32。煤矿井下分段压裂技术工程实践应用，始于 2016 年山西阳泉寺家庄煤矿 15117 工作面 15 号煤底 板梳状长钻孔分段压裂增透瓦斯抽采33-34，随着煤矿 分段压裂技术在煤层瓦斯增透高效抽采、坚硬顶板强 矿压灾害治理中的实践及推广应用，逐步形成了适合 于煤矿井下煤岩层裸眼长钻孔分段水力压裂工艺技术35。 煤矿井下分段压裂技术，总体上可划分为不动管柱裸 眼分段压裂和动管柱裸眼分段压裂。不动管柱裸眼分 段压裂是根据钻孔压裂段数和每段段长将预设封隔器 随压裂油管一次性送入孔中，然后利用油管注水将孔 中所有封隔器膨胀座封，再采用投球方式依次打开压 差滑套由里向外逐段压裂的分段压裂方式；动管柱裸 眼分段压裂即双封单卡拖动式分段压裂是根据钻孔 每段压裂段长将 2 个预设一定间距的封隔器随压裂油 管送入孔底，利用油管注水使封隔器膨胀座封，然后继 续注水压裂直至煤岩层被压裂开，压裂完毕后解封封 隔器，再将封隔器拖动至预定位置，重复上述压裂步骤， 由里向外依次完成整个煤岩钻孔压裂的一种分段压裂 方式。不动管柱分段压裂工艺相对简单，但在孔径一 定的情况下，钻孔分段压裂的段数有限，而动管柱分段 压裂工艺相对复杂，但每个钻孔压裂段数可根据实际 需要合理设定。 1.2分段压裂工具 分段压裂工具的主要功能是将煤岩长钻孔分成不 同的压裂段，并输送压裂液对每段煤岩层进行逐段压 裂。不动管柱裸眼分段压裂工具主要由引鞋、单流阀、 压差滑套、逐级封隔器、丢手和油管等部件构成，动管 柱裸眼分段压裂工具主要由引鞋、单流阀、封隔器、 节流器、丢手和油管等部件构成。两类分段压裂工具 组合如图 1 所示。“十三五”期间针对井下裸眼钻孔 分段压裂技术要求、煤岩层地质特征和钻孔尺寸等情 况，设计并研制出了73 mm 和89 mm 两种规格型号 的煤矿井下裸眼分段压裂工具，工具耐压能力整体达 到 70 MPa 以上，满足 89133 mm 孔径压裂的需要。 在煤层瓦斯增透高效抽采和矿压灾害治理等现场进行 了大量的分段压裂工程实践应用，不动管柱裸眼分段 压裂工具在 120 mm 孔径中实现了 5 段 530 m 孔深的 分段压裂，动管柱裸眼分段压裂在工程实践实现了单 孔 17 段、孔深 800 m 的分段压裂。 1 2 3 4 5 6 7 8 1油管；2钻孔；3丢手；4封隔器 2；5定压截流器； 6封隔器 1；7单流阀；8引鞋 b 动管柱 2 13 4 5 6 7 8 9 10 11 1油管；2钻孔；3丢手；4逐级封隔器 3；5二级投球 滑套；6逐级封隔器 2；7一级投球滑套；8逐级封隔器 1； 9压差滑套；10单流阀；11引鞋 a 不动管柱 图 1 煤矿井下裸眼分段水力压裂工具组合 Fig.1 Schematic diagram of open hole staged hydraulic fracturing tool combination in underground coal mine 2煤矿井下高压力大排量压裂泵组 压裂泵组是压裂施工作业的主要动力设备。煤矿 井下压裂泵组一般由压裂泵、电机、启动箱和水箱等 4 大部件构成，目前国内井下长钻孔压裂一般使用 BYW 型36和 BRW 型37压裂泵组。BYW 型压裂泵组额定 第 8 期孙四清等煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势 3 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 排量达到 1.45 m3/min，额定工作压力达 65 MPa，额定 功率 400 kW，具有远程操控、实时存储压裂相关参数 的功能。BRW 型压裂泵组的双泵并联排量达到 0.8 m3/min，额定工作压力达到 40 MPa，额定功率 710 kW。从油气和地面煤层气开发实践经验来看，携 砂压裂是保障煤岩层压裂增透、实现稳产高产的重要 措施，目前 BYW 型和 BRW 型压裂泵均不具备高压 力大量携砂、过砂能力，“十三五”期间中煤科工集团 西安研究院有限公司分别研制了煤矿井下低压端加砂 压裂泵组和高压端加砂压裂装置，解决了井下无加砂 压裂装备的难题。 2.1低压端加砂压裂泵组 低压端加砂压裂是在压裂泵组前端安置混砂装置， 将支撑剂与压裂液均匀混合后，由低压管汇将悬混有 支撑剂的压裂液送入到高压泵组进行加压加速，然后 由高压管汇输送至压裂钻孔及煤岩层中，实现煤岩层 加砂压裂。根据低压端加砂压裂思路，设计并研制了 适合于煤矿井下大排量、高压力、大砂比携砂过砂能 力的 BYWS-30/1000 型加砂压裂泵组38，该装备设 计构成和实物如图 2 所示。BYWS-30/1000 型加砂 压裂泵组主要由压裂泵、电机、控制柜、水箱和加砂 混砂装置及远程监测操控平台等部件构成，其额定功 率 1 000 kW，最大压力 70 MPa，最大排量 90 m3/h，高 压泵携砂过砂比达 20，过砂粒径最大达 1 mm。装 备操作运行采用远程操控，能够实时监测并存储泵组 工作压力、流量、砂比等压裂关键参数，为加砂压裂施 工安全判别及压裂效果分析及时提供依据。 压裂泵电机控制柜水箱加砂混砂装置 a 泵组设计 b 泵组实物 图 2 煤矿井下低压段加砂压裂泵组 Fig.2 Fracturing pump set with sand at low pressure end in underground coal mine 采用该泵组在山西阳泉新景矿煤业公司保安区北 六、北七的 3 号煤层顶板岩层，进行了煤矿井下低压 端加砂分段压裂瓦斯抽采工程应用试验。压裂过程泵 注压力 21.329.6 MPa，泵注排量 48.063.5 m3/h，钻孔 累计注入液量分别是 963.9 m3和 1 844.7 m3，单段压 入液量为 153.8235.1 m3/段；钻孔累计加入支撑剂量 分别是 13.1 t 和 23.4 t。BYWS-30/1000 型加砂压裂 泵组的研制以及工程试验成功应用，表明了该装备在 高压力、大流量条件下具有较好的携砂压裂能力。 2.2高压端加砂压裂装置 高压端加砂压裂是指在连接压裂泵组与压裂钻孔 之间的高压管汇中嵌入加砂装置，在压裂施工作业过 程中向高压管汇添加支撑剂，利用高压管汇中高压、 高速运行的压裂液携带进入到压裂钻孔及煤岩层中， 实现煤岩层加砂压裂目的。研制的煤矿井下高压端加 砂压裂装置39-41如图 3 所示。主要由混砂仓、携砂仓、 控制阀等 3 大部件构成，其中混砂仓两端呈半球状、 中间为长 2.74 m、直径 0.50 m 的圆筒状结构，混砂仓 容积达 450 L，可一次连续加注石英砂 750 kg；携砂仓 两端呈圆锥状，中间为长 2.57 m、直径 0.21 m 的圆筒 状结构；混砂仓与携砂仓之间由控制阀连接，远程控制 加砂装置的开启与关闭。该装置整体耐压能力在 55 MPa 以上，采用远程遥控加砂，利用压裂液旋流作 用均匀加砂，便于煤矿井下安全使用。 采用该装置在淮南潘三矿 2131 工作面 C131煤层 的穿层钻孔中进行了压裂工程试验应用41，实现单孔 压入水量 316 m3，加砂量 150 kg，泵注压力达 34 MPa， 加砂压裂后钻孔瓦斯抽采纯量是清水压裂钻孔的 2.38 倍。高压端加砂压裂装置的研制及现场工程试验 成功应用，有效解决了常规清水压裂泵无法大量加砂 4 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 压裂的技术与装备难题。 3定向长钻孔分段压裂煤岩层瓦斯高效抽采技术 煤矿安全规程2022 年和防治煤与瓦斯突出 细则2019 年均强调，预抽煤层瓦斯是突出煤层和高 瓦斯煤层防治的重要举措，通过预抽可将突出煤层降 为非突、高瓦斯煤层降为低瓦斯煤层。对于不同瓦斯 地质条件的煤层，我国已经建立起了硬煤顺层钻孔预 抽、碎软煤层穿层钻孔或围岩钻孔或顺层钻孔预抽等 煤层瓦斯区域预抽方法；硬煤层预抽瓦斯钻孔深度已 达到 3 353 m42，碎软煤层围岩预抽瓦斯钻孔深度已 突破 600 m43、顺层钻孔预抽瓦斯钻孔深度已突破 500 m44。我国煤层渗透性总体较差、瓦斯预抽难度 大，预裂增透是提高煤层瓦斯预抽效果的重要举措，近 年来，在山西阳泉，陕西韩城、黄陵和彬长等典型矿区 的工程实践探索，基本形成了碎软煤层围岩梳状钻孔 分段压裂和碎软煤层围岩加砂分段压裂、硬煤层顺层 长钻孔分段压裂等区域性增透模式，煤层瓦斯预抽效 果比常规措施好。 3.1碎软煤层分段水力压裂瓦斯抽采技术 1 碎软煤层分段压裂模式 碎软煤层煤体结构整体比较破碎，具有低强度、 弱黏结、渗透率低储层条件下的特征，顺层钻孔抽采 瓦斯普遍存在钻长孔难、成孔性差、抽采效果差等难 题。为了突破碎软煤层井下大区域高效抽采技术瓶颈， 借鉴地面煤层气顶板水平井开发思路，在煤矿井下实 施煤层围岩定向长钻孔分段压裂，实现碎软煤层大区 域高效抽采瓦斯。近几年，先后在山西阳泉、陕西韩 城等典型碎软煤层矿区进行的井下煤层顶底板定向长 钻孔分段压裂抽采瓦斯探索，形成了煤矿井下顶底板 梳状钻孔分段压裂和顶板长钻孔分段压裂高效瓦斯抽 采技术。煤层顶底板梳状钻孔分段压裂技术模式是在 近邻煤层的砂岩或砂质泥岩中施工主孔，沿主孔间隔 一定距离向煤层方向开分支孔，进入煤层后并适当延 伸。整个钻孔施工完毕后，采用分段压裂方式对每个 分支钻孔由里向外逐一压裂改造，在分支钻孔与围岩 和煤层中形成复杂裂缝网络通道，使得煤层瓦斯快速 运移产出，如图 4 所示。顶板长钻孔分段压裂是沿着 紧邻煤层顶板砂岩或砂质泥岩中施工定向长钻孔，采 用加砂分段压裂工艺沿着定向长钻孔由里向外逐一压 裂，在压裂顶板岩层形成的裂缝将煤层沟通并在煤层 中进一步延伸，支撑剂被压裂液携带进入压裂缝系统 并充填其中，在煤层与顶板和钻孔之间形成稳定复杂 的裂缝网络，便于煤层瓦斯长期稳定抽采，如图 5 所示。 钻场 煤层 底板 顶板 底板 煤层 钻场 顶板 图 4 煤层顶底板梳状钻孔分段压裂 Fig.4 Staged fracturing of comb borehole in roof or floor 煤层 顶板 定向 钻场 底板 图 5 煤层顶板定向长钻孔分段压裂 Fig.5 Staged fracturing directional long-borehole in roof 2 底板梳状钻孔分段压裂 山西阳泉矿区是我国比较典型的碎软煤层矿区， 煤体结构类型从原生结构煤至糜棱煤均有，以碎裂煤、 碎粒煤和糜棱煤为主。为了探索碎软煤层大区域瓦斯 抽采技术，2016 年，在阳泉寺家庄煤矿 15117 工作面 实施了底板梳状钻孔分段压裂预抽 15 号煤层瓦斯的 井下工程应用试验，工作面煤层埋深 436536 m，煤层厚 度 2.87.4 m，平均 5.1 m，煤层瓦斯含量 7.38.6 m3/t，均 安全卸压口 安全 防护口进水口 1 进水口 2 混砂仓 冲砂装置 控制阀门 1控制阀门 2 携砂仓 a 设计 b 实物 图 3 煤矿井下高压端加砂压裂装置 Fig.3 Device of fracturing with sand at high pressure end in underground coal mine 第 8 期孙四清等煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势 5 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 值 8.1 m3/t，透气性系数为 0.011 90.197 9 m2/MPa2d， 煤体结构类型为碎粒煤和糜棱煤为主，煤的坚固性系 数 f 为 0.10.5。梳状钻孔布置在煤层底板，钻孔直径 120 mm，主孔长度 534 m，施工 4 个分支孔沟通煤层， 采用不动管柱压裂工艺，在主孔下入油管长度 490 m， 采用 6 个封隔器将主孔分 5 段进行压裂，底板梳状分 段压裂钻孔轨迹和典型段泵注压力排量曲线如图 6 所示。 压裂选用 BYW65/400 型煤矿井下压裂泵组和 73 mm 型压裂工具，钻孔累计压入水量 2 865 m3，单 段最大压入水量 611 m3，压力达到 17.2 MPa。采用全 水分法测得压裂影响半径为 4060 m，压裂钻孔百米 瓦斯抽采纯量是同区域常规钻孔的 3.53 倍。寺家庄 煤矿底板梳状钻孔分段压裂实践取得成功后，在韩城 矿区19-20和阳泉矿区45等典型碎软突出煤层中继续 开展顶底板梳状钻孔分段压裂抽采瓦斯工程应用试验， 并不断完善分段压裂技术，将不动管柱分段压裂发展 到拖动式分段压裂。 3 顶板梳状钻孔分段压裂 韩城矿区目前主要开采二叠系山西组 3 号煤层， 煤层厚度 4.07.0 m，平均 5.97 m，煤的变质程度为贫 瘦煤和贫煤。3 号煤层煤体结构以碎粒煤和糜棱煤为 主，煤的坚固性系数 f 为 0.10.5，煤层透气性系数为 0.072 90.229 m2/MPa2d，煤层瓦斯含量为 6.75 9.80 m3/t，煤层瓦斯压力达 2.5 MPa，是典型碎软低渗高 突煤层。2018 年，在陕西韩城桑树坪二号井北胶带大 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100200300400500600 上下位移/m 钻孔水平投影长度/m 15 号煤顶板 15 号煤底板 实钻轨迹 探测底板 探测顶板 1-1 分支, 168 m 见煤, 208 m 见顶 1-2 分支, 217 m 见煤, 263 m 见顶 1-3 分支, 349 m 见煤, 370 m 见顶 1-4 分支, 421 m 见 煤, 445 m 见顶 1 号主孔, 498 m 见煤, 528 m见顶 封隔器 6 25 m 封隔器 5 68.8 m 投球滑套 4 79.6 m 封隔器 4 110.3 m 投球滑套 3 139.2 m 封隔器 3 290.7 m 投球滑套 2 313.6 m 封隔器 2 365.4 m 投球滑套 1 376.2 m 封隔器 1 458.2 m 压差滑套 490.2 m a 分段压裂钻孔轨迹 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 111828 120008 124148 132328 140508 144648 152828 161008 165148 173328 181508 185648 193828 注入流量/m3h1 注水压力/MPa 时间 hms 注水压力注入流量 b 分段压裂泵注参数 图 6 底板梳状钻孔轨迹和分段压裂泵注参数曲线 Fig.6 Drilling trajectory and pump injection parameters curve of staged fracturing in the floor comb-borehole 6 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 巷 3309 工作面 3 号煤层顶板实施了梳状定向长钻孔分 段压裂抽采瓦斯工程试验。梳状钻孔主孔长为 588 m， 开了 8 个分支钻孔，钻孔直径为 98 mm，主孔距 3 号煤 层最大距离为 5.27 m。在主孔按照 4 段对整个梳状钻 孔进行了分段水力压裂，钻孔轨迹和泵注压裂曲线如 图 7 所示。 0 2 4 6 8 10 182010193210204410215610230810232010 泵注压力/MPa 时间 hms b 分段压裂泵注参数 a 分段压裂钻孔轨迹 1.77 m 2.64 m 2.86 m 5.27 m 3.38 m 1.15 m 2.70 m 3.89 m 3.28 m 200 220 240 260 高程/m 200 220 240 260 高程/m 1-1 号, 148 m 1-2 号, 210 m 1-3 号, 237 m 1-4 号, 294 m 1-5 号, 333 m 1-6 号, 399 m 1-7 号, 471 m 1-8 号, 534 m 主孔, 588 m 图 7 顶板梳状钻孔轨迹和分段压裂泵注参数曲线 Fig.7 Drilling trajectory and pump injection parameters curve of staged fracturing in the floor comb borehole 压裂选用 BYW65/400 型煤矿井下压裂泵组和 73 mm 型分段压裂工具，整个钻孔累计压入液体量 为 2 012 m3，压裂最大泵注压力为 8.74 MPa，采用全水 分分析测得压裂影响半径最大值为 39.6 m，最小值为 20.3 m。钻孔分段压裂完毕后，监测 73 d 钻孔抽采瓦 斯纯量为 4802 776 m3/d，平均 1 559 m3/d，百米钻孔 瓦斯抽采量均值是同区域常规钻孔的 4.8 倍。先后在 韩城矿区王峰煤矿、桑树坪二号井和下峪口等煤矿的 3 号煤层中进行分段水力压裂工程示范应用，均取得 较好效果，形成了适合于韩城矿区碎软低渗高突煤层 区域增透瓦斯高效抽采治理模式。 4 顶板定向长钻孔加砂分段压裂 针对梳状钻孔开分支工艺复杂且效率低，清水压裂 压裂缝易收缩、影响瓦斯抽采效果等不足，提出了碎 软煤层顶板定向长钻孔加砂分段压裂工艺，即直接压 裂煤层顶板以将煤层沟通，实现煤层瓦斯高效预抽。 2020 年，在阳泉新景煤矿保安区三北轨道巷 3 号煤层 顶板实施 2 个定向长钻孔并进行加砂分段压裂，预抽 3 号煤层瓦斯。施工作业区煤层埋深 458.9558.2 m，煤 层厚度 2.12.7 m，煤体结构类型以碎粒煤、糜棱煤和碎 裂煤为主，煤的坚固性系数f 值为 0.30.8，煤层瓦斯 含量 16.0 m3/t，煤层透气性系数为 0.001 16 m2/MPa2d， 钻孔瓦斯流量衰减系数 0.597 d1。压裂选用 BYWS- 30/1000 型加砂压裂泵组，采用89 mm 型双封单卡拖 动式泵注分段压裂工具。2 个钻孔分段压裂施工参数 和瓦斯抽采情况见表 1，钻孔轨迹和分段压裂泵注参 数如图 8 所示。 表1煤矿顶板定向长钻孔加砂分段压裂施工参数与瓦斯抽采效果 Table1Pumpinjectionparametersofstagedfracturingwithsandandgasdrainageinroofdirectionallong-borehole 孔号孔长/m孔径/mm段距/m卡距/m段数 泵注压 力/MPa 单段 液量/m3 累计 液量/m3 单段 加砂量/t 累计 加砂量/t 瓦斯抽采 纯量/m3d1 甲烷 体积分数/ 1609 120 5075 7.8 6 21.329.6153.8235.1 963.9 1.763.49 13.11 02544.0 260950101 844.723.42 81123.2 压裂前后综合探测获得钻孔加砂分段压裂影响半 径为 2038 m，2 个钻孔 100 d 抽采纯甲烷量均值分别 为 1 025 m3/d 和 2 811 m3/d，顶板加砂分段压裂钻孔百 米瓦斯抽采纯量是同区域顺煤层未压裂钻孔瓦斯抽采 量的 5.615.4 倍，取得了良好的应用效果。该技术可 在我国碎软突出煤层瓦斯灾害区域防治或井下煤层气 第 8 期孙四清等煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势 7 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 开发中推广应用。 3.2硬煤层分段水力压裂瓦斯抽采技术 硬煤层煤体结构相对完整，煤体具有较高的抗拉、 抗压和抗剪强度，外力作用下变形小，易于顺煤层钻进 和钻后成孔，也有利于水力压裂封孔器座封，硬煤层压 裂一般采用顺层长钻孔分段压裂增透抽采瓦斯，如