熊 偉，彭明輝，巴全斌

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

隨著煤炭地下開采深度的增加，煤層地應力、瓦斯壓力等越來越大，導致井下瓦斯治理難度顯著增大，煤層瓦斯預抽仍是煤礦安全生產(chǎn)的必要技術手段[1-3]。但對于低滲透高瓦斯煤層，采用常規(guī)的抽采方式，瓦斯治理效果均不理想，國內(nèi)科研人員對如何進行強化抽采瓦斯技術開展了深入研究，主要集中在2個方面：一是松動爆破法，如中深孔爆破、聚能爆破、水壓爆破等[4-6]；二是水力化措施，如水力擠出、水力沖孔、水力割縫和水力壓裂等[7-10]。由于水力化措施取材方便、施工相對簡單，已成為煤層增透的技術應用研究熱點。

現(xiàn)有的水力化增透技術，主要集中于對增透理論、施工工藝及設備的研究[11-15]，尤其是高壓設備方面，已經(jīng)形成了最大壓力達到100 MPa的技術裝備[16]，取得了較好的水力化增透效果。但由于井下工作環(huán)境的特殊性，大型設備無法有效使用，而水力化措施的增透效果又對水介質(zhì)的工作壓力有較高要求，因此，如何利用小型化的泵組提供足夠的工作壓力影響著水力化增透技術的進一步推廣。筆者研究的降阻劑，能通過降低水介質(zhì)在管道中流動時的壓力損失來保障實際工作壓力，從而提高水力化措施的增透效果，也能減少設備體積對水力化增透技術應用的限制。

1 降阻劑組分優(yōu)選研究

流體介質(zhì)在管道中流動時，由于摩擦阻力的作用，流體流動性會被限制并增大其能量消耗，會造成水力作業(yè)點壓力明顯小于高壓泵出口壓力。降阻劑主要是通過其所具有的長鏈高分子結構來抑制流體在管道內(nèi)切向流動，并將所吸收的湍流能量轉換為層流能量，達到增強軸向流動的效果，從而減少流體流動能量損耗、降低管道內(nèi)的摩擦阻力[17]。目前，常見的降阻劑類型包括線性膠、高分子聚合物、乳液聚合物和交聯(lián)聚合物4類[18-20]，將分屬上述4類的胍爾膠、UG-3、DR-12和EM30共4種降阻劑作為研究對象，對其各項性能進行對比測試，優(yōu)選出適用于煤礦井下水力化增透措施的降阻劑。

1.1 熱穩(wěn)定性測試

在清水中分別加入質(zhì)量分數(shù)為5%的胍爾膠、UG-3、DR-12和EM30，攪拌1 min制備實驗液，將等量的4種實驗液在20、40、60、80 ℃的恒溫水浴中靜置，并觀測不同溫度條件下4種實驗液靜置2、4、6 h 后的變化。觀察表明，4種實驗液在4個溫度條件下，各觀測時間點均未出現(xiàn)分層、沉淀、顏色變化等現(xiàn)象，也無氣體產(chǎn)生，說明4種降阻劑具有良好的熱穩(wěn)定性。

1.2 降阻性測試

將4種降阻劑分別與清水配制成質(zhì)量分數(shù)為0.1%的實驗液，參照SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術條件》中的相關要求[21]，采用如圖1所示的多功能流動回路儀，先測定清水在流速60 L/min條件下，通過直管段(內(nèi)徑為10 mm、長度為1.5 m)時的前后端壓差，再測試4種降阻劑實驗液在相同條件下的壓差，進而計算出降阻劑的降阻率，其計算公式為：

1—儲液罐；2—開關；3—動力泵；4—測試管段；5—熱交換器；6—壓差傳感器。

式中:K為降阻率，%；Δp1為清水通過測試管段時管段前后端壓差，MPa；Δp2為實驗液通過測試管段時管段前后端壓差，MPa。

降阻率測試結果見表1，可以看出，使用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的降阻劑后，降阻率均達到了50%以上，其中DR-12型乳液聚合物降阻劑的降阻率接近70%。

表1 實驗液降阻率測試結果

1.3 黏度及耐溫性能測試

使用流變儀對質(zhì)量分數(shù)為0.1%的4種降阻劑實驗液進行黏度測量與耐溫性實驗，實驗選取的剪切速率為170 s-1，初始溫度為21.5 ℃，升溫15 min后到60 ℃，讀取并記錄在加熱過程中黏度出現(xiàn)的最大值，測試結果如表2所示。

表2 實驗液黏度及耐溫性能測試結果

由表2可以看出，4種降阻劑實驗液的黏度比清水提高了2～5倍，且在溫度升高過程中，實驗液黏度最大值均未超過3 mPa·s。4種降阻劑都具有低黏特性，黏度隨溫度的變化較小，耐溫性能十分穩(wěn)定。

1.4 剪切穩(wěn)定性與流變特征

利用流變儀對4種降阻劑實驗液進行流變剪切性能測試，實驗結果如圖2所示。

圖2 降阻劑流變剪切性能圖

從圖2中可以看出，實驗液在低剪切速率(小于等于100 s-1)條件下，大部分實驗液表觀黏度超過了10 mPa·s；在剪切速率大于等于300 s-1條件下，表觀黏度相對較低且基本穩(wěn)定。4種降阻劑均體現(xiàn)了明顯的非牛頓體特性，具有較好的剪切穩(wěn)定性，且顯示了剪切變稀的特征，尤其以DR-12和EM30兩種降阻劑表現(xiàn)得更加明顯。這就使得添加降阻劑水介質(zhì)在管路中高速流動狀態(tài)下，由于表觀黏度低、穩(wěn)定性好，對降低流動阻力具有顯著作用；而在水介質(zhì)作用于煤體后，水介質(zhì)從鉆孔內(nèi)低速流出，這時降阻劑表現(xiàn)出較高的表觀黏度，能夠使水力化措施產(chǎn)生的煤渣等盡量懸浮在水介質(zhì)中，并被攜帶出鉆孔，提高鉆孔成孔率。

1.5 降阻劑優(yōu)選結果

4種常用降阻劑的主要性能對比測試結果表明，其均具有較好的熱穩(wěn)定性和耐溫性，降阻性和流變特性也都達到了水力增透措施所需的降阻攜渣要求。綜合對比，DR-12型乳液聚合物降阻劑各項性能優(yōu)勢更加明顯，因此，將其選定為煤礦井下水力化措施用的降阻劑，并開展相關性能研究，考察其應用效果。

2 不同工況條件降阻劑性能研究

2.1 降阻劑添加比例與降阻特性的關系

由于降阻劑具有明顯非牛頓體特性，降阻劑在不同流速條件下所需的使用比例不同。采用多功能回路儀中內(nèi)徑10 mm、管長1.5 m的直管段測定不同質(zhì)量分數(shù)條件下DR-12降阻劑的降阻率與流速的相互關系，結果如圖3所示。

圖3 不同添加比例降阻劑降阻率與流速變化關系曲線

從圖3中可以看出，在0～15 L/min的流速條件下，所有添加了降阻劑的實驗液的降阻率基本相當，但均不明顯；在流速為20～65 L/min時，添加質(zhì)量分數(shù)為0.09%的降阻劑的實驗液降阻率最高。低添加比例的實驗液在流速升高到一定值后衰減十分明顯，而添加比例越高的實驗液，在高流速狀態(tài)下的降阻率穩(wěn)定性更好。

2.2 管徑與降阻特性的關系

由于不同水力增透措施輸送水介質(zhì)所用的高壓管路內(nèi)徑不盡相同，因此，測試在管長1.5 m、內(nèi)徑分別為6、15 mm的直管段內(nèi)，DR-12降阻劑的降阻率在不同質(zhì)量分數(shù)條件下與流速之間的相互關系，結果如圖4所示。

圖4 不同管徑不同降阻劑使用比例時降阻率變化圖

由圖4可知，在管徑 6 mm 管道中，添加質(zhì)量分數(shù)為0.06%降阻劑的實驗液降阻率較好；在管徑 15 mm 管道中，添加質(zhì)量分數(shù)為0.20%降阻劑的實驗液降阻率更高。

綜合分析圖3、圖4優(yōu)選出的不同管徑中DR-12降阻劑的最佳添加比例可以看出，隨著管徑的增大，需要添加更大質(zhì)量分數(shù)的降阻劑才能保證降阻劑的降阻效果。

3 現(xiàn)場應用及效果考察

在王坡煤礦3308工作面運輸巷選取地質(zhì)結構穩(wěn)定的實驗區(qū)域，施工30個鉆孔進行水力割縫增透措施效果考察。鉆孔設計深度均為100 m，鉆孔間距10 m。1#～10#鉆孔為不進行割縫處理的普通鉆孔；11#～20#鉆孔采用清水割縫；21#～30#鉆孔在清水中添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%的DR-12降阻劑進行割縫增透，割縫間距為5 m，割縫壓力80 MPa，割縫時間7 min，割縫旋轉速度80 r/min。統(tǒng)計割縫鉆孔單孔割縫出煤量并計算每個鉆孔平均單刀出煤量，結果如圖5所示。

圖5 割縫鉆孔平均單刀出煤量

由圖5可見，使用清水進行水力割縫的11#～20#鉆孔中，最小單刀出煤量為0.68 t，最大單刀出煤量為0.89 t，平均單刀出煤量為0.797 t；添加DR-12降阻劑進行水力割縫的21#～30#鉆孔中，最小單刀出煤量為0.81 t，最大單刀出煤量為1.04 t，平均單刀出煤量為0.923 t。使用降阻劑進行水力割縫后，由于降低了管路輸送過程中的阻力損失，水介質(zhì)能夠釋放更多的能量作用到煤體上，單刀出煤量增加了15.81%。

鉆孔割縫施工完成后，將1#～10#普通鉆孔、11#～20#清水割縫鉆孔、21#～30#降阻劑割縫鉆孔進行分組接抽，并考察60 d內(nèi)鉆孔的瓦斯純流量。各組鉆孔的平均抽采瓦斯純流量對比情況如圖6所示。

圖6 不同鉆孔抽采瓦斯純流量對比圖

由圖6可見，在考察周期內(nèi)，普通鉆孔的平均瓦斯純流量為0.020 m3/min，清水割縫鉆孔和降阻劑割縫鉆孔的平均瓦斯純流量分別為0.089 m3/min和0.106 m3/min。與普通鉆孔相比，清水割縫鉆孔、降阻劑割縫鉆孔抽采瓦斯純流量增加了3.45倍和4.30倍。在其他工藝參數(shù)完全相同的情況下，添加降阻劑進行水力割縫的鉆孔，抽采瓦斯純流量也比采用清水割縫鉆孔提高了19.1%。

4 結論

1)對比分析了4種常用降阻劑的熱穩(wěn)定性、降阻性、剪切穩(wěn)定性等主要性能參數(shù)，表明DR-12型乳液聚合物降阻劑具有更好的降阻及流變特性，確定其為煤礦井下水力增透措施用降阻劑。

2)研究了不同質(zhì)量分數(shù)DR-12降阻劑實驗液的降阻率隨流速及流通管道內(nèi)徑的變化規(guī)律，得到了不同工況條件下降阻劑的最優(yōu)使用比例和確定方法，為降阻劑在水力增透措施現(xiàn)場使用提供了技術支撐。

3)現(xiàn)場應用結果表明，開展水力割縫增透時，在清水中加入0.1%的降阻劑，割縫出煤量和成縫空間均有明顯增加，平均抽采瓦斯純流量相較于普通鉆孔增加了4.30倍，也比用清水割縫增透的鉆孔抽采瓦斯純流量提高了19.1%。