賈秉義，李樹剛，陳冬冬，林海飛，鄭凱歌，孫四清，趙繼展

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

瓦斯災(zāi)害仍然是煤礦生產(chǎn)的重要威脅，制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于地面煤層氣勘探開發(fā)工作中，對推動我國煤礦瓦斯資源化開發(fā)利用，保障煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用[1-4]。為了解決煤層透氣性差、預(yù)抽鉆孔抽采流量衰減速度快、濃度低等問題，相關(guān)學(xué)者將地面煤層氣水力壓裂技術(shù)引入了煤礦井下，并開展了大量的研究和試驗工作。孫四清[5]、賈秉義[6]、鄭凱歌[7]等開展了定向長鉆孔水力壓裂增透瓦斯抽采技術(shù)研究與工程實踐，壓裂后，瓦斯抽采效果較常規(guī)措施提升顯著。陳冬冬等[8]總結(jié)了定向長鉆孔水力壓裂增透瓦斯抽采技術(shù)體系，并分析了不同工藝的應(yīng)用情況。然而上述研究主要以清水壓裂為主，相比于清水壓裂，加砂壓裂能夠延緩裂縫閉合，增加鉆孔有效抽采時間，提高瓦斯抽采效果[9-10]，因此部分學(xué)者在煤礦井下開展了加砂壓裂探索。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司在山西陽泉礦區(qū)新景煤礦開展了定向長鉆孔低壓端分段加砂壓裂實踐，加砂壓裂后最高日產(chǎn)氣量大于2 000 m3，增透效果顯著[11-12]。陳建等[13]用圓柱形鋼質(zhì)腔體焊接加工了高壓端加砂裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場工程試驗。但是由于該裝置內(nèi)壓裂液為單向流，混砂效果較差，且體積有限，單次儲砂量較小，無法實現(xiàn)有效混砂和連續(xù)加砂壓裂，易出現(xiàn)砂堵，導(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用工藝復(fù)雜。因此，雖然開展了煤礦井下加砂壓裂研究，但是受井下作業(yè)空間、供水供電及防爆要求等條件限制，地面水力加砂壓裂裝備無法直接應(yīng)用于煤礦井下，當(dāng)前煤礦井下仍然以清水壓裂為主。再者，由于低壓端加砂壓裂需專門的混供砂裝備，壓裂系統(tǒng)較復(fù)雜，對作業(yè)空間、供電等配套條件要求較高，推廣應(yīng)用受到一定限制。因此研究開發(fā)高壓端加砂壓裂裝備，對于提高煤礦井下水力加砂壓裂技術(shù)的適用性具有重要意義。

為了克服現(xiàn)有裝備和技術(shù)的不足，結(jié)合煤礦井下實際，筆者提出了煤礦井下高壓端連續(xù)加砂壓裂的思路，并開展了煤礦井下高壓端連續(xù)加砂壓裂裝備及配套工藝技術(shù)的研發(fā)，以期為煤礦井下水力加砂壓裂提供裝備和技術(shù)支撐。

1 高壓端連續(xù)加砂裝備研發(fā)

1.1 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂技術(shù)

高壓端水力加砂壓裂，是在壓裂之前將石英砂(或者其他類型支撐劑)裝入位于壓裂泵和鉆孔之間的加砂裝備中，壓裂液經(jīng)過壓裂泵加壓后進(jìn)入加砂裝備，對石英砂進(jìn)行沖擊擾動實現(xiàn)混砂，之后在高壓水的沖擊裹挾下經(jīng)高壓管路進(jìn)入地層裂縫中(圖1)?！斑B續(xù)”是指壓裂之前裝入加砂裝備中的石英砂能夠滿足一個或者多個穿層鉆孔的加砂壓裂。

圖1 高壓端水力加砂壓裂技術(shù)Fig.1 Hydraulic sand fracturing technology at high pressure side

由于水力壓裂過程中加砂裝備處于高壓狀態(tài)，為了確保水力壓裂過程安全可控，高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備需滿足以下條件：沒有外部動力條件下，密閉空間內(nèi)能夠有效混攜砂；可遠(yuǎn)程控制，操作簡單；在煤礦井下受限空間內(nèi)，裝備體積大，能儲存足夠量的石英砂，實現(xiàn)連續(xù)供砂。

1.2 高壓端密閉混供砂原理

基于1.1 節(jié)中的技術(shù)思路、工作條件及要求，根據(jù)文丘里原理，高壓流體流經(jīng)不同管徑，流速和流態(tài)會發(fā)生變化[14-15]，使壓裂液在高壓容器內(nèi)形成旋流，進(jìn)而沖擊混砂[16]，據(jù)此提出了高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備的設(shè)計思路(圖2)。該裝備主要包括混砂倉和攜砂倉兩部分，二者采用閥門連接。通過閥組的控制使壓裂液由混砂倉向攜砂倉形成快速流動，通過供液通道直徑的變化，使壓裂液在裝置內(nèi)形成旋流，壓裂液進(jìn)入攜砂倉之后與從攜砂倉進(jìn)液口進(jìn)入的壓裂液進(jìn)一步混合，之后進(jìn)入高壓管路，注入壓裂鉆孔。

圖2 液流沖擊式混砂裝備設(shè)計原理Fig.2 Design principle of fluid flow impact sand mixing equipment

1.3 裝備研制

在1.1 節(jié)和1.2 節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備整體結(jié)構(gòu)(圖3)及各部件具體參數(shù)(表1)，并據(jù)此加工了裝備。其中混砂倉總長度2 740 mm，中間為內(nèi)徑500 mm 的圓筒，兩端為與之相連的半球?；焐皞}上設(shè)置有2 個進(jìn)液口、1 個安全泄壓口、1 個安全防護(hù)口以及2 個出水出砂口。為了進(jìn)一步提升裝備的混砂效果，在混砂倉進(jìn)液口設(shè)置了“h”形沖砂管，沖砂管出水口帶有一定角度，且與混砂倉出水出砂口錯開一定距離。攜砂倉整體長度為2 566 mm，中間為一內(nèi)徑209 mm 的圓筒，兩端為與中軸線成48°夾角的圓錐體。攜砂倉兩端分別設(shè)置有進(jìn)液口、出液口，側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水進(jìn)砂口?；焐皞}的出水出砂口與攜砂倉的進(jìn)水進(jìn)砂口通過控制閥門連接。

圖3 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structure composition of high pressure side continuous hydraulic sand fracturing equipment

加工裝備額定耐壓能力達(dá)55 MPa，一次可裝石英砂750 kg，可滿足煤礦井下大部分工況需求。裝備主要參數(shù)見表1。

表1 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備參數(shù)Table 1 Parameters of continuous hydraulic sand fracturing equipment at high pressure side

2 混攜砂效果分析與驗證

在裝置設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展了數(shù)值模擬和實驗室仿真實驗，以進(jìn)一步驗證在該裝置條件下液流沖擊混攜砂效果。需要說明的是，由于該裝置為非標(biāo)裝置，故數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗僅從宏觀上對裝置的混攜砂效果進(jìn)行驗證。

2.1 液流沖擊式混攜砂數(shù)值分析

高壓端連續(xù)加砂裝備內(nèi)的液體流動可視為不可壓縮的穩(wěn)定流動，符合質(zhì)量和動量守恒定律[17]。其基本控制方程由連續(xù)性方程和Navier-Stokes 方程構(gòu)成，其中連續(xù)性方程為：

式中：u、v、w分別為速度在x、y、z方向的分量，m/s。

Navier-Stokes 方程為：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；μ為水的動力黏度系數(shù)，Pa·s；t為時間，s；U為速度，m/s；p為流體微元體上的壓力，Pa；Fx、Fy、Fz分別為單位體積上質(zhì)量力在x、y、z方向的分量，N。

在受限的密閉空間內(nèi)，隨著高壓流體的持續(xù)注入，基于出入口直徑差異和液體流向的改變形成的旋流狀態(tài)，可以有效實現(xiàn)混砂。

依據(jù)研發(fā)的加砂裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)等比例建立了數(shù)值計算模型，采用Fluent 數(shù)值模擬軟件對裝備的混攜砂性能進(jìn)行模擬分析。采用Multiphase 中的Eulerian 多相流模型，Viscous Model 選擇K-Epsilon模型，采用一階迎風(fēng)格式對其進(jìn)行離散。邊界條件設(shè)置為壓裂之前混砂倉中裝入總?cè)莘e50%的20～40 目(0.425～0.850 mm)石英砂，注入流量為200 L/min，系統(tǒng)壓力15 MPa。分析不同時間混砂倉內(nèi)石英砂分布和攜砂倉出口處石英砂的體積分?jǐn)?shù)，反映裝備的混攜砂能力，模擬結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 液流沖擊下不同時間裝置內(nèi)石英砂分布特征Fig.4 Distribution characteristics of quartz sand in the device at different times under the impact of liquid flow

圖5 液流沖擊下裝置出口處石英砂體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.5 Volume fraction of quartz sand at the outlet of the device atdifferent times under the impact of liquid flow

由圖4 可以看出，受高壓水沖擊，石英砂在裝置中處于運動狀態(tài)，沖擊時間不同，石英砂運動分布特征也不相同。由圖5 可以看出，初始階段(0～1 s)由于混砂倉中的石英砂剛剛進(jìn)入攜砂倉，還未到達(dá)攜砂倉出口，因此，出口處石英砂體積分?jǐn)?shù)為0，1～2 s 出口處的石英砂體積分?jǐn)?shù)急劇增加，攜砂倉中的石英砂到達(dá)出口。2～8 s 出口處的石英砂體積分?jǐn)?shù)增速逐漸變化，在8 s時，出口處石英砂的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大。混砂倉中石英砂一定，隨著混砂過程的進(jìn)行，混砂倉中總砂量越來越少，出口處石英砂體積分?jǐn)?shù)越來越小。模擬分析結(jié)果顯示，研發(fā)的裝備在流量較小且高壓狀態(tài)下能夠有效實現(xiàn)混砂和攜砂。

2.2 液流沖擊式混砂實驗驗證

為了進(jìn)一步驗證液流沖擊式混砂的可行性，仿照研發(fā)的高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備設(shè)計了室內(nèi)仿真模擬實驗裝置(圖6a)。該裝置同樣由混砂倉和攜砂倉組成，材料為透明有機(jī)玻璃板，耐壓0.2 MPa。其中混砂倉為一處于倒立狀態(tài)，斷面為等腰三角形的箱體，頂部設(shè)置有進(jìn)液口1、進(jìn)液口2、加砂泄壓口。攜砂倉為一圓柱，兩端分別為進(jìn)液口和出液口。混砂倉與攜砂倉通過兩個控制閥連接。實驗裝置參數(shù)見表2。

圖6 實驗裝置及控制系統(tǒng)Fig.6 Experimental device and control system

表2 模擬實驗裝置參數(shù)Table 2 Parameter table of experiment device

實驗裝置配套了由閘閥、球閥、壓力表、鋼絲軟管等組成的供液和控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)左側(cè)為主管路，連接供液裝置，右側(cè)為壓力表和分支管路，分別連接混砂倉上的進(jìn)液口1、進(jìn)液口2，以及攜砂倉上的進(jìn)液口，通過不同閥門的開啟與閉合實現(xiàn)液流方向的調(diào)整(圖6b)。其中閘閥1 所在管路連接至攜砂倉的進(jìn)液口，閘閥2 和球閥1 所在管路連接至混砂倉上部的進(jìn)液口1 和進(jìn)液口2。攜砂倉出水口通過管路連接至裝有濾網(wǎng)的水箱中。由于實驗系統(tǒng)耐壓能力低，而管路直徑相對較大，系統(tǒng)內(nèi)液體流速慢，攜砂能力較低，為了防止支撐劑沉降，實驗用支撐劑密度為1.07 g/cm3，規(guī)格20～40 目(0.425～0.850 mm)的超低密度聚合物，壓裂液為清水。

實驗系統(tǒng)連接完成后，關(guān)閉所有控制閥門，向混砂倉中加入超低密度聚合物，開啟閘閥1 使壓裂液通過攜砂倉。觀察壓力表1 壓力變化情況，之后部分開啟控制閥1，同時開啟閘閥2，使壓裂液進(jìn)入混砂倉沖擊超低密度聚合物，同時觀察壓力表2 變化情況，注意混砂倉內(nèi)超低密度聚合物沖擊情況。待壓力升至接近0.2 MPa 時完全開啟控制閥1，此時觀察混砂倉內(nèi)超低密度聚合物分布情況以及攜砂倉內(nèi)超低密度聚合物運動情況。開啟控制閥2，緩慢開啟球閥1，注意壓力表3變化情況，觀察此時混砂倉內(nèi)超低密度聚合物分布情況和攜砂倉內(nèi)超低密度聚合物運動情況，直至球閥1完全開啟。

通過實驗可以看出，在控制閥門均關(guān)閉的情況下，位于底部的支撐劑在高壓水的沖擊作用下呈懸浮狀態(tài)，說明由混砂倉頂部進(jìn)入的高壓水對支撐劑具有良好的沖擊作用。在控制閥開啟的情況下，支撐劑明顯向閥門方向流動，之后進(jìn)入攜砂倉隨高壓水進(jìn)入管路。實驗過程中還可通過調(diào)節(jié)不同閥門的開合程度來控制壓裂液流量的大小，進(jìn)而調(diào)整壓裂液的混砂和攜砂能力。實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了研發(fā)的裝置在原理上可行，能夠?qū)崿F(xiàn)支撐劑的沖擊和攜帶。

3 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備控制系統(tǒng)

3.1 連接與控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)研發(fā)的高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備，本著安全可控、節(jié)能環(huán)保、操作便捷的原則設(shè)計煤礦井下高壓端連續(xù)水力加砂壓裂系統(tǒng)，如圖7 所示。該系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程控制、高壓加砂裝備(由混砂倉、攜砂倉和氣動加砂閥組成)、壓裂泵、氣動控制面板以及高壓管路(圖7 中由壓裂泵到鉆孔方向的實線)和氣動控制管路。其中混砂倉與攜砂倉并聯(lián)設(shè)置，二者通過氣動加砂閥連接，混砂倉上設(shè)置有氣動卸壓閥和安全閥。壓裂泵通過四通分別與混砂倉的進(jìn)液口、攜砂倉的進(jìn)液口、氣動控制面板4 的進(jìn)液口連接，攜砂倉的出液口與氣動控制面板4 的出液口均通過三通和氣動控制面板5 與鉆孔連接。

該系統(tǒng)包括相互并聯(lián)的3 個過液通道，不同過液通道之間既可獨立運行也可聯(lián)合運行(圖7)。其中通道一是由黑色線路、藍(lán)色線路組成，該通道主要進(jìn)行前置液的加注；通道二是由黑色線路、紅色線路和氣動控制面板3 所在的藍(lán)色線路組成，該通道主要進(jìn)行攜砂液和頂替液的加注；通道三是由黑色線路和綠色線路組成，該通道主要作用是系統(tǒng)出現(xiàn)砂堵后的排查和處理。所有過液通道均包括由壓裂泵方向到鉆孔方向的線路和位于線路上的裝置。該系統(tǒng)不需要外部動力，所有閥門通過礦用壓風(fēng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，通過不同閥門的開啟和閉合實現(xiàn)過液通道的切換以及加砂速度的控制。

圖7 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂試驗系統(tǒng)Fig.7 Continuous hydraulic sand fracturing test system at high pressure side

3.2 系統(tǒng)攜砂效果檢驗

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的混砂和攜砂效果，在系統(tǒng)連接完成后(圖7)，加砂壓裂施工之前，設(shè)計了3 種方案對不同過液通路攜砂能力進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果見表3。

表3 不同過液通路攜砂情況統(tǒng)計Table 3 Sand carrying statistics of different liquid paths

可見方案1 過液通道系統(tǒng)攜砂能力為0.9 kg/min；方案2 過液通道系統(tǒng)攜砂能力為0.5 kg/min；方案3 過液通道系統(tǒng)攜砂能力為0.625 kg/min。同時啟動2 個氣動加砂閥能夠增加石英砂加注速度。需要說明的是，本試驗是在不帶壓的條件下進(jìn)行的，壓裂液流速較快，實際工況條件下攜砂速度應(yīng)小于本次試驗結(jié)果。

4 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂現(xiàn)場試驗

4.1 試驗區(qū)概況

試驗地點為安徽淮南礦區(qū)潘三煤礦，目標(biāo)煤層為二疊系上石盒子組13-1 煤。煤層平均厚度4.0 m，堅固性系數(shù)f值0.26～0.52，瓦斯含量8.4 m3/t，瓦斯壓力2.6～2.8 MPa。13-1 煤透氣性系數(shù)0.022 m2/(MPa2·d)，低于煤礦AQ 1027?2006《瓦斯抽放規(guī)范》[18]的標(biāo)準(zhǔn)值0.1 m2/(MPa2·d)，屬較難抽采煤層。

4.2 試驗參數(shù)設(shè)計與施工

由底板瓦斯治理巷向工作面條帶和中部施工上向穿層鉆孔，運用研制的高壓端連續(xù)加砂裝備進(jìn)行水力加砂壓裂。設(shè)計前置液量不小于60 m3，攜砂液量不小于120 m3，現(xiàn)場試驗過程中，根據(jù)泵注壓力變化情況對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整。累計進(jìn)行了5 個鉆孔的水力加砂壓裂增透試驗(表4)。

表4 高壓端連續(xù)水力加砂壓裂施工參數(shù)Table 4 Construction parameters of continuous hydraulic sand fracturing at high pressure side

由表4 可知，5 個壓裂鉆孔有效壓裂段長度7.4～9.7 m，平均8.68 m；加砂量110～150 kg，累計注液108～301 m3，其中攜砂液63～191 m3，最大泵注壓力29～34 MPa。5 個壓裂鉆孔中，Y26 和Y36 鉆孔按照表3方案1 進(jìn)行石英砂的加注，其余鉆孔按照表3 方案2進(jìn)行石英砂的加注。

4.3 石英砂加注路線分析

本次試驗，所有鉆孔均是將石英砂一次性加注到混砂倉，連續(xù)加注完成，試驗過程中對不同的加注工藝進(jìn)行了分析研究。通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，在該種系統(tǒng)連接方式下，受高壓水沖擊，能夠有效實現(xiàn)混砂，壓裂液攜砂能力較強(qiáng)，試驗過程中如果將氣動加砂閥1 和氣動加砂閥2 同時開啟，石英砂加注速度較快，且在開始加注階段，壓裂液中石英砂濃度較高，加注后期石英砂濃度較低，甚至無石英砂。為了有效控制石英砂加注速度，加注過程中只需開啟1 個氣動加砂閥，且在加注初期需要將氣動控制面板1 和氣動控制面板2 同時打開，加注后期再將氣動控制面板2 關(guān)閉。

4.4 加砂壓裂增透效果分析

由于加砂壓裂在增透原理上應(yīng)優(yōu)于清水(未加任何支撐劑)壓裂，故為了驗證加砂壓裂增透效果，選擇與清水壓裂鉆孔進(jìn)行對比分析。選擇相近區(qū)域的兩種不同工藝鉆孔，其中加砂壓裂鉆孔抽采時間66 d，清水壓裂鉆孔抽采時間35 d。兩種工藝鉆孔瓦斯抽采情況見表5。

由表5 可知，與清水壓裂鉆孔相比，加砂壓裂增透鉆孔瓦斯抽采純量、百孔瓦斯抽采純量分別是清水壓裂鉆孔的2.38 倍和2.03 倍。

表5 兩種工藝鉆孔瓦斯抽采情況對比Table 5 Comparison of gas extraction from drilling holes in the two technologies

5 結(jié) 論

a.提出了基于液動旋流沖擊原理混攜砂的高壓端連續(xù)加砂壓裂技術(shù)思路，研發(fā)了適用于煤礦井下的高壓端連續(xù)水力加砂裝備。通過理論分析、數(shù)值模擬以及室內(nèi)仿真實驗均證明了該裝備在原理上可行，能夠有效實現(xiàn)混攜砂。

b.根據(jù)研發(fā)的高壓端連續(xù)水力加砂壓裂裝備，設(shè)計了與之配套的三通道并聯(lián)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的閥門開合通過礦用壓風(fēng)遠(yuǎn)程控制。通過該控制系統(tǒng)與壓裂泵的控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個加砂壓裂過程的遠(yuǎn)程集中協(xié)同控制?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中通過氣動加砂閥的開啟數(shù)量和開啟范圍進(jìn)行石英砂加注速度的調(diào)節(jié)。

c.運用研發(fā)的裝備以及設(shè)計的控制系統(tǒng)，20～40 目(0.425～0.850 mm)的石英砂在淮南礦區(qū)潘三煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，最大連續(xù)加砂量150 kg，最大注水量316 m3，最大泵注壓力34 MPa。水力加砂壓裂增透鉆孔瓦斯抽采純量，百孔瓦斯抽采純量分別是未加砂壓裂鉆孔的2.38 倍和2.03 倍。

d.研發(fā)的高壓端連續(xù)加砂裝備可以應(yīng)用到煤礦井下水力加砂壓裂、高壓水射流、水力切割等領(lǐng)域，前景廣闊。需要說明的是該裝備通過氣動閥門進(jìn)行控制，控制精度較低；未來可采用電動閥門或者液壓驅(qū)動閥門進(jìn)行控制，同時簡化控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)加砂過程的高效精準(zhǔn)控制。

致謝：裝置研發(fā)和現(xiàn)場試驗過程中得到了淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)分公司陳建、潘三煤礦董瑞剛等同志的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。