劉 樂(lè)，張 儉，方秦月，王晨陽(yáng)，趙繼展

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

礦井瓦斯(煤層氣)作為煤伴生、共生的清潔、綠色資源得到廣泛關(guān)注。加強(qiáng)礦井瓦斯治理對(duì)礦井安全、高效生產(chǎn)，提高煤炭安全保障能力，增加清潔能源的供給，減小溫室氣體排放，助力“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義[1-4]。我國(guó)煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，部分礦區(qū)煤層普遍是碎軟、低滲煤層，煤層滲透性系數(shù)低、瓦斯抽采衰減快，礦井瓦斯治理難度大[5-6]。水力壓裂技術(shù)作為一種增加煤層透氣性的有效措施在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，脈動(dòng)水力壓裂[7-8]、變排量壓裂[8]、復(fù)合壓裂[9-10]、分段壓裂[11-13]、加砂壓裂等技術(shù)[14]也相繼應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了較好的增透效果。鉆探裝備及鉆進(jìn)工藝的日趨成熟，定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂(分段壓裂)技術(shù)也得到長(zhǎng)足發(fā)展并應(yīng)用于工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)礦井煤層大區(qū)域增透與瓦斯超前預(yù)抽。近年來(lái)，筆者課題組在定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂工藝技術(shù)和裝備研發(fā)等方面進(jìn)行多輪科研攻關(guān)，研發(fā)了不同方式的定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂工藝技術(shù)和成套裝備。孫四清等[15]在陽(yáng)泉礦區(qū)碎軟煤層開(kāi)展整體水力壓裂技術(shù)研究與工程試驗(yàn)，壓裂煤段長(zhǎng)度達(dá)307 m，壓裂后煤層透氣性系數(shù)提高了2.67倍，取得了很好的增透效果，對(duì)碎軟煤層瓦斯治理具有重要意義。賈秉義等[16]針對(duì)韓城礦區(qū)碎軟、難抽煤層提出了頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂增加煤層透氣性的技術(shù)方案并開(kāi)展工程試驗(yàn)，取得了很好的增透效果。鄭凱歌[17]深入分析了煤層底板梳狀鉆孔分段水力壓裂增透機(jī)理，形成了煤層底板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂工藝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了較好的瓦斯抽采效果。陳冬冬等[18]系統(tǒng)總結(jié)不同煤(巖)層定向長(zhǎng)鉆孔布孔方式，提出了碎軟煤層頂/底板梳狀孔分段壓裂、中硬煤層孔順煤層整體壓裂、順層長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂煤層增透技術(shù)體系。上述實(shí)踐證明，長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)極大地改善了煤層透氣性，對(duì)礦井大區(qū)域瓦斯超前預(yù)抽發(fā)揮著重要作用。然而，現(xiàn)有煤礦井下壓裂技術(shù)大多采用清水作為壓裂液，壓裂后裂縫易發(fā)生閉合；同時(shí)，定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂技術(shù)采用不動(dòng)管柱壓分隔方式，存在壓裂段數(shù)少，工序復(fù)雜等不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓裂。因此，筆者提出了煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂增透的技術(shù)思路，經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)，自主研發(fā)了適合煤礦井下裸眼定向長(zhǎng)鉆孔的“定向噴砂射孔+分段加砂壓裂”復(fù)合工藝技術(shù)及配套的裝備并應(yīng)用于工程實(shí)踐。以期改善煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率，為煤層瓦斯高效治理提供裝備和技術(shù)支撐。

1 煤層頂板水力加砂壓裂縫網(wǎng)改造原理

煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂縫網(wǎng)改造的基本思路是深入分析試驗(yàn)區(qū)域煤、巖層的賦存特征，優(yōu)選壓裂鉆孔施工層位。利用成套鉆探裝備和成熟的鉆進(jìn)技術(shù)施工煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔，通過(guò)巖屑錄井及鉆孔軌跡實(shí)時(shí)對(duì)照等手段精確控制鉆孔軌跡。依據(jù)鉆孔施工參數(shù)、鉆孔軌跡、鉆孔遇巖性特征，確定加砂壓裂段數(shù)、壓裂位置、定向噴砂射孔施工參數(shù)、分段加砂壓裂施工參數(shù)。采用前進(jìn)式定向噴砂射孔作業(yè)產(chǎn)生導(dǎo)向裂縫溝通煤層并沖洗壓裂鉆孔，利用拖動(dòng)式水力加砂分段壓裂技術(shù)從孔底至孔口逐段實(shí)施水力加砂壓裂作業(yè)。壓裂過(guò)程主要由清水壓裂、加砂壓裂和頂替壓裂3部分構(gòu)成。清水壓裂通過(guò)高壓水迫使巖層、煤層產(chǎn)生新的裂縫網(wǎng)絡(luò)，一部分是壓力水撐開(kāi)并疏通煤體原生裂隙，另一部分是高壓水迫使煤體破裂，產(chǎn)生新的裂縫。加砂壓裂階段壓裂液攜帶支撐劑進(jìn)入裂縫。清水沖洗階段繼續(xù)向壓裂孔注入清水，沖洗壓裂管路的支撐劑實(shí)現(xiàn)水力加砂壓裂效果最佳。

2 加砂壓裂裝備及分段加砂壓裂工藝

1)水力加砂壓裂泵組。研發(fā)煤礦井下BYW(S)-30/1000型加砂壓裂泵組，具有“大排量、高壓力、攜砂能力強(qiáng)”等優(yōu)點(diǎn)，該裝備能夠?qū)崿F(xiàn)低壓端加砂高壓端出砂，保障作業(yè)連續(xù)加砂。水力加砂泵組最高工作壓力70 MPa，最大泵注排量90 m3/h，攜砂能力達(dá)到20%，砂粒粒徑≤1 mm，如圖1所示。

該壓裂泵組還能實(shí)現(xiàn)包括壓裂壓力、流量、砂比等壓裂參數(shù)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自我反饋及報(bào)警功能，對(duì)井下加砂壓裂施工安全判識(shí)及壓裂曲線分析。

2)定向噴砂射孔及分段加砂壓裂裝置。自主研發(fā)了成套的定向噴砂射孔裝置及工具組合、分段加砂壓裂裝置及工具組合。主要由定向噴砂射孔器、防砂封隔器、引鞋、扶正器、定壓截流器、安全丟手、正洗裝置等組成，如圖2所示。定向噴砂射孔工具組合為：引鞋+球座+扶正器+定向噴砂射孔器+扶正器+油管；分段加砂壓裂工具組合為：引鞋+球座+防砂封隔器+正洗裝置+定壓截流器+防砂封隔器+安全丟手+油管。

圖2 部分裝置實(shí)物Fig.2 Physical drawings of some installations

3)長(zhǎng)鉆孔拖動(dòng)式“定向噴砂射孔+分段加砂壓裂”復(fù)合工藝技術(shù)。為保證分段加砂壓裂增透效果，自主研發(fā)了前進(jìn)式定向噴砂射孔和后退式分段加砂壓裂工藝技術(shù)。

優(yōu)選定向噴射的噴嘴數(shù)量、噴嘴規(guī)格、角度及定向噴砂射孔參數(shù)；將定向噴砂射孔工具組合送入壓裂鉆孔指定位置，低壓使定向噴射器動(dòng)作轉(zhuǎn)向至煤層方向后，實(shí)施定向噴砂射孔作業(yè)，定向噴砂射孔完成后清水沖洗鉆孔并拖動(dòng)至下一射孔位置，依此重復(fù)完成整個(gè)鉆孔定向噴砂射孔作業(yè)。隨后將加砂壓裂工具組合送入壓裂鉆孔設(shè)計(jì)位置，清水沖洗壓裂鉆孔；增加泵注排量壓力升高，防砂封隔器膨脹座封；增加泵注排量開(kāi)始清水壓裂，清水壓裂完成后按照設(shè)計(jì)砂比進(jìn)行加砂壓裂，加砂壓裂完成后清水頂替壓裂至設(shè)計(jì)注液量后停止壓裂泵。

壓力下降防砂封隔器卸壓收縮與鉆孔孔壁分離，拖動(dòng)加砂壓裂工具組合至下一壓裂段位置，依此重復(fù)完成鉆孔其余段加砂壓裂。

3 工程試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件特征

試驗(yàn)礦井位于沁水煤田內(nèi)陽(yáng)泉礦區(qū)大單斜構(gòu)造的西側(cè)，最大絕對(duì)瓦斯涌出量48.73 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井。試驗(yàn)區(qū)位于山西陽(yáng)泉新景煤礦保安區(qū)9 300 m三北軌道巷北六、北七工作面。壓裂煤層是二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，煤層厚度1.80～2.15 m，埋深458.94～558.18 m，煤層整體分3層，下分層為軟分層，厚度約0.45 m，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.4；中、上分層煤層較好，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.71～0.84。煤層瓦斯含量15.95 m3/t，透氣性系數(shù)0.0 097 m2/(MPa2·d)，瓦斯壓力2.6 MPa，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.597 d-1。由試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3-172鉆孔柱狀圖(圖3)可知，3號(hào)煤層直接頂為泥巖/砂質(zhì)泥巖(厚0.30～2.35 m)，基本頂為砂巖(4.70～13.75 m)，主要為中砂巖、粗砂巖和粉砂巖，分布穩(wěn)定。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有勘探鉆孔柱狀圖發(fā)現(xiàn)，泥巖厚度變化起伏大，厚度0.30～0.90 m，整體由東南向西北方向泥巖厚度呈變薄趨勢(shì)；砂巖厚度變化起伏小，厚9.00～10.00 m，由東向西厚度有增厚趨勢(shì)，南北方向基本一致。鄰近區(qū)域煤層地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，3號(hào)煤層最大水平主應(yīng)力11.45 MPa，最小水平主應(yīng)力6.35 MPa，垂直應(yīng)力14.88 MPa，最大水平主應(yīng)力方向N-E51.7°。區(qū)內(nèi)總體上構(gòu)造簡(jiǎn)單，雖有沖刷帶和陷落柱，但不影響鉆孔施工。

綜上所述：優(yōu)選3號(hào)煤層頂板砂巖層作為壓裂鉆孔施工層位，距離煤層上方4～5 m，其巖性主要為中粒砂巖和粉砂巖，巖性顏色主要為白色和灰白，下部泥巖為灰黑色，顏色辨識(shí)度高，且整體上仰有利于鉆孔巖性的判識(shí)和軌跡的控制。

3.2 水力壓裂長(zhǎng)鉆孔施工

設(shè)計(jì)2個(gè)壓裂鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔深度均為600 m，孔徑120 mm，與煤層垂距4～5 m。利用ZDY12 000 LD型定向鉆機(jī)施工煤層頂板定向壓裂長(zhǎng)鉆孔，采用兩級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，一開(kāi)鉆孔直徑120 mm，經(jīng)過(guò)153、193、215 mm三次擴(kuò)孔，下?146 mm套管并注水泥漿固孔。1號(hào)壓裂鉆孔主孔孔深度609 m，下35 m套管，主孔裸眼段574 m。為控制鉆孔與煤層垂距，施工2個(gè)S分支探測(cè)主孔與煤層間距，在孔深216 m處向煤層施工1-1號(hào)分支，長(zhǎng)度110 m；在孔深425 m處向煤層施工1-2號(hào)分支，長(zhǎng)度154 m，累計(jì)鉆探進(jìn)尺873 m，鉆孔平(剖)面圖如圖4a所示。2號(hào)壓裂鉆孔主孔孔深609 m，下90 m 套管，主孔裸眼段519 m，未開(kāi)分支孔，鉆孔平(剖)面圖如圖4b所示。

圖4 鉆孔軌跡及壓裂點(diǎn)位置Fig.4 Borehole trajectory and fracturing location

3.3 水力加砂分段壓裂方案設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔軌跡及鉆孔遇巖情況，1號(hào)鉆孔分6段壓裂，2號(hào)鉆孔分10段壓裂，各壓裂段位置和巖性如圖4所示。每段設(shè)計(jì)5次定向噴砂射孔，間距0.6 m，定向噴砂射孔長(zhǎng)度3 m，砂比2%～3%，每次定向噴砂射孔注液量約40 m3。分段加砂壓裂由清水壓裂、加砂壓裂、頂替壓裂3部分構(gòu)成，其中清水壓裂設(shè)計(jì)注液量50～60 m3，加砂壓裂設(shè)計(jì)注液量70～90 m3，頂替壓裂設(shè)計(jì)注液量15～30 m3，每段壓裂注液量不少于150 m3，砂比大于2%，設(shè)計(jì)排量為63.5 m3/h。煤層和頂板砂質(zhì)泥巖含有黏土礦物質(zhì)，為防止黏土礦物質(zhì)遇水膨脹導(dǎo)致裂縫閉合，壓裂液中增加KCl防膨劑；清水含有大量細(xì)菌，壓裂液添加殺菌劑；優(yōu)選核桃殼砂作為支撐劑，其粒徑為0.4～0.6 mm。壓裂液體積配比為：清水+1%KCl+0.1%殺菌劑。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

歷時(shí)22 d完成2個(gè)鉆孔定向噴砂射孔及加砂壓裂施工，1號(hào)壓裂孔分6段壓裂，2號(hào)壓裂孔分10段壓裂，共計(jì)16段。1號(hào)壓裂孔實(shí)施定向噴砂射孔30次，2號(hào)壓裂孔實(shí)施定向噴砂射孔50次，累計(jì)80次；定向噴砂射孔砂比2%～3%，射孔壓力22.6～28.6 MPa，使用石英砂19.84 t，射孔液1 072 m3。分段加砂壓裂壓力21.3～29.6 MPa，單段注液量153.76～235.11 m3，1號(hào)壓裂孔注入壓裂液963.92 m3，2號(hào)壓裂孔注入壓裂液1 844.65 m3，累計(jì)注入注液量2 808.57 m3。砂比2.02%～2.56%，單段注入核桃殼砂量1.76～3.49 t，1號(hào)壓裂孔注入核桃殼砂13.11 t，2號(hào)壓裂孔注入核桃殼砂23.36 t，累計(jì)注入核桃殼砂36.47 t。1號(hào)壓裂孔注入KCl 6.69 t，2號(hào)壓裂孔注入KCl 17.20 t，累計(jì)注入23.89 t。

選取8個(gè)壓裂段(1-3段、1-4段、1-5段、1-6段、2-2段、2-6段、2-8段、2-10段)壓裂段泵注壓力及砂比等曲線，如圖5所示。

根據(jù)水力壓裂泵注壓力曲線特征，將泵注壓力曲線劃分為3個(gè)階段，即壓力上升階段、下降階段及壓力穩(wěn)定階段。壓力上升階段包含防砂封隔器座封，防砂封隔器充分膨脹與孔壁接觸完成鉆孔分隔。增加泵注排量高壓打開(kāi)定壓截流器，壓裂液進(jìn)入鉆孔，泵注壓力持續(xù)升高進(jìn)入壓力下降階段，泵注壓力達(dá)到頂板巖層、煤層的破裂壓力，巖層(煤層)破壞產(chǎn)生裂縫形成新的儲(chǔ)液空間導(dǎo)致壓力下降，壓力下降幅值大小反映產(chǎn)生裂縫體積大小或裂隙網(wǎng)絡(luò)的豐富程度，壓力下降越大、裂縫越豐富、形成的儲(chǔ)液空間越大。壓力下降階段出現(xiàn)多次不同幅值壓降現(xiàn)象，且第1次壓降幅值最大，如1-5段、1-6段，2-1段、2-6段、2-8段、2-10段均出現(xiàn)了不少于3次壓降，造成這種現(xiàn)象有3種可能：① 不同巖層層位發(fā)生破裂導(dǎo)致壓降不同，如鉆孔下部砂巖、泥巖層位發(fā)生破裂；② 巖層首先破裂產(chǎn)生第1次壓力下降，其余壓降是煤層破裂產(chǎn)生裂隙并延伸造成；③ 巖層和煤層同時(shí)破裂的“雙重效應(yīng)”導(dǎo)致不同幅值的壓降。煤、巖層發(fā)生破裂后，泵注壓力某一穩(wěn)定值附近產(chǎn)生鋸齒型波動(dòng)，此時(shí)進(jìn)入壓力穩(wěn)定階段。在壓力穩(wěn)定階段，各壓裂段穩(wěn)定壓力各不相同，如1-1段在28 MPa 左右呈鋸齒型波動(dòng)，1-2段、1-3段、1-4段壓力均在25 MPa左右呈鋸齒型波動(dòng)，1-5和1-6壓力在20 MPa左右呈鋸齒型波動(dòng)，2號(hào)壓裂孔亦是如此。壓力鋸齒形波動(dòng)幅值大小不同，表明裂縫延伸擴(kuò)展難易程度不同，鋸齒型變化越明顯，表明煤層重復(fù)發(fā)生“破裂-裂縫擴(kuò)展”，產(chǎn)生豐富裂縫網(wǎng)絡(luò)；鋸齒型變化不明顯，可能是形成了單一裂縫或沿著煤層內(nèi)結(jié)構(gòu)面向前擴(kuò)展。另外，加入核桃殼砂的瞬時(shí)比例不同可能造成泵注壓力鋸齒型變化幅值和頻率不同。

就各壓裂段破裂壓力而言，孔底破裂壓力到孔口呈逐漸減小的趨勢(shì)，分析認(rèn)為：① 孔底距離孔口距離遠(yuǎn)，管路摩擦阻力大，導(dǎo)致破裂壓力大；② 壓裂段巖性是影響破裂壓力的關(guān)鍵因素之一，通常情況下，細(xì)砂巖系數(shù)小、粗砂巖濾失系數(shù)大，細(xì)砂巖層位破裂壓力大于粗砂巖層位破裂壓力；③ 破裂壓力同時(shí)受定向噴砂射孔作業(yè)、分支孔、壓裂點(diǎn)距煤層的垂直距離等因素影響。

就清水壓裂、加砂壓裂及頂替壓裂階段而言，清水壓裂階段和頂替壓裂階段壓力鋸齒形變化幅值和頻率均小于加砂壓裂階段，這可能是加砂壓裂階段核桃殼砂進(jìn)入裂縫“不及時(shí)”或形成“暫時(shí)砂堵”導(dǎo)致壓力鋸齒型變化幅值和頻率高。

4 水力加砂分段壓裂效果綜合評(píng)價(jià)

為綜合評(píng)價(jià)本次分段加砂壓裂影響范圍、煤層增透效果，采用鉆孔瞬變電磁法、微量元素示蹤劑法、煤層全水分法、瓦斯抽采效果多種手段綜合評(píng)價(jià)加砂壓裂效果。

1)鉆孔瞬變電磁法。利用孔內(nèi)瞬變電磁技術(shù)對(duì)1號(hào)壓裂鉆孔壓裂前、后對(duì)進(jìn)行探測(cè)。壓裂前探測(cè)壓裂鉆孔深度范圍50～401 m，測(cè)點(diǎn)間距為3 m，共計(jì)測(cè)試118組，每組采集一個(gè)三分量數(shù)據(jù)，共計(jì)采集354個(gè)數(shù)據(jù)。壓裂后受鉆孔影響，探測(cè)壓裂鉆孔深度范圍50～239 m，測(cè)點(diǎn)間距為3 m，共計(jì)測(cè)試64組，共計(jì)采集192個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。結(jié)合壓裂鉆孔的壓裂位置可知，探測(cè)范圍覆蓋第6段和第5段壓裂區(qū)域。

壓裂前、后瞬變電磁測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖中藍(lán)、綠色部分為低阻異常區(qū)。

圖6 鉆孔壓裂前、后瞬變電磁變化Fig.6 Transient electromagnetic changes before and after borehole fracturing

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)異常區(qū)域。1號(hào)異常區(qū)域集中在孔深90 m附近，其范圍大、對(duì)比強(qiáng)度不明顯，可能是壓裂過(guò)程導(dǎo)致巖層含水所致。2號(hào)異常區(qū)域集中在孔深150 m附近，其異常范圍較小，局部條帶性明顯，且主要向孔深方向延伸，孔深方向長(zhǎng)度約為40 m。3號(hào)異常區(qū)域集中在孔深205 m附近，其異常范圍較小，條帶性較為明顯，異常區(qū)域沿鉆孔方向長(zhǎng)度約50 m。結(jié)合鉆孔壓裂點(diǎn)位置及探測(cè)異常區(qū)域位置，初步判斷本次加砂壓裂影響半徑為20～25 m。

2)微量元素示蹤劑法。分段加砂壓裂施工期間，施工1號(hào)壓裂孔第5段、第6段以及2號(hào)壓裂孔第8段、第9段壓裂液中添加微量示蹤劑。壓裂后在煤層施工效果監(jiān)測(cè)孔，采集煤樣并送實(shí)驗(yàn)室測(cè)試化驗(yàn)，其中1號(hào)效果檢測(cè)孔為全煤段施工，采集31個(gè)示蹤劑煤樣，采樣間距為5 m，采樣深度為105～255 m；2號(hào)效果監(jiān)測(cè)孔煤段施工160 m，采集31個(gè)示蹤劑，采樣間距為5 mm，采樣深度為145～295 m，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 示蹤劑示意Fig.7 Tracer schematic

根據(jù)微量元素測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，大于0.1 ng/mL視為見(jiàn)劑。1號(hào)壓裂孔第5段、第6段相隔60 m，第6段右側(cè)35 m檢測(cè)到示蹤劑，第5段左側(cè)25 m檢測(cè)到示蹤劑。2號(hào)效果檢測(cè)孔示蹤劑主要集中在第9壓裂段位置附近，左側(cè)27 m處檢測(cè)到示蹤劑，右側(cè)38 m 處檢測(cè)到示蹤劑。由此可以推斷出，加砂壓裂影響半徑為25～38 m。

3)煤層全水分法。效果監(jiān)測(cè)孔施工期間采集煤樣并測(cè)試煤層水分，1號(hào)效果監(jiān)測(cè)孔采集10個(gè)煤樣，2號(hào)效果監(jiān)測(cè)孔采集5個(gè)煤樣，累計(jì)采集15個(gè)煤樣。原始煤體全水分為3.1%，壓裂后煤體全水分均大于3%，1號(hào)效果監(jiān)測(cè)孔煤樣全水約是壓裂前煤樣全水分4～7.5倍，2號(hào)效果檢測(cè)孔煤樣全水約是壓裂前煤樣全水分2～4倍。

4)鉆場(chǎng)瓦斯抽采數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析壓裂后1號(hào)鉆場(chǎng)、2號(hào)鉆場(chǎng)100 d瓦斯抽采數(shù)據(jù)，如圖8所示。1號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為16.95%～72.75%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為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，日均抽采瓦斯純量1 025.11 m3。2號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為13.36%～47.65%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為23.17%，瓦斯抽采混合流量5.35～12.46 m3/min，平均瓦斯抽采混合流量8.56 m3/min，日均抽采瓦斯純量2 810.60 m3。

由圖可知，1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采期間，日均瓦斯抽采純量相對(duì)穩(wěn)定，1號(hào)鉆場(chǎng)較2號(hào)鉆場(chǎng)衰減快，后期瓦斯抽采量穩(wěn)定在500 m3/d。為了評(píng)價(jià)本次加砂壓裂的增透效果，搜集鄰近區(qū)域7組千米鉆孔和5組順層鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較分析，其結(jié)果表明：壓裂孔較普通順層鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高3.36～6.38倍，百米鉆孔抽采純量提高16.44～45.14倍；壓裂孔較千米鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高10.53～19.99倍，百米鉆孔抽采純量提高5.61～15.42倍。

5 工程實(shí)踐探討

本文提出了碎軟煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂煤層增透區(qū)域瓦斯超前預(yù)抽技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)多輪科研攻關(guān)，研發(fā)了拖動(dòng)式“定向噴砂射孔+分段加砂壓裂”復(fù)合工藝技術(shù)，在煤礦井下試驗(yàn)成功，并取得了很好的瓦斯預(yù)抽效果。

就壓裂作用對(duì)象而言，鉆孔不再局限于煤層施工，鉆孔施工層位在頂板巖層中，其穩(wěn)定好，鉆進(jìn)效率高、不易塌孔，同時(shí)鉆孔施工有效長(zhǎng)度更長(zhǎng)，覆蓋范圍更廣。分段壓裂保證了鉆孔均勻分隔和壓裂區(qū)域全覆蓋，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)壓裂。水力加砂分段壓裂不僅在煤層頂板層產(chǎn)生裂縫形成卸壓區(qū)，而且高壓水迫使煤層產(chǎn)生裂縫和溝通煤層中微裂隙，形成豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

就壓裂裝備而言，受井下作業(yè)空間限制，設(shè)備尺寸限制了水力加砂壓裂的規(guī)模，僅能實(shí)現(xiàn)小排量、低砂比、間歇式加砂壓裂施工，施工效率低、加砂能力差，增透效果較差。自主研制了煤礦井下首臺(tái)低壓端加砂高壓端出砂的大排量連續(xù)加砂壓裂泵組裝備、向噴砂射孔器、防砂封隔器及其配套的裝置，對(duì)煤礦井下水力加砂壓裂具有重要意義。

就工藝技術(shù)及效果評(píng)價(jià)方法而言，采用西安院自主研發(fā)的ZDY12000ZL鉆探裝備及成熟的定向鉆進(jìn)技術(shù)，鉆孔在煤層頂板4～7 m精確控制。研發(fā)了長(zhǎng)鉆孔拖動(dòng)式“定向噴砂射孔+分段加砂壓裂”復(fù)合工藝技術(shù)，充分利用加砂壓裂泵組過(guò)砂優(yōu)勢(shì)，定向噴砂射孔極大提高射孔的沖擊力，保證了定向噴砂射孔效果。同時(shí)，工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備連接便捷、定向噴砂射孔位置精確、鉆孔孔壁破壞程度小、適用性強(qiáng)。拖動(dòng)式鉆孔分隔技術(shù)通過(guò)2個(gè)防砂封隔器膨脹與鉆孔孔壁緊密接觸，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鉆孔分隔，卸壓封隔器收縮與鉆孔孔壁分離，保證壓裂工具組合來(lái)回拖動(dòng)。相較于橋塞、不動(dòng)管柱等封孔工藝[19-21]，拖動(dòng)式鉆孔分隔技術(shù)適應(yīng)性更強(qiáng)，鉆孔壓裂段數(shù)大幅提高，2個(gè)防砂封隔器間距可調(diào)，增加正/反洗功能，提高了鉆孔堵砂的處理能力，保障了分段加砂壓裂的施工效率。建立了以物探、化探、瓦斯抽采效果為核心的水力加砂分段壓裂效果評(píng)價(jià)方法，形成了“鉆探-水力加砂分段壓裂-壓裂效果評(píng)價(jià)”為一體的煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂關(guān)鍵技術(shù)。

就工程應(yīng)用而言，掌握施工區(qū)域地質(zhì)條件特征是實(shí)施分段加砂壓裂的前提，優(yōu)選施工層位及配套的裝備，嚴(yán)格把握各環(huán)節(jié)施工流程和施工質(zhì)量，應(yīng)做到“一孔一方案、一孔一預(yù)案”精細(xì)化管理，確保壓裂增透效果。

實(shí)踐證明，煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂技術(shù)是一種行之有效的煤層區(qū)域增透的關(guān)鍵技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)煤礦井下水力加砂分段壓裂技術(shù)空白、完善煤礦井下水力壓裂增透技體系，對(duì)碎軟、低滲煤層區(qū)域瓦斯超前治理具有重要意義。

6 結(jié) 論

1)針對(duì)碎軟、低滲煤層瓦斯抽采困難，提出了煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂超前預(yù)抽瓦斯的新技術(shù)，研制了煤礦井下成套的壓裂泵組裝備、定向噴砂射孔和分段加砂壓裂工具，形成了“定向噴砂射孔+分段加砂壓裂”復(fù)合工藝技術(shù)。

2)煤礦井下開(kāi)展工程試驗(yàn)，完成2個(gè)壓裂鉆孔16段(1號(hào)壓裂孔6段、2號(hào)壓裂孔10段)分段加砂壓裂試驗(yàn)，定向噴砂射孔80次、砂比2%～3%、射孔壓力22.3～28.6 MPa，累計(jì)注入射孔液1 072 m3，使用石英砂19.84 t。分段加砂壓裂單段注液量153.76～235.11 m3、平均砂比2.02%～2.56%、共計(jì)注入核桃殼砂36.48 t，注入壓裂液2 808.57 m3。

3)形成了壓裂影響范圍、瓦斯抽采效果為一體的綜合評(píng)價(jià)方法。采用孔內(nèi)瞬變電磁、示蹤劑法等手段判定段加砂壓裂影響半徑為20～38 m。壓裂后，統(tǒng)計(jì)分析鉆孔100 d瓦斯抽采數(shù)據(jù)，1號(hào)鉆場(chǎng)平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為43.97%，平均瓦斯抽采混合流量1.61 m3/min；2號(hào)鉆場(chǎng)平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為23.17%，平均瓦斯抽采混合流量8.56 m3/min；1號(hào)鉆場(chǎng)、2號(hào)鉆場(chǎng)較鄰近區(qū)域順層鉆孔百米鉆孔抽采純量提高了16.44倍和45.14倍，較千米鉆孔瓦斯抽采純量提高了5.61倍和15.42倍。