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)

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10−2～10−3m2/(MPa2·d)，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2～15 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)。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。

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BYW(S)-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(Ⅳ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。

图2 水力加砂压裂泵组Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing pump unit

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3～12 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。

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

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，遇到砂堵，高压油管正向冲洗，可清除砂堵。

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

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2.07～2.70 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0.3～0.4；中、上分层煤层较好，坚固性系数f为0.71～0.84。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/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.597 d−1。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ø153、ø193、ø215 mm 三次扩孔，最后下ø146 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。

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2%～3%，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+1%KCl+0.05%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2%～3%，定向喷砂射孔压力22.6～28.6 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21.3～29.6 MPa，单段注入压裂液153.8～235.1 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2.02%～2.56%，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。

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。

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50～401 m，压裂后探测钻孔深度为50～239 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20～25 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25～38 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16.95%～72.75%，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13.36%～47.65%，平均瓦斯抽采体积分数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，日均抽采瓦斯纯量2 811 m3，如图7b 所示。

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2%～3%，定向喷砂射孔压力22.6～28.6 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153.8～235.1 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20～38 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。