煤礦井下水力增透降阻劑優(yōu)選研究

熊 偉，彭明輝，巴全斌

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

隨著煤炭地下開(kāi)采深度的增加，煤層地應(yīng)力、瓦斯壓力等越來(lái)越大，導(dǎo)致井下瓦斯治理難度顯著增大，煤層瓦斯預(yù)抽仍是煤礦安全生產(chǎn)的必要技術(shù)手段[1-3]。但對(duì)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(guó)內(nèi)科研人員對(duì)如何進(jìn)行強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)開(kāi)展了深入研究，主要集中在2個(gè)方面：一是松動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單，已成為煤層增透的技術(shù)應(yīng)用研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的水力化增透技術(shù)，主要集中于對(duì)增透理論、施工工藝及設(shè)備的研究[11-15]，尤其是高壓設(shè)備方面，已經(jīng)形成了最大壓力達(dá)到100 MPa的技術(shù)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(shè)備無(wú)法有效使用，而水力化措施的增透效果又對(duì)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(shù)的進(jìn)一步推廣。筆者研究的降阻劑，能通過(guò)降低水介質(zhì)在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失來(lái)保障實(shí)際工作壓力，從而提高水力化措施的增透效果，也能減少設(shè)備體積對(duì)水力化增透技術(shù)應(yīng)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(dòng)時(shí)，由于摩擦阻力的作用，流體流動(dòng)性會(huì)被限制并增大其能量消耗，會(huì)造成水力作業(yè)點(diǎn)壓力明顯小于高壓泵出口壓力。降阻劑主要是通過(guò)其所具有的長(zhǎng)鏈高分子結(jié)構(gòu)來(lái)抑制流體在管道內(nèi)切向流動(dòng)，并將所吸收的湍流能量轉(zhuǎn)換為層流能量，達(dá)到增強(qiáng)軸向流動(dòng)的效果，從而減少流體流動(dòng)能量損耗、降低管道內(nèi)的摩擦阻力[17]。目前，常見(jiàn)的降阻劑類(lèi)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(lèi)[18-20]，將分屬上述4類(lèi)的胍爾膠、UG-3、DR-12和EM30共4種降阻劑作為研究對(duì)象，對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)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(cè)試

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

1.2 降阻性測(cè)試

將4種降阻劑分別與清水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的實(shí)驗(yàn)液，參照SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中的相關(guān)要求[21]，采用如圖1所示的多功能流動(dòng)回路儀，先測(cè)定清水在流速60 L/min條件下，通過(guò)直管段(內(nèi)徑為10 mm、長(zhǎng)度為1.5 m)時(shí)的前后端壓差，再測(cè)試4種降阻劑實(shí)驗(yàn)液在相同條件下的壓差，進(jìn)而計(jì)算出降阻劑的降阻率，其計(jì)算公式為：

1—儲(chǔ)液罐；2—開(kāi)關(guān)；3—?jiǎng)恿Ρ茫?—測(cè)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(guò)測(cè)試管段時(shí)管段前后端壓差，MPa；Δp2為實(shí)驗(yàn)液通過(guò)測(cè)試管段時(shí)管段前后端壓差，MPa。

降阻率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的降阻劑后，降阻率均達(dá)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(shí)驗(yàn)液降阻率測(cè)試結(jié)果

1.3 黏度及耐溫性能測(cè)試

使用流變儀對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的4種降阻劑實(shí)驗(yàn)液進(jìn)行黏度測(cè)量與耐溫性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(guò)程中黏度出現(xiàn)的最大值，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)液黏度及耐溫性能測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出，4種降阻劑實(shí)驗(yàn)液的黏度比清水提高了2～5倍，且在溫度升高過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)液黏度最大值均未超過(guò)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(duì)4種降阻劑實(shí)驗(yàn)液進(jìn)行流變剪切性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)液在低剪切速率(小于等于100 s-1)條件下，大部分實(shí)驗(yàn)液表觀黏度超過(guò)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(duì)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(dòng)狀態(tài)下，由于表觀黏度低、穩(wěn)定性好，對(duì)降低流動(dòng)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(shí)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(jié)果

4種常用降阻劑的主要性能對(duì)比測(cè)試結(jié)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(dá)到了水力增透措施所需的降阻攜渣要求。綜合對(duì)比，DR-12型乳液聚合物降阻劑各項(xiàng)性能優(yōu)勢(shì)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(kāi)展相關(guān)性能研究，考察其應(yīng)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(guān)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(zhǎng)1.5 m的直管段測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下DR-12降阻劑的降阻率與流速的相互關(guān)系，結(jié)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(guān)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(shí)驗(yàn)液的降阻率基本相當(dāng)，但均不明顯；在流速為20～65 L/min時(shí)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%的降阻劑的實(shí)驗(yàn)液降阻率最高。低添加比例的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guān)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(cè)試在管長(zhǎng)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?jǐn)?shù)條件下與流速之間的相互關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同管徑不同降阻劑使用比例時(shí)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?jǐn)?shù)為0.06%降阻劑的實(shí)驗(yàn)液降阻率較好；在管徑 15 mm 管道中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%降阻劑的實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)的降阻劑才能保證降阻劑的降阻效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果考察

在王坡煤礦3308工作面運(yùn)輸巷選取地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，施工30個(gè)鉆孔進(jìn)行水力割縫增透措施效果考察。鉆孔設(shè)計(jì)深度均為100 m，鉆孔間距10 m。1#～10#鉆孔為不進(jìn)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?jǐn)?shù)為0.1%的DR-12降阻劑進(jìn)行割縫增透，割縫間距為5 m，割縫壓力80 MPa，割縫時(shí)間7 min，割縫旋轉(zhuǎn)速度80 r/min。統(tǒng)計(jì)割縫鉆孔單孔割縫出煤量并計(jì)算每個(gè)鉆孔平均單刀出煤量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 割縫鉆孔平均單刀出煤量

由圖5可見(jiàn)，使用清水進(jìn)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(jìn)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(jìn)行水力割縫后，由于降低了管路輸送過(guò)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(jìn)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(duì)比情況如圖6所示。

圖6 不同鉆孔抽采瓦斯純流量對(duì)比圖

由圖6可見(jiàn)，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(jìn)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(jié)論

1)對(duì)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?jǐn)?shù)DR-12降阻劑實(shí)驗(yàn)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(chǎng)使用提供了技術(shù)支撐。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，開(kāi)展水力割縫增透時(shí)，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%。