煤礦井下長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

孫四清，李文博,2，張 儉，陳冬冬，趙繼展，鄭凱歌，龍威成，王晨陽，賈秉義，杜天林，劉 樂，楊 歡，戴 楠

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

水力壓裂是利用高壓泵將水(或攜帶有支撐劑液體)注入到煤巖鉆孔中，當(dāng)鉆孔注入液體量遠(yuǎn)大于煤巖孔液體濾失量，使得孔內(nèi)液體壓力升高直至煤巖層破裂，產(chǎn)生煤巖裂縫并不斷延伸和擴(kuò)展，在煤巖層中形成豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到提高瓦斯抽采量、改造弱化煤巖層強(qiáng)度的目的。自20 世紀(jì)40 年代美國(guó)開展水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)以來，水力壓裂已成為油氣儲(chǔ)層增滲改造、提高采收速度和采收率及改善油氣田開發(fā)效益的重要手段[1-2]。20 世紀(jì)60 年代，蘇聯(lián)將水力壓裂技術(shù)作為一種煤層卸壓增透手段引入到煤礦[3]；1965 年，我國(guó)開始進(jìn)行地面鉆孔煤層注水壓裂工程試驗(yàn)[4]，因技術(shù)和設(shè)備等影響因素水力壓裂技術(shù)未在煤礦井下大規(guī)模推廣應(yīng)用?！笆晃濉薄笆濉币詠恚趪?guó)家科技重大專項(xiàng)資助下，煤礦井下煤層氣(瓦斯)開發(fā)加快發(fā)展，推動(dòng)了煤礦井下水力壓裂技術(shù)與裝備及工程應(yīng)用研究[5-7]，水力壓裂技術(shù)在重慶松藻[8-9]、安徽淮南[10-12]和河南平頂山[13-14]等煤礦區(qū)推廣應(yīng)用，主要在穿層鉆孔和順層短鉆孔進(jìn)行整體水力壓裂增透抽采煤層氣(瓦斯)。

穿層鉆孔、順層短鉆孔壓裂覆蓋范圍相對(duì)較小、單孔產(chǎn)氣量也較低，長(zhǎng)鉆孔整體水力壓裂又易出現(xiàn)壓裂不均衡等問題?！笆濉币詠?，為了滿足煤礦瓦斯、礦壓災(zāi)害區(qū)域防治和煤層氣資源開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)際需要，借鑒頁巖氣水平井分段壓裂技術(shù)和碎軟煤層煤層氣頂板水平井分段壓裂抽采技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)[15-16]，開始進(jìn)行煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)與裝備及工程示范應(yīng)用研究。成功研制出了適合于煤礦井下裸眼定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂工藝技術(shù)及裝備，研發(fā)了煤礦井下具有加砂、攜砂功能的大排量、高壓力加砂泵組及配套的壓裂工藝技術(shù)。定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)與裝備在山西陽泉[17-18]，陜西韓城[19-20]、黃陵[21-22]、彬長(zhǎng)，河南焦作[23-24]，神東[25-26]和山東兗州[27-28]等礦區(qū)大量工程中推廣應(yīng)用，形成了適合不同地質(zhì)條件的煤礦井下裸眼定向長(zhǎng)鉆孔差異化水力壓裂技術(shù)工藝體系。針對(duì)煤炭智能開采和地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域治理的需要，提出了下一步開展井下水力壓裂裝備和井?地聯(lián)合分段水力壓裂技術(shù)的發(fā)展構(gòu)想，以供讀者借鑒。

1 煤礦井下煤巖層裸眼分段壓裂技術(shù)及工具

1.1 分段壓裂技術(shù)

分段壓裂是保障煤巖長(zhǎng)鉆孔能形成規(guī)模、連續(xù)、均勻裂縫縫網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代國(guó)內(nèi)外開始分段壓裂技術(shù)研究，到2007 年，分段壓裂技術(shù)已成為地面非常規(guī)油氣開發(fā)的主體技術(shù)，形成了裸眼封隔器+滑套、泵送橋塞、固井滑套、雙封單卡提管柱、管內(nèi)封隔器和水力噴射加砂等地面油氣井分段壓裂技術(shù)[29-32]。煤礦井下分段壓裂技術(shù)工程實(shí)踐應(yīng)用，始于2016 年山西陽泉寺家莊煤礦15117 工作面15 號(hào)煤底板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段壓裂增透瓦斯抽采[33-34]，隨著煤礦分段壓裂技術(shù)在煤層瓦斯增透高效抽采、堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓災(zāi)害治理中的實(shí)踐及推廣應(yīng)用，逐步形成了適合于煤礦井下煤巖層裸眼長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂工藝技術(shù)[35]。煤礦井下分段壓裂技術(shù)，總體上可劃分為不動(dòng)管柱裸眼分段壓裂和動(dòng)管柱裸眼分段壓裂。不動(dòng)管柱裸眼分段壓裂是根據(jù)鉆孔壓裂段數(shù)和每段段長(zhǎng)將預(yù)設(shè)封隔器隨壓裂油管一次性送入孔中，然后利用油管注水將孔中所有封隔器膨脹座封，再采用投球方式依次打開壓差滑套由里向外逐段壓裂的分段壓裂方式；動(dòng)管柱裸眼分段壓裂(即雙封單卡拖動(dòng)式分段壓裂)是根據(jù)鉆孔每段壓裂段長(zhǎng)將2 個(gè)預(yù)設(shè)一定間距的封隔器隨壓裂油管送入孔底，利用油管注水使封隔器膨脹座封，然后繼續(xù)注水壓裂直至煤巖層被壓裂開，壓裂完畢后解封封隔器，再將封隔器拖動(dòng)至預(yù)定位置，重復(fù)上述壓裂步驟，由里向外依次完成整個(gè)煤巖鉆孔壓裂的一種分段壓裂方式。不動(dòng)管柱分段壓裂工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但在孔徑一定的情況下，鉆孔分段壓裂的段數(shù)有限，而動(dòng)管柱分段壓裂工藝相對(duì)復(fù)雜，但每個(gè)鉆孔壓裂段數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要合理設(shè)定。

1.2 分段壓裂工具

分段壓裂工具的主要功能是將煤巖長(zhǎng)鉆孔分成不同的壓裂段，并輸送壓裂液對(duì)每段煤巖層進(jìn)行逐段壓裂。不動(dòng)管柱裸眼分段壓裂工具主要由引鞋、單流閥、壓差滑套、逐級(jí)封隔器、丟手和油管等部件構(gòu)成，動(dòng)管柱裸眼分段壓裂工具主要由引鞋、單流閥、封隔器、節(jié)流器、丟手和油管等部件構(gòu)成。兩類分段壓裂工具組合如圖1 所示?！笆濉逼陂g針對(duì)井下裸眼鉆孔分段壓裂技術(shù)要求、煤巖層地質(zhì)特征和鉆孔尺寸等情況，設(shè)計(jì)并研制出了?73 mm 和?89 mm 兩種規(guī)格型號(hào)的煤礦井下裸眼分段壓裂工具，工具耐壓能力整體達(dá)到70 MPa 以上，滿足89～133 mm 孔徑壓裂的需要。在煤層瓦斯增透高效抽采和礦壓災(zāi)害治理等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的分段壓裂工程實(shí)踐應(yīng)用，不動(dòng)管柱裸眼分段壓裂工具在120 mm 孔徑中實(shí)現(xiàn)了5 段530 m 孔深的分段壓裂，動(dòng)管柱裸眼分段壓裂在工程實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了單孔17 段、孔深800 m 的分段壓裂。

圖1 煤礦井下裸眼分段水力壓裂工具組合Fig.1 Schematic diagram of open hole staged hydraulicfracturing tool combination in underground coal mine

2 煤礦井下高壓力大排量壓裂泵組

壓裂泵組是壓裂施工作業(yè)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。煤礦井下壓裂泵組一般由壓裂泵、電機(jī)、啟動(dòng)箱和水箱等4 大部件構(gòu)成，目前國(guó)內(nèi)井下長(zhǎng)鉆孔壓裂一般使用BYW型[36]和BRW 型[37]壓裂泵組。BYW 型壓裂泵組額定排量達(dá)到1.45 m3/min，額定工作壓力達(dá)65 MPa，額定功率400 kW，具有遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)壓裂相關(guān)參數(shù)的功能。BRW 型壓裂泵組的雙泵并聯(lián)排量達(dá)到0.8 m3/min，額定工作壓力達(dá)到40 MPa，額定功率710 kW。從油氣和地面煤層氣開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，攜砂壓裂是保障煤巖層壓裂增透、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要措施，目前BYW 型和BRW 型壓裂泵均不具備高壓力大量攜砂、過砂能力，“十三五”期間中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司分別研制了煤礦井下低壓端加砂壓裂泵組和高壓端加砂壓裂裝置，解決了井下無加砂壓裂裝備的難題。

2.1 低壓端加砂壓裂泵組

低壓端加砂壓裂是在壓裂泵組前端安置混砂裝置，將支撐劑與壓裂液均勻混合后，由低壓管匯將懸混有支撐劑的壓裂液送入到高壓泵組進(jìn)行加壓加速，然后由高壓管匯輸送至壓裂鉆孔及煤巖層中，實(shí)現(xiàn)煤巖層加砂壓裂。根據(jù)低壓端加砂壓裂思路，設(shè)計(jì)并研制了適合于煤礦井下大排量、高壓力、大砂比攜砂過砂能力的BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組[38]，該裝備設(shè)計(jì)構(gòu)成和實(shí)物如圖2 所示。BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組主要由壓裂泵、電機(jī)、控制柜、水箱和加砂混砂裝置及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)操控平臺(tái)等部件構(gòu)成，其額定功率1 000 kW，最大壓力70 MPa，最大排量90 m3/h，高壓泵攜砂過砂比達(dá)20%，過砂粒徑最大達(dá)1 mm。裝備操作運(yùn)行采用遠(yuǎn)程操控，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)泵組工作壓力、流量、砂比等壓裂關(guān)鍵參數(shù)，為加砂壓裂施工安全判別及壓裂效果分析及時(shí)提供依據(jù)。

圖2 煤礦井下低壓段加砂壓裂泵組Fig.2 Fracturing pump set with sand at low pressure end in underground coal mine

采用該泵組在山西陽泉新景礦煤業(yè)公司保安區(qū)北六、北七的3 號(hào)煤層頂板巖層，進(jìn)行了煤礦井下低壓端加砂分段壓裂瓦斯抽采工程應(yīng)用試驗(yàn)。壓裂過程泵注壓力21.3～29.6 MPa，泵注排量48.0～63.5 m3/h，鉆孔累計(jì)注入液量分別是963.9 m3和1 844.7 m3，單段壓入液量為153.8～235.1 m3/段；鉆孔累計(jì)加入支撐劑量分別是13.1 t 和23.4 t。BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組的研制以及工程試驗(yàn)成功應(yīng)用，表明了該裝備在高壓力、大流量條件下具有較好的攜砂壓裂能力。

2.2 高壓端加砂壓裂裝置

高壓端加砂壓裂是指在連接壓裂泵組與壓裂鉆孔之間的高壓管匯中嵌入加砂裝置，在壓裂施工作業(yè)過程中向高壓管匯添加支撐劑，利用高壓管匯中高壓、高速運(yùn)行的壓裂液攜帶進(jìn)入到壓裂鉆孔及煤巖層中，實(shí)現(xiàn)煤巖層加砂壓裂目的。研制的煤礦井下高壓端加砂壓裂裝置[39-41]如圖3 所示。主要由混砂倉(cāng)、攜砂倉(cāng)、控制閥等3 大部件構(gòu)成，其中混砂倉(cāng)兩端呈半球狀、中間為長(zhǎng)2.74 m、直徑0.50 m 的圓筒狀結(jié)構(gòu)，混砂倉(cāng)容積達(dá)450 L，可一次連續(xù)加注石英砂750 kg；攜砂倉(cāng)兩端呈圓錐狀，中間為長(zhǎng)2.57 m、直徑0.21 m 的圓筒狀結(jié)構(gòu)；混砂倉(cāng)與攜砂倉(cāng)之間由控制閥連接，遠(yuǎn)程控制加砂裝置的開啟與關(guān)閉。該裝置整體耐壓能力在55 MPa 以上，采用遠(yuǎn)程遙控加砂，利用壓裂液旋流作用均勻加砂，便于煤礦井下安全使用。

圖3 煤礦井下高壓端加砂壓裂裝置Fig.3 Device of fracturing with sand at high pressure end in underground coal mine

采用該裝置在淮南潘三礦2131 工作面C13?1煤層的穿層鉆孔中進(jìn)行了壓裂工程試驗(yàn)應(yīng)用[41]，實(shí)現(xiàn)單孔壓入水量316 m3，加砂量150 kg，泵注壓力達(dá)34 MPa，加砂壓裂后鉆孔瓦斯抽采純量是清水壓裂鉆孔的2.38 倍。高壓端加砂壓裂裝置的研制及現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)成功應(yīng)用，有效解決了常規(guī)清水壓裂泵無法大量加砂壓裂的技術(shù)與裝備難題。

3 定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂煤巖層瓦斯高效抽采技術(shù)

《煤礦安全規(guī)程》(2022 年)和《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019 年)均強(qiáng)調(diào)，預(yù)抽煤層瓦斯是突出煤層和高瓦斯煤層防治的重要舉措，通過預(yù)抽可將突出煤層降為非突、高瓦斯煤層降為低瓦斯煤層。對(duì)于不同瓦斯地質(zhì)條件的煤層，我國(guó)已經(jīng)建立起了硬煤順層鉆孔預(yù)抽、碎軟煤層穿層鉆孔或圍巖鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽等煤層瓦斯區(qū)域預(yù)抽方法；硬煤層預(yù)抽瓦斯鉆孔深度已達(dá)到3 353 m[42]，碎軟煤層圍巖預(yù)抽瓦斯鉆孔深度已突破600 m[43]、順層鉆孔預(yù)抽瓦斯鉆孔深度已突破500 m[44]。我國(guó)煤層滲透性總體較差、瓦斯預(yù)抽難度大，預(yù)裂增透是提高煤層瓦斯預(yù)抽效果的重要舉措，近年來，在山西陽泉，陜西韓城、黃陵和彬長(zhǎng)等典型礦區(qū)的工程實(shí)踐探索，基本形成了碎軟煤層圍巖梳狀鉆孔分段壓裂和碎軟煤層圍巖加砂分段壓裂、硬煤層順層長(zhǎng)鉆孔分段壓裂等區(qū)域性增透模式，煤層瓦斯預(yù)抽效果比常規(guī)措施好。

3.1 碎軟煤層分段水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)

1) 碎軟煤層分段壓裂模式

碎軟煤層煤體結(jié)構(gòu)整體比較破碎，具有低強(qiáng)度、弱黏結(jié)、滲透率低(儲(chǔ)層條件下)的特征，順層鉆孔抽采瓦斯普遍存在鉆長(zhǎng)孔難、成孔性差、抽采效果差等難題。為了突破碎軟煤層井下大區(qū)域高效抽采技術(shù)瓶頸，借鑒地面煤層氣頂板水平井開發(fā)思路，在煤礦井下實(shí)施煤層圍巖定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂，實(shí)現(xiàn)碎軟煤層大區(qū)域高效抽采瓦斯。近幾年，先后在山西陽泉、陜西韓城等典型碎軟煤層礦區(qū)進(jìn)行的井下煤層頂?shù)装宥ㄏ蜷L(zhǎng)鉆孔分段壓裂抽采瓦斯探索，形成了煤礦井下頂?shù)装迨釥钽@孔分段壓裂和頂板長(zhǎng)鉆孔分段壓裂高效瓦斯抽采技術(shù)。煤層頂?shù)装迨釥钽@孔分段壓裂技術(shù)模式是在近鄰煤層的砂巖或砂質(zhì)泥巖中施工主孔，沿主孔間隔一定距離向煤層方向開分支孔，進(jìn)入煤層后并適當(dāng)延伸。整個(gè)鉆孔施工完畢后，采用分段壓裂方式對(duì)每個(gè)分支鉆孔由里向外逐一壓裂改造，在分支鉆孔與圍巖和煤層中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)通道，使得煤層瓦斯快速運(yùn)移產(chǎn)出，如圖4 所示。頂板長(zhǎng)鉆孔分段壓裂是沿著緊鄰煤層頂板砂巖或砂質(zhì)泥巖中施工定向長(zhǎng)鉆孔，采用加砂分段壓裂工藝沿著定向長(zhǎng)鉆孔由里向外逐一壓裂，在壓裂頂板巖層形成的裂縫將煤層溝通并在煤層中進(jìn)一步延伸，支撐劑被壓裂液攜帶進(jìn)入壓裂縫系統(tǒng)并充填其中，在煤層與頂板和鉆孔之間形成穩(wěn)定復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，便于煤層瓦斯長(zhǎng)期穩(wěn)定抽采，如圖5 所示。

圖4 煤層頂?shù)装迨釥钽@孔分段壓裂Fig.4 Staged fracturing of comb borehole in roof or floor

圖5 煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂Fig.5 Staged fracturing directional long-borehole in roof

2) 底板梳狀鉆孔分段壓裂

山西陽泉礦區(qū)是我國(guó)比較典型的碎軟煤層礦區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)類型從原生結(jié)構(gòu)煤至糜棱煤均有，以碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤為主。為了探索碎軟煤層大區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)，2016 年，在陽泉寺家莊煤礦15117 工作面實(shí)施了底板梳狀鉆孔分段壓裂預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯的井下工程應(yīng)用試驗(yàn)，工作面煤層埋深436～536 m，煤層厚度2.8～7.4 m，平均5.1 m，煤層瓦斯含量7.3～8.6 m3/t，均值8.1 m3/t，透氣性系數(shù)為0.011 9～0.197 9 m2/(MPa2·d)，煤體結(jié)構(gòu)類型為碎粒煤和糜棱煤為主，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.1～0.5。梳狀鉆孔布置在煤層底板，鉆孔直徑120 mm，主孔長(zhǎng)度534 m，施工4 個(gè)分支孔溝通煤層，采用不動(dòng)管柱壓裂工藝，在主孔下入油管長(zhǎng)度490 m，采用6 個(gè)封隔器將主孔分5 段進(jìn)行壓裂，底板梳狀分段壓裂鉆孔軌跡和典型段泵注壓力排量曲線如圖6所示。

圖6 底板梳狀鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數(shù)曲線Fig.6 Drilling trajectory and pump injection parameters curve of staged fracturing in the floor comb-borehole

壓裂選用BYW65/400 型煤礦井下壓裂泵組和?73 mm 型壓裂工具，鉆孔累計(jì)壓入水量2 865 m3，單段最大壓入水量611 m3，壓力達(dá)到17.2 MPa。采用全水分法測(cè)得壓裂影響半徑為40～60 m，壓裂鉆孔百米瓦斯抽采純量是同區(qū)域常規(guī)鉆孔的3.53 倍。寺家莊煤礦底板梳狀鉆孔分段壓裂實(shí)踐取得成功后，在韓城礦區(qū)[19-20]和陽泉礦區(qū)[45]等典型碎軟突出煤層中繼續(xù)開展頂?shù)装迨釥钽@孔分段壓裂抽采瓦斯工程應(yīng)用試驗(yàn)，并不斷完善分段壓裂技術(shù)，將不動(dòng)管柱分段壓裂發(fā)展到拖動(dòng)式分段壓裂。

3) 頂板梳狀鉆孔分段壓裂

韓城礦區(qū)目前主要開采二疊系山西組3 號(hào)煤層，煤層厚度4.0～7.0 m，平均5.97 m，煤的變質(zhì)程度為貧瘦煤和貧煤。3 號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)以碎粒煤和糜棱煤為主，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.1～0.5，煤層透氣性系數(shù)為0.072 9～0.229 m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯含量為6.75～9.80 m3/t，煤層瓦斯壓力達(dá)2.5 MPa，是典型碎軟低滲高突煤層。2018 年，在陜西韓城桑樹坪二號(hào)井北膠帶大巷3309 工作面3 號(hào)煤層頂板實(shí)施了梳狀定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂抽采瓦斯工程試驗(yàn)。梳狀鉆孔主孔長(zhǎng)為588 m，開了8 個(gè)分支鉆孔，鉆孔直徑為98 mm，主孔距3 號(hào)煤層最大距離為5.27 m。在主孔按照4 段對(duì)整個(gè)梳狀鉆孔進(jìn)行了分段水力壓裂，鉆孔軌跡和泵注壓裂曲線如圖7 所示。

圖7 頂板梳狀鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數(shù)曲線Fig.7 Drilling trajectory and pump injection parameters curve of staged fracturing in the floor comb borehole

壓裂選用BYW65/400 型煤礦井下壓裂泵組和?73 mm 型分段壓裂工具，整個(gè)鉆孔累計(jì)壓入液體量為2 012 m3，壓裂最大泵注壓力為8.74 MPa，采用全水分分析測(cè)得壓裂影響半徑最大值為39.6 m，最小值為20.3 m。鉆孔分段壓裂完畢后，監(jiān)測(cè)73 d 鉆孔抽采瓦斯純量為480～2 776 m3/d，平均1 559 m3/d，百米鉆孔瓦斯抽采量均值是同區(qū)域常規(guī)鉆孔的4.8 倍。先后在韓城礦區(qū)王峰煤礦、桑樹坪二號(hào)井和下峪口等煤礦的3 號(hào)煤層中進(jìn)行分段水力壓裂工程示范應(yīng)用，均取得較好效果，形成了適合于韓城礦區(qū)碎軟低滲高突煤層區(qū)域增透瓦斯高效抽采治理模式。

4)頂板定向長(zhǎng)鉆孔加砂分段壓裂

針對(duì)梳狀鉆孔開分支工藝復(fù)雜且效率低，清水壓裂壓裂縫易收縮、影響瓦斯抽采效果等不足，提出了碎軟煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔加砂分段壓裂工藝，即直接壓裂煤層頂板以將煤層溝通，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯高效預(yù)抽。2020 年，在陽泉新景煤礦保安區(qū)三北軌道巷3 號(hào)煤層頂板實(shí)施2 個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔并進(jìn)行加砂分段壓裂，預(yù)抽3 號(hào)煤層瓦斯。施工作業(yè)區(qū)煤層埋深458.9～558.2 m，煤層厚度2.1～2.7 m，煤體結(jié)構(gòu)類型以碎粒煤、糜棱煤和碎裂煤為主，煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)為0.3～0.8，煤層瓦斯含量16.0 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.001 16 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.597 d?1。壓裂選用BYW(S)-30/1000 型加砂壓裂泵組，采用?89 mm 型雙封單卡拖動(dòng)式泵注分段壓裂工具。2 個(gè)鉆孔分段壓裂施工參數(shù)和瓦斯抽采情況見表1，鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數(shù)如圖8 所示。

圖8 頂板定向長(zhǎng)鉆孔軌跡和加砂分段壓裂泵注參數(shù)曲線Fig.8 Drilling trajectory and pump injection parameter curves of the staged fracturing with sand in roof directional long borehole

表1 煤礦頂板定向長(zhǎng)鉆孔加砂分段壓裂施工參數(shù)與瓦斯抽采效果Table 1 Pump injection parameters of staged fracturing with sand and gas drainage in roof directional long-borehole

壓裂前后綜合探測(cè)獲得鉆孔加砂分段壓裂影響半徑為20～38 m，2 個(gè)鉆孔100 d 抽采純甲烷量均值分別為1 025 m3/d 和2 811 m3/d，頂板加砂分段壓裂鉆孔百米瓦斯抽采純量是同區(qū)域順煤層未壓裂鉆孔瓦斯抽采量的5.6～15.4 倍，取得了良好的應(yīng)用效果。該技術(shù)可在我國(guó)碎軟突出煤層瓦斯災(zāi)害區(qū)域防治或井下煤層氣開發(fā)中推廣應(yīng)用。

3.2 硬煤層分段水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)

硬煤層煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，煤體具有較高的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度，外力作用下變形小，易于順煤層鉆進(jìn)和鉆后成孔，也有利于水力壓裂封孔器座封，硬煤層壓裂一般采用順層長(zhǎng)鉆孔分段壓裂增透抽采瓦斯，如圖9所示。順煤層裸眼壓裂直接作用于煤層，煤層被壓裂改造較充分，鉆孔見煤率高，鉆孔利用充分，有利于提高煤層瓦斯預(yù)抽效果。順煤層裸眼分段壓裂鉆孔往往是后期瓦斯抽采鉆孔，一般采用拖動(dòng)式、由里向外分段壓裂工藝。壓裂泵注壓力根據(jù)煤層埋藏深度和煤本身物理力學(xué)性質(zhì)以及區(qū)域地應(yīng)力情況等因素合理確定，確保煤層被壓開并形成比較復(fù)雜的壓裂縫網(wǎng)；每段壓裂液注入量根據(jù)煤層厚度和預(yù)計(jì)壓裂影響范圍確定。

圖9 硬煤順煤層鉆孔裸眼分段壓裂Fig.9 Sketch map of staged fracturing of open hole in hard coal seam

鄂爾多斯盆地西南緣黃隴煤田是我國(guó)14 個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地之一，為典型中生代侏羅紀(jì)低變質(zhì)硬煤，煤的鏡質(zhì)體反射率為0.50%～0.75%，煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)一般在1.0～1.2，煤層瓦斯含量為0.08～6.88 m3/t。煤田內(nèi)成煤后期因地下水作用煤層裂隙多被礦物充填，導(dǎo)致煤層滲透性下降，僅依靠順層長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯不能有效滿足煤層快速采掘推進(jìn)的需要。2020 年，在彬長(zhǎng)大佛寺煤礦40206 工作面4 號(hào)煤層，開展了井下順煤層裸眼分段壓裂增透抽采瓦斯工程應(yīng)用示范。工作面煤層埋深520～596 m，煤層厚度4.9～18.3 m，平均11.6 m；煤層瓦斯壓力0.65～0.70 MPa，瓦斯含量5.5～6.0 m3/t。在該工作面布置3 個(gè)順煤層裸眼定向長(zhǎng)鉆孔，進(jìn)行分段壓裂增透抽采瓦斯。壓裂選用BYW65/400型壓裂泵組和?89 mm 型分段壓裂工具，分段壓裂鉆孔的施工參數(shù)和瓦斯抽采情況見表2，3 個(gè)分段壓裂定向長(zhǎng)鉆孔平面布置及典型段泵注壓力和排量曲線如圖10所示。

圖10 硬煤順層分段壓裂鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數(shù)曲線Fig.10 Drilling trajectory and pump injection parameters of staged fracturing in hard coal seam long hole

表2 40206 工作面順煤層鉆孔裸眼分段壓裂施工參數(shù)與瓦斯抽采效果Table 2 Parameters of staged fracturing and gas drainage of coal seam open borehole at 40206 working face

鉆孔壓裂前采用瞬變電磁(TEM)在鉆孔內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，獲得分段水力壓裂影響范圍為30～40 m，3 個(gè)鉆孔壓裂后瓦斯抽采純量均值為1 037～2 491 m3/d，百米瓦斯抽采純量是同區(qū)域未壓裂鉆孔的4.9～11.0 倍。結(jié)果表明，順煤層分段壓裂措施在硬煤層中能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域增透瓦斯高效抽采。該技術(shù)先后在陜西黃陵礦區(qū)和彬長(zhǎng)礦區(qū)開展工程應(yīng)用，探索形成了適合于黃隴煤田的硬煤層順層裸眼長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂增透高效抽采瓦斯技術(shù)模式，該模式可在西北中生代低變質(zhì)高瓦斯硬煤層中推廣應(yīng)用。

4 堅(jiān)硬頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂強(qiáng)礦壓災(zāi)害防治技術(shù)

堅(jiān)硬頂板是指在煤層上方賦存有巖石強(qiáng)度大、裂隙不發(fā)育、分層厚度大和整體性好的巖層。煤炭開采過程中堅(jiān)硬頂板難以及時(shí)垮落，在采空區(qū)上方形成大面積懸頂，易引起工作面底鼓、片幫、壓架乃至誘發(fā)煤與瓦斯突出或沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害[46-48]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)堅(jiān)硬頂板賦存煤層占到30%以上[49]，其嚴(yán)重威脅了高產(chǎn)高效礦井的安全生產(chǎn)。針對(duì)堅(jiān)硬頂板引起強(qiáng)礦壓等地質(zhì)災(zāi)害問題，利用定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂頂板堅(jiān)硬巖層，產(chǎn)生的壓裂裂縫形成力學(xué)弱面，注入的高壓水進(jìn)一步浸潤(rùn)弱化巖石，使巖層整體強(qiáng)度降低，從而達(dá)到區(qū)域弱化堅(jiān)硬頂板巖層、改變巖層破斷規(guī)律、防治強(qiáng)礦壓災(zāi)害目的。基本施工流程是，采用定向鉆機(jī)在工作面巷道向煤層頂板堅(jiān)硬巖層中實(shí)施定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔施工完畢后下入雙封單卡拖動(dòng)式分段壓裂工具，由里向外對(duì)巖孔進(jìn)行逐段壓裂。定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂堅(jiān)硬頂板治理強(qiáng)礦壓模式如圖11 所示。

圖11 堅(jiān)硬頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂Fig.11 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing of hard roof in directional long-borehole

神東某礦某工作面開采4?2煤層，煤層埋深370～475 m，煤層厚度3.8～7.3 m，平均厚度6.05 m。距煤層頂12 m 發(fā)育1 層平均厚度為22 m 的細(xì)粒砂巖，巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)60 MPa 以上，煤層開采后該層巖石難以垮落導(dǎo)致大面積懸頂，引起強(qiáng)礦壓，導(dǎo)致工作面底鼓(最大底鼓量達(dá) 1.5 m)、片幫嚴(yán)重，曾多次出現(xiàn)液壓支架被壓死、爆缸等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象。采用頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)對(duì)該工作面上覆細(xì)粒砂巖層進(jìn)行壓裂改造，每個(gè)鉆場(chǎng)均勻布置3 個(gè)壓裂鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為330～600 m。根據(jù)鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)壓裂段數(shù)，單孔壓裂6～12 段。壓裂選用BRW800 型壓裂泵組和?73 mm型動(dòng)管柱分段壓裂工具，每段壓入水量約50 m3，泵注最高壓力30.5 MPa，最低壓力12.4 MPa，最大壓降12.9 MPa。分段水力壓裂泵注壓力曲線如圖12 所示。壓裂完成后，采用TEM 物探儀器探得鉆孔壓裂影響半徑約為35 m。根據(jù)工作面煤炭回采期間液壓支架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，壓裂區(qū)頂板來壓步距、動(dòng)載系數(shù)和最高壓力值較未壓裂區(qū)分別下降18.9%～70.6%、5.8%～7.9%、13.7%～19.4%，保障了工作面安全高效回采。

圖12 堅(jiān)硬頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂鉆孔軌跡和分段壓裂泵注參數(shù)曲線Fig.12 Drilling trajectory and pump injection parameter curves of staged fracturing in hard-roof directional long-borehole

目前定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)已在陜西、內(nèi)蒙古、山東和山西等省的典型煤礦區(qū)10 多對(duì)礦井中完成了1 000 余個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔的壓裂工程，成功掩護(hù)了30 余個(gè)工作面煤炭資源的安全高效回采。在工程實(shí)踐應(yīng)用中，形成了堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂治理模式。該模式可在煤層頂板堅(jiān)硬巖層較發(fā)育或遺留煤柱引起強(qiáng)礦壓的礦井中推廣應(yīng)用。

5 煤礦井下分段水力壓裂技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)煤炭資源賦存豐富，在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤炭仍將作為主體能源。我國(guó)煤炭每年以20 m 的開采速度向深部延伸，隨著開采深度增加，開采地質(zhì)條件變得更加復(fù)雜，煤層瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害防治形勢(shì)也將變得日趨嚴(yán)峻。煤礦智能化已是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)[50]，隨著煤礦智能化建設(shè)的推進(jìn)，煤礦各種裝備將逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2020 年國(guó)家八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，文中明確要求對(duì)瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害威脅礦井優(yōu)先發(fā)展智能化技術(shù)與裝備，提高瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害的防治效果。水力壓裂技術(shù)作為煤礦瓦斯和沖擊地壓災(zāi)害防治的重要手段，煤礦井下水力壓裂技術(shù)與裝備智能化發(fā)展是必然趨勢(shì)。

5.1 煤礦井下水力壓裂裝備發(fā)展需求

1) 井下大排量高壓力智能化壓裂泵組

壓裂泵是煤巖層壓裂改造的硬件保障，對(duì)水力壓裂成敗起著關(guān)鍵性作用。地面壓裂泵功率已從223.8 kW(300 HP)發(fā)展到4 476 kW(6 000 HP)，工作壓力從70 MPa 發(fā)展到140 MPa，輸出排量從0.8 m3/min發(fā)展到4.0 m3/min 以上[51]。從地面煤層氣井壓裂成功經(jīng)驗(yàn)來看，壓裂泵組排量一般要達(dá)到6 m3/min 以上才能取得比較好產(chǎn)氣效果[52-53]。與之相比，目前井下壓裂泵組在能力和工程應(yīng)用實(shí)踐中存在一定的差距。另外，煤礦井下分段水力壓裂施工作業(yè)，在坐封、起裂、壓裂和卸壓等不同階段，泵注流量和泵注壓力存在階段差異和實(shí)時(shí)突變特點(diǎn)，依靠人工觀察和手動(dòng)操作難以滿足實(shí)時(shí)調(diào)控要求，調(diào)控不及時(shí)也易導(dǎo)致壓裂工程效果不佳、安全事故發(fā)生。為了更好提高煤礦井下煤巖層水力壓裂改造效果，保障煤礦井下水力壓裂施工作業(yè)安全，煤礦井下壓裂泵組研制的主要發(fā)展方向是：在能力上，井下壓裂泵組的排量、壓力、攜砂能力還需要進(jìn)一步提升：泵組排量2～3 m3/min、壓力70～100 MPa、攜砂比20%以上，以滿足煤礦井下壓裂預(yù)期效果不斷改進(jìn)和提升的需要；在性能上，壓裂泵組要向遠(yuǎn)程智能操控、自動(dòng)無極精準(zhǔn)調(diào)控方向發(fā)展，壓裂施工作業(yè)過程要實(shí)現(xiàn)泵注流量智能監(jiān)測(cè)、泵注壓力實(shí)時(shí)跟蹤、壓力流量匹配及時(shí)分析、風(fēng)險(xiǎn)故障智能預(yù)警和遠(yuǎn)程智能自動(dòng)調(diào)控等功能，以保障煤礦井下壓裂改造效果和安全高效施工作業(yè)；在體積上，井下壓裂泵組要向小型化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積更小、質(zhì)量更輕，以便壓裂泵組在煤礦井下搬運(yùn)、安裝和使用。

2) 井下長(zhǎng)鉆孔裸眼分段壓裂智能工具串

分段壓裂工具是長(zhǎng)鉆孔實(shí)現(xiàn)體積壓裂區(qū)域改造的關(guān)鍵裝備之一，壓裂成敗和效果好壞均與壓裂工具有著密切關(guān)系。在石油、天然氣行業(yè)針對(duì)不同完井條件、地質(zhì)條件已經(jīng)形成了比較成熟的封隔器滑套分段壓裂、水力噴砂分段壓裂和裸眼封隔器分段壓裂等技術(shù)及配套工具[54-55]。煤礦要針對(duì)自身?xiàng)l件和實(shí)際地質(zhì)問題，借鑒油氣行業(yè)分段壓裂工具開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)適合于煤礦井下的分段壓裂工具。井下工具串研發(fā)需要從如下4 個(gè)方面攻關(guān)：一是研制具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高壓油管，耐壓能力要達(dá)到100 MPa 以上，滿足超長(zhǎng)鉆孔(大于1 000 m)大排量、高壓力分段壓裂輸送壓裂液的需要，提高長(zhǎng)鉆孔分段壓裂施工作業(yè)能力；二是研發(fā)高強(qiáng)度、大變形、抗疲勞封隔器，滿足煤層、砂質(zhì)泥巖或強(qiáng)度較低砂巖裸眼分段壓裂的需要，減少孔內(nèi)事故，提高壓裂施工效率；三是研發(fā)具有孔內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制的智能壓裂截流器，以便準(zhǔn)確了解孔內(nèi)狀況、及時(shí)調(diào)控，提高分段壓裂施工作業(yè)效果；四是井下分段壓裂工具要具備高清可視化及自動(dòng)解堵功能，以便壓裂工具串在輸送過程中能及時(shí)觀察到煤巖孔壁情況，確定封隔器最佳座封位置，出現(xiàn)砂堵時(shí)能啟動(dòng)解堵功能，防止砂堵事故發(fā)生。

5.2 井?地聯(lián)合分段水力壓裂技術(shù)

碎軟煤層頂板水平井地面分段壓裂實(shí)現(xiàn)了單井日產(chǎn)氣量超萬立方米，而碎軟煤層頂板長(zhǎng)鉆孔煤礦井下分段壓裂單孔日抽采量?jī)H兩千立方米左右，造成地面和井下壓裂效果差異的原因主要是井下壓裂泵組能力和施工條件。為了更好地提高煤礦井下瓦斯、礦壓等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域治理效果，井?地聯(lián)合分段水力壓裂是煤礦井下壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。井?地聯(lián)合分段水力壓裂(圖13)就是利用地面大排量、高壓力、攜砂壓裂泵組，通過垂直井將大排量、高壓力的攜砂液引入到煤礦井下，對(duì)井下施工的批量煤巖定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行分段水力壓裂，形成適合于煤礦井下“井工廠”壓裂改造作業(yè)新模式[56]。

圖13 井?地聯(lián)合分段水力壓裂模式Fig.13 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing mode in Surface and underground combination

井?地聯(lián)合分段水力壓裂是一種新的煤礦井下壓裂作業(yè)模式，要從地面壓裂泵組裝備的選擇及部署、井?地聯(lián)通井的施工、壓裂高壓管線布置、井下煤巖層定向長(zhǎng)鉆孔的鉆進(jìn)和固孔、孔內(nèi)分段壓裂工具及施工作業(yè)等方面進(jìn)行相應(yīng)的研究。需要著重研究解決如下幾個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)難題：一是研究煤礦井下批量平行長(zhǎng)鉆孔大規(guī)模分段壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理以及區(qū)域改造壓裂的預(yù)期效應(yīng)，以指導(dǎo)井?地聯(lián)合分段壓裂設(shè)計(jì)及施工作業(yè)；二是地面垂直井與井下壓裂施工作業(yè)區(qū)巷道的精準(zhǔn)對(duì)接技術(shù)，解決大垂深對(duì)接井套管設(shè)計(jì)和固井技術(shù)；三是煤礦井下近水平大直徑定向長(zhǎng)鉆孔下套管與固孔及固孔效果檢測(cè)技術(shù)；四是井下水平定向長(zhǎng)鉆孔套管內(nèi)分段射孔、分段壓裂工藝技術(shù)，保障長(zhǎng)鉆孔均勻壓裂效果；五是井?地聯(lián)合大排量高壓力攜砂分段壓裂遠(yuǎn)程智能操控施工作業(yè)以及通信保障技術(shù)。

井?地聯(lián)合分段水力壓裂模式采用大排量、高壓力的地面攜砂壓裂泵組，在地面對(duì)井下批量鉆孔實(shí)施分段壓裂，煤巖鉆孔壓裂影響范圍將會(huì)進(jìn)一步增大，壓裂改造效果及作業(yè)安全性將會(huì)進(jìn)一步提升，壓裂施工成本也將會(huì)進(jìn)一步降低，為煤礦瓦斯、礦壓等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域防治等提供了新的技術(shù)思路。

6 結(jié) 論

a.“十三五”以來圍繞我國(guó)煤礦瓦斯、礦壓等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域治理的實(shí)際需求，借鑒地面水平井分段壓裂技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了適合于煤礦井下煤巖層定向長(zhǎng)鉆孔裸眼分段水力壓裂的技術(shù)思路，并開發(fā)了適合于不動(dòng)管柱裸眼分段壓裂和定向長(zhǎng)鉆孔裸眼拖動(dòng)式分段壓裂2 種工藝技術(shù)。井下分段壓裂技術(shù)提出以及成功推廣應(yīng)用，推動(dòng)煤礦井下以穿層鉆孔和順層短鉆孔整體壓裂為主壓裂增透方式向以定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂區(qū)域增透模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下長(zhǎng)鉆孔區(qū)域均勻精準(zhǔn)壓裂改造。

b.成功研發(fā)了?73 mm 型和?89 mm 型2 種規(guī)格的煤礦井下裸眼定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂工具，工具耐壓能力整體達(dá)到70 MPa 以上，滿足直徑89～133 mm定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂的需要。定向長(zhǎng)鉆孔裸眼分段壓裂工程的鉆孔深度達(dá)到了800 m，單孔壓裂段數(shù)達(dá)到了17 段。針對(duì)常規(guī)壓裂泵組不具備大量攜砂壓裂的難題，設(shè)計(jì)并研制了BYW(S)-30/1000 型低壓端加砂壓裂泵組和高壓端混砂加砂壓裂裝置，BYW(S)-30/1000 型低壓端加砂壓裂泵組的研制，高壓端混砂加砂壓裂裝置的研制解決了BYW 型和BRW 型常規(guī)壓裂泵組不能大量加砂壓裂的難題。

c.建立了碎軟煤層圍巖梳狀定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂、碎軟煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂、硬煤順層定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂高效抽采區(qū)域瓦斯和堅(jiān)硬頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂區(qū)域弱化治理強(qiáng)礦壓災(zāi)害技術(shù)模式。碎軟煤層定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂鉆孔長(zhǎng)度突破了600 m，分段數(shù)達(dá)到10 段，百米鉆孔瓦斯抽采量是常規(guī)的3.53～15.4 倍；硬煤順層定向長(zhǎng)鉆孔分段壓裂鉆孔長(zhǎng)度也達(dá)到了600 m，單孔壓裂段數(shù)達(dá)到了8 段，百米鉆孔瓦斯抽采量是常規(guī)法的4.9～11.0 倍。堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓定向鉆孔分段壓裂區(qū)域治理鉆孔長(zhǎng)度突破了800 m，治理后工作面煤炭回采期間頂板來壓步距、動(dòng)載系數(shù)和最高壓力值較未壓裂區(qū)分別下降18.9%～70.6%、5.8%～7.9%、13.7%～19.4%，有效治理了工作面強(qiáng)礦壓災(zāi)害。

d.根據(jù)我國(guó)煤礦智能化發(fā)展需求，分析了煤礦井下分段水力壓裂技術(shù)及裝備在工程實(shí)踐應(yīng)用中將面臨的主要問題，從提高井下分段水力壓裂裝備能力、智能遠(yuǎn)程精確調(diào)控、井下安全操控性能和改善井下水力壓裂規(guī)模及壓裂效果等方面，提出了煤礦井下大排量、高壓力智能壓裂泵組、井下長(zhǎng)鉆孔裸眼分段壓裂智能工具等裝備與煤礦井?地聯(lián)合分段水力壓裂技術(shù)的研發(fā)方向。