煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂技術(shù)與裝備

張 儉，劉 樂(lè)，趙繼展，孫四清，王晨陽(yáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國(guó)煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，碎軟煤層透氣性低，透氣性系數(shù)一般在10?2～10?3m2/(MPa2·d)，煤層堅(jiān)固性系數(shù)小，衰減系數(shù)大，瓦斯抽采效率低，礦井瓦斯治理難度大[1-2]。隨著礦井開(kāi)采活動(dòng)不斷向深部延伸，煤層破碎、滲透性低等問(wèn)題日益凸顯，煤層瓦斯抽采難度增加。水力壓裂技術(shù)作為一種增加低滲儲(chǔ)層透氣性的有效措施在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用，脈動(dòng)水力壓裂[3]、變排量壓裂[4]、復(fù)合壓裂[5-6]、分段壓裂[7-8]、水力加砂壓裂技術(shù)[9]也相繼應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了較好的增透效果。

起初階段水力壓裂技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用，受井下作業(yè)空間、鉆探裝備及鉆進(jìn)工藝的限制，主要在煤層底板巷道施工穿層鉆孔壓裂增透，學(xué)者對(duì)水力壓裂機(jī)理[10-11]、壓裂效果評(píng)價(jià)[12-14]等深入研究并開(kāi)展工程應(yīng)用。王祺[15]在大灣煤礦對(duì)9 號(hào)煤層開(kāi)展水力壓裂工程，壓裂后煤層透氣性系數(shù)提高了18.37 倍，瓦斯抽采純量較未壓裂區(qū)域提高了2 倍。陳建等[16]利用高壓端加骨料實(shí)施穿層鉆孔加骨料壓裂，最大加入176.5 kg石英砂，壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)較未壓裂區(qū)域提高了2～15 倍，骨料有效延緩裂縫閉合，縮短瓦斯抽采達(dá)標(biāo)周期。穿層鉆孔壓裂技術(shù)工程推廣中，壓裂增透范圍小、鉆孔有效壓裂段短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)礦井煤層區(qū)域瓦斯預(yù)抽的目標(biāo)。隨著井下鉆探裝備、鉆進(jìn)工藝技術(shù)及壓裂技術(shù)發(fā)展，煤層長(zhǎng)鉆孔壓裂技術(shù)、頂(底)板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段壓裂技術(shù)、水力加砂壓裂技術(shù)等相繼應(yīng)用于工程實(shí)踐。張群等[17]提出了碎軟低滲煤層的煤層氣頂板巖層水平井分段壓裂高效抽采模式，并在安徽淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦應(yīng)用，取得了很好的瓦斯抽采效果。孫四清等[18]在山西陽(yáng)泉礦區(qū)碎軟煤層開(kāi)展整體水力壓裂技術(shù)研究與工程應(yīng)用，壓裂煤層段長(zhǎng)307 m，壓裂后煤層透氣性系數(shù)提高2.67 倍，日均抽采瓦斯純量2 173 m3，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[19]針對(duì)韓城礦區(qū)碎軟、難抽煤層提出頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)并開(kāi)展工程試驗(yàn)，壓裂后鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為43.54%，瓦斯抽采純量1.18 m3/min，較試驗(yàn)點(diǎn)鄰近區(qū)域本煤層鉆孔抽采瓦斯純量提高4 倍，對(duì)碎軟煤層瓦斯治理提供一條新的途徑。鄭凱歌[20]深入分析了煤層底板梳狀鉆孔分段壓裂增透機(jī)理、形成了煤層底板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段壓裂工藝，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了該技術(shù)的增透效果，壓裂后煤層透氣性系數(shù)提高16.63 倍，鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高12.80 倍，鉆孔瓦斯抽采純量提高2.53 倍。實(shí)踐證明，改善煤層透氣性是礦井瓦斯高效抽采關(guān)鍵，水力壓裂是增加煤層透氣性的有效措施，特別是定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)對(duì)礦井大區(qū)域瓦斯超前預(yù)抽具有重要意義。

地面煤層氣井采用成熟的水力加砂分段壓裂技術(shù)，并取得了很好的排采效果。受煤礦井下作業(yè)空間限制，地面大型加砂壓裂裝備無(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下，煤礦井下煤層頂板長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂技術(shù)應(yīng)用鮮見(jiàn)報(bào)道。基于現(xiàn)有井下水力壓裂技術(shù)的不足：清水壓裂裂縫易發(fā)生閉合；定向長(zhǎng)鉆孔壓裂段有限，一般不超過(guò)5 段，存在壓裂盲區(qū)；未見(jiàn)成套的煤礦井下水力加砂壓裂泵組裝備、定向噴砂射孔裝置、長(zhǎng)鉆孔分隔裝置等?；诖?，筆者提出了煤礦井下煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂強(qiáng)化瓦斯抽采的思路，研發(fā)相應(yīng)設(shè)備及煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔定向噴砂射孔技術(shù)和水力加砂分段壓裂技術(shù)，并在煤礦井下開(kāi)展工程試驗(yàn)，為碎軟煤層瓦斯高效抽采提供裝備和工藝技術(shù)支撐。

1 煤層頂板分段加砂壓裂技術(shù)思路

基于煤礦井下常規(guī)水力壓裂增透范圍小，存在壓裂盲區(qū)，裂縫在地應(yīng)力作用下易發(fā)生閉合等問(wèn)題，提出了煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂強(qiáng)化瓦斯抽采的技術(shù)思路。首先，通過(guò)先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝技術(shù)在近煤層頂板穩(wěn)定巖層(優(yōu)選砂巖)施工定向長(zhǎng)鉆孔(≥500 m)。而后，利用成套的定向噴砂射孔工具組合及施工工藝在煤層頂板長(zhǎng)鉆孔內(nèi)向煤層實(shí)施定向噴砂射孔作業(yè)，有效溝通煤層產(chǎn)生裂縫引導(dǎo)壓裂裂縫向煤層擴(kuò)展。最后，采用拖動(dòng)式水力加砂分段壓裂工藝技術(shù)在煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行均勻水力加砂分段壓裂，使煤層頂板、煤層產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯流動(dòng)產(chǎn)生通道，其縫網(wǎng)改造如圖1 所示。

圖1 煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂縫網(wǎng)改造Fig.1 Schematic diagram of fracture network construction through roof-supporting,long-reach directional drilling and multistage fracturing treatment

煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂技術(shù)較本煤層壓裂技術(shù)而言，鉆孔施工層位在頂板較堅(jiān)硬巖層，其穩(wěn)定性好，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。拖動(dòng)式水力加砂分段壓裂技術(shù)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巖層產(chǎn)生裂縫形成卸壓區(qū)，而且高壓水迫使煤層產(chǎn)生裂縫并溝通煤層中微裂隙，形成豐富的裂縫網(wǎng)絡(luò)。另外，水力加砂壓裂過(guò)程中添加的支撐劑有效延緩已產(chǎn)生裂縫的閉合，保障煤層瓦斯長(zhǎng)時(shí)高效抽采。壓裂后煤層頂板壓裂鉆孔作為瓦斯抽采鉆孔，具有與增透煤層接觸面積大、鉆孔穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，保證了瓦斯高效抽采。該工藝技術(shù)的適用性強(qiáng)，不受煤體結(jié)構(gòu)影響。

2 水力加砂分段壓裂裝備

2.1 加砂壓裂泵組

自主研發(fā)煤礦井下BYW(S)-30/1000 型水力加砂壓裂泵組，具有“大排量、高壓力、攜砂能力強(qiáng)”等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低壓端加砂、高壓端出砂，保障連續(xù)加砂作業(yè)。水力加砂泵組最大工作壓力70 MPa；最大排量90 m3/h(Ⅳ檔)；攜砂能力達(dá)到20%，砂的粒徑小于等于1 mm。水力加砂壓裂泵組由供水系統(tǒng)、混砂系統(tǒng)、泵組系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。供水系統(tǒng)分別為壓裂泵組供水和混砂罐供水；混砂系統(tǒng)主要由儲(chǔ)砂倉(cāng)、加砂臺(tái)、輸砂器、混砂罐等組成。作業(yè)流程：將支撐劑加入加砂臺(tái)，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)輸砂器的輸砂頻率，按設(shè)計(jì)輸砂量向混砂罐加入支撐劑，同時(shí)結(jié)合輸砂量調(diào)節(jié)混砂罐供水量進(jìn)而控制支撐劑比例，支撐劑在混砂罐中均勻攪拌后，通過(guò)輸砂管路壓裂泵組，而后經(jīng)高壓管路注入壓裂目標(biāo)層。水力加砂壓裂泵組實(shí)現(xiàn)低壓端的自動(dòng)供砂、混砂，混砂液均勻輸入主泵。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離控制水力加砂壓裂作業(yè)，保證井下安全施工，能存儲(chǔ)壓力、流量、砂含量等壓裂參數(shù)數(shù)據(jù)，具有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自我反饋及報(bào)警功能，可對(duì)井下加砂壓裂進(jìn)行施工安全判別及壓裂曲線分析。

圖2 水力加砂壓裂泵組Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing pump unit

2.2 定向噴砂射孔裝置及工具組合

定向噴砂射孔裝置及其組成如圖3a 組成。其工作原理是鍵槽套內(nèi)高密度球自由滑動(dòng)至重力勢(shì)能的最低點(diǎn)，鍵槽套中的推管向前移動(dòng)使高密度球進(jìn)入鍵槽套內(nèi)置的定位槽，高壓水推動(dòng)定向槽旋轉(zhuǎn)(噴射器的噴嘴旋轉(zhuǎn)至預(yù)設(shè)位置)，定向槽旋轉(zhuǎn)過(guò)程中高密度球移動(dòng)至定向槽的末端鎖定實(shí)現(xiàn)定向。定向噴砂射孔裝置長(zhǎng)1 050 mm，最大外徑104 mm，噴射器四周交叉設(shè)計(jì)6 個(gè)噴嘴，噴嘴直徑3～12 mm，轉(zhuǎn)向角度為雙向旋轉(zhuǎn)180°。配套的還有引鞋、扶正器、安全丟手等。扶正器用于防止噴射器與鉆孔孔壁接觸影響噴射器旋轉(zhuǎn)。

定向噴砂射孔工具組合如圖3b 所示。

圖3 定向噴砂射孔裝置及工具組合Fig.3 Directional sand blasting perforation device and its components

2.3 水力加砂分段壓裂裝置及工具組合

自主研發(fā)了適合裸眼長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂裝置，如圖4a 所示。防砂封隔器最大承壓70 MPa，最大膨脹系數(shù)為2；該裝置相較于普通封隔器，能夠防止水力加砂壓裂作業(yè)過(guò)程中支撐劑進(jìn)入封隔器內(nèi)，提高了加砂壓裂施工的可靠性。定壓截流器作用是封隔器膨脹座封后，壓力水(≥2 MPa)擠壓彈簧迫使定壓截流器內(nèi)置的壓差滑套打開(kāi)，壓裂液從定壓截流器流入壓裂段內(nèi)。正洗裝置主要作用是提高砂堵的處理能力，遇到砂堵，高壓油管正向沖洗，可清除砂堵。

圖4 水力加砂分段壓裂裝置及工具組合Fig.4 Hydraulic sand adding staged fracturing device and its combination

水力加砂分段壓裂工具組合為：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，如圖4b 所示。

3 關(guān)鍵工藝技術(shù)

為了確保煤層頂板長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂順利施工，分別研發(fā)了煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔軌跡精確控制技術(shù)、定向噴砂射孔技術(shù)、水力加砂分段壓裂技術(shù)。

1)煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔軌跡精確控制技術(shù)

鉆孔軌跡控制技術(shù)是煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是影響壓裂效果的關(guān)鍵因素。鉆孔施工之前，應(yīng)深入分析施工區(qū)域地質(zhì)條件，如煤層厚度、煤層頂板(巖性、厚度)賦存特征、地質(zhì)構(gòu)造等。為了保證鉆孔軌跡精確控制，采用以下措施：鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控給進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力、泥漿泵壓力等參數(shù)變化情況，觀察返水顏色、返渣情況，分析判斷鉆遇地層巖性，動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆孔設(shè)計(jì)軌跡；每3 m 采集1 次鉆孔傾角和方位角等參數(shù)，確定鉆孔實(shí)際軌跡，并將其與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

2)煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔定向噴砂射孔技術(shù)

煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔定向噴砂射孔技術(shù)，其核心參數(shù)是定向噴砂射孔的噴嘴數(shù)量、噴嘴規(guī)格、噴嘴角度、施工排量、施工壓力、噴射砂比等。該工藝技術(shù)分為前進(jìn)式和后退式2 種作業(yè)方式，前進(jìn)式定向噴砂射孔作業(yè)方式是從壓裂長(zhǎng)鉆孔孔口至孔底依次實(shí)施定向噴砂射孔作業(yè)，反之為后退式。作業(yè)流程為：(1) 將定向噴砂射孔工具組合送入頂板定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)位置；(2) 啟動(dòng)水力加砂壓裂泵組，低壓使定向噴砂射孔裝置噴射器轉(zhuǎn)向至煤層方向；(3) 增加組泵注排量，啟動(dòng)混砂系統(tǒng)，開(kāi)始定向噴砂射孔作業(yè)。定向噴砂射孔后清水沖洗鉆孔并拖動(dòng)至下一射孔位置，依此重復(fù)定向噴砂射孔作業(yè)。

3)煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔“雙封單卡”拖動(dòng)式水力加砂分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)流程為：(1) 依據(jù)鉆孔軌跡確定壓裂段數(shù)和壓裂位置，將水力加砂分段壓裂工具組合送入鉆孔設(shè)計(jì)壓裂位置；啟動(dòng)水力加砂壓裂泵組，清水沖洗定向長(zhǎng)鉆孔(≤1 MPa)；(2) 水力加砂壓裂泵組升檔加壓，防砂封隔器膨脹后座封，作業(yè)時(shí)間約20 min；(3) 提高向壓裂泵的供水能力，遠(yuǎn)程操控水力加砂壓裂泵組，升檔增加泵注排量至設(shè)計(jì)排量開(kāi)始清水壓裂；(4) 清水壓裂完成后啟動(dòng)混砂系統(tǒng)開(kāi)始加砂壓裂，實(shí)時(shí)觀察泵注壓力，調(diào)節(jié)砂比防止堵砂；(5) 加砂壓裂完成后繼續(xù)清水壓裂沖洗鉆孔后停止壓裂，關(guān)閉孔口安全閥保壓觀測(cè)；(6) 當(dāng)鉆孔內(nèi)壓力降低至地層壓力，防砂封隔器收縮與鉆孔孔壁分離，啟動(dòng)鉆機(jī)拖動(dòng)壓裂工具組合至下一壓裂段位置，依此重復(fù)實(shí)施其余段加砂壓裂。該工藝技術(shù)具有耐壓高、封孔效率高、封孔位置可調(diào)、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，保障了水力加砂分段壓裂施工效率和壓裂效果。

4 工程試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)區(qū)概況

選擇山西陽(yáng)泉新景煤礦為試驗(yàn)礦井，該煤礦最大絕對(duì)瓦斯涌出量為48.73 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井。試驗(yàn)地點(diǎn)位于新景煤礦保安區(qū)9 300 m 三北軌道巷北六、北七正巷工作面 。壓裂煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3 號(hào)煤層，煤層厚度2.07～2.70 m，埋深458.9～558.2 m。煤體按硬度分三層，下分層為軟分層，厚度約0.45 m，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.3～0.4；中、上分層煤層較好，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.71～0.84。煤層瓦斯含量16 m3/t，瓦斯壓力2.6 MPa，透氣性系數(shù)0.001 16 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.597 d?1。煤層頂板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或細(xì)砂巖，具備施工定向長(zhǎng)鉆孔的條件。

4.2 壓裂鉆孔軌跡控制及施工

綜合分析試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件，選擇3 號(hào)煤層頂板砂巖層作為鉆孔施工層位，2 個(gè)鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均為600 m，孔徑120 mm，與煤層垂距約5 m。采用兩級(jí)孔身結(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，最后下?146 mm 套管并注水泥漿固孔。1 號(hào)、2 號(hào)壓裂鉆孔主孔孔深609 m(圖5)，為了確保鉆孔在設(shè)計(jì)層位，施工期間還分別施工1-1 分支、1-2 分支孔用于探測(cè)鉆孔與煤層間距，如圖5a 所示。

圖5 煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔軌跡Fig.5 Track diagram of directional long borehole in coal seam roof

4.3 加砂壓裂方案設(shè)計(jì)及施工

根據(jù)鉆孔軌跡及鉆遇巖層情況，1 號(hào)鉆孔壓裂分6 段，2 號(hào)鉆孔壓裂分10 段。每段設(shè)計(jì)5 次定向噴砂射孔，間距0.5 m，射孔深度3 m，選用石英砂作為定向噴砂射孔磨料，定向噴砂射孔石英砂體積分?jǐn)?shù)2%～3%，每次注入噴砂液約40 m3。每段注入壓裂液不少于150 m3，優(yōu)選核桃殼砂作為支撐劑，核桃殼砂體積分?jǐn)?shù)大于2%，壓裂液中增加KCl 防膨劑和殺菌劑。壓裂液配比為：清水+1%KCl+0.05%殺菌劑。

用時(shí)22 d 完成2 個(gè)鉆孔定向噴砂射孔和水力加砂分段壓裂施工。實(shí)施定向噴砂射孔16 段，共計(jì)80 次，定向噴砂射孔石英砂的體積分?jǐn)?shù)為2%～3%，定向噴砂射孔壓力22.6～28.6 MPa，共計(jì)使用石英砂19.84 t，使用噴砂液1 072 m3。水力加砂分段壓裂泵注壓力21.3～29.6 MPa，單段注入壓裂液153.8～235.1 m3。1 號(hào)壓裂孔共計(jì)注入壓裂液963.9 m3，2 號(hào)壓裂孔共計(jì)注入壓裂液1 844.6 m3，累計(jì)注入壓裂液2 808.5 m3。核桃殼砂體積分?jǐn)?shù)為2.02%～2.56%，單段最小注入核桃殼砂1.76 t，最大注入核桃殼砂3.49 t，1 號(hào)壓裂孔注入核桃殼砂13.1 t，2 號(hào)壓裂孔注入核桃殼砂23.4 t，累計(jì)注入核桃殼砂36.47 t。1 號(hào)壓裂孔注入KCl 6.7 t，2號(hào)壓裂孔注入KCl 17.2 t，累計(jì)注入23.9 t。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1 壓裂曲線特征

選取4個(gè)典型壓裂段(1-5 段、1-6 段、2-2 段、2-6 段)泵注壓力及砂比等曲線，如圖6 所示。達(dá)到破裂壓力后，泵注壓力呈上升變化趨勢(shì)、下降變化趨勢(shì)、穩(wěn)定不變及劇烈的鋸齒形變化特征。

圖6 泵注壓力曲線特征Fig.6 Characteristics of pumping pressure curve

由圖6 可知，所有泵注壓力曲線劃分為3 個(gè)階段，即壓力上升階段、下降變化階段以及鋸齒形變化階段。壓力上升階段包含防砂封隔器座封，低壓使防砂封隔器充分膨脹與孔壁接觸實(shí)現(xiàn)鉆孔封隔。隨后泵注壓力升高，打開(kāi)定壓截流器內(nèi)置的壓差滑套，壓裂液進(jìn)入壓裂段，泵注壓力達(dá)到頂板巖(煤)層的破裂壓力，巖(煤)層破壞產(chǎn)生新裂縫形成儲(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。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在壓力下降變化階段會(huì)出現(xiàn)多次不同幅值壓力下降現(xiàn)象，且第一次壓力下降幅值最大，如1 號(hào)壓裂孔1-5 段、1-6 段，2 號(hào)鉆孔2-1 段、2-6 段、2-8 段、2-10 段均出現(xiàn)了不少于3 次壓力下降。造成這種現(xiàn)象有2 種可能：(1) 巖層產(chǎn)生裂縫后，裂縫擴(kuò)展至不同巖層層位，如壓裂鉆孔下部砂巖、泥巖層位，在不同巖性層位產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致壓力下降；(2) 巖層段破壞產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致第一次壓降，其余壓降發(fā)生在煤層中，裂縫在煤層發(fā)生起裂?擴(kuò)展?延伸的過(guò)程。泵注壓力下降至某一穩(wěn)定值后進(jìn)入鋸齒形變化階段，壓力鋸齒形波動(dòng)幅值大小不同，表明裂縫延伸擴(kuò)展難易程度及產(chǎn)生裂縫豐富程度不同。鋸齒形變化越明顯，煤層重復(fù)發(fā)生破裂?擴(kuò)展的過(guò)程，產(chǎn)生豐富裂縫網(wǎng)絡(luò)；鋸齒形變化不明顯，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，這可能是由于核桃殼砂加入比例不同導(dǎo)致壓力鋸齒形變化幅值和頻率不同。

4.4.2 壓裂效果綜合評(píng)價(jià)

1)瞬變電磁法

利用孔內(nèi)瞬變電磁探測(cè)1 號(hào)孔壓裂前、后瞬變電磁變化特征。壓裂前探測(cè)深度為50～401 m，壓裂后探測(cè)鉆孔深度為50～239 m。結(jié)果表明：探測(cè)區(qū)發(fā)現(xiàn)2 個(gè)異常區(qū)域，1 號(hào)異常區(qū)域在孔深150 m 附近，異常區(qū)沿孔深方向呈條帶分布，長(zhǎng)度約40 m。2 號(hào)異常區(qū)域在孔深205 m 附近，異常區(qū)沿鉆孔方向長(zhǎng)度約50 m。結(jié)合鉆孔壓裂位置及探測(cè)異常區(qū)域位置，初步判斷本次分段加砂壓裂影響半徑為20～25 m。

2)微量元素示蹤劑法

壓裂施工完成后，在壓裂鉆孔下方煤層中分別施工1 號(hào)、2 號(hào)效果檢測(cè)孔。壓裂施工前，在施工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元素示蹤劑。測(cè)試結(jié)果表明：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。因此，壓裂影響半徑25～38 m。

3)瓦斯抽采數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)分析2 個(gè)鉆場(chǎng)壓裂后100 d 瓦斯抽采數(shù)據(jù)，1號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)16.95%～72.75%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)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 m3，如圖7a 所示。2 號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)13.36%～47.65%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)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2 811 m3，如圖7b 所示。

圖7 瓦斯抽采數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Gas drainage data curve

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)高于2 號(hào)鉆場(chǎng)，而日均瓦斯抽采純量低于2 號(hào)鉆場(chǎng)。分析認(rèn)為，1 號(hào)壓裂孔受探測(cè)孔施工影響，共計(jì)施工6 段，壓裂段數(shù)小于2 號(hào)壓裂孔，同時(shí)壓裂點(diǎn)也不均勻，存在壓裂盲區(qū)。另外，1 號(hào)壓裂孔單段注液量和砂比總體小于2 號(hào)壓裂孔，導(dǎo)致日均瓦斯抽采純量差異較大。2 號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于1 號(hào)鉆場(chǎng)，是由于2 號(hào)壓裂孔第10 段壓裂施工時(shí)，其壓裂位置底部有一條回風(fēng)巷垂直經(jīng)過(guò)，壓裂施工期間發(fā)現(xiàn)回風(fēng)巷頂板漏水，瓦斯抽采期間對(duì)較明顯裂縫封堵處理，但仍舊存在漏風(fēng)，導(dǎo)致2 號(hào)鉆場(chǎng)抽采期間瓦斯體積分?jǐn)?shù)低。

5 結(jié) 論

a.研制了煤礦井下水力加砂壓裂泵組、定向噴砂射孔裝置及工具組合、水力加砂分段壓裂裝置及工具組合。水力加砂壓裂泵組最大排量90 m3/h，最大攜砂能力達(dá)到20%；定向噴砂射孔裝置實(shí)現(xiàn)水壓驅(qū)動(dòng)定向，最大旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到180°；防砂封隔器最大承壓70 MPa，最大膨脹系數(shù)為2。

b.研發(fā)了煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔定向噴砂射孔和水力加砂分段壓裂技術(shù)。該技術(shù)在煤礦井下開(kāi)展工程試驗(yàn)，累計(jì)實(shí)施80 次定向噴砂射孔，石英砂的體積分?jǐn)?shù)2%～3%，定向噴砂射孔壓力22.6～28.6 MPa，累計(jì)使用噴砂液超過(guò)1 072 m3，使用石英砂量19.84 t；完成2 個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔共計(jì)16 段水力加砂分段壓裂施工，單段注入壓裂液153.8～235.1 m3、核桃殼砂的體積分?jǐn)?shù)2.02%～2.56%、累計(jì)注入壓裂液2 808.5 m3、注入核桃殼砂36.47 t。

c.本次水力加砂分段壓裂影響半徑為20～38 m。壓裂后，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，日均抽采瓦斯純量1 025 m3。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，日均抽采瓦斯純量2 811 m3，取得很好的瓦斯抽采效果。

d.煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力加砂分段壓裂技術(shù)對(duì)碎軟煤層區(qū)域瓦斯治理提供新的思路，為我國(guó)類似礦區(qū)瓦斯超前治理提供技術(shù)借鑒，具有良好的應(yīng)用前景。