煤矿井下水力加砂压裂技术工程应用研究

王选琳，李 鹏，周东平，王 凯

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061；2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

重庆地区煤炭赋存地质条件复杂[1]，煤层硬度低，较松软，瓦斯含量高，透气性差，在施工瓦斯抽采钻孔时易发生塌孔、喷孔、卡钻等问题[2]，导致瓦斯抽采效果较差，瓦斯事故多发，成为制约煤矿安全高效生产的主要因素。煤层增透是提高瓦斯抽采效果的关键技术，水治瓦斯是目前最常用的煤层增透技术[3-8]。近年来，各煤矿进行了多种水治瓦斯试验，取得了较好的效果，其中水力压裂技术增透效果最为显著[9-14]，但在实际应用时，大埋深、高地应力环境下，清水压裂后煤层裂隙存在重新闭合的现象，对松软煤层进行清水压裂时近孔位置极易出现“水锁”现象，严重影响抽采效果，并且裂隙闭合和“水锁”现象随采深和地应力的增加而愈加明显[15-17]。

针对上述问题，在以往清水压裂的基础上进行深化研究，创新压裂工艺，研究水力加砂压裂技术，并进行现场工程应用，以期提高水力压裂范围和瓦斯抽采效果。

1 水力加砂压裂造缝机理

水力加砂压裂是利用高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将液体(清水及压裂液)注入钻孔，从而在孔底憋起高压，当该压力逐渐增加到可克服孔底周围地应力并达到煤岩体抗张强度时，煤岩层被压开并产生裂隙。继续将带有压裂砂的携砂液注入裂隙，裂隙延伸并被填充上压裂砂。携砂液进入裂隙之后，一方面可使裂隙继续延伸，另一方面可支撑已压开的裂隙而不至于闭合。停泵后，压裂砂对裂隙起支撑作用，煤岩层中留下一条或多条填砂裂隙，可增加煤层透气性，使孔壁附近乃至较远处的瓦斯能够通畅流入钻孔中，达到减少钻孔工程量、提高瓦斯抽采率、缩短抽采时间的目的[18-22]。根据井下水力压裂技术特点，煤矿井下水力压裂裂隙的扩展过程通常包括准备阶段、产生阶段、扩展阶段和填充阶段。

水力压裂效果受煤层自身性质、外部环境和施工因素影响，影响因素主要包括：①地应力与地质构造；②煤层自身特性：煤层硬度、瓦斯含量、初始透气性、瓦斯压力等；③施工参数：注入排量、砂比浓度；④压裂规模：压裂孔数目等；⑤压裂液和支撑剂性能；⑥排采制度[23-25]。其中，地应力大小和方向控制水力压裂裂隙的起裂压力、位置及裂隙形态。应力差影响裂隙扩展形态，压力差越大，越容易控制裂隙的几何形态，压裂效果越好。煤层临界解析压力、有效泄气面积随着煤层瓦斯含量的增高而增大。煤层透气性直接影响煤层瓦斯抽采效果，当其他条件相同时，透气性越高，煤层中流体渗流速度越快，煤层瓦斯产量也就越高；反之则渗流速率越慢，煤层瓦斯产量越低[26]。在压裂时，滤失系数越大，在地层中流失液就越多，在其他条件不变的情况下，裂隙的延伸将会不断减缓，裂隙长度随着滤失系数的增大而急剧减小[27]。随着杨氏模量的增加，裂纹长度的生长速度先迅速增加，后趋于平缓；裂隙高度随着杨氏模量的增大而增加。施工排量与压裂裂隙长度基本呈线性增加关系，对裂隙缝长有较大影响，对裂隙高度的影响较小，影响程度明显小于对裂隙长度的影响程度。压裂规模主要影响裂隙的扩展形态，压裂规模越大，裂隙的扩展延伸越快，煤层透气性随之增大，但压裂规模并不是越大越好，当其超过一定极限后，会导致裂隙扩展至围岩甚至联通含水层而影响排水釆气效果，同时还会对煤体造成破坏，反而降低煤层增透抽采效果。通常情况下，煤层瓦斯含量、煤层瓦斯产量的变化趋势与原始瓦斯压力变化趋势保持一致。

2 水力加砂压裂关键装备与工艺

2.1 水力加砂压裂关键装备

水力加砂压裂装备主要包括压裂泵组、混砂泵、高压管汇以及瞬变电磁仪等。

2.2 水力加砂压裂工艺操作流程

水力加砂压裂系统管路布置如图1所示。

图1 水力加砂压裂系统管路布置图

(1)水力加砂压裂工艺操作流程

水力加砂压裂工艺分为前置液清水压裂造缝、压裂液携砂支撑和清水顶替三个阶段。每个压裂加砂孔的施工参数按照泵注程序要求进行施工，参照图1，水力加砂压裂工艺的操作流程如图2所示。

(2)并联压裂工艺

包括：启动前的准备、打压试验及压裂要求、并联压裂启动程序。设备安装完成后，进行一次小型打压试验，首先将压裂管路末端封堵，然后启动压裂泵组，逐步关闭回流阀，当压力升至10 MPa左右时由专人对压裂管路进行检查，若发现有漏水等情况立即进行处理。

(3)混砂工艺

包括：启动准备、启动、调整混砂比例、停止。装置混砂比例由装置控制程序中调整相关参数预先设定，应符合装置额定混砂比例范围，以实现井下混砂供水要求。

(4)水力加砂压裂排采工艺

根据经验，压裂钻孔均保压8～10 d。具体操作流程为：压裂→停泵组→开回流阀放压裂液→保压10 d→开卸压阀放压裂液排采。

(5)返排液处理工艺

水力加砂压裂采用改性清洁压裂液体系，可以直接排到井下分区水仓进行集中处理。

3 工程应用

3.1 工程概况

工程实施地点在渝新能源公司松藻煤矿-225水平茅口巷，实施5个孔进行水力压力加砂试验。

三水平三采区-225主石门地表标高+578.0～+589.0 m，埋深800.9～811.9 m；位于三水平三采区-225区段的中部，该区域K1煤层为原始煤体，采区内各区段未进行采掘活动，三区-225主石门施工有K1煤层穿层钻孔，终孔位置在主石门以南10 m。

该石门煤岩层倾向270°。K1煤层倾角30°，煤厚1.32～1.51 m，平均厚度1.41 m，石门揭煤区域K1、K2a、K2b煤层层位及厚度正常，无构造影响。K1煤层在K2b煤层下方平均9.5 m，K2a煤层为K1、K2b之间的局部地段缺失的均厚0.2 m的煤层。经取样测试，石门K1煤层原始瓦斯含量14.5 m3/t，换算成瓦斯压力为1.21 MPa。K2b煤层原始瓦斯含量10.7 m3/t，换算成瓦斯压力为1.865 MPa。

压裂实施区域已形成稳定全负压通风系统。使用三水平二号人行下山-225人行联络巷临时水仓离心水泵通过三水平-225阶段水平4寸水管供水。

3.2 实施方案设计

3.2.1 水力加砂压裂参数计算

施工排量：采用两台压裂泵组并联进行加砂压裂，施工排量不低于60 m3/h。

砂比：先采用段塞式、低砂比(0.5%～1.0%)加砂，铺砂浓度为0.3 kg/m2，打磨裂隙，根据施工情况，逐渐阶梯式提高砂比(1%～5%)。

松藻煤矿同一区域清水压裂的影响范围介于30～50 m。根据经验，可设计压裂钻孔间距为120 m。结合K1煤层平均厚度1.41 m，孔隙度2.55%；压裂管线长度50～650 m，内径80 mm；钻孔深度60 m，孔径105 mm，进行压裂加砂参数计算。

前置液量：

Vq=πR2Hφ≈300 m3

(1)

式中：R为设计压裂半径，m；π为圆周率；H为煤层厚度，m；φ为孔隙度，%。对厚度为0.6 m的K2b煤层，计算得其前置液量为180 m3。

顶替液量：

Vdt=Vw+KVg≈1.8 m3

(2)

式中：Vdt为顶替液用量，m3；Vw为孔外管道的容积，m3；K为附加量系数，一般值为1.0～1.5；Vg为孔内管柱容积，m3。

砂量：

Vs=Ms/ρ=πR2n/ρ≈0.6 m3

(3)

式中：Ms为支撑剂用量，kg；R为设计压裂半径，m；Vs为支撑剂体积，m3；π为圆周率；n为铺砂浓度，kg/m2；ρ为支撑剂密度，kg/m3。

3.2.2 水力加砂压裂系统设计

两台压裂泵组和一台加砂泵组均安装在三水平三采区-225主石门以北附近100 m处新鲜风流中，与压裂孔间距100 m以上，且保证压裂钻孔不正对压裂泵组及压裂人员。

高压管汇安装在压裂孔孔口附近，高压管汇与压裂泵组之间采用高压输水钢管进行连接。双泵并联压裂时，输水管路的管径选用DN80 mm。

因双泵并联压裂期间供水流量将达60 m3/h，现有φ108 mm供水主管的流量只有40 m3/h，因此，在三水平-225主石门内修建总容量约为100 m3的水池，安装一台流量大于30 m3/h的潜水泵或离心泵给两台压裂泵组供水，供水压力不小于0.5 MPa。同时，将主供水管道采用φ108 mm钢管接入到水池中进行补给。在主石门以北100～200 m相邻的三个钻场施工3个容量为20 m3的配液混砂池，保证压裂清水和携砂压裂液的流量需求。

电源电压等级1 140 V，功率400 kW，电流245 A，电缆线径70 mm。远程监控配备电源127 V，从操作地点牵至压裂地点；从泵组到操作地点铺设127 V电源线1根，用于远程操作；防爆电脑距压裂泵组不得小于50 m。

本次压裂煤层为三水平三采区-225主石门以南的K1、K2b煤层。压裂钻孔在三水平三区-225S茅口巷浅钻场内施工，共计5个，采用ZDY-1250型液压钻机施工，水排粉，施工至压裂目标煤层后，进行扩孔，所有钻孔均要求穿过目标煤层并进入顶板0.5 m以上。压裂钻孔施工参数见表1。

表1 压裂钻孔设计参数表

为保证压裂效果，采用水泥砂浆充填、聚氨酯封孔，1#、2#压裂孔封孔至K1煤层底板，3#、4#、5#压裂孔封孔至K2b煤层底板，并在末端增加一个可滤水、气、砂浆的长度不小于1 m的马尾巴。其中，孔口段压裂管为无缝钢管，孔内剩余段为普通铁管，煤层段为筛管，筛眼直径φ8 mm，筛眼间距200 mm，螺旋布置。封孔段孔口采用聚氨酯裹棉纱封堵的办法，封堵段长度不小于1.5 m；注浆液要求抗压强度不小于50 MPa，抗收缩能力强；注浆时从注浆管内注浆，压裂管返浆后停止注浆，采用二次注浆封孔。

3.2.3 水力加砂压裂泵注程序设计

(1)压裂液组合：X3稠化剂+P1防膨剂+J2等破胶剂等[28]。

(2)支撑剂组合：S1压裂砂[28]。

(3)前置液前期注入活性水压裂液造缝，前置液后期注入压裂液基液增加缝宽，携砂液以压裂液基液段塞式携砂，可根据施工情况实时调整参数。

(4)根据第一孔加砂压裂施工情况，若施工压力平稳、加砂顺利，则按设计泵注程序施工，逐步提高后续各孔加砂比，力争最高砂比10%。

(5)经测算，松藻煤矿K1煤层、K2b煤层破裂压力约为21～22 MPa，管道摩阻约为2 MPa，重力摩阻约为2.2 MPa。因此，压裂区域最大施工压力需大于26.2 MPa。

(6)根据现场设计的5个压裂孔分别设计泵注程序，各孔压裂液基液与压裂砂用量统计见表2和表3。

表2 压裂液与压裂砂用量统计表

表3 钻孔泵注量累计表

3.2.4 水力加砂压裂效果考察

(1)钻探法考察压裂范围及压裂砂扩展范围

采用钻探法测定水力加砂压裂影响范围，选择2#、4#压裂孔分别作为K1、K2b煤层压裂砂扩展范围的代表检测孔，并分别在其周围每隔10 m、30 m、50 m、70 m施工一个钻探检验孔(φ75 mm)用来考察钻屑中是否存在压裂砂，进而确定压裂过程中压裂砂的扩展范围，同时，也可以考察钻屑中是否存在压裂液，进而确定水力压裂范围。

(2)瞬变电磁法检测压裂影响范围

水力压裂钻孔施工完成并进行埋管封孔后，采用瞬变电磁仪在每个压裂孔施工位置进行一次探测，水力压裂实施后，在同样位置再进行一次探测，最后对比分析两次探测结果，得出水力压裂的影响范围。

(3)水力加砂压裂抽采效果考察

各组钻孔压裂并保压完成后，分别接入矿井抽采系统进行瓦斯抽采，抽采负压不小于13 kPa。在钻孔接入抽采系统后，每天测定各钻孔的瓦斯浓度情况及抽采流量情况。由于瓦斯流量过小时，无法准确测定抽采流量，因此待各压裂孔水排完后，接上煤气表，读取累积读数来计算钻孔的平均单孔抽采流量。

3.3 现场实施情况

根据设计的实施方案，严格安全施工钻孔并对其进行水力加砂压裂，最后进行压裂效果的检验测试。

2018年12月5日～2019年1月7日，对所设计的5个压裂钻孔进行了水力加砂压裂，单孔压入液量为172～328 m3，平均235 m3；压入砂量325～1 125 kg，平均520 kg；砂比0.5%～2.8%，平均1.9%，最大压力为26.8～42.8 MPa，具体见表4。

表4 各压裂钻孔压入水量、液量及砂量情况表

3.4 压裂效果分析

通过水力加砂压裂的现场实施，对实施过程中水力加砂压裂系统的运行、压裂液与压裂砂的现场性能、加砂压裂后的影响范围及效果进行分析。

3.4.1 水力加砂压裂系统分析

(1)压裂加砂系统设备

泵组与孔口之间的压力差与管路长度呈正比，与管径大小呈反比，与压裂流量呈正比。采用DN80 mm高压钢管管汇进行大流量压裂，泵组与压裂钻孔孔口距离为600 m时，测得孔口与泵组之间的压力差为1.4 MPa，表明采用三寸高压钢管管汇系统可有效减小压裂液输送过程中的压力损失，整个管汇系统安全可靠，可进行推广应用。

采用两台BYW78/400型压裂泵组并联压裂，出口端均设置单向阀，避免了两泵组之间的相互影响，成功实现了多泵并联压裂。

(2)压裂液和压裂砂性能的现场试验

采用筛子和压风风管工具进行现场配液，20 m3的配液池需1.5袋压裂粉，现场测试其悬砂性能良好，可有效携砂进入煤层。破胶剂可使压裂液一天后溶解为活性水，可直排到水沟中，不会污染井下水源，清洁环保。

压裂砂通过混砂泵可与压裂液充分融合，悬浮在压裂液上方，完全满足煤矿井下上向压裂孔的要求；压裂砂通过压裂泵时，压裂泵运行状态良好，读数稳定，未对压裂泵产生损坏，适应性能好。

3.4.2 水力加砂压裂影响范围分析

3#压裂孔压裂完成后，肉眼可见距钻孔60 m处的钻场巷帮挂汗渗水，相较于松藻煤矿以往清水压裂50 m的影响半径提升了12%。同时，采用瞬变电磁法监测3#、4#孔压裂前后影响范围的视电阻率得出其压裂范围超过60 m，且采用双泵并联加砂压裂的扩展范围达到70 m，大于单泵加砂压裂的扩展范围，如图3所示，较松藻煤矿以往清水压裂50 m影响范围提高了40%～60%，提升效果明显，有效覆盖了整个条带区域。

图3 3#孔、4#孔压裂前后对比图

3.4.3 压裂及抽采效果分析

(1)压后现场情况

在1#、2#孔压裂施工前，三区-150S水平已经施工7#和8#两个K2b压孔，施工总长度60 m，穿K1、K2b煤层，位于1#、2#压裂孔终孔位置沿K1煤层倾向上方123～136 m。1#孔压完后，钻场内的测孔有出水，7#、8#孔有压裂液流出。3#孔压完后，向南水沟帮10 m范围电缆挂桩眼出水，向南30 m处的10#钻场有K1煤层地测孔出水，带泡沫，向南60 m处9#钻场左帮有挂汗约2 m3，且该处存在宽20 cm的裂隙。2#、4#孔压完后，附近均无明显现象。5#孔压完后，钻场存在严重挂水。

(2)压后瓦斯抽采情况

压裂完成后，自2019年1月21日开始，对压裂区域抽采瓦斯浓度、抽采混量进行了测定，单次测定周期为10 d左右，截至2019年5月26日共测定瓦斯浓度12次，各孔抽采浓度变化如图4所示。

图4 1～5#压裂孔抽采瓦斯浓度图

由图4可知：1#孔抽采浓度4%～10%，平均为6.5%；2#孔抽采浓度10%～65%，平均为27.5%，平均抽采纯量为0.034 m3/min；3#孔抽采浓度4%～35%，平均为16.7%，平均抽采纯量为0.015 m3/min；4#孔抽采浓度7%～44%，平均为24.3%，平均抽采纯量为0.044 m3/min；5#孔抽采浓度8%～35%，平均为22.2%，平均抽采纯量为0.028 m3/min。

(3)抽采效果分析

通过对比加砂压裂孔和松藻煤矿以往清水压裂孔的抽采数据，除1#孔外(与-150S水平的7#、8#压裂孔联通)，其余4个孔抽采瓦斯浓度均较高，最高可达65%，4个孔平均抽采瓦斯浓度22.7%，较松藻煤矿以往未加砂的清水压裂孔抽采瓦斯浓度(平均12.9%)提高了70%以上，抽采效果提高明显。除了1#孔未测定出抽采纯量，2#～5#孔单孔纯量为0.015～0.044 m3/min，是矿邻近区域清水压裂孔抽采纯量(单孔平均纯量0.002 m3/min)的7～22倍，抽采效果提升明显。

(4)压裂效果分析

1#孔、2#孔均为K1煤层压裂孔。1#孔加砂压裂后，K1煤层裂隙导通-150和-225水平，7#、8#孔有压裂液流出，抽采瓦斯浓度均较低。2#孔加砂量最多，初期抽采浓度较低，后期浓度回升且持续稳定，浓度平均为27.5%，最高可达65%，压入砂量与抽采浓度及抽采效果近似成正相关关系。

3#、4#、5#孔均为K2b煤层压裂孔，压裂后平均瓦斯浓度分别为16.7%、24.3%、22.2%，与前期在三区-225茅口巷其他区域实施的清水压裂孔(平均浓度12%)相比，瓦斯浓度提升明显，且目前已接抽时间近4个月，瓦斯浓度未出现明显衰减，抽采效果稳定。总体上，加砂压裂效果优于清水压裂。

4#孔瓦斯浓度最高(最大44%，平均24.3%)、压入砂量最高、加砂浓度最大(分别为500 kg、2%)，5#孔次之，再次说明加砂量与抽采浓度及抽采效果近似成正相关关系，同时3#孔压裂后巷帮渗水严重，其附近9#钻场存在20 cm宽的裂隙，说明3#钻孔存在裂隙与外界贯通，导致抽采浓度较4#、5#孔瓦斯浓度低。通过抽采数据可知，压裂砂对新开启裂隙进行了较好的支撑，形成了具有一定尺寸的填砂裂隙，为瓦斯的解吸运移提供了良好的通道，进而提高了瓦斯抽采浓度和抽采效果。

4 结论

(1)形成了单泵、双泵并联水力加砂压裂工艺技术，并首次成功地在重庆地区煤矿井下进行了上向水力加砂压裂，压裂效果较好。

(2)单孔压入液量为172～328 m3，平均235 m3；单孔压入砂量325～1 125 kg，平均520 kg；砂比0.5%～2.8%，平均1.9%，水力加砂技术可行可靠。

(3)采用双泵并联大流量、加砂压裂的影响范围达70 m，大于松藻煤矿以往清水压裂50 m影响范围。

(4)2#～5#孔单孔纯量为0.015～0.044 m3/min，与松藻煤矿邻近区域清水压裂孔的抽采纯量(单孔平均纯量0.002 m3/min)相比，抽采纯量提高到原来的7～22倍；抽采瓦斯浓度最高可达65%，平均单孔浓度为22.7%，与松藻煤矿以往未加砂的清水压裂钻孔相比，抽采瓦斯浓度提高了70%以上。