0 引 言
我国煤矿区成煤地质背景复杂，多数煤层具有低渗、不饱和、高吸附性、构造煤发育等特点[1-2]，瓦斯抽采达标难度大，单一低渗突出煤层瓦斯高效抽采仍是煤矿区瓦斯治理亟待突破的技术难题。近年来，国内学者提出了以卸压抽采[3-4]和缝网改造[5]为代表的低渗高突煤层瓦斯治理技术，围绕水力压裂[6-8]、水力冲孔[9]、水力割缝[10]等水力化增透技术在煤矿井下进行了大量试验，特别是水力压裂技术，由于其具有卸压范围大、增透效果明显等优点而受到了广泛的关注[11-12]。
水力压裂技术利用高压水对钻孔周围煤体物理力学性质、应力场和瓦斯渗流场产生扰动和改变，使之重新分布，并在钻孔周围煤体中产生驱排瓦斯和激活原生裂隙的双重作用，能显著改善煤层瓦斯流动条件、提高钻孔瓦斯抽采效果。目前国内学者围绕井下水力压裂增透机理[13]、压裂参数设计[14]、钻孔优化布置[15]、压裂影响范围考察[16]等方面开展了大量的理论研究和工程试验，并积极探索定向压裂[17]、重复压裂[18]、脉动压裂[19]、加砂压裂[20]等新的压裂技术。然而，常规的煤矿井下水力压裂作业多以普通中、短钻孔为主，技术层面上存在以下几个问题：①压裂作业与钻探工程结合不够，煤层段钻孔长度短(<200 m)，煤体与高压水作用空间受限，压裂影响半径较小、难以实现真正意义上的区域瓦斯治理；②封孔技术落后，常采用水泥、聚氨酯封孔方式，封孔位置处于巷道卸压圈影响范围之内，压裂作业过程中有漏水、压穿孔口的风险；③压裂设备排量有限，不足以克服地层滤失效应，孔内压力达不到地层的破裂压力。上述技术问题制约了水力压裂技术的进一步推广应用。张群等[21]提出了碎软低渗煤层的顶板岩层水平井分段压裂技术模式，探索了“泵送桥塞+定向射孔”联作的分段压裂工艺，并在淮北矿区取得了成功。杨宏伟[22]通过数值模拟和现场试验结合的方法，分析了井下低透气性煤层分段点式压裂的原理和过程，提出了井下点式水力压裂技术工艺。罗文等[23]研究了井下双封单卡拖动管柱式顶板长钻孔分段水力压裂技术，并用于对神东矿区坚硬难垮落顶板的弱化。马文伟等[24]研制了由注水器、封孔胶囊等组成的井下短钻孔分段压裂装置，实现了50～60 m短钻孔的分段压裂。然而，针对于井下长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术研究相对匮乏。
近年来，国内厂家成功研制了井下大功率水力压裂泵组，同时，在国家科技重大专项的支持下，煤矿井下定向钻进装备及技术得到迅速发展，并在瓦斯抽采、隐蔽致灾地质因素探查及防治水等方面取得了广泛应用[25-26]，已形成顶板高位定向钻孔、顶(底)板梳状定向钻孔、本煤层定向钻孔等多种钻进技术和工艺[27-28]，为定向钻进技术与水力压裂技术相结合提供了可能。与普通中、短钻孔水力压裂相比，定向长钻孔水力压裂在施工工艺与技术方面更为复杂，中煤科工集团西安研究院有限公司针对传统中、短钻孔水压裂存在的问题，结合井下煤储层地质条件和定向钻进技术特点进了大量探索，提出了井下定向长钻孔水力压裂瓦斯治理模式，并进行了井下工业性试验，取得了较好的效果，笔者旨在对上述技术进行总结，以期对突出矿井瓦斯治理有所启示。
1 定向长钻孔水力压裂模式
1.1 长钻孔整体压裂
选择在底抽巷开孔，钻孔沿煤层底板进入煤层，根据煤层产状合理设计钻孔轨迹，使钻孔轨迹沿着煤层走向布置(图1)。采用滑动复合钻进工艺，利用定向钻进技术控制钻孔轨迹沿着煤层走向延伸，在条件允许的情况下，可在煤层中施工分支孔，增大水力压裂影响范围。根据煤层底板岩性组合，在岩孔段末端选择合适层位下入扩张式封隔器进行封孔，采用大排量压裂泵一次性对整个煤孔段进行整体压裂。此技术可用于对煤巷掘进区域进行强化抽采，以替代常规底抽巷密集型瓦斯抽采钻孔。
图1 井下长钻孔整体压裂示意
Fig.1 Schematic diagram of long hole integral fracturing underground
1.2 围岩梳状孔分段压裂
围岩梳状孔分段压裂模式可分为底板梳状孔分段压裂和顶板梳状孔分段压裂2类(图2)，针对碎软低渗煤层中成孔难的技术弊端，选择在底抽巷或高抽巷开孔，主孔布置在成孔性较好的煤层底板或顶板稳定地层中，采用“前进式”或“后退式”的开分支施工工艺，首先在煤层底板(或顶板)下方(或上方)2～5 m施工长定向孔作为主孔，之后从主孔采用裸眼开分支的方法施工若干分支孔进入煤层，要求分支孔穿透煤层，分支孔之间间距大于50 m，分支孔间要有不低于20 m的长平缓孔段，便于封隔器坐封。压裂作业采用裸眼封隔器滑套分段压裂工艺，首先在水平段各分支开孔位置前下入坐封式封隔器和投球滑套，利用井口投球装置投球憋压，依次打开相应位置的滑套，从远到近依次实现对各个分支进行水力压裂作业，实现“一次性全部坐封、逐级分段压裂”，该技术主要适用于构造软煤普遍发育的煤层条件，实现对煤层及围岩进行联合增透作业。
图2 梳状孔分段压裂示意
Fig.2 Schematic of comb-shape borehole sectional hydraulic fracturing
2 压裂工艺及关键技术
2.1 长钻孔整体压裂
井下长钻孔整体水力压裂作业可分为准备阶段、高压注水阶段和保压阶段，准备阶段主要包括设备连接、通孔、洗孔、封孔、试压等工序，高压注水阶段包括注水压裂、监测监控工序；保压阶段包括关泵、保压、排水等工序。压裂完成后将压裂孔作为瓦斯抽采孔，实现一孔多用。
准备阶段首先对压裂钻孔进行通孔作业，并用清水反复洗孔，清除孔内沉渣，然后对压裂设备进行试车。采取基于扩张式封隔器原理的快速封孔技术，根据钻探过程地层岩性判识，选择孔径稳定层段下入由引鞋、单流阀、压差滑套、扩张式封隔器等组成的封孔工具组合(图3)。通过从油管内打压，靠水压迅速撑开和膨胀胶筒，在10 min内实现封孔工具组合快速坐封。高压注水阶段采用整体不间断压裂方式，选用清水作为压裂液，详细记录时间、压力、排量等压裂数据，当注水量达到设计要求时停止压裂作业。压裂结束后上提油管剪断封隔器销钉即实现解封。压裂结束后进行保压，使钻孔内流体压力缓慢降低直至恢复平衡，而后打开孔口阀门进行排水作业。
图3 封孔工具组合实物示意
Fig.3 Physical map of sealing tool composition
2.2 梳状孔分段压裂
梳状孔分段压裂施工流程主要包括下入孔内压裂装置、孔口设备安装、坐封、投球、注水压裂、监测监控、保压、排水等。孔内压裂装置主要由扩张式封隔器、投球滑套、压差滑套、引鞋等组成，由高压油管连接并下入到预定位置(图4)。利用封隔器将主孔分隔成若干段，每段分别对应着一个分支钻孔。在相邻封隔器之间连接有投球滑套，每个投球滑套上设置有高压出水孔眼和球座。施工过程采用裸眼封隔器滑套分段压裂工艺，采用孔口投球方式将低密度球泵送到最里端的投球滑套球座内，封堵里面的分支钻孔，同时打开高压出水孔眼进行水力压裂作业。以此类推，由里向外逐级投球，依次打开各级投球滑套，完成梳状孔各个分支钻孔注水压裂作业。监测监控、保压、排水等工序和整体压裂一致。
图4 梳状孔分段水力压裂封孔示意
Fig.4 Schematic chart of sectional hydraulic fracturing sealing for comb-shape borehole
3 现场应用
3.1 长钻孔整体水力压裂
阳泉矿区新景煤矿保安区目标煤层为3号煤，选择在南六底抽巷进行长钻孔整体水力压裂试验，试验区煤层平均厚度2.25 m，煤层瓦斯含量在12.87～15.95 m3/t，平均14.41 m3/t，瓦斯压力2.10 MPa，煤体全水分在2.54%～3.10%，平均2.82%，煤体结构类型以碎裂煤为主，局部受构造挤压破坏，有碎粒煤存在，坚固性系数f值为0.77，煤层透气性系数为0.009 7 m2/(MPa2·d)，钻孔百米流量衰减系数为0.597 d-1，属于典型的碎软低渗煤层。普通穿层钻孔瓦斯抽采体积分数仅为0.20%～1.80%，抽采流量为0.003～0.006 m3/min，瓦斯抽采难度较大。
开孔位置与煤层垂直距离47 m，进入煤层后钻孔轨迹沿煤层走向布置(图5)，采用滑动定向钻进技术，钻孔长度495 m，其中煤层段307 m，钻孔直径120 mm，水力压裂作业共计进行33.6 h，累计注入水量1 510 m3，最大泵注流量在0.66～0.94 m3/min，注水压力在17.17～26.09 MPa。压裂过程中巷道瓦斯体积分数在0.10%～0.45%，可观测到巷帮泥皮垮落、巷顶锚杆变形和局部渗水等现象。保压共15 d，孔口压力从13.50 MPa降低到2.20 MPa，放喷过程前期水流浑浊，携带大量煤粉，经现场测算，放喷期间排粉量达到6.5 t。
图5 长钻孔轨迹剖面
Fig.5 Long drill trajectory chart
试验期间共施工12组效果考察孔，其中1、2号钻孔布置在远离压裂钻孔的区域，且在压裂作业前施工。其余钻孔为压裂后的效果对比孔(图6)。采用定点采样方法对煤体全水分值、瓦斯含量参数进行测试，煤样密封后在24 h内送至实验室化验全水分，利用钻孔径向流量法对压裂前后煤层透气性系数进行测试。
图6 效果考察钻孔布置示意
Fig.6 Schematic diagram of effect investigation holes
经测试，压裂后煤层透气性系数为0.025 9 m2/(MPa2·d)，是压裂前的2.67倍。煤体全水分在1.23%～13.01%，平均6.91%，比压裂前提高2.45倍。煤层瓦斯含量在7.12～11.82 m3/t，平均9.20 m3/t，比压裂前降低36.16%，且压裂后煤层瓦斯含量和煤体全水分在空间展布方面呈现相反的分布特征(图7)。以煤体全水分参数作为考察指标，水力压裂最大影响半径达到58 m。通过对水力压裂钻孔瓦斯抽采参数监测分析，抽采初期瓦斯抽采流量快速升高，后期呈整体缓慢下降趋势。工况条件下抽采流量在0.46～1.88 m3/min，平均1.51 m3/min，连续抽采235 d累计瓦斯抽采量达50.80×104 m3，而邻近区域普通穿层压裂钻孔平均瓦斯抽采流量为0.062 m3/min，最大压裂影响半径为25 m。与普通穿层压裂钻孔对比，本次长钻孔水力压裂钻孔平均瓦斯抽采流量提高了24.40倍，最大压裂影响半径提高了2.32倍。
图7 压裂钻孔周围煤体全水分和瓦斯含量分布
Fig.7 Distribution of moisture and gas content in coal around the fracturing borehole
3.2 梳状孔分段压裂
在寺家庄煤矿15117工作面进风底抽巷施工1组煤层底板梳状孔，目标煤层15号煤，底板以灰黑色砂质泥岩为主，试验区煤层平均厚度5.12 m，瓦斯含量11.22 m3/t，煤层透气性系数为0.011 9 m2/(MPa2·d)，煤体全水分平均为1.90%。
主孔布置在距离煤层底板4.5 m的砂质泥岩层中，采用 “前进式”开分支施工工艺，即沿主孔由近至远向上依次施工分支钻孔。钻孔累计进尺1 155 m，其中主孔孔深534 m，穿煤段长度30 m，1-4分支长78 m，穿煤段长度24 m；1-3分支长55 m，穿煤段长度21 m；1-2分支长127 m，穿煤段长度46 m；1-1分支长136 m，穿煤段长度40 m，主孔及分支孔孔径120 mm，其中1个主孔和4个分支孔均穿过目标煤层(图8)，分支孔间距80 m。压裂过程中由于1-3分支靠近切巷，漏水严重，被迫放弃，其余分支均正常作业。分段压裂累计注水时间30.9 h，注水总量1 098 m3，注入最大压力17.18 MPa，最大排量57.75 m3/h，平均注水排量达到35 m3/h。主孔及各分支主要压裂作业参数分别为：主孔注水时间824 min，注水量611 m3，最大注水压力17.18 MPa；1-4分支注水时间119 min，注水量70 m3，最大注水压力13.85 MPa；1-2分支注水时间643 min，注水量278 m3，最大注水压力10.69 MPa；1-1分支注水时间268 min，注水量139 m3，最大注水压力11.78 MPa。
图8 底板梳状孔轨迹剖面
Fig.8 Floor comb-shape drill trajectory chart
压裂后施工考察钻孔对煤储层参数进行了测试，经测试，压裂后煤层透气性系数为0.197 9 m2/(MPa2·d)，比压裂前提高16.60倍。压裂后煤层瓦斯含量平均为8.36 m3/t，比压裂前降低25.5%。煤体全水分平均值为4.71%，提高了2.47倍。最大影响半径达到60 m，压裂后监测的瓦斯抽采流量平均为0.25 m3/min，而同区域普通穿层压裂钻孔瓦斯抽采流量平均为0.018 m3/min，最大影响半径为17 m，压裂后抽采影响半径和瓦斯抽采量分别提高了3.53倍和13.89倍。
4 讨 论
1)根据图7，井下长钻孔水力压裂影响范围内煤体全水分值明显高于压裂前，随着测点距离压裂主孔距离越远、全水分呈现先增大、后降低的趋势，在距离钻孔30 m附近出现最大值，达到13.01%。从瓦斯含量分布来看，整体上水分较高的区域瓦斯含量较小，煤层瓦斯含量与煤体全水分呈现相反的分布特征，表明压裂过程中水驱气效应明显。但全水分、瓦斯含量在不同位置分布差异较大，说明长钻孔水力压裂对煤储层改造效果在空间上存在不均衡性。
2)水力压裂的裂缝形态与地应力分布密切相关，根据文献[29-30]，阳泉矿区地应力分布比较复杂，σV为12.38～12.75 MPa，σH为11.75～14.06 MPa，σh为6.31～7.15 MPa(σV为垂直主应力，σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力)，该区域地应力类型主要为正断型应力状态σV>σH>σh，或走滑型应力状态σH >σV>σh，垂直主应力与最大水平主应力比较接近，最大水平主应力方向为N38.4°—WN49°W，根据现有水力压裂成缝理论，地应力状态是影响裂缝扩展方向的主导因素，水力压裂破裂面垂直于最小主应力方向[31]，由此推测，裂缝形态以垂直裂缝为主，有利于沟通煤层与围岩。同时，根据文献[32]，压裂裂缝的长度受岩层的脆性和塑性大小影响，脆性越大形成的压裂裂缝长度越大。在梳状孔分段水力压裂过程中，由于分支孔岩孔段距离长(占整个分支孔长度的60%～70%)，而裂缝在岩层中作脆性主导性扩展，与围岩相比，煤层的脆性弱而塑性强，裂缝扩展压力低，而围岩中产生的裂缝由于规模大，通过牵引作用容易延伸、穿过煤岩界面进入煤层，撕裂碎软煤层，与煤层中压裂裂缝沟通，形成新的供气裂隙网络通道，更有利于提高瓦斯抽采效果。
3)孔口放喷初期水流携带有大量煤粉，说明压裂过程高压水流产生的力学作用改变了钻孔周围煤体体积和分布形态。同时，压裂过程中巷道出现的泥皮垮落、锚杆变形、裂隙渗水等围岩受力变形现象，分析其原因，认为水力压裂过程煤岩体含水率增大，体积发生膨胀，改变了钻孔附近原有应力场的分布，加之煤岩体在吸水后发生软化，抗压强度降低，因此，巷道受到挤压破坏后容易发生变形。
4)与煤层气水力压裂大排量(>8 m3/min)、短时间(2～3 h)、连续作业方式相比，井下长钻孔压裂过程呈现注入规模小(排量<2.0 m3/min)，作业时间长(2～5 d)的特点，受采掘过程卸压作用影响，井下水力压裂过程滤失效应更为明显。此外，试验过程受井下作业条件限制，压裂施工并未实现全程连续不间断作业，上述因素对压裂效果带来的影响有待于进一步深入研究。
5 结 论
1)结合煤矿井下地质条件和定向长钻孔施工工艺，针对性地提出了长钻孔整体压裂和围岩梳状孔分段压裂2种水力压裂技术模式，提出了压裂钻孔布置方式，分析了压裂作业主要工艺流程和关键技术。长钻孔整体压裂采用基于扩张式封隔器原理的快速封孔技术，而梳状孔分段压裂施工采用裸眼封隔器滑套分段压裂工艺。
2)以阳泉矿区为例进行了长钻孔水力压裂工业试验，试验结果表明：①压裂过程中存在水驱气效应，且对煤储层改造效果在空间上存在不均衡性；②压裂裂缝形态以垂直裂缝为主，梳状孔压裂过程中产生的围岩裂缝与煤层中压裂裂缝沟通，形成新的供气裂隙网络通道；③压裂过程改变了钻孔周围煤岩体物理性质和应力场分布，巷道受到挤压破坏发生变形；④压裂后钻孔瓦斯抽采效果得到了明显提高，瓦斯抽采量分别提高了24.40倍和13.89倍，最大影响半径分别达到58 m和60 m。
3)井下长钻孔水力压裂瓦斯治理模式融合了定向钻进技术和水力压裂技术的优点，具有影响范围大、增透效果明显的特点，是实现低透气性煤层瓦斯高效抽采的有效技术途径，为工作面条带瓦斯治理提供了技术借鉴。
4)建议下一步在压裂装备、地质选区、压裂参数和压裂工艺优化设计、压裂效果监测技术等方面展开深入研究，构建完善的井下长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术体系。具体可开展下列研究：①井下大排量、小型化、智能化、本质安全型压裂设备研究；②井下加支撑剂水力压裂装备及压裂关键技术研究；③井下长钻孔水力压裂施工区域地质条件评价及区域优选方法研究；④长钻孔水力压裂优化设计方法研究，包括长钻孔布置参数优化设计、分段间距设计、压裂工艺及压裂参数优化研究；⑤长钻孔水力压裂裂缝形态及分布规律研究，特别是分段压裂裂缝穿层机理及延展规律研究；⑥井上下联合长钻孔分段水力压裂技术及工艺研究；⑦井下孔巷联合瞬变电磁、井下地质雷达等基于精细物探技术的长钻孔水力压裂效果监测技术研究。
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