第４２卷第１期煤 炭 科 技
Ｖｏｌ ４２ Ｎｏ １ ２０２１年
２月
ＣＯＡＬＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＡＧＡＺＩＮＥ
Ｆｅｂ． ２０２１
收稿日期：２０２０－０８－１９； ＤＯＩ：１０．１９８９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｔｋｊ．２０２１．０１．０２３
作者简介：王文春（１９８４—），男，四川宜宾人，高级工程师，２００５年毕业于重庆工学院，现从事煤矿瓦斯治理研究工作。引用格式：王文春，龚齐森，任梅青，等．长钻孔分段压裂增透技术在抽采煤层瓦斯中的研究与应用［Ｊ］．煤炭科技，２０２１，４２（１）：９１ ９３，９８． ＷＡＮＧＷｅｎ ｃｈｕｎ，ＧＯＮＧＱｉ ｓｅｎ，ＲＥＮＭｅｉ ｑｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅ ｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏａ
ｌｓｅａｍｇａｓｄｒａｉｎａｇｅ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｇａｚｉｎｅ，２０２１，４２（１）：９１ ９３，９８．
文章编号：１００８－３７３１（２０２１）０１－００９１－０３
长钻孔分段压裂增透技术在抽采煤层瓦斯
中的研究与应用
会计凭证装订机王文春１，龚齐森１，任梅青２，周东平１，周俊杰１，蒋和财１，王旭晟１
（１．重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆 ４０００６０；２．重庆能投渝新能源有限公司，重庆 ４０００６０）
摘 要：针对重庆地区地质条件的复杂性，在研究定向长钻孔分段压裂技术装备的基础上，成功在松藻煤矿实施了定向分枝长钻孔分段压裂试验，实现对每个分支孔的单独压裂施工。与该煤矿常规压裂钻孔相比，定向分支长钻孔分段压裂后，平均瓦斯抽采流量提高了７ １２倍，平均瓦斯抽采浓度在３０％以上，取得了良好的效果，达到了大幅提高煤矿瓦斯抽采效率、缩短抽采达标时间、降低瓦斯治理成本的目的，提升了煤矿的安全水平，为煤矿安全高效生产奠定了基础。关键词：长钻孔；分段压裂；增透；抽采；煤层瓦斯中图分类号：ＴＤ７１２ 文献标志码：Ａ去离子水机器
Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏａｌｓｅａｍｇａｓｄｒａｉｎａｇｅ
ＷＡＮＧＷｅｎ ｃｈｕｎ１，ＧＯＮＧＱｉ ｓｅｎ１，ＲＥＮＭｅｉ ｑｉｎｇ２，ＺＨＯＵＤｏｎｇ ｐｉｎｇ１，ＺＨＯＵＪｕｎ ｊｉｅ１
，
ＪＩＡＮＧＨｅ ｃａｉ１，ＷＡＮＧＸｕ ｓｈｅｎｇ
１
（１．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＥｎｅｒｇｙＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＧｒｏｕｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇｅｎｅｒｇｙｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔＣｈｏｎｇｑｉｎｇＮｅｗＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎＣｈｏｎｇｑｉｎｇａｒｅａ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆ
ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓ，ｔｈｅｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｓｔｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｒａｎｃｈｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎＳｏｎｇｚａｏＣｏａｌＭｉｎｅ，ｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｓｅｐａｒａｔｅｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｆｏｒｅａｃｈｂｒａｎｃｈｈｏｌｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｔｈｉｓｃｏａｌｍｉｎｅ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｆｌｏｗｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ７．１２ｔｉｍｅｓａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ３０％，ｗｈｉｃｈｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｔｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅ，ｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｏｆｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｏｆｄｒａｉｎａｇｅ，ａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｃｏｓｔｏｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌ．Ｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｌｅｖｅｌｏｆｃｏａｌｍｉｎｅａｎｄｌａｙｓａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓａｆｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅ；ｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｐｅｒｍｅ
ａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ；ｄｒａｉｎａｇｅ；ｃｏａｌｓｅａｍｇａｓＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：ＴＤ７１２ Ｄｏｃｕｍｅｎｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ：Ａ
重庆地区煤炭赋存地质条件复杂，其所属煤层多为松软煤层。以松藻煤矿为例，其Ｋ２煤层坚固性
系数普遍在０ ５以下，透气性系数仅为１０－４～１０－３
ｍＤ，即０ ００４～０ ０４０ｍ２／（ＭＰａ２·ｄ），远小于０ １
ｍ２／（ＭＰａ２
·ｄ），具有煤层硬度低、瓦斯压力及含量
高、透气性差等特点，井下煤层气（瓦斯）抽采难度
大［１］。前期主要通过实施穿层钻孔水力压裂增透
抽采，虽取得了明显的效果，但还存在压裂前专抽巷
２０２１年第１期煤 炭 科 技第４２卷
（钻场）施工工程量大、成本高，压裂钻孔数量多、封
孔及压裂成本高，单孔压裂影响范围小、单孔抽采量
小、抽采达标时间长等局限性。因此，需要积极改进
井下钻进、压裂增透等系列技术与装备，探索低渗透
煤层气（瓦斯）大面积模块化高效抽采技术方法。
１ 长钻孔分段压裂增透技术
长钻孔分段压裂增透技术是指在实施定向长
钻孔的基础上，运用分段压裂技术装备对长钻孔进
行多级分段和封隔，实现对每个分段的单独压裂，以
提高压裂增透效果，实现区域煤层的均匀增透［２］。
由于重庆地区煤层普遍松软，在煤层中实施长钻孔
难度较大。因此，选择在煤层底板实施定向分支长
钻孔，其中长钻孔主孔布置在煤层底板稳定岩层中，
由主孔向煤层开分支进入煤层，实现直接对分支孔
煤层进行压裂。
１ １ 装备
通过对分段压裂技术装备的综合研究，优选了
投球滑套分段压裂技术用于煤矿井下定向长钻孔分
段压裂施工。投球滑套分段压裂技术装备主要由封
隔器、滑套、高压管柱、安全接头等关键部件组成，其
原理是通过裸眼封隔器实现压裂管至孔壁之间环空
的封隔和分段，通过在孔口依次、逐级投入大小不同
的压裂球，实现压裂管内的封隔和压裂滑套的逐级
打开，实施分段压裂施工［３］。分段压裂封孔工具组折叠式集装箱
合如图１所示，压裂泵基本参数见表１，分段压裂所
需装备清单见表２。
图１ 分段压裂封孔工具组合示意
Ｆｉｇ １ Ｂｌｏｃｋｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｓｅａｌｉｎｇｔｏｏｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
表１ 压裂泵基本参数
Ｔａｂ １ Ｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｐｕｍｐ
档位速比
泵速／
（ｒ·ｍｉｎ－１）
配套电机
功率／ｋＷ
柱塞 ８０ｍｍ
流量／
（ｍ３·ｈ－１）
压力／
ＭＰａ
５１ ００３７０ ０４００４５２５４１ ３５２７４ ０４００３４３５３２ ０１１８４ ０４００２２５２２２ ６８１３８ ０４００１７６９１４ ００９２ ５４００１２７８
表２ 长钻孔施工及分段压裂所需装备清单Ｔａｂ ２ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌｉｓｔｆｏｒｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ａｎｄｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ
用途名称规格数量
钻孔钻进
千米定向钻机ＺＤＹ６０００ＬＤ（Ｂ）型１台
定向钻头金刚石复合片平角３颗
通缆钻杆、无磁钻杆 ８９ｍｍ×３ｍ１００根
随钻测量装置ＹＨＤ２ １０００（Ａ）２套
孔底马达２根
封孔设备
压裂管（无缝钢管） ５０ｍｍ×３ｍ１００根
封隔器１０３００４５０１２３个
压差滑套１２６１５４５００４１个
压裂滑套１２６１２３５０２７ ０３０２个
参数测定
瓦斯含量测定仪ＤＧＣ２个
流量表４个
普通水表ＤＮ５０ｍｍ３个
压裂设备高压压裂泵
ＢＹＷ７８／４００２台
高压管汇１套
１ ２ 施工工艺
（１）通井、洗井。在压裂管柱下入前，需对长钻孔进行通井、洗井，清除孔内沉渣，确保封孔工具能顺利下入。
（２）封孔工具下入。按照设计连接压裂管柱，并将压裂工具组合下至设计位置。
（３）封孔。采用“两堵一注”封孔工艺［４］，封孔长３０ｍ，封孔管选用外径１７８ｍｍ的ＰＥ管，用膨胀水泥进行注浆封孔。工艺及材料组成如图２
所示。
01>+D?C3:8L01>+D?C3:8L@
图２ “两堵一注”封孔工艺
Ｆｉｇ ２ ＂Ｔｗｏｐｌｕｇｇｉｎｇａｎｄｏｎｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎ＂ｓｅａｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（４）孔外高压管汇连接。将孔内压裂管柱与孔外安全控制阀门、高压管线等进行连接。
（５）封隔器坐封。启动压裂泵，注水加压启动裸眼封隔器并坐封，实现对压裂管—井壁的环空分段和封隔，实现压裂管外的分段。
（６）第１段压裂施工。继续注水加压，当压力达到设定值时，打开最底部的压差滑套内部活塞，连通孔壁，进行第１段压裂施工。
（７）投压裂球封隔。第１段压裂施工完成后，停泵泄压，投可溶压裂球，实现对压裂管内的封隔。
（８）第２段压裂施工。继续注水加压，当压力达到设定值时，打开压裂滑套内部活塞，连通孔壁，
２０２１年第１期王文春，等：长钻孔分段压裂增透技术在抽采煤层瓦斯中的研究与应用第４２卷
进行第２段压裂施工。
（９）第３段压裂施工。第２段压裂施工完成
后，重复第（６）—（７）步骤进行压裂施工。
（１０）压裂球溶解及保压。压裂施工完成后，向
混炼机
孔内注入提前配置好的溶液，用于溶解压裂球，同时
进行保压。
（１１）抽采。保压７ｄ后，孔口与抽采管线连接，
进行抽采。
２ 长钻孔分段压裂增透技术应用
２ １ 长钻孔分段压裂增透施工
（１）长钻孔施工地点考察。通过对重庆地区矿
井条件分析，松藻煤矿－２２５ｍ水平二采区主石门
已经完揭煤，采区内各区段未进行采掘活动，未施工
压裂钻孔及抽采孔，其Ｋ
２煤层均为原生煤体。Ｋ
２
煤层底板主要为砂质泥岩，厚６ ４ｍ，岩层分布稳定，遇水不易膨胀。因此，选择在松藻煤矿－２２５ｍ水平二采区主石门以南区域布置钻场，实施定向分支长钻孔，设计１个主孔、３个分支孔，其中主孔布置在Ｋ
２
煤层底板砂质泥岩中，分支钻孔由主孔向煤层开分支。
（２）压裂方式。为增大压裂规模，采用２台ＢＹＷ７８／４００型压裂泵组进行双泵并联压裂，该泵组主要由压裂泵、液力变速器、防爆电机、控制阀组、润滑冷却系统、一次仪表、控制系统及监视系统组成。压裂泵组安装有电动卸压阀及止回阀，可以远程操作井口卸压，同时防止输出管路时卸载高压，采用就地操作与远程控制和监视结合的先进联锁控制技术，确保压裂作业和数据采集的准确可靠［５ ６］。压裂设备连接如图３所示。
图３ 水力压裂设备连接示意
Ｆｉｇ ３ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ
ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
（３）分段压裂实施情况。①定向长钻孔施工。在－２２５ｍ水平二采区主石门完成定向分支长钻孔
施工，共实施１个主孔和３个分支孔，总孔深３２８ｍ。其中，主孔深度２４０ｍ，１号分支孔深度３１ｍ、２号分支孔深度２７ｍ、３号分支孔深度３０ｍ。主孔及分支孔终孔孔径均为１２０ｍｍ。②分段压裂施工。该矿－２２５ｍ水平二采区定向分枝长钻孔分段压裂施工于２０１９年１１月８日开工，历时５ｄ，共分３段进行压裂施工，对每个分枝钻孔进行单独压裂。第１段压裂施工：１１月８—９日，压入水量１８６ｍ３，施工排量２６～３５ｍ３／ｈ，施工压力２２～３４ＭＰａ；第２段压裂施工：１１月１０日，压入水量２０３ｍ３，施工排量２０～４２ｍ３／ｈ，施工压力２２～３２ＭＰａ；第３段压裂施工：１１月１１—１２日，压入水量２４１ｍ３，施工排量２１～４８ｍ３／ｈ，施工压力２２～３５ＭＰａ。
２ ２ 长钻孔分段压裂增透技术应用效果
在压裂施工完成，并完成压裂球溶解和保压后，打开压裂孔闸阀放水２ｄ，待孔内无水流出，将压裂孔接入负压抽放系统抽采瓦斯。累计抽采３２ｄ，与常规穿层压裂钻孔相比，平均瓦斯抽采流量提高了７ １２倍，平均瓦斯抽采浓度在３０％以上。长钻孔分段压裂与穿层钻孔压裂对比情况见表３。
回转窑烧嘴表３ 长钻孔分段压裂与穿层钻孔压裂对比
Ｔａｂ ３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｔａｇｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄ
ｃｒｏｓｓｌａｙｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ
钻孔类型煤层抽采负压／
ｋＰａ
平均瓦斯抽采流
量／（ｍ３·ｍｉｎ－１）
平均瓦斯抽
采浓度／％穿层钻孔
压裂
Ｋ２煤层１０ １～１７ ３０ ０７３１２ ６３
长钻孔分段
压裂
Ｋ２煤层９ ８～１６ ７０ ５２０３８ ２４４ 结语
在松藻煤矿Ｋ
２
煤层底板实施定向分支长钻孔的基础上（１个主孔、３个分支孔，总孔深３２８ｍ），对分段压裂技术及装备进行了研究，优选了投球滑套分段压裂技术装备用于定向分支长钻孔分段压裂施工，实现了对每个分支孔进行单独压裂。经压后抽采效果考查，与松藻煤矿常规压裂钻孔相比，定向分支长钻孔分段压裂后，平均瓦斯抽采流量提高了７ １２倍，平均瓦斯抽采浓度在３０％以上，取得了良好的效果，进一步体现了长钻孔分段压裂技术在煤层瓦斯治理中的优越性。
本文研究了定向长钻孔分段压裂技术与装备，形成了定向长钻孔分段压裂技术体系，并成功在松
藻煤矿Ｋ
２
煤层底板实施了定向分支长钻孔，并实现了对每个分支孔进行单独压裂施工。
（下转第９８页）
２０２１年第１期煤 炭 科 技第４２卷
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櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂
９８ １０２．
（上接第９３页）
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