王斌 黃中偉 楊睿月 李學(xué)臣 李敬彬 陳健翔 秦小舟

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 2.河南煤業(yè)化工集團(tuán)焦煤公司)

0 引 言

煤炭是保障我國能源安全的壓艙石，在國家經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展進(jìn)程中具有兜底保障作用。2021年全國原煤生產(chǎn)總量41.3億t，在能源消費結(jié)構(gòu)中占比高達(dá)56.0%[1-2]。加快煤礦瓦斯抽采與利用，有利于減少瓦斯爆炸事故，保障煤礦安全生產(chǎn)，同時降低溫室氣體排放，助力我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

我國煤層開采中存在滲透性差、儲層壓力低，煤礦瓦斯強(qiáng)化抽采面臨影響范圍小、抽采難度大、瓦斯流量衰減速度快等問題[3]。水力增透技術(shù)是解決上述煤礦瓦斯問題，實現(xiàn)高效抽采的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)主要包括水力壓裂技術(shù)、水力沖孔技術(shù)及水力割縫技術(shù)等。其中，水力壓裂技術(shù)源于致密油氣開發(fā)，通過向地層泵注高壓水，壓開地層以形成裂縫[4]。但是，煤層氣地面井壓裂施工成本高，抽采覆蓋難均勻[5]，對于碎軟煤層，水力壓裂易發(fā)生壓裂液竄流，導(dǎo)致裂縫延伸短、改造范圍較小[6]。水力沖孔技術(shù)是通過高壓水射流沖擊破碎煤體以形成大直徑孔洞，改變孔周應(yīng)力場，在一定范圍內(nèi)形成泄壓增透區(qū)域，提高煤層透氣性[7-8]；水力沖孔技術(shù)主要適用于松軟、易破碎煤層。與水力沖孔技術(shù)類似，水力割縫技術(shù)是通過高壓水射流對鉆孔周圍煤巖進(jìn)行切割以形成縫槽，縫槽與原有裂隙、孔隙之間相互貫通，從而改善瓦斯流動的條件[9]。但設(shè)備整體處于高承壓狀態(tài)，存在事故風(fēng)險高、后期運行維護(hù)成本高的問題，應(yīng)用范圍較小[3]。為有效解決以上問題，磨料射流技術(shù)被引入煤礦開采之中[10-11]。相對于純水射流，磨料射流割縫技術(shù)速度提高了40%，割縫深度提高了約60%，表明其具有更強(qiáng)的切割、增透能力[10-13]，因此，磨料射流割縫沖孔技術(shù)可有效解決純水切割硬煤難度大的問題。但是，目前該技術(shù)及工藝尚不完善，存在鉆進(jìn)效率較低、施工周期較長、作業(yè)成本高等問題。

筆者綜合石油工程中磨料射流噴砂射孔[14]和水力噴射徑向水平井開采剩余油氣的技術(shù)方式[15]，提出2種基于穿層鉆孔的高效泄壓增透技術(shù)：①磨料射流深穿透泄壓增透技術(shù)；②連續(xù)送進(jìn)磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術(shù)。這2種泄壓方法都是在穿層鉆孔的主孔眼中進(jìn)行磨料射流分支射孔和徑向鉆孔作業(yè)，從而在堅硬煤層中產(chǎn)生多組輻射狀的深穿孔，解決堅硬煤層泄壓效率低的難題。同時，計劃在施工作業(yè)中采用連續(xù)管送進(jìn)，實現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)，提高鉆孔效率。本文敘述其作業(yè)原理，并通過試驗進(jìn)行分析探討和驗證。

1 磨料射流深穿透泄壓增透技術(shù)

磨料射流指的是磨料顆粒和流體經(jīng)地面混合加壓后泵入井下，通過噴嘴噴出形成高速磨料射流，并利用高速流體攜帶磨料顆粒的高頻沖蝕和磨削作用沖擊破壞巖石，最終形成具有一定直徑和深度的孔道[16]。磨料射流深穿透泄壓增透技術(shù)是在主孔鉆進(jìn)完成后，采用拖動式磨料射流噴槍沿主孔噴射側(cè)孔，在煤層三維空間中形成多條輻射狀深穿透孔眼，從而增大泄壓增透范圍的一種技術(shù)(見圖1)。

圖1 磨料射流深穿透泄壓增透方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure relief and permeability enhancement by deep penetration with abrasive jet

磨料射流深穿透技術(shù)工藝流程如圖2所示。

圖2 磨料射流深穿透泄壓增透工藝流程Fig.2 Workflow of pressure relief and permeability enhancement by deep penetration with abrasive jet

將噴槍(本體內(nèi)有滑套)與穿層鉆孔工具共同下入主孔，當(dāng)主孔完鉆之后，拖動噴槍到達(dá)側(cè)孔待鉆位置，泵送飛鏢入座，滑套上行，打開噴嘴。在鉆桿內(nèi)泵入體積分?jǐn)?shù)10%～15%的攜砂液進(jìn)行噴射作業(yè)，利用高壓磨料射流對煤層進(jìn)行深穿透(孔徑15～30 mm，孔深1～2 m)。噴射作業(yè)完成后，拖動噴槍到下一噴射點繼續(xù)作業(yè)。循環(huán)以上步驟，最終沿主孔形成多條輻射狀深穿透分支孔眼。為了在噴槍本體有限的空間內(nèi)盡可能多地布置噴嘴，提高深穿透的作業(yè)效率，每個噴槍上安裝6個水眼，均布于2個平面，平面內(nèi)噴嘴相位為120°，平面間噴嘴相位為0°或60°。破碎后的煤粉和石英砂從孔眼環(huán)空返出，通過固液分離系統(tǒng)振動分離，從而實現(xiàn)水的循環(huán)利用。

利用磨料射流提高破巖能力后，工作泵壓可從100 MPa降低至25 MPa，在10～15 min形成孔徑15～30 mm、孔深1～2 m的深穿透孔眼，解決了純水力破碎堅硬煤巖效率低及高壓作業(yè)安全隱患大等問題。同時煤層天然裂隙發(fā)育，深穿透鉆孔一方面增強(qiáng)井眼與天然裂縫的連通性，另一方面在高壓水力沖擊過程中形成孔內(nèi)增壓，促進(jìn)了裂隙沿孔眼軸向和徑向方向上的擴(kuò)展，配合多組深穿透孔眼形成立體泄壓通道。

2 連續(xù)送進(jìn)磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術(shù)

連續(xù)送進(jìn)磨料射流徑向鉆孔泄壓增透裝置主要包括連續(xù)送進(jìn)系統(tǒng)、磨料射流破巖系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器、軌跡測量短節(jié)等(見圖3)，在巷道內(nèi)可實現(xiàn)多角度連續(xù)鉆進(jìn)，利用旋轉(zhuǎn)磨料射流高效破碎硬巖，降低水力破巖工作壓力，提高泄壓增透效率。連續(xù)送進(jìn)系統(tǒng)主要由連續(xù)管作業(yè)裝備(由控制臺、動力橇、滾筒橇、注入頭組成)、高壓泵、儲液罐、磨料罐、固液分離裝置、鉆井液處理裝置等部分組成(見圖4)。受限于巷道空間，推薦采用的油管外徑為25.4～50.8 mm。該方法可免去傳統(tǒng)井下定向鉆機(jī)接單根、工具拆卸等工序，通過遠(yuǎn)程控制即可實現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)、水力沖孔軌跡測量一體化，減輕了勞動強(qiáng)度，具有安全、高效及自動化程度高等特點。

圖3 連續(xù)送進(jìn)磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術(shù)Fig.3 Schematic diagram of pressure relief and permeability enhancement by radial drilling with continuous conveye abrasive jet

圖4 連續(xù)送進(jìn)系統(tǒng)Fig.4 Continuous convey system

工藝流程如圖5所示。由圖5可見：該工藝包括采用巷道鉆機(jī)鉆完主孔后，起出鉆頭，下入接有水力錨和轉(zhuǎn)向器的鉆桿，到達(dá)目標(biāo)層段后進(jìn)行方位設(shè)定和管柱錨定；然后，利用連續(xù)管下入旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴和軌跡測量短節(jié)，側(cè)鉆分支孔(孔徑為50～60 mm，單分支長度>10 m)，同時進(jìn)行孔眼軌跡測量。側(cè)鉆完成后解封水力錨，改變轉(zhuǎn)向器的方位或?qū)游?，進(jìn)行下一個分支孔的鉆進(jìn)。循環(huán)以上步驟，最終可以在煤層中形成多層、多分支孔眼的泄壓增透體系，有效溝通天然裂縫，增加透氣性，充分泄壓，從而提高瓦斯釋放效率。

圖5 連續(xù)送進(jìn)磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術(shù)Fig.5 Workflow of pressure relief and permeability enhancement by radial drilling with continuous conveye abrasive jet

3 旋轉(zhuǎn)磨料射流破碎煤巖試驗研究

為了驗證旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖沖孔效果，采集焦作礦區(qū)煤巖和頂板砂巖進(jìn)行破巖試驗。焦作礦區(qū)煤系地層屬石炭二疊系，主采煤層為山西組二1煤層，煤層平均厚度6 m，傾角10°～15°。礦區(qū)瓦斯含量高、壓力大、煤層透氣性差，瓦斯、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是全國煤與瓦斯問題較為嚴(yán)重的礦區(qū)之一。近些年來采用水力沖孔技術(shù)，焦作礦區(qū)瓦斯治理工作取得一定成效，但隨著開采深度的加大和地質(zhì)條件的復(fù)雜化，在堅硬煤層水力沖孔難度大、效率低[17]。

3.1 磨料射流試驗裝置

本試驗主要采用自主搭建的高壓磨料射流破巖試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)由混砂單元(輸砂能力40～120 kg/min)、動力單元(447 kW，70 MPa)、數(shù)據(jù)采集與控制單元、破巖作業(yè)單元4部分組成，如圖6所示。清水和磨料在混合罐中通過高速攪拌器實現(xiàn)均勻混合，而后通過離心泵將混砂液輸送至動力單元(三缸柱塞泵)，經(jīng)柱塞泵加壓后高速噴出，進(jìn)而破碎巖石。系統(tǒng)安裝有壓力傳感器和液體流量計，通過數(shù)據(jù)采集單元可以精準(zhǔn)監(jiān)控出口端壓力和排量。噴嘴和巖樣位于破巖作業(yè)單元，采用夾持器固定巖樣，通過升降平臺調(diào)節(jié)射流噴距。

圖6 高壓磨料射流破巖試驗系統(tǒng)Fig.6 High-pressure abrasive jet rock-breaking testing system

3.2 巖樣試件及試驗方案

(1)試驗巖樣。試驗所用煤巖和砂巖取自焦作礦區(qū)趙固二礦煤層及頂板砂巖。巖樣的物理力學(xué)參數(shù)見表1。將巖樣制備為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，煤巖鏡質(zhì)體反射率為2.34%(見表2)，成熟度表現(xiàn)為高階煤特征，內(nèi)部裂隙較發(fā)育，因此在煤巖巖樣四周包裹環(huán)氧樹脂以避免沖擊過程中煤巖整體破碎，如圖7a所示。

表1 巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Parameters of rock mechanic strengths

表2 煤巖成熟度及工業(yè)分析Table 2 Coal maturity and industrial analysis

(2)試驗方案。本文采用控制變量的方法，探究壓力和噴距變化對旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果的影響規(guī)律。選取煤巖和砂巖2種巖樣，試驗方法為選用5 mm旋轉(zhuǎn)噴嘴，如圖7b所示。選用46目石英砂，10%砂比，射流壓力30 MPa，射流噴距2d～8d(d為噴嘴直徑)，如表3所示，在淹沒條件下沖蝕巖樣1 min。

表3 破巖試驗方案Table 3 Rock breaking testing scheme

圖7 試驗巖樣及噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Rock specimen and nozzle structure

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 煤巖破巖成孔特征

圖8為噴射壓力30 MPa時旋轉(zhuǎn)磨料射流沖蝕煤巖的孔眼形態(tài)。射流破巖過程中孔眼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)破碎、垮塌等現(xiàn)象，孔眼整體形狀呈圓形，孔眼內(nèi)壁平整，表面有明顯的顆粒磨蝕痕跡。因為旋轉(zhuǎn)磨料射流的破巖機(jī)理為射流在垂直沖擊巖石的同時增加了平行于巖石表面的切向載荷[18]，所以在顆粒切向速度的沖擊下，孔壁表面突起被逐漸磨蝕形成平整壁面。由圖8e可知，當(dāng)顆粒沖擊到巖石表面時，尖峰處不斷發(fā)生壓痕斷裂破壞。中心部位存在錐形凸起[19]。這是由于流體經(jīng)噴嘴內(nèi)部葉輪旋轉(zhuǎn)加速，使磨料顆粒受離心力的影響呈螺旋放射狀噴出，顆粒在沖擊巖石時，圓周區(qū)域沖蝕強(qiáng)度大，中心區(qū)域沖蝕強(qiáng)度小，在磨料顆粒的剪切磨蝕下形成中心凸臺[20]。由圖8f可知，采用CFD-DPM模型模擬旋轉(zhuǎn)磨料射流顆粒運動軌跡，引入沖蝕模型表征顆粒沖擊到底部平面時的成孔形態(tài)，模擬與試驗結(jié)果顯示出了相同的沖蝕特征。

煤巖的層理對成孔形態(tài)影響顯著。當(dāng)平行于層理噴射時(見圖8g)，切向速度在孔眼表面形成的剪切力易激活層理，高壓流體和顆粒嵌入其中，形成水楔效應(yīng)，使煤巖沿層理方向發(fā)生劈裂破壞(見圖8b和圖8c)，沿平行層理方向可以觀察到顆粒嵌入，煤巖有發(fā)生劈裂破壞的趨勢。當(dāng)垂直于層理噴射時(見圖8h)，顆粒沖擊產(chǎn)生的裂隙可溝通層理，沿噴射方向發(fā)生片狀剝蝕，提高破巖效率(見圖8d)，煤巖成孔右下角白色區(qū)域沿層理面出現(xiàn)片狀煤體剝蝕。因此，水楔作用的存在提升了射流破巖效率。

圖8 旋轉(zhuǎn)磨料射流沖蝕煤巖孔眼形態(tài)Fig.8 Morphology of holes in coal seams by rotary abrasive jet

圖9為破巖孔徑及孔深隨噴距的變化曲線。由孔眼參數(shù)變化曲線可知，當(dāng)噴距大于4d時，煤巖孔徑和孔深隨噴距變化趨于平緩。這是由于旋轉(zhuǎn)磨料射流的破巖效率對噴距變化更為敏感，相較于錐形和圓形噴嘴，旋轉(zhuǎn)射流在徑向上的湍流脈動增大了其射流擴(kuò)散角和沖擊范圍，但也造成了強(qiáng)烈的湍流耗散，隨著噴距的增大，磨料顆粒速度快速衰減?？讖降拇笮Q定了泄壓范圍和泄壓效果，孔眼深度反映了射流破巖效率。因此，鉆進(jìn)過程中在達(dá)到需求的孔眼直徑條件下，可將噴距維持在4d以內(nèi)，從而獲得較高的鉆進(jìn)效率。

圖9 破巖孔徑及孔深隨噴距變化曲線(煤巖)Fig.9 Hole diameter and depth vs.jetting distance (coal)

3.3.2 砂巖破巖成孔特征

圖10為射流壓力為30 MPa時旋轉(zhuǎn)磨料射流沖蝕砂巖的成孔形態(tài)。

由圖10可知，旋轉(zhuǎn)磨料射流能夠有效破碎砂巖，并形成較大直徑的規(guī)則孔眼。在此試驗條件下，在2d～8d的噴距范圍內(nèi)，隨著旋轉(zhuǎn)磨料射流噴距的增加破巖直徑增大，在最低噴距下形成的孔眼直徑也能滿足連續(xù)管順利通過的條件。因此，在作業(yè)過程中即使遇到砂巖夾層的阻擋，也不會影響連續(xù)管的持續(xù)鉆進(jìn)。

旋轉(zhuǎn)射流能夠高效破巖的另外一個原因是沖擊過程中，顆粒軌跡沿孔眼壁面呈螺旋狀向外輻射，減少了直射流條件下沖蝕孔內(nèi)回流的干擾(見圖10c)。此外，周向速度的存在使射流對周圍流體的卷吸能力增強(qiáng)，射流擴(kuò)散角增加，部分顆粒離開底部孔眼后被重新卷吸進(jìn)入射流流場并對壁面形成二次沖蝕(見圖10f)，因而增大了顆粒沖擊頻率，有助于提升破巖效果[21-22]。

圖10 30 MPa旋轉(zhuǎn)磨料射流沖蝕砂巖孔眼形態(tài)及磨料顆粒運動軌跡Fig.10 Hole morphology in sandstone by rotary abrasive jet at 30 MPa and motion paths of abrasive particles

孔眼參數(shù)變化曲線如圖11所示。由圖11可知，與煤巖相同，砂巖孔眼參數(shù)變化同樣受噴距影響顯著。因此，在砂巖層鉆進(jìn)作業(yè)過程中，綜合考慮巖屑返排和破巖效率的影響，可將噴射距離控制在5d以內(nèi)，可形成直徑為50～60 mm的孔眼，在保持孔眼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時可擁有較高的鉆進(jìn)效率。

圖11 不同壓力條件下孔徑及孔深變化曲線(砂巖)Fig.11 Hole diameter and depth vs.jet pressure (sandstone roof)

4 結(jié) 論

(1)磨料射流深穿透泄壓增透技術(shù)的工藝原理是在穿層鉆孔的基礎(chǔ)上，利用磨料射流在堅硬煤層中產(chǎn)生多組深穿透的分支孔，溝通天然裂縫，形成立體泄壓空間，達(dá)到堅硬煤層高效泄壓增透的目的。

(2)連續(xù)送進(jìn)磨料射流徑向鉆孔泄壓增透技術(shù)是利用旋轉(zhuǎn)磨料射流高效破碎硬巖的優(yōu)勢，形成大直徑孔眼的技術(shù)，通過連續(xù)管和遠(yuǎn)程控制可實現(xiàn)多角度連續(xù)定向鉆進(jìn)、水力沖孔軌跡測量一體化，避免了傳統(tǒng)井下定向鉆機(jī)接單根、工具拆卸等繁雜工序。有望在煤層中形成多層、多分支孔眼的增透體系，高效溝通天然裂縫，充分泄壓，增加透氣性，提高瓦斯釋放效率。

(3)旋轉(zhuǎn)磨料射流在垂直沖擊巖石的同時還增加了平行于巖石表面的切向載荷，因此可實現(xiàn)堅硬煤層及致密砂巖中的高效破巖鉆孔。在噴射壓力為30 MPa的條件下，可形成直徑為50～60 mm的孔眼，孔壁光滑、形狀規(guī)則、孔眼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有利于后續(xù)連續(xù)管的順利通過。旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖成孔效果受噴距影響顯著，達(dá)到需求的孔眼直徑時，建議將噴距維持在4倍噴嘴直徑以內(nèi)，從而獲得較高的鉆孔深度，以提高鉆進(jìn)效率。