煤矿井下水力增透降阻剂优选研究

熊 伟，彭明辉，巴全斌

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

随着煤炭地下开采深度的增加，煤层地应力、瓦斯压力等越来越大，导致井下瓦斯治理难度显著增大，煤层瓦斯预抽仍是煤矿安全生产的必要技术手段[1-3]。但对于低渗透高瓦斯煤层，采用常规的抽采方式，瓦斯治理效果均不理想，国内科研人员对如何进行强化抽采瓦斯技术开展了深入研究，主要集中在2个方面：一是松动爆破法，如中深孔爆破、聚能爆破、水压爆破等[4-6]；二是水力化措施，如水力挤出、水力冲孔、水力割缝和水力压裂等[7-10]。由于水力化措施取材方便、施工相对简单，已成为煤层增透的技术应用研究热点。

现有的水力化增透技术，主要集中于对增透理论、施工工艺及设备的研究[11-15]，尤其是高压设备方面，已经形成了最大压力达到100 MPa的技术装备[16]，取得了较好的水力化增透效果。但由于井下工作环境的特殊性，大型设备无法有效使用，而水力化措施的增透效果又对水介质的工作压力有较高要求，因此，如何利用小型化的泵组提供足够的工作压力影响着水力化增透技术的进一步推广。笔者研究的降阻剂，能通过降低水介质在管道中流动时的压力损失来保障实际工作压力，从而提高水力化措施的增透效果，也能减少设备体积对水力化增透技术应用的限制。

1 降阻剂组分优选研究

流体介质在管道中流动时，由于摩擦阻力的作用，流体流动性会被限制并增大其能量消耗，会造成水力作业点压力明显小于高压泵出口压力。降阻剂主要是通过其所具有的长链高分子结构来抑制流体在管道内切向流动，并将所吸收的湍流能量转换为层流能量，达到增强轴向流动的效果，从而减少流体流动能量损耗、降低管道内的摩擦阻力[17]。目前，常见的降阻剂类型包括线性胶、高分子聚合物、乳液聚合物和交联聚合物4类[18-20]，将分属上述4类的胍尔胶、UG-3、DR-12和EM30共4种降阻剂作为研究对象，对其各项性能进行对比测试，优选出适用于煤矿井下水力化增透措施的降阻剂。

1.1 热稳定性测试

在清水中分别加入质量分数为5%的胍尔胶、UG-3、DR-12和EM30，搅拌1 min制备实验液，将等量的4种实验液在20、40、60、80 ℃的恒温水浴中静置，并观测不同温度条件下4种实验液静置2、4、6 h 后的变化。观察表明，4种实验液在4个温度条件下，各观测时间点均未出现分层、沉淀、颜色变化等现象，也无气体产生，说明4种降阻剂具有良好的热稳定性。

1.2 降阻性测试

将4种降阻剂分别与清水配制成质量分数为0.1%的实验液，参照SY/T 6376—2008《压裂液通用技术条件》中的相关要求[21]，采用如图1所示的多功能流动回路仪，先测定清水在流速60 L/min条件下，通过直管段(内径为10 mm、长度为1.5 m)时的前后端压差，再测试4种降阻剂实验液在相同条件下的压差，进而计算出降阻剂的降阻率，其计算公式为：

1—储液罐；2—开关；3—动力泵；4—测试管段；5—热交换器；6—压差传感器。

式中:K为降阻率，%；Δp1为清水通过测试管段时管段前后端压差，MPa；Δp2为实验液通过测试管段时管段前后端压差，MPa。

降阻率测试结果见表1，可以看出，使用质量分数为0.1%的降阻剂后，降阻率均达到了50%以上，其中DR-12型乳液聚合物降阻剂的降阻率接近70%。

表1 实验液降阻率测试结果

1.3 黏度及耐温性能测试

使用流变仪对质量分数为0.1%的4种降阻剂实验液进行黏度测量与耐温性实验，实验选取的剪切速率为170 s-1，初始温度为21.5 ℃，升温15 min后到60 ℃，读取并记录在加热过程中黏度出现的最大值，测试结果如表2所示。

表2 实验液黏度及耐温性能测试结果

由表2可以看出，4种降阻剂实验液的黏度比清水提高了2～5倍，且在温度升高过程中，实验液黏度最大值均未超过3 mPa·s。4种降阻剂都具有低黏特性，黏度随温度的变化较小，耐温性能十分稳定。

1.4 剪切稳定性与流变特征

利用流变仪对4种降阻剂实验液进行流变剪切性能测试，实验结果如图2所示。

图2 降阻剂流变剪切性能图

从图2中可以看出，实验液在低剪切速率(小于等于100 s-1)条件下，大部分实验液表观黏度超过了10 mPa·s；在剪切速率大于等于300 s-1条件下，表观黏度相对较低且基本稳定。4种降阻剂均体现了明显的非牛顿体特性，具有较好的剪切稳定性，且显示了剪切变稀的特征，尤其以DR-12和EM30两种降阻剂表现得更加明显。这就使得添加降阻剂水介质在管路中高速流动状态下，由于表观黏度低、稳定性好，对降低流动阻力具有显著作用；而在水介质作用于煤体后，水介质从钻孔内低速流出，这时降阻剂表现出较高的表观黏度，能够使水力化措施产生的煤渣等尽量悬浮在水介质中，并被携带出钻孔，提高钻孔成孔率。

1.5 降阻剂优选结果

4种常用降阻剂的主要性能对比测试结果表明，其均具有较好的热稳定性和耐温性，降阻性和流变特性也都达到了水力增透措施所需的降阻携渣要求。综合对比，DR-12型乳液聚合物降阻剂各项性能优势更加明显，因此，将其选定为煤矿井下水力化措施用的降阻剂，并开展相关性能研究，考察其应用效果。

2 不同工况条件降阻剂性能研究

2.1 降阻剂添加比例与降阻特性的关系

由于降阻剂具有明显非牛顿体特性，降阻剂在不同流速条件下所需的使用比例不同。采用多功能回路仪中内径10 mm、管长1.5 m的直管段测定不同质量分数条件下DR-12降阻剂的降阻率与流速的相互关系，结果如图3所示。

图3 不同添加比例降阻剂降阻率与流速变化关系曲线

从图3中可以看出，在0～15 L/min的流速条件下，所有添加了降阻剂的实验液的降阻率基本相当，但均不明显；在流速为20～65 L/min时，添加质量分数为0.09%的降阻剂的实验液降阻率最高。低添加比例的实验液在流速升高到一定值后衰减十分明显，而添加比例越高的实验液，在高流速状态下的降阻率稳定性更好。

2.2 管径与降阻特性的关系

由于不同水力增透措施输送水介质所用的高压管路内径不尽相同，因此，测试在管长1.5 m、内径分别为6、15 mm的直管段内，DR-12降阻剂的降阻率在不同质量分数条件下与流速之间的相互关系，结果如图4所示。

图4 不同管径不同降阻剂使用比例时降阻率变化图

由图4可知，在管径 6 mm 管道中，添加质量分数为0.06%降阻剂的实验液降阻率较好；在管径 15 mm 管道中，添加质量分数为0.20%降阻剂的实验液降阻率更高。

综合分析图3、图4优选出的不同管径中DR-12降阻剂的最佳添加比例可以看出，随着管径的增大，需要添加更大质量分数的降阻剂才能保证降阻剂的降阻效果。

3 现场应用及效果考察

在王坡煤矿3308工作面运输巷选取地质结构稳定的实验区域，施工30个钻孔进行水力割缝增透措施效果考察。钻孔设计深度均为100 m，钻孔间距10 m。1#～10#钻孔为不进行割缝处理的普通钻孔；11#～20#钻孔采用清水割缝；21#～30#钻孔在清水中添加质量分数为0.1%的DR-12降阻剂进行割缝增透，割缝间距为5 m，割缝压力80 MPa，割缝时间7 min，割缝旋转速度80 r/min。统计割缝钻孔单孔割缝出煤量并计算每个钻孔平均单刀出煤量，结果如图5所示。

图5 割缝钻孔平均单刀出煤量

由图5可见，使用清水进行水力割缝的11#～20#钻孔中，最小单刀出煤量为0.68 t，最大单刀出煤量为0.89 t，平均单刀出煤量为0.797 t；添加DR-12降阻剂进行水力割缝的21#～30#钻孔中，最小单刀出煤量为0.81 t，最大单刀出煤量为1.04 t，平均单刀出煤量为0.923 t。使用降阻剂进行水力割缝后，由于降低了管路输送过程中的阻力损失，水介质能够释放更多的能量作用到煤体上，单刀出煤量增加了15.81%。

钻孔割缝施工完成后，将1#～10#普通钻孔、11#～20#清水割缝钻孔、21#～30#降阻剂割缝钻孔进行分组接抽，并考察60 d内钻孔的瓦斯纯流量。各组钻孔的平均抽采瓦斯纯流量对比情况如图6所示。

图6 不同钻孔抽采瓦斯纯流量对比图

由图6可见，在考察周期内，普通钻孔的平均瓦斯纯流量为0.020 m3/min，清水割缝钻孔和降阻剂割缝钻孔的平均瓦斯纯流量分别为0.089 m3/min和0.106 m3/min。与普通钻孔相比，清水割缝钻孔、降阻剂割缝钻孔抽采瓦斯纯流量增加了3.45倍和4.30倍。在其他工艺参数完全相同的情况下，添加降阻剂进行水力割缝的钻孔，抽采瓦斯纯流量也比采用清水割缝钻孔提高了19.1%。

4 结论

1)对比分析了4种常用降阻剂的热稳定性、降阻性、剪切稳定性等主要性能参数，表明DR-12型乳液聚合物降阻剂具有更好的降阻及流变特性，确定其为煤矿井下水力增透措施用降阻剂。

2)研究了不同质量分数DR-12降阻剂实验液的降阻率随流速及流通管道内径的变化规律，得到了不同工况条件下降阻剂的最优使用比例和确定方法，为降阻剂在水力增透措施现场使用提供了技术支撑。

3)现场应用结果表明，开展水力割缝增透时，在清水中加入0.1%的降阻剂，割缝出煤量和成缝空间均有明显增加，平均抽采瓦斯纯流量相较于普通钻孔增加了4.30倍，也比用清水割缝增透的钻孔抽采瓦斯纯流量提高了19.1%。