煤巖水力化技術(shù)研究進(jìn)展

羅興 劉勇 張旺 邱來

摘?要：自工業(yè)革命以來，煤層氣作為非常規(guī)油氣資源，已經(jīng)成為我國戰(zhàn)略性接替能源備受關(guān)注。煤層水力化技術(shù)不斷趨于成熟，其中包括傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)、水力吞吐技術(shù)、噴射壓裂技術(shù)、水力壓沖技術(shù)等。本文綜述水力化技術(shù)，以期為不同礦區(qū)選擇效果最優(yōu)的煤層水力化技術(shù)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：煤層氣；煤層水力化技術(shù)；水力壓裂；吞吐增透

1?概述

自工業(yè)革命以來，隨著常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)利用，常規(guī)儲層產(chǎn)量日趨下降，然而石油、天然氣等清潔能源需求依然在大幅增長。頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源作為戰(zhàn)略性接替能源，能夠有效彌補(bǔ)常規(guī)油氣枯竭帶來的能源不足問題，并且我國煤層氣資源豐富，作為世界上煤層氣儲量的第三大儲量國，其總量約占世界煤層氣總資源量的19.3%，因此我國煤層氣的開發(fā)技術(shù)發(fā)展備受關(guān)注。然而，我國煤層氣存在埋藏深、滲透率低、變質(zhì)程度高等特點(diǎn)，并且由于中深部、深部煤層氣自身產(chǎn)出機(jī)理不全使得中深部開發(fā)程度低并且開發(fā)難度大和國外改造技術(shù)對國內(nèi)生產(chǎn)開發(fā)不適用等一系列難題，導(dǎo)致國內(nèi)煤層氣發(fā)展一直處于較低的水平［1］。經(jīng)過近30年的發(fā)展，為提高煤體透氣性和瓦斯抽采效率，勘探開發(fā)、水平鉆井和煤層水力化技術(shù)不斷發(fā)展成熟，基本實(shí)現(xiàn)了煤層氣的規(guī)?；_發(fā)與利用［2］。此外，由于我國煤層氣開發(fā)主要集中在淺部煤層，其中煤層水力化方法適用于埋藏深度較淺的儲層進(jìn)行改造，在低滲透煤層抽采中起著至關(guān)重要的作用［3］。目前煤層水力化措施的實(shí)質(zhì)是通過在煤層中注水使其產(chǎn)生裂紋，根據(jù)突出煤體結(jié)構(gòu)主要可分為硬煤和軟煤，目前常使用的煤層水力化技術(shù)有：傳統(tǒng)水力壓裂、水力吞吐、噴射壓裂、水力壓沖等，此外其他水力化方法如水平井分段壓裂技術(shù)和重復(fù)壓裂等。在煤層氣生產(chǎn)周期里根據(jù)煤層水力化各種類型以及相應(yīng)的機(jī)理和適用條件等，針對不同礦區(qū)的煤巖地質(zhì)條件，選擇效果最優(yōu)的煤層水力化技術(shù)。

2?煤層水力化技術(shù)

水力化措施主要是通過往煤層中不斷注入水直至煤層中出現(xiàn)裂紋改善煤層的透氣性。而在進(jìn)行煤層水力化方法的實(shí)施過程中，不僅煤層裂縫發(fā)育質(zhì)量發(fā)生了變化，根據(jù)煤礦氣開采水力滲透性理論，煤層輸氣狀態(tài)和煤層透氣性發(fā)生了變化。以下為目前常使用的四種煤層水力化技術(shù)和一些其他方法，可以適用于不同煤體結(jié)構(gòu)和煤巖地質(zhì)條件。

2.1?傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)

水力壓裂增透的方法即用壓裂泵把高壓、大排量的液體注入煤層中，因?yàn)樽⑷氲乃俾矢哂诿簩拥奈账乃俾剩詴诿簩拥膬?nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的張應(yīng)力，而一旦當(dāng)這個(gè)張應(yīng)力的大小增大到一定程度，超過了其中任意一個(gè)方向的軸向應(yīng)力時(shí)，這時(shí)煤層本身受到的軸向張力來自這個(gè)方向上的會全部被外力所克服，而這些外力的來源則是液體所傳遞的。隨著外來力的增加，此時(shí)外來力的大小已經(jīng)增大到大于煤層破裂所需要的力之后，煤層會從其自身最薄弱的地方開始出現(xiàn)裂紋然后破裂，隨著裂縫的不斷擴(kuò)大，煤層的透氣性得到了極大的改善。水力壓裂技術(shù)存在有改技術(shù)經(jīng)濟(jì)上實(shí)用，使用的技術(shù)成熟，并且工藝程序安全，其擾動性較小等的特點(diǎn)。同時(shí)水力壓裂技術(shù)存在的問題有以下幾方面。

（1）在注水壓裂的這個(gè)過程中需要一直往儲層中注水，需要注入的耗水量較大，因此，此方法目前只能適合用于儲層中微小孔隙的改造，一旦當(dāng)儲層中出現(xiàn)孔隙過大或者甚至出現(xiàn)了斷層的現(xiàn)象時(shí)，會增加過濾損失量，導(dǎo)致壓裂的失敗。

（2）在注水壓裂的這個(gè)過程中，往往是需要往壓裂液中添加能夠明顯增強(qiáng)滲透率的強(qiáng)力化學(xué)滲透增強(qiáng)劑的，用于提高煤儲層壓裂過程中的滲透效果，然而這一化學(xué)劑的使用若回收不當(dāng)，可能造成地下水等設(shè)施的污染和腐蝕，帶來的環(huán)境危害是非常大的。但是在裂縫中是一定需要添加支撐劑來維持裂縫的寬度大小，因?yàn)橐坏┲蝿┬Ч?，裂縫則受應(yīng)力作用被擠壓關(guān)閉，此時(shí)水力壓裂就會失去增大滲透率的效果。

（3）水力壓裂的過程中，除了上述提到的單條完整裂縫之外，還可能存在有該裂縫分岔或者出現(xiàn)多條裂縫一起擴(kuò)展延伸的現(xiàn)象，以至于當(dāng)應(yīng)力作用時(shí)，此時(shí)，難以保證同步壓裂時(shí)的裂縫能夠均勻地膨脹，應(yīng)力的增加更多是增加了煤層開裂所受的壓力。因此，在壓裂的過程中需要注意的是必須要將壓力集中，用于保證儲層致裂過程中的均勻性，從而保證對不同的儲層進(jìn)行定向的均勻壓裂。因此，提出的解決措施有：通過使用二次壓力對煤層進(jìn)行反復(fù)壓裂，在致裂的過程中，高瓦斯煤層也會存在瓦斯驅(qū)替的現(xiàn)象，此時(shí)需要注意在注壓過程中合理地控制釋放瓦斯的速率以及注壓的時(shí)間。同時(shí)二次壓裂會增加微裂隙的發(fā)育，大幅度提高煤層透氣性，同時(shí)也能夠促進(jìn)鉆孔表面煤層瓦斯的解析速率。

2.2?水力吞吐技術(shù)

井下水力吞吐技術(shù)即將壓裂液連續(xù)地注入鉆孔內(nèi)部，從而對煤層進(jìn)行壓裂，接著迅速減壓，之后將煤渣和水一并排出，然后如此進(jìn)行反復(fù)持續(xù)地進(jìn)行壓入和排出，相應(yīng)的煤層也發(fā)生開裂和煤層裂縫的持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)一步形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，導(dǎo)致煤巖的透氣性大幅度增大，有效提高瓦斯抽采效率。吞吐增透的機(jī)理則是與水力壓裂技術(shù)有所不同，不僅包括了壓裂產(chǎn)生的多個(gè)滲透裂縫，還有在使裂縫自支撐的同時(shí)，排出了煤巖粉使壓力進(jìn)一步降低、滲透率增大。水力吞吐主要是通過改變體積的方法來增大滲透率，水力吞吐對煤礦床進(jìn)行反復(fù)的水力裝卸擾動，通過反復(fù)的水力裝卸擾動改變了煤巖體的力學(xué)性質(zhì)，使得濕煤彈性降低，塑性增大，彈性模量減小。在回水排放破碎煤巖渣的過程中，會形成一個(gè)洞穴，這是由鉆孔周圍被破壞的煤排出形成的。隨著洞穴的形成，不僅煤層的應(yīng)力場進(jìn)行了重新分布，與此同時(shí)，洞穴上的垂直應(yīng)力也發(fā)生了變化，其中部分的垂直應(yīng)力會發(fā)生轉(zhuǎn)移到洞壁上，形成指向鉆孔的法向荷載，導(dǎo)致煤體缺乏支撐力，大量移入鉆孔中。這種作用在煤層中持續(xù)存在，并且這種作用可以一直延伸到洞穴周圍，使得在洞穴的一定范圍內(nèi)，鉆井壓裂沖擊范圍里的地應(yīng)力減小，煤層完全減壓，裂縫得到有效打開、延伸和連通。在煤層中，水力吞吐形成的洞穴周圍壓力降低瓦斯易排放，煤層卸壓區(qū)的范圍大幅度增加。較大洞穴的形成也使煤體位移更容易，鉆孔不會被后來的煤體坍塌而堵塞孔壁，從而達(dá)到快速連續(xù)排放瓦斯的效果。洞穴的形成是基于孔的不穩(wěn)定性，這是由反復(fù)壓裂和大量煤塵排放引起的。由于煤巖的排放缺乏相應(yīng)的體積支撐，即使煤和巖石膨脹也難以在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)償排出的體積，導(dǎo)致泄壓范圍大，穿透力增加，有效提高了煤層的滲透性。

2.3?水力噴射技術(shù)

水力噴射技術(shù)即使用高壓水力進(jìn)行噴射從而在地下開采中形成一個(gè)小孔，它的整個(gè)流程可以進(jìn)行簡單描述，先用將磨料用管子使用小孔裝置放入提前鋪設(shè)好的預(yù)定層上，再在地表的表面借助高壓泵往事先預(yù)備好的磨料里面摻雜適量的水通過油管將其送入地下噴嘴而后噴出管道，經(jīng)此可以得到帶有高壓并且高速流通的磨料射流，磨料顆粒隨流體的高速流動會對切割殼體和巖石造成沖蝕和磨損。并且加壓后的流體會變成一個(gè)一毫米的帶壓力的小型水柱，然后該水柱可以快速穿過小孔。不過由于小孔的體積在這種應(yīng)力下不會發(fā)生變化，在壓力的作用下流體從小孔內(nèi)流出時(shí)會產(chǎn)生擠壓形成射流，從而導(dǎo)致其軸向速度發(fā)生快速的變化。此時(shí)水力噴射時(shí)產(chǎn)生的動能就會轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，又進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成了很大的壓力能，這樣一來停滯在小孔里的力量就會非常迅速增大，增壓就是這樣產(chǎn)生的。同一時(shí)刻，井下產(chǎn)生的壓力大小應(yīng)該把可控范圍約束在斷裂延伸可以經(jīng)受的壓力范圍之內(nèi)。正是因?yàn)樵趪娮斓闹車嬖谟幸粋€(gè)低壓區(qū)域形成，環(huán)狀流體將會被吸入裂紋，同時(shí)驅(qū)動裂紋不斷向前延伸。水力噴射壓裂在煤巖層中的應(yīng)用存在兩種，分別應(yīng)用在質(zhì)地為較軟和較硬的煤巖中。當(dāng)應(yīng)用于在質(zhì)地較硬的煤巖中，在這種煤巖里水力噴射主要可以起到噴射和壓裂兩種不同的作用。流體在流經(jīng)壓裂泵之后，流體壓力得到明顯提升，緊接著流體又會通過一個(gè)厘米級大小的噴嘴兒，經(jīng)過這一步驟會使得流體的壓力再次增大，變成一束高壓高速的流體，然后非常快速穿透了煤層。隨后在小孔內(nèi)不斷減小，高壓水?dāng)y之而來的巨大動能又會進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為壓力能，使得小孔里滯留的壓力就會很快速增大，增壓效應(yīng)也就是這樣產(chǎn)生了。而如果是應(yīng)用于在質(zhì)地較軟的煤巖中，其中的應(yīng)用原理與應(yīng)用在較軟中的煤層不同。

水力噴射壓裂法的內(nèi)容包括注塑法和沖壓法。第一是噴射對軟煤巖的影響。在鉆井施工中，采用水力注鉆井煤巖層小孔壁，在一定時(shí)間內(nèi)會有大量煤巖產(chǎn)出，使得小孔徑發(fā)生較大的變化，煤巖層的原應(yīng)力平衡狀態(tài)就此打破而，與此同一時(shí)刻小孔周的煤巖會向小孔方向產(chǎn)生較大的位移，造成應(yīng)力再分配；接下來，通過裂紋運(yùn)輸將自由態(tài)瓦斯從煤巖體重排除，這能極大地釋放了煤巖體及圍巖的彈性勢和氣體膨脹能，煤巖層氣顯著提高了煤巖層氣的透氣性。最后，當(dāng)煤巖吸附水后，水分子會迅速占據(jù)煤巖表面氣體的吸附位即瓦斯的吸附位點(diǎn)，從而影響氣體解析速率使得瓦斯解析速度降低，對氣體的排放產(chǎn)生抑制的作用。第二則是在液壓沖小孔作用下軟煤巖會受到的影響。液壓噴射的出現(xiàn)會對軟煤巖部分鉆小孔和注入管的環(huán)小孔產(chǎn)生沖擊作用，導(dǎo)致其受到影響。由于注入速度大于軟煤巖的噴射小孔速度，環(huán)小孔內(nèi)的軟煤巖不斷填密，具有封小孔的效果。

水力噴射壓裂的特點(diǎn)：（1）水力噴射壓裂方法的使用范圍十分廣泛，作用和效果也十分明顯。（2）采用水力噴射壓裂可實(shí)現(xiàn)裂縫延伸最大化：水力噴流壓裂技術(shù)是控制煤巖裂和巖裂裂縫的有效措施。往鉆小孔的末端進(jìn)行注水，由于水柱的存在會產(chǎn)生高滯后壓力，在煤巖巖中產(chǎn)生多個(gè)微裂紋，降低裂紋的裂紋壓力。（3）水力噴射壓裂具有自我獨(dú)立的特點(diǎn)：在整個(gè)過程中無需采用其他任何手段來對小孔進(jìn)行填充或者是封堵小孔，這樣一來不但大大降低了作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，極大地減少了操作的危險(xiǎn)性，同時(shí)還可以大幅度縮短時(shí)間降低成本，一舉多得。（4）水力噴射壓裂可做到向指定的點(diǎn)、指定的方向進(jìn)行壓裂：采用液壓射流固定點(diǎn)、固定方向壓裂、射流壓裂的工具可以精確地降到設(shè)計(jì)的煤層裂縫的位置，也可以精確地在鉆孔的縫隙中進(jìn)行連接。

2.4?水力壓沖技術(shù)

利用水力壓沖以期達(dá)到增透目的的方式主要有兩種：吞吐式水力壓沖和注入式水力壓沖。吞吐式水力壓沖排放過程是煤巖的破壞和剝脫、應(yīng)力狀態(tài)的變化和不斷釋放大量氣體的一個(gè)過程。首先，我們通過使用具有高壓力的水流，借助流體壓力將煤巖進(jìn)行破碎處理，在短時(shí)間內(nèi)就會得到較破碎之前擁有更大直徑的小孔裂隙，從而致使煤巖應(yīng)力所處的平衡狀態(tài)遭到破壞，小孔周圍的煤巖方向大位移，應(yīng)力狀態(tài)動態(tài)變化，自主進(jìn)行二次分配，應(yīng)力集中的區(qū)域發(fā)生變化位移，這樣帶來的結(jié)果是有效應(yīng)力整體降低；其次，煤巖在出現(xiàn)新的裂紋以及裂隙的過程以及應(yīng)力不斷變化的過程中，會使煤巖中氣體的吸附與解吸間的平衡關(guān)系遭到破壞，使其中一部分吸附在煤巖表面的氣體解析出了轉(zhuǎn)化為自由氣體，自由氣體通過裂紋遷移到排放，大大釋放了煤巖及圍巖的彈性勢和氣體膨脹能，煤巖層氣滲透性得到了較好的提高；最后，由于煤巖的吸水性，高壓水會使水分子浸入煤巖體，吸附在煤巖表面的瓦斯解吸速率降低。注入式水力壓沖包括硬煤巖注入式水力壓沖和軟煤巖注入式水力壓沖兩種。

2.5?其他方法

除了上述水力技術(shù)外，還包括重復(fù)壓裂技術(shù)以及水平井分段壓裂技術(shù)。分段壓裂主要有兩種方式，一種是使用密封球進(jìn)行分段壓裂，另一種則是利用限流技術(shù)進(jìn)行分段壓裂，這兩種分段壓裂方法的原理均為將儲層中的不同層分開，從而進(jìn)行對每一層進(jìn)行壓裂。從生產(chǎn)現(xiàn)場可以看出，分段壓裂技術(shù)的不僅增產(chǎn)效果明顯，并且增產(chǎn)效率較高，使用的分段壓裂技術(shù)相對成熟，能夠很好地適用于有多生產(chǎn)層或者長水平距離段的井。多級壓裂技術(shù)常用于不同層間含氣量差異顯著的儲層，主要操作方法分為滑動套管封隔器壓裂和連續(xù)油管壓裂。多級壓裂技術(shù)是在儲層水力壓裂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，在頁巖氣生產(chǎn)井中，通常采用多級壓裂技術(shù)進(jìn)行壓裂。分段壓裂將繼續(xù)朝著低危害、低成本和高效作業(yè)的方向發(fā)展。重復(fù)壓裂技術(shù)是在壓裂技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，重復(fù)壓裂技術(shù)的定義為：當(dāng)初始壓裂處理已失效，或現(xiàn)有支撐劑由于時(shí)間原因從而發(fā)生質(zhì)量下降甚至損壞，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降時(shí)，使用重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)行壓裂，從而提高井產(chǎn)量的過程。初始壓裂后，井眼周圍的應(yīng)力將在生產(chǎn)一段時(shí)間后重新分布。重新壓裂可導(dǎo)致裂縫重新壓裂并重新定向原始裂縫，也會使產(chǎn)能恢復(fù)到初始狀態(tài)或更高。重復(fù)壓裂適用于有天然裂縫、層狀的地層和非均質(zhì)地層。該技術(shù)可以減少傳統(tǒng)作業(yè)在作業(yè)過程中的不足，使生產(chǎn)井的運(yùn)行模式更加的合理化。水平井分段壓裂技術(shù)和重復(fù)壓裂技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)過程中解決問題的水平，也可以更好地提高低產(chǎn)井的綜合效益。

3?煤層水力化發(fā)展趨勢

（1）智能化技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展革新，例如最新的ChatGPT技術(shù)的出現(xiàn)，使礦山智能化的發(fā)展有了飛躍性的進(jìn)步，因此可以看到未來煤層水力化的發(fā)展趨勢必將是機(jī)械化、智能化。同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)計(jì)算，對于煤層水力化技術(shù)數(shù)據(jù)的處理以及后續(xù)選擇會有更優(yōu)的算法、更完善的理論體系。

（2）煤層水力化作為一大重要支撐技術(shù)，其發(fā)展趨勢必將是多元化與交叉化，隨著其他行業(yè)不斷的科技創(chuàng)新與進(jìn)步帶來的沖擊，相應(yīng)的煤層水力化技術(shù)也會不斷發(fā)展與完善，未來將出現(xiàn)更多的改進(jìn)水力化技術(shù)，同時(shí)煤層水力化技術(shù)與其他行業(yè)先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的方式也會越來越普遍并且多樣。

結(jié)語

煤層水力化可以針對不同礦區(qū)的煤巖地質(zhì)條件選擇不同的水力化方法，作為煤層氣開采的一大有效措施，其本質(zhì)就是通過往煤層中不斷注入水直至煤層中出現(xiàn)裂紋。而在進(jìn)行煤層水力化方法的過程中，煤層中的裂縫發(fā)育質(zhì)量也會發(fā)生改變，根據(jù)煤礦氣開采水力滲透性理論，煤層輸氣狀態(tài)和煤層透氣性發(fā)生了變化。其中常用的水力化措施有：傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)、水力吞吐技術(shù)、水力噴射技術(shù)和水力壓沖技術(shù)；其他方法有水平井分段壓裂技術(shù)和重復(fù)壓裂。未來煤層水力化發(fā)展朝著智能化、多行業(yè)交叉融合發(fā)展的趨勢前進(jìn)。

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作者簡介：羅興（1983—?），男，漢族，貴州盤縣人，本科，工程師，研究方向：瓦斯治理和通風(fēng)；劉勇（1984—?），男，漢族，四川安岳人，本科，工程師，研究方向：煤礦通風(fēng)及瓦斯防治；張旺（1992—?），男，漢族，貴州盤縣人，本科，工程師，研究方向：采礦工程；邱來（1994—?），男，彝族，貴州盤縣人，本科，助理工程師，研究方向：采礦工程。