王耀鋒,何學秋,王恩元,李艷增

(1．中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221008;2．煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧沈陽 110016;3．華北科技學院,北京 101601)

水力化煤層增透技術研究進展及發(fā)展趨勢

王耀鋒1,2,何學秋1,3,王恩元1,李艷增2

(1．中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221008;2．煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧沈陽 110016;3．華北科技學院,北京 101601)

增加煤層透氣性是解決低透氣性煤層瓦斯抽采難題的關鍵。煤巖體結構改造是煤層增透的核心問題,水力化煤層增透技術是煤巖體結構改造的有效途徑?；谇捌谘芯考拔墨I調(diào)研,回顧了水射流和水力壓裂技術的發(fā)展歷程,綜述了國內(nèi)水力化煤層增透技術的研究進展。分析了理論研究和工程應用中存在的問題,指出增透機理尚未客觀揭示、單項增透技術存在局限性、配套裝備(特別是安全保障系統(tǒng))不完善、效果考察體系不健全等因素制約了技術的推廣。對總體發(fā)展趨勢進行了展望,認為水力化煤層增透技術正朝著集成化、多元化和智能化的方向發(fā)展,加強理論研究、盡快完善裝備、發(fā)展定向壓裂等綜合增透新技術、建立增透效果考察體系等方面是未來主要研究方向。

水力化煤層增透技術;瓦斯抽采;水射流;水力壓裂

煤層氣(煤礦瓦斯)是與煤伴生且主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層中的一種非常規(guī)天然氣,在我國儲量豐富,其開發(fā)和利用對于調(diào)整能源結構、改善煤礦安全和保護生態(tài)環(huán)境具有舉足重輕的作用。

中國多數(shù)煤層具有非均質性、低壓力、低滲透率和低含氣飽和度等特點[1]。煤層的低滲透率和非均質性造成用常規(guī)方法難以有效抽采瓦斯,而如何增加煤層的滲透率已成為制約礦井瓦斯抽采的瓶頸。水力化技術是增加巖(煤)體滲透率的有效途徑,美國是開展水力壓裂和水射流研究較早的國家,中國、前蘇聯(lián)、德國、日本等也開展了此類研究[2-4]。我國煤層賦存和巷道布置的復雜多樣,造成現(xiàn)有的水力化技術與裝備在工程應用中存在不配套、不完善等問題,該技術的大范圍推廣需要突破許多技術瓶頸?；诖?筆者介紹了水力化增透技術的研究進展,分析了理論研究和實際應用中存在的問題,并對其總體發(fā)展趨勢進行了展望。

1 水力化儲層增滲技術的發(fā)展歷程

煤層和油層等儲層都屬于非貫通裂隙巖體[5],其內(nèi)部存在大量不同尺度水平上的裂隙與孔洞,屬于極其不連續(xù)、各向異性、非彈性的損傷材料,力學特性也非常復雜。要提高儲層的滲透率,就必須對它進行結構改造,這是解決許多化石燃料開采困難的共性科學問題。自20世紀80年代以來,裂隙巖體變形等方面的研究已成為巖土工程界的前沿研究方向。從非貫通裂隙巖體的結構出發(fā),研究其破壞模式,是深入研究儲層改造的重要途徑。

儲層增滲技術是從20世紀30年代開始,伴隨著石油、煤炭等礦藏的開采而發(fā)展起來的,一般可分為力學方法和物理化學方法。力學方法從改變儲層應力入手,使之產(chǎn)生不均勻的變形與破壞,張開原生裂隙,產(chǎn)生新裂隙,并使它們在儲層內(nèi)形成相互貫通的裂縫網(wǎng)絡,增加流體介質的流動通道,從而提高儲層滲透性,如造穴技術、水力壓裂、水射流擴孔(或割縫)、松動爆破和層內(nèi)爆炸等。物理方法是指使聲、電等物理場作用于儲層來增滲,如超聲波、液電脈沖、人工地震、壓力脈沖等?；瘜W方法是指向儲層注入化學解堵劑溶解堵塞雜質,如酸性處理、注入表面活性劑等[6-7]。

水力化技術是以高壓水作為動力,使儲層內(nèi)原生裂隙擴大、延伸或者人為形成新的孔洞、槽縫、裂隙等,促使巖體產(chǎn)生位移,達到儲層卸壓、增滲的目的,如水射流割縫(或擴孔、鉆孔)、水力壓裂等。自1947年美國開始第1次水力壓裂[8]以來,歷經(jīng)60余年的發(fā)展,水力化技術從理論到應用都取得了驚人的進展,成為石油、天然氣、頁巖氣及礦井瓦斯等增產(chǎn)的有效途徑。

1.1 水射流技術

水射流技術起源于采礦業(yè),經(jīng)過探索試驗、高壓設備研制、技術突飛猛進、技術多樣化和智能化與精準化等5個階段[3]的發(fā)展,已成為一種應用范圍廣、技術門類齊全、能量轉化率高且環(huán)保的實用技術。

20世紀30年代,美國第1次使用水射流沖洗礦石中的泥土。50年代初,前蘇聯(lián)采用壓力105～210 MPa的純水射流在花崗巖地層進行了鉆井試驗。60年代,海灣石油公司采用磨料射流進行了硬巖鉆進試驗,鉆速達常規(guī)方法的2～3倍。1971年,美國制造出世界第1臺超高壓純水射流切割機。1973年,美國的Manurer等開始了射流輔助PDC鉆頭破巖的鉆井試驗[9],鉆速比常規(guī)鉆井提高了3倍左右。70年代末,從單純提高水射流壓力轉向如何充分發(fā)揮水射流的潛力,形成了脈沖射流、高溫射流、磨料射流和擺振射流等多種技術。80年代,美國開展了高壓水射流鉆徑向水平井的研究[10]。1983年,西德的Vecker等使用自旋轉式噴嘴在煤層中進行了鉆孔試驗。1984年,美國的Joneson V E Jr等[11]成功地把自振氣蝕射流用于石油鉆井。1987年,美國開始進行用錐形水射流鉆孔。至90年代中期,先后出現(xiàn)了前混合磨料水射流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激振蕩水射流等技術。中國石油大學對淹沒旋轉射流進行了研究,并將其成功應用于鉆徑向水平井。1997年,在遼河油田錦45-04-19井首次鉆出了長15．86 m、直徑120～140 mm的水平井眼,使產(chǎn)量提高7倍以上[12]。90年代后期,逐步向切割的智能化和精準化方向發(fā)展。2003年,李根生等研制了自振空化射流鉆頭,鉆井速度比普通中長噴嘴鉆頭提高10．5%～49．3%[13]。

在水射流設備研制和應用技術研究的同時,還對水射流沖擊下物體的破壞開展了大量理論研究,形成了多種學說,如氣蝕破壞作用、水射流的沖擊作用、水射流的動壓力作用、脈沖負荷引起的疲勞破壞作用、水楔作用等,但目前大部分學說尚處于假說階段。

1.2 水力壓裂技術

水力壓裂技術起源于一種地應力測量方法,至今已有近70 a的歷史。1947年,在美國Hugoton氣田的一口垂直井中,首次實施了水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)。目前,在全球范圍內(nèi)作業(yè)量已將近250萬次,約60%的新井要經(jīng)過壓裂改造,水力壓裂技術正逐步發(fā)展成為一項成熟的石油開采技術,在煤炭、天然氣、頁巖氣等行業(yè)也得到了廣泛應用。

20世紀50年代,水力壓裂開始應用于前蘇聯(lián)油田開發(fā)中。60年代,水力壓裂以淺層水平造縫為主,發(fā)展了高壓水力壓裂技術,在我國主要用于油田解堵與增產(chǎn)。1964年,德國萊茵普魯士6號中央礦井進行了脈沖式高壓煤壁注水。1968—1972年,前蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究院試驗了水力疏松、水力擠出等防突措施。70年代,開始了高排量高壓水力壓裂。80年代,發(fā)展了液氮泡沫加砂壓裂技術、復合壓裂技術、水平井壓裂技術。1985年,Giger首次提出了水平井[14]的概念。90年代,出現(xiàn)了水平井分段壓裂技術[15],隨著國內(nèi)外致密低滲油、氣藏的開發(fā),該工藝得到迅速發(fā)展。1998年,美國的Surjeetamadja首先提出了水力噴射壓裂方法,并在國外得到廣泛應用。2002年,Devon能源公司在Barnett頁巖試驗的7口水平井獲得了成功,對水平井鉆井和減水阻壓裂效果的各種改進極大地縮短了鉆、完井時間[16]。2005年初,在Barnett頁巖油田第1次在水平井使用水力噴射環(huán)空壓裂技術。2005年后,開始試驗水平井同步壓裂技術。同年,江漢機械研究所完成了水力深穿透定向射孔技術研究并成功應用。2006年,在川西馬井和新都地區(qū)施工16井次定向井壓裂,成功率100%[17]。2007年,在四川白淺110井首次成功實現(xiàn)連續(xù)管水力噴砂逐層壓裂。近年來,在常規(guī)水力壓裂的基礎上,發(fā)展了多種新型壓裂技術和方法,如直井分層壓裂、多級同步壓裂、變排量壓裂、水平井多段壓裂、復合壓裂、重復壓裂等[18]。

伴隨著水力壓裂技術的飛速發(fā)展,國內(nèi)外在水力裂縫的起裂、擴展與延伸機理方面開展了大量的理論研究,并建立起多種數(shù)學模型試圖描述壓裂過程。最初,水力壓裂的計算模型幾乎全是二維的,典型的有PK,PKN和KGD模型等。20世紀80年代以后,在假設儲層是均勻、彈性介質的基礎上,建立了擬三維的P3D模型,繼而提出了PL3D模型。近幾年,人們圍繞建立三維數(shù)值模型來模擬水力壓裂過程做了大量工作。周健等采用大尺寸真三軸試驗系統(tǒng),對多裂縫儲層內(nèi)水力裂縫與多裂縫干擾后影響水力裂縫走向的各種因素進行了研究,并對壓力曲線特征進行了分析[19]。張廣清等通過建立了三維彈塑性有限元模型研究了定向射孔水力裂縫形態(tài)的影響因素和裂縫的起裂機理,提出了采用定向射孔技術進行轉向壓裂以形成雙S型裂縫的新方法[20]。李連崇等應用并行有限元程序,對壓裂過程進行了真三維數(shù)值模擬,實現(xiàn)了對裂縫起裂、擴展和擴展中的穿層、扭轉行為的全過程分析[21]。

1.3 裂縫監(jiān)測技術

為了評價增滲效果和優(yōu)化技術方案,需要對裂縫發(fā)展的走向、形態(tài)、數(shù)量、展布范圍及密度等進行監(jiān)測和預測。裂縫監(jiān)測技術作為儲層增滲的配套技術,自20世紀60年代起,伴隨著增滲技術的廣泛應用、數(shù)學模型的不斷完善和計算機、傳感器技術的日趨成熟,在經(jīng)歷了定性分析階段后,已向定量描述方向發(fā)展,正在形成一種多學科相結合的綜合技術體系。

微地震方法是國內(nèi)外應用最廣泛的裂縫監(jiān)測技術之一,它根據(jù)儲層在結構改造過程中發(fā)生應力、應變和位移等變化時能引起微小地震的原理,用地震波檢波器探測釋放出的能量,并對微地震事件進行處理,確定震源在時間和空間上的分布,實現(xiàn)對裂縫網(wǎng)絡的成像和監(jiān)測。隨著微地震技術研究的深入,將微地震事件與地質、地球物理、測井數(shù)據(jù)等信息應用于數(shù)值模擬中,還能夠進行客觀的產(chǎn)能預測,并進一步指導增滲設計的優(yōu)化[22]。

美國礦業(yè)局已于20世紀40年代開始應用微地震技術探測沖擊地壓,但大量應用于壓裂監(jiān)測是從1992年開始的,至1997年逐漸商業(yè)化。在國內(nèi),微地震監(jiān)測技術發(fā)展相對滯后,在學習國外先進技術并引進設備的前提下,才在大慶、華北等油田進行了微地震數(shù)據(jù)的采集和解釋。2013年,中國石化物探院應用自主研發(fā)的Frac Listener微地震軟件技術,成功實施了川西須五段頁巖氣儲層水力壓裂地面微地震監(jiān)測。

2 煤層增透與油層增滲的關系

歸根結底,煤層增透和油層增滲都是通過貫通與增加儲層內(nèi)流體介質的流動通道來增加化石燃料的產(chǎn)量。但是,由于二者存在以下諸多差異[6,23],致使其增滲方式和效果也不盡相同。

(1)產(chǎn)物的賦存特征。

煤層既是生氣層又是儲集層,作為儲集層它與油層相比具有割理發(fā)育、泊松比高、楊氏模量低且各向異性等特點。煤層瓦斯的儲存方式以吸附為主,而石油總量的90%左右呈游離狀態(tài)。

(2)運移規(guī)律。

石油屬于自由流體,能傳導壓力,其運移基本服從達西定律。而絕大部分煤層瓦斯由于受表面張力的作用處于吸附狀態(tài),它的運移主要是分子熱擴散運動。

(3)產(chǎn)出方式。

石油的增產(chǎn)是通過增加、維持儲層能量或改變石油的物理力學性能來實現(xiàn)的。而煤儲層低壓力的特點,決定了煤層瓦斯的產(chǎn)出是煤層降壓、瓦斯解吸、擴散和運移等因素綜合作用的結果。

(4)實施作業(yè)的地點。

石油增產(chǎn)作業(yè)的地點一般在地面,通過地面鉆孔來實施,受作業(yè)環(huán)境、空間大小等因素的影響較小。煤層增透作業(yè)的地點多數(shù)在井下,空間狹小、光線暗淡、設備需要防爆,還要考慮實施增透作業(yè)后,對于煤層頂、底板的破壞是否會影響后期煤炭的安全開采,這些因素決定了煤層增透作業(yè)實施難度更大。

(5)增滲作業(yè)的效果及考察方式。

以水力壓裂來說,油層增滲的影響范圍可達幾十米甚至幾百米。對于煤層增透,首先,由于煤層的松軟及各向異性,有效范圍僅能達到幾十米;其次,煤層壓裂過程中產(chǎn)生大量的煤碎屑,在抽采負壓的作用下極易阻塞通道;再者,煤巖吸附壓裂液后會引起煤巖基質膨脹而堵塞裂隙;另外,對于突出煤層還要考慮增透作業(yè)影響范圍內(nèi)不能留空白帶。

從增滲效果考察的角度看,由于油層埋深較大,只能通過產(chǎn)油量或者地球物理手段進行考察。煤層增透效果的考察相對方便,除可以通過抽采量或地球物理手段考察外,還可以在井下施工鉆孔進行煤層透氣性測試。

儲層增滲技術對石油增產(chǎn)的促進作用已是有目共睹,但是基于以上差異,煤層瓦斯抽采不能照搬石油增產(chǎn)技術。引進、消化、吸收并創(chuàng)新,是煤層增透技術發(fā)展的必由之路,也正是在借鑒與學習石油增產(chǎn)、頁巖氣增抽等先進的理論和技術的基礎上,我國礦井瓦斯抽采也取得了令人矚目的成就。

3 水力化煤層增透技術在國內(nèi)的研究進展

為了提高低透氣性煤層的瓦斯抽采率和防治煤與瓦斯突出,我國科研人員在學習石油行業(yè)和前蘇聯(lián)、波蘭等國家技術及經(jīng)驗的基礎上,試驗應用了多種煤層增透技術,這些技術多數(shù)是從降低煤層外在應力和改變煤體的物理力學性質入手,主要有：開采保護層、卸壓帶抽采、深孔松動爆破、交叉鉆孔、大直徑鉆孔和水力化增透措施等。國內(nèi)煤礦應用水力化煤層增透技術開始于20世紀50年代末,至今大致經(jīng)歷了初期試驗研究、嘗試應用和高速發(fā)展這3個階段,正逐漸發(fā)展成為一種適用性強、效果顯著的煤層增透和防突技術。

3.1 初期試驗研究階段

20世紀50年代末至80年代末,是國內(nèi)水力化煤層增透技術的初期試驗研究階段,主要是作為局部防突措施應用于煤巷掘進、石門揭煤等地點。1958年,設計出了簡易的“輕變型”水力鉆。1965年,用水射流預先沖刷煤體,安全揭開了具有突出危險的石門。撫順煤炭研究所于1969年在鶴壁六礦進行了水射流割縫試驗,擴大了鉆孔的卸壓范圍;1977年,在紅衛(wèi)煤礦進行了水射流割縫防止煤與瓦斯突出試驗;在1978—1981年期間,先后在鶴壁四礦、二礦及紅衛(wèi)煤礦進行了水射流割縫提高瓦斯抽采率的工業(yè)性試驗;1981年研制了液控水射流鉆割機;1970—1985年,在白沙里王廟煤礦、陽泉一礦、撫順北龍鳳煤礦和焦作中馬村煤礦進行了水力壓裂、空穴法強化措施開采煤層氣試驗。

3.2 嘗試應用階段

20世紀90年代初至21世紀初,雖然前期試驗取得了一定效果,但由諸多原因,水力化煤層增透技術未能得到大范圍的推廣與應用。主要原因：首先,當時煤炭行業(yè)發(fā)展正處于低谷,現(xiàn)場需求相對較少;其次,未能深入研究煤層卸壓增透機理,缺乏必要的理論支撐;再次,當時能在煤礦井下應用的高壓水泵流量小、壓力低,設備能力不能滿足需要;最后,包括安全防護在內(nèi)的配套設施不夠完善。因此,只在撫順、晉城等礦區(qū)的少數(shù)煤與瓦斯突出礦井和瓦斯治理困難的高瓦斯礦井進行了小范圍嘗試應用。

3.3 高速發(fā)展階段

2003年以后,煤炭市場逐漸復蘇,在石油等行業(yè)取得多項新突破的激勵下,隨著《煤礦瓦斯抽采基本指標》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》等相關國家政策的實施,水力化煤層增透技術進入了高速發(fā)展階段,單項水力化增透技術不斷完善,總體向著集成化、多元化和智能化的方向發(fā)展。以中國礦業(yè)大學、中國煤炭科工集團沈陽研究院和中國石油大學等為代表的10余家科研機構在水力化增透方面進行了廣泛深入研究,形成了水射流和水力壓裂兩大類共10余種技術,包括：水力沖孔、水力掏槽、水射流割縫、水射流擴孔、水力擠出、水力疏松、水力壓裂等,在全國30余個礦區(qū)進行了試驗及應用,作業(yè)區(qū)域也由煤巷掘進、石門揭煤等局部地點發(fā)展到地面鉆孔抽采、煤層區(qū)域預抽、突出煤層消突等,多數(shù)應用取得了不錯的效果。其中,水力壓裂是應用次數(shù)最多、范圍最廣的煤層增透技術,據(jù)筆者不完全統(tǒng)計,該技術已在27個礦區(qū)的51個礦井進行了應用。從地域上看,在華中、華東、西南和華北地區(qū)的應用最多,開展過或正在應用水力壓裂技術數(shù)量較多的礦區(qū)依次是兩淮、晉城、平頂山、焦作、松藻、義馬、陽泉、白沙等礦區(qū)。

(1)單項技術不斷完善。

在水射流方面：劉明舉等對水力沖孔[24]技術的防突機理、工藝流程進行了研究,在九里山礦應用起到了很好地綜合防突作用,使煤巷掘進速度提高了2～3倍。魏國營等研究了水力掏槽[25]技術,系統(tǒng)評價了其有效性、適應性和安全性,在演馬莊煤礦突出煤層的應用結果表明,可使巷道安全掘進速度提高2倍以上。林柏泉等提出了整體卸壓理念,開發(fā)了高壓磨料射流割縫[26]技術,在平煤十二礦的應用保障了煤巷掘進安全。唐建新等設計了用于抽放鉆孔中切割煤體的高壓水射流裝置[27],在白皎煤礦的試驗結果表明,割縫后鉆孔瓦斯抽采率提高了18．8%。盧義玉等對自激振蕩脈沖水射流[28]的形成機理和對煤體裂隙率和瓦斯解吸率的影響進行了研究,將逢春煤礦石門揭煤的工期縮短了70 d以上。張義等從理論上分析了旋轉射流和射流旋轉各自的流動規(guī)律、破巖過程及破巖機理,優(yōu)化設計了4種水力旋轉式鉆擴孔射流鉆頭[29],在實驗室取得了較好的試驗效果。王耀鋒研制了三維旋轉水射流擴孔裝置[30],并對其工藝參數(shù)進行了研究,使擴孔效率明顯提高。徐幼平等分析了鉆割一體化水力割煤過程中磨料在射流中的受力狀況和速度分布[31],對割縫入射角和割縫方式進行了優(yōu)化,在蘆嶺煤礦應用后表明能顯著提高設備割縫能力。

在普通水力壓裂方面：林柏泉等研究了含瓦斯煤體水力壓裂動態(tài)變化特征[32],建立了煤體埋深、瓦斯壓力和水力破裂壓力三者耦合模型。劉建新等研究了煤巷掘進工作面水力擠出[33]的防突機理,認為注水后煤體彈性潛能釋放緩慢,集中應力帶前移,卸壓帶加長,瓦斯涌出量減小。蘇現(xiàn)波等提出了地面煤層頂板順層水平壓裂井抽采瓦斯方法[34]。馬耕等提出了煤層順層水力壓裂抽放瓦斯的方法[35]。李國旗等研究了煤層水力壓裂的合理參數(shù)[36]。

在脈動水力壓裂方面：張景松[37]利用自主研制的高壓脈動水錘發(fā)生裝置在潘三礦進行試驗,結果表明該技術有效地提高了煤層透氣性且增透作用較為持久。翟成等開展了煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術研究與應用[38],在鐵法煤業(yè)集團大興煤礦的試驗結果表明卸壓增透效果明顯。

在定向水力壓裂方面：王魁軍等提出了穿層鉆孔水力壓裂疏松煤體瓦斯抽放方法[39]。富向提出了井下點式水力壓裂增透技術[40]。馮彥軍等在王臺鋪煤礦進行了定向水力壓裂控頂試驗[41]。李全貴等[4]針對實施水力壓裂后增透方向不確定導致應力集中的問題,提出了定向孔定向水力壓裂技術,應用結果表明能使煤巷掘進速度提高69%。

(2)綜合增透技術快速發(fā)展。

將水射流與水力壓裂搭配起來,實現(xiàn)了二者的有機結合。黃炳香等[42]提出在鉆孔軸向或徑向預割出給定方向的裂縫,然后再對其進行水力壓裂的定向壓裂技術。王耀鋒等開展了預置導向槽定向水力壓穿增透技術的研究及應用[43],提出了利用導向槽和控制鉆孔的共同定向作用將煤體壓穿,并通過高壓水攜帶出大量煤屑,來實現(xiàn)煤層卸壓和增透的方法。劉勇等開展了降低井下煤層壓裂起裂壓力方法研究[44],提出采用水射流在煤孔中定向射孔來降低起裂壓力。

綜合壓裂技術取得了一定進展。葉建平等[45]開展了氮氣泡沫壓裂技術的工業(yè)試驗并獲得成功。許耀波提出了基于構造煤儲層特點的液氮伴注輔助水力壓裂復合增產(chǎn)技術[46],現(xiàn)場應用增產(chǎn)效果達到了50%。劉曉在中馬村煤礦試驗了重復水力壓裂[47]技術,取得了較好的效果。王保玉等提出了地面壓裂井下水平鉆孔抽放煤層氣方法[48],將地面鉆孔與井下水平定向鉆孔相結合,實現(xiàn)聯(lián)合抽采。林柏泉等提出了區(qū)域瓦斯治理鉆爆壓抽一體化防突方法[49],實現(xiàn)了松動爆破和定向壓裂綜合增透。

4 存在的關鍵技術問題

歷經(jīng)60余年的研究,中國水力化煤層增透技術已經(jīng)取得許多有益的進展。但是,由于煤層瓦斯賦存的地質條件十分復雜,煤礦井下巷道布置方式多樣,國內(nèi)現(xiàn)有的水力化增透技術和裝備在工程應用中還存在不配套、不完善等多方面的問題。

4.1 理論研究亟待深入

(1)瓦斯以吸附和游離兩種狀態(tài)儲集于煤層內(nèi),原始煤體是煤、吸附瓦斯和游離瓦斯組成的類三相體,吸附瓦斯和游離瓦斯處于一種動平衡狀態(tài),其中吸附瓦斯約占90%。在割縫(或擴孔)這一水射流破煤過程中,煤屑脫離煤體的同時,煤屑與煤體接觸面附近必然會有瓦斯解吸出來,造成水射流破煤體系比水射流破巖更為復雜,在極短的時段內(nèi)涉及到氣體、流體、固體和多相耦合等諸多學科,增加了理論分析和實驗研究的難度,使水射流破煤機理的客觀揭示成為難題,而對高圍壓環(huán)境下水射流切割含瓦斯煤體機理方面的研究就更少了。這造成了理論研究滯后于實際應用,而現(xiàn)場工藝技術的進一步完善也缺乏必要的理論支撐。

(2)含瓦斯煤體的水壓致裂過程,是多孔介質下的多相耦合作用過程。對含瓦斯煤體水力壓裂裂縫擴展的研究是對流體動力學、滲流力學、結構力學、斷裂力學等多學科的綜合運用,是氣體解吸、流體滲流與巖石變形等相互耦合的科學問題,水力壓裂裂縫的擴展受煤層瓦斯壓力、煤的物理力學性質、圍層的應力分布、高壓水泵的壓力和流量等眾多因素的影響。針對水力壓裂裂縫擴展這一難題,科研人員采用RFPA,ANSYS,FLAC3D,ABAQUS和COMSOL[50]等軟件開展了大量數(shù)值模擬工作,取得了一些進展,但尚未實現(xiàn)對含瓦斯煤體水壓致裂過程的準確、定量描述,筆者認為主要是以下幾方面原因造成的：

①絕大多數(shù)瓦斯以吸附狀態(tài)儲集于煤層中,前期數(shù)值模擬中所建的模型未能充分考慮煤體吸附作用或煤層瓦斯壓力的影響。

②所建立的是基于離散裂縫的模型,預設的裂縫不符合煤體內(nèi)原生裂隙的發(fā)育特征,也未能描述煤層裂隙的萌生多是以原生裂隙的張開并進一步連通為主導的模式。

③忽視了煤層水力壓裂過程中以原生裂隙的剪切破壞為主,所建立的是基于線彈性斷裂的力學模型,主要對張拉型裂縫的擴展進行了計算。

④煤體裂隙網(wǎng)絡的形成必然是非平面狀態(tài),而所建立的模型往往是基于平面裂紋假設,通常只能處理縱向和橫向的擴展與延伸。

因此,前期的數(shù)值模擬結果未能客觀描述實際的煤層水力壓裂過程,仍需進行深入研究。

(3)煤層的透氣性是瓦斯抽采的一項重要指標,也是抽采量預測的關鍵參數(shù),它受煤體內(nèi)裂隙的分布、應力、水分及溫度等多種因素的影響。原有的煤層透氣性測試技術是建立在徑向不穩(wěn)定流動理論基礎上的,它要求在巖層內(nèi)打盡量垂直貫穿整個煤層的鉆孔,然后依次測定煤層瓦斯壓力、鉆孔排放瓦斯流量等數(shù)據(jù),用相似模型試驗的方法計算得出煤層的透氣性系數(shù)。煤層增透作業(yè)會使煤層的透氣性產(chǎn)生強烈的變化,且常常不具備施工穿層鉆孔的條件,因此,應加強煤層透氣性測定理論的研究,并結合裂紋擴展的研究成果,對比研究實施增透作業(yè)前后煤層瓦斯壓力、含量、抽采量及煤層突出危險性指標等參數(shù)的變化,逐步建立起煤層增透效果考察、評價技術體系,為煤層增透技術的發(fā)展提供理論支撐。

4.2 核心技術有待突破

經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展,水力化煤層增透技術及裝備有了很大進步,但多數(shù)技術仍處于試驗研究階段,尚未達到可以大面積推廣應用的程度。每種單項增透技術都有其優(yōu)勢,又難免存在自身的局限性。例如：對于水射流割縫(或擴孔)來說,在其控制范圍內(nèi)煤體卸壓充分、增透效果明顯,但是它的影響半徑小,僅有幾米。水力壓裂的控制范圍大,影響半徑能夠達到幾十米,但是以現(xiàn)有的技術水平,很難保證在它的控制范圍內(nèi)實現(xiàn)煤體均勻卸壓、增透而不留空白帶。采用綜合增透技術,能使不同的增透手段取長補短、優(yōu)勢互補,但是怎樣合理配置各種工藝參數(shù)才能真正達到這一目的,仍需深入探索。另外,要準確評價增透作業(yè)是否達到了抽采及防突的要求,還需要有完善的效果考察體系來支撐。

4.3 關鍵裝備尚需完善

配套裝備是增透技術實現(xiàn)的物質基礎,技術的進步會推動裝備的完善,而裝備的完善也將促進技術的進步。雖然水力化增透配套裝備的水平已得到了很大提升,但目前仍有很多方面亟待改進。

(1)由于需要防爆等原因,煤礦井下用高壓水泵一般體積龐大、重達數(shù)噸,造成在井下運輸困難、安裝地點受限。而設備的功率大,也給供電帶來了困難。在松軟、低透氣性煤層中實施水射流割縫(或擴孔)時,鉆孔往往排渣困難,堵孔、噴孔等現(xiàn)象時有發(fā)生,還可能造成瓦斯超限,這就迫切需要研制耐壓高、排渣性能好的水射流專用鉆桿。噴嘴、高壓旋轉接頭等部件的使用壽命很短,致使水射流增透成本明顯提高。現(xiàn)有的水力壓裂鉆孔封孔裝置,還未滿足耐高壓和回收的需求,尤其是煤層孔的密封,若采用下入鋼管后再用水泥或化學藥劑封孔,水泥會影響煤質而化學藥劑會污染環(huán)境,孔內(nèi)遺留的鋼管影響后期采掘作業(yè),這也制約著水力壓裂技術的推廣。

(2)使用高壓水的各種作業(yè)都是有危險的并可能造成傷害,尤其是在煤礦井下復雜的作業(yè)環(huán)境和暗淡的光線下,況且還需要工人與高壓設備及煤體“短兵相接”,更令人擔心的是在高瓦斯或者突出煤層增透時,還容易出現(xiàn)瓦斯超限、誘發(fā)煤與瓦斯突出、高壓水攜帶瓦斯噴出等不可預見的危險,因此,使用高壓水進行井下作業(yè)離不開安全保障技術及裝備的保護。前期雖已初步開展了這方面的研究,但還遠未達到完全防范危險并控制作業(yè)進程的程度。

(3)在煤層增透和防突實踐中,為避免破壞煤層頂、底板,實現(xiàn)區(qū)域全面抽采和不留空白帶,經(jīng)常需要控制裂縫的尺度與延展方向,而現(xiàn)有的水力壓裂裂縫擴展理論還很難進行客觀、準確的預測,這就要求在壓裂過程中能夠實現(xiàn)對裂縫的形態(tài)和擴展情況進行實時監(jiān)測,由于現(xiàn)有監(jiān)測儀器和定位軟件不能達到精確定位,更缺少適用于煤礦井下的防爆儀器,所以國內(nèi)現(xiàn)有的技術與裝備很難滿足實時監(jiān)測裂隙發(fā)展的要求。

5 發(fā)展趨勢與研究方向

隨著煤礦開采深度日益加大,地應力和瓦斯壓力都呈現(xiàn)出增大的趨勢,與之相關的動力災害也日趨復雜和嚴重,對礦井安全生產(chǎn)的威脅越來越大。作為煤層卸壓、增透的重要手段,水力化煤層增透技術將面臨更大的需求與挑戰(zhàn),這要求科研人員勇于面對挑戰(zhàn),高水平的研究解決存在的難題,把水力化煤層增透技術不斷向前推進。今后的研究工作應著力于以下幾個方面。

5.1 基礎理論研究

數(shù)學方法、科學實驗和數(shù)值模擬是最常用、最有效的理論研究方法?？紤]到水射流破煤和水力致裂煤體過程的復雜性,僅依靠數(shù)學方法來實現(xiàn)對其真實物理過程的準確揭示是不可能的。實驗是研究流體力學的基本方法,其結果真實可信,是數(shù)值模擬的基礎,而數(shù)值模擬能研究難以開展的實驗,二者是相互聯(lián)系、相互促進的。縱觀國內(nèi)外文獻,針對水力化增透技術的機理,人們開展了大量的物理實驗及數(shù)值模擬工作,但筆者分析后發(fā)現(xiàn)：進行物理實驗的一般沒有開展數(shù)值模擬,而開展數(shù)值模擬的往往沒有進行物理實驗驗證,這些都阻礙了基礎理論的進步。

實驗設備的改進、實驗條件的完善、實驗技術水平的提高、大型商業(yè)化流體力學數(shù)值模擬軟件的發(fā)展、計算機應用和傳感器技術的進步,為水力化增透機理的研究帶來了曙光。今后的研究,應將物理實驗和數(shù)值模擬有機結合,通過高相似度、可重復性的實驗,給模擬提供更合理的邊界條件并驗證模擬的有效性,通過數(shù)值模擬獲得更全面的流場信息,優(yōu)化實驗方案,不斷將理論研究向前推進。

對于水射流機理研究,應在全面考慮圍壓、淹沒程度等試驗條件的情況下,充分利用現(xiàn)有的先進技術手段來開展實驗,例如：采用高速攝像技術、平面激光誘導熒光技術及粒子圖像測速技術等[51]非接觸式粒子探測技術開展水射流流速測定和流場分析,利用基于導電橡膠的打擊力分布測試系統(tǒng)等進行水射流對煤的打擊力測試等等。在充分考慮煤的非均質性和各向異性、力學性質、孔隙率、滲透性、瓦斯的解吸作用等影響因素的情況下,建立其圍壓條件下氣、液、固三相耦合的數(shù)學模型,采用ANSYS,COMSOL等適合多物理場耦合模擬的軟件來開展數(shù)值模擬研究。

對于水力壓裂機理研究,應將實驗室試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)代測量技術結合起來,才能真正實現(xiàn)由定性解釋向定量描述發(fā)展。應綜合考慮煤的非均質性和各向異性、孔隙和裂隙發(fā)育、滲透率低、煤對瓦斯的吸附作用等特征,建立一套模擬圍壓條件下的大型煤層水力壓裂物理模擬試驗平臺,采用微地震、聲發(fā)射和CT掃描等技術手段,監(jiān)測和分析水力裂縫擴展的物理過程,采用示蹤劑觀察裂縫的延伸形態(tài),繪制出三維可視化的裂縫發(fā)育分布圖,并對數(shù)值模擬結果進行驗證。建立能兼顧煤巖的非線性本構和各向異性特征的數(shù)學模型,采用各向異性滲流分析與雙向流固氣耦合技術,對具有節(jié)理網(wǎng)絡的煤巖體進行水力壓裂數(shù)值模擬。還應綜合運用數(shù)值模擬、地球物理和參數(shù)敏感性分析與優(yōu)化等技術,對數(shù)值模型的輸入?yún)?shù)進行反演,以確定水力壓裂各種因素的重要性和合理參數(shù),形成對特定工程有效的水力壓裂預測模型。

5.2 水力化增透技術的集成化和多元化

如何充分發(fā)揮不同單項技術的長處并盡量克服其缺陷,是水力化煤層增透技術發(fā)展必然要面對和解決的問題,這就要求未來水力化煤層增透技術應在不斷完善各單項技術的基礎上,實現(xiàn)不同增透手段的集成化和多元化,形成優(yōu)勢互補。

(1)定向壓裂技術。

首先,打措施鉆孔并在其周圍一定距離處打控制鉆孔,采用水射流在措施鉆孔內(nèi)對煤體割縫、割槽或徑向鉆孔,沖出大量煤并使縫、槽或徑向鉆孔周圍的局部煤體充分卸壓;然后,對措施鉆孔封孔后實施水力壓裂,預置的縫、割槽或徑向鉆孔既降低了起裂壓力,又能導控裂隙的擴展方向;最后,水力裂縫擴展至控制鉆孔處,并通過水流從控制鉆孔帶出大量煤屑,防止煤屑堵塞瓦斯抽采通道。該技術實現(xiàn)了水射流和水力壓裂技術的緊密結合,既汲取了水射流破煤局部卸壓充分和水力壓裂影響范圍大的優(yōu)點,又克服了水射流破煤增透范圍小和水力壓裂后局部出現(xiàn)高應力區(qū)[42]的缺陷。

(2)重復壓裂技術。

隨著瓦斯抽采的進行,常出現(xiàn)鉆孔周圍的裂隙在地應力的作用下逐漸閉合現(xiàn)象,致使該鉆孔瓦斯抽采量急劇降低,這時就需要再次采取增透措施。重復壓裂就是在老孔中再次進行水力壓裂,在煤層內(nèi)壓出新裂縫、繼續(xù)延伸原有裂縫或者在與原裂縫呈一定角度方向上造出新裂縫。該技術已在石油行業(yè)取得了不錯的效果,煤炭行業(yè)應對其進行借鑒和發(fā)展,實現(xiàn)老孔的修復增產(chǎn)。

(3)同步壓裂技術[18]。

美國在沃斯堡盆地Barnett頁巖氣開發(fā)中成功應用了同步壓裂技術,它采用更大的壓力對相鄰且平行的水平井交互作業(yè),促使水力裂縫在擴展過程中相互作用,增加水壓裂縫的密度和范圍,從而增大改造體積,采用該技術的頁巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)效果非常明顯。相對于地面鉆孔而言,井下鉆孔具有長度短、更容易控制鉆孔方位、單孔成本低等明顯優(yōu)勢,因此有理由相信采用同步壓裂技術來增加煤層的透氣性有較好的應用前景。

(4)定向水平長鉆孔分段壓裂技術。

目前,國內(nèi)鉆孔施工技術取得了長足發(fā)展,順煤層定向鉆進的最大孔深已能達到1 000 m,形成了定向水平長鉆孔、梳狀鉆孔、井下多分枝鉆孔等多項技術與裝備,這給定向水平長鉆孔分段水力壓裂的實現(xiàn)提供了保障。定向水平長鉆孔分段壓裂技術,就是仿效石油、頁巖氣等行業(yè)的水平井分段水力壓裂技術,利用封隔器或其它材料段塞,在水平長鉆孔內(nèi)一次壓裂一個孔段,逐段逐次對水平長鉆孔進行壓裂,以產(chǎn)生更復雜有效的裂縫網(wǎng)絡。在美國Arkoma盆地Woodford頁巖氣聚集帶的Tipton-1H-23井,經(jīng)過7段水力壓裂措施改造后,增產(chǎn)效果顯著[18]。定向水平長鉆孔分段壓裂技術適用于煤層硬度較大、鉆孔穩(wěn)定性好的煤層,該技術能大幅度延伸鉆孔的抽采范圍,是未來礦井瓦斯抽采的關鍵技術之一。

(5)煤層頂、底板內(nèi)順巖層鉆孔壓裂技術。

對于極松軟的突出煤層,在打鉆期間常出現(xiàn)噴孔、夾鉆等現(xiàn)象,本煤層鉆孔施工非常困難。即使能施工鉆孔,鉆孔長度短、易塌孔等情況也時有發(fā)生。煤層頂、底板內(nèi)順巖層鉆孔壓裂技術是從地面或者井下施工定向鉆孔,使鉆孔的水平段位于煤層頂板或底板內(nèi)距目標煤層一定距離處,通過在巖層內(nèi)實施水力壓裂,達到間接壓裂煤層的目的;也可以施工梳狀鉆孔,使鉆孔的水平段位于煤層頂板或者底板內(nèi),其分支鉆孔進入煤層,再逐個對分支鉆孔進行壓裂。煤層頂、底板內(nèi)順巖層鉆孔壓裂技術的提出,沖破了常規(guī)方法的束縛,為解決突出煤層壓裂難題提供了思路,具體實施工藝有待深入研究。

(6)地面壓裂與井下水平鉆孔聯(lián)合抽采技術[48]。

從地面施工鉆孔至已形成開拓巷道但尚未布置抽采鉆孔的區(qū)域。完井后進行水力加砂壓裂,形成高滲透性壓裂影響區(qū)。隨后在井下巷道內(nèi)施工定向水平長鉆孔,使其影響區(qū)域與地面鉆孔壓裂影響區(qū)域溝通,實現(xiàn)對作用區(qū)域內(nèi)瓦斯的井上下立體化聯(lián)合抽采。該技術用于埋藏深度不大、透氣性中等的煤層,能取得較好的效果。

(7)高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術。

自國內(nèi)1985年開展研究以來,高能氣體壓裂技術已發(fā)展為一項基本成熟的油氣層改造增產(chǎn)技術。高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術,是指首先對煤層鉆孔進行高能氣體壓裂,使鉆孔周圍形成多條徑向裂縫,降低鉆孔周圍的應力集中程度,提高與天然裂縫溝通的可能性;然后實施大規(guī)模的水力壓裂,促使煤層內(nèi)裂縫沿著已有的多條徑向裂縫充分延伸,并在當裂縫末端沿與最小主應力垂直方向發(fā)展。大慶油田所做的對比試驗[52]表明,采用高能氣體壓裂與水力壓裂聯(lián)作技術的油井比僅采用水力壓裂的能多增產(chǎn)35%。目前,煤炭行業(yè)已針對高壓空氣致裂爆破和CO2深孔控制預裂爆破技術開展了大量研究,而如何在煤礦井下安全、有效的實現(xiàn)高能氣體壓裂和水力壓裂的聯(lián)作增透,是今后亟需深入研究的課題。

5.3 增透裝備的系統(tǒng)化和智能化

作為水力化增透技術的實現(xiàn)手段,水射流和水力壓裂裝備在很大程度上決定了瓦斯抽采的效率和成本。對于煤礦井下用水射流和水力壓裂裝備,我國雖有一定的研制和應用基礎,但裝備的可靠性、安全性和實用性遠不能滿足煤層增透技術發(fā)展的需要,亟需進一步提升這些專用設備的性能和自主化水平,將實時監(jiān)測、動態(tài)模擬與預測、作業(yè)過程優(yōu)化、遠程調(diào)控集成于一體,形成高度系統(tǒng)化、智能化的成套水力化增透裝備。

(1)水射流和水力壓裂成套裝備研發(fā)。

針對煤礦井下用高壓水泵存在的體積和質量大、能耗高、對水質要求高、故障率高、運輸和安裝不方便等缺陷,應不斷優(yōu)化其結構、材質和外觀設計,優(yōu)先考慮采用變頻技術等先進技術,實現(xiàn)高壓水泵的小型化、安全和高效。對于高壓水射流部件,應在改進結構、優(yōu)選材質、提高加工精度和改善表面處理方法的基礎上,研制出打擊效率高且耐磨性好的水射流噴嘴、密封性能好且排渣效率高的水射流專用高壓鉆桿和轉速高、壽命長的高壓旋轉水尾。在水力壓裂方面要加強封孔(特別是煤層孔)裝備的研究,研制出封孔便捷、耐壓好、可回收的專用封孔器,并進一步開展分段壓裂封孔裝備的研究。

為使水力化增透作業(yè)人員遠離危險源,保障人身安全和作業(yè)過程安全可控,今后應加大安全保障裝備的研究力度,使裝備除了能實現(xiàn)對高壓水系統(tǒng)和作業(yè)環(huán)境的遠程監(jiān)測和控制外,還要對水壓、流量、煤體開裂壓力、注水量等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、記錄與分析,實現(xiàn)現(xiàn)場視頻、試驗數(shù)據(jù)的實時傳輸和存儲,并能自動生成數(shù)據(jù)表及相關曲線,實現(xiàn)異常情況自動斷電等功能,不但為增透技術優(yōu)化提供科學依據(jù),還能切實保障增透作業(yè)的安全、高效開展。

(2)增透效果預測、實時監(jiān)測及考察裝備。

目前,煤層增透效果監(jiān)測設備呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的局面,微震監(jiān)測系統(tǒng)、電磁輻射監(jiān)測儀[53]、聲發(fā)射(AE)監(jiān)測系統(tǒng)、放射性同位素探測儀等多種監(jiān)測設備被用于裂隙監(jiān)測和探測中。今后,應通過對上述設備大量的應用、比較分析與改進,針對不同的煤層賦存條件、不同的增透工藝,甄選和研制出最適宜的監(jiān)測方法、解釋方法和監(jiān)測設備。最終發(fā)展目標是：能夠在獲取的大量物探和施工數(shù)據(jù)的基礎上,充分利用數(shù)學和應用計算機技術的先進成果,達到儀器設備的尖端化和智能化,實現(xiàn)解釋方法的三維可視化和對壓裂施工與壓后生產(chǎn)這兩個過程的全三維模擬,實現(xiàn)對裂縫的實時監(jiān)測分析與控制,逐步由同步監(jiān)測和后期檢測轉為前期預測統(tǒng)籌,形成一套真正的科學技術與裝備。

6 結 語

作為礦井瓦斯防治和煤層氣開發(fā)的重要配套技術,水力化煤層增透技術適應國家建立煤炭、煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)機制的要求,符合煤礦瓦斯抽采達標的需要,已成為煤礦防范瓦斯事故、提高瓦斯抽采率的關鍵技術手段,具有較好的應用前景。該技術的持續(xù)、快速發(fā)展必將整體提升中國礦井瓦斯防治和煤層氣產(chǎn)業(yè)科技自主創(chuàng)新能力。前期國內(nèi)大量的研究和應用,為技術的發(fā)展提供了有力的支撐,隨著增透機理研究的不斷深入和裝備水平的不斷提高,水力化煤層增透技術體系將日趨完善,在未來的煤炭開采和煤層氣開發(fā)中將發(fā)揮更大的作用。

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Research progress and development tendency of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams

WANG Yao-feng1,2,HE Xue-qiu1,3,WANG En-yuan1,LI Yan-zeng2

(1.School of Safety and Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.State Key Laboratory of Coal Safety,CCTEG Shenyang Research Institute,Shenyang 110016,China;3.North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

Taking measures to increase the permeability of coal seams is the key to solve the gas extraction problem in low permeability coal seams．The structure transform of coal-rock mass is the core issue for increasing the permeability of coal seams,while the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams is an effective method to transform the coal-rock structure．On the basis of previous studies and literature review,authors overviews the development of high pressure water jet technology and hydraulic fracturing technology,summarizes the research progress of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams．Through analyzing the issues in theoretical research and engineering application,the authors found that many factors restrict the wide application of hydraulic technology, for instance,the mechanism of increasing permeability has not been revealed objectively,the single technology for increasing the permeability of coal seams has some limitations,the auxiliary equipments,especially safety guarantee system,is not perfect,the effect investigation system is not robust,etc．The authors outline the general development tendency and suggest that the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams is moving toward integra-tion,diversification and intelligence．The major research direction in the future is to strengthen theoretical research,improve the auxiliary equipment,develop the directional hydraulic fracturing and other new technologies,and make robust effect investigation system,etc．

hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams;high pressure water jet technology;hydraulic fracturing technology

TD712

A

0253-9993(2014)10-1945-11

2014-06-09 責任編輯：畢永華

“十二五”國家科技重大專項資助項目(2011ZX05041-003);“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B01)

王耀鋒(1972—),男,河北辛集人,研究員,博士研究生。E-mail：wangyaof2008@126．com。通訊作者：李艷增(1982—),男,河北武強人,助理研究員,碩士。E-mail：lyz3144@163．com

王耀鋒,何學秋,王恩元,等．水力化煤層增透技術研究進展及發(fā)展趨勢[J]．煤炭學報,2014,39(10)：1945-1955．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．0760

Wang Yaofeng,He Xueqiu,Wang Enyuan,et al．Research progress and development tendency of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1945-1955．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．0760