盧義玉，李 瑞，鮮學(xué)福,，葛兆龍，夏彬偉,2

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044; 2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400044; 3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

作為煤炭伴生礦產(chǎn)資源，煤層氣的開發(fā)對保障煤礦安全高效生產(chǎn)，增加天然氣資源供給和減輕溫室氣體排放具有重要意義。根據(jù)煤層氣開采原理，降壓是誘導(dǎo)煤層氣解吸和運(yùn)移的主要方式。因此，如何通過工程手段對煤層氣儲層進(jìn)行廣泛而徹底地降壓是煤層氣井開發(fā)成功與否的關(guān)鍵所在。無論是采用地面井抽采還是煤礦井下抽采均需要通過在煤層內(nèi)或者圍巖建立通道，直接或者間接對儲層壓力進(jìn)行降壓，才能有效抽采煤層氣[1-2]。

我國地質(zhì)歷史時期構(gòu)造活動強(qiáng)烈，使得我國煤層氣儲層地質(zhì)條件復(fù)雜多變。據(jù)估算，我國構(gòu)造煤、超低滲、深部等難采煤層氣資源量占比超70%[3-4]。煤層氣地面勘探開發(fā)30 a來，我國圍繞排水降壓采氣理論，已經(jīng)形成了以鉆井、壓裂、排采為核心的中淺層煤層氣儲層開發(fā)技術(shù)體系，并走在世界前列[5]。隨著煤儲層埋深增大，不同儲層地質(zhì)條件表現(xiàn)出不同的變化趨勢，深部煤層氣儲層具有儲層壓力大，地應(yīng)力高，滲透率低等特點，開發(fā)難度更大[6-7]。我國新疆阜康、山西武鄉(xiāng)等部分深部煤層氣井取得了較高的產(chǎn)量[8]，表明我國深部煤層氣資源具有高產(chǎn)的可能性，但當(dāng)前工程技術(shù)方法改造下的總體煤層氣單井產(chǎn)量還不盡人意，制約著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前的增產(chǎn)改造技術(shù)難以適應(yīng)我國煤層氣儲層地質(zhì)條件是導(dǎo)致我國煤層氣單井產(chǎn)量低的主要原因。對此，必須發(fā)展適合深部煤層氣地質(zhì)條件的改造方法。

鉆井和水力壓裂是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的煤層氣井人工增產(chǎn)改造技術(shù)。我國絕大多數(shù)地面煤層氣井采用垂直鉆井+水力壓裂的方法進(jìn)行增產(chǎn)改造。對于煤體結(jié)構(gòu)完好，厚度穩(wěn)定的煤層則可以采用定向井(水平井、L型井等)或多分支鉆井+分段水力壓裂方法來增加煤層導(dǎo)流通道和提高儲層滲透率來提高煤層氣產(chǎn)量。然而，工程實踐結(jié)果表明，煤層氣水力壓裂適用于原生結(jié)構(gòu)煤以及碎裂煤這類煤體結(jié)構(gòu)較為完好的煤層當(dāng)中，而對于碎粒煤與糜棱煤這類松軟煤層，壓裂造縫效果較差[9]。

礦井下瓦斯抽采是我國煤層氣資源開發(fā)的另一主要途徑，其開發(fā)歷史以及產(chǎn)量貢獻(xiàn)都遠(yuǎn)超地面煤層氣井。對瓦斯突出煤層進(jìn)行大范圍有效卸壓是礦井下瓦斯抽采的主要途徑，即通過人工改造誘導(dǎo)原地應(yīng)力釋放，引起煤巖移動與變形，增加儲層孔隙度和滲透率，從而降低儲層壓力[10]。以保護(hù)層開采、高壓水射流和水力壓裂等為代表的煤層卸壓增透強(qiáng)化措施已經(jīng)逐步形成了較為成熟的礦井瓦斯防突與抽采技術(shù)體系[11-13]。對于煤層構(gòu)造破壞嚴(yán)重的高瓦斯突出礦井，通過保護(hù)層開采、高壓水射流(水力沖孔、水力割縫)等手段，在煤層中形成卸壓空間，可以有效釋放周圍煤體應(yīng)力，增加煤層透氣性，提高煤礦瓦斯抽采效率[14-15]。為解決深部煤炭資源開發(fā)的瓶頸難題，謝和平等[16-17]提出了煤炭深部原位流態(tài)化開采的科學(xué)構(gòu)想和理論技術(shù)體系[16]，深部煤炭資源流態(tài)化開采技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的采煤方式，該技術(shù)體系中煤炭及其伴生礦產(chǎn)資源的開發(fā)可實現(xiàn)地下無人智能原位流態(tài)轉(zhuǎn)化開采及液(氣)化抽采[17]。高壓水射流是一種可將固體煤炭切割破碎成流態(tài)化與煤層氣共同采出地面的具體措施，具有廣泛的應(yīng)用前景。

由于高壓水射流具有良好的沖孔(刷)效果，近年來我國地面煤層氣開發(fā)嘗試發(fā)展了水射流技術(shù)，主要包括水力噴砂射孔[18]，徑向水平井(或徑向水力鉆孔)[19]，以及水平井水力噴射造洞穴等[20]。這些技術(shù)推動了高壓水射流技術(shù)在地面煤層氣井開發(fā)的應(yīng)用，在一定程度提高了煤層氣井產(chǎn)量，表明了高壓水射流技術(shù)在地面煤層氣開發(fā)中較好的應(yīng)用前景。然而，水力噴砂射孔及徑向水力鉆孔技術(shù)仍以直接增加儲層導(dǎo)流通道為主要原理，均是在煤層內(nèi)水力造孔，孔徑范圍一般為數(shù)到數(shù)十毫米，其形成的卸壓空間十分有限。尚未充分考慮地應(yīng)力變化對儲層壓降影響這一因素，卸壓效果也較為有限[21]，在應(yīng)用過程中常常作為水力壓裂的輔助措施改造煤層氣儲層[22]。

鑒于深部煤層氣儲層壓力大，地應(yīng)力高，滲透率低等特點，可以利用深部煤層地應(yīng)力高的特點，通過切割造縫利用地應(yīng)力變化增加儲層孔隙和滲透性，來降低儲層壓力?；谇懈钚秹禾岣邇訚B透率原理，綜合礦井下瓦斯抽采實踐及地面開發(fā)非常規(guī)天然氣技術(shù)方式，重慶大學(xué)高壓水射流研究團(tuán)隊提出地面定向井+水力割縫卸壓方法高效開發(fā)深部煤層氣的理念。該卸壓方法通過在深部煤層中定向鉆井并分段實施高壓水力割縫，在煤層當(dāng)中切割產(chǎn)生多組盤狀縫槽，溝通天然裂縫系統(tǒng)，誘導(dǎo)產(chǎn)生裂隙;同時，縫槽形成卸壓空間，相當(dāng)于在煤層內(nèi)建立多層“保護(hù)層”開采空間，可以利用地應(yīng)力變化降低儲層壓力，達(dá)到增加儲層滲透率，提高煤層氣井產(chǎn)量的目的。該方法增滲降壓原理不同于傳統(tǒng)地面井水力壓裂方法，卸壓空間也遠(yuǎn)大于水力噴射孔眼和徑向水力鉆孔孔眼尺寸，有望為深部煤層氣資源地面開發(fā)開辟新的途徑。

筆者介紹了地面定向井+水力割縫卸壓方法的原理并通過與水力壓裂手段對比分析了該卸壓方法的特點與優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，指出了該卸壓方法的關(guān)鍵技術(shù)，以及展望了地面定向井+水力割縫方法的應(yīng)用前景。本研究旨在為我國深部煤層氣資源開發(fā)增滲增產(chǎn)提供借鑒。

1 方法和原理

1.1 地面定向井+水力割縫卸壓方法

地面定向井+水力割縫卸壓方法高效開發(fā)深部煤層氣流程主要包括地面定向鉆井和分段水力割縫兩個過程。根據(jù)煤層的傾斜程度，定向井可設(shè)計為水平井、傾斜井等。根據(jù)定向井?dāng)?shù)量，可設(shè)計為單定向井、多分支定向井和叢式井。將水射流器置于定向井目標(biāo)點位,然后利用高壓水射流對井壁和近井地帶進(jìn)行切割作業(yè),使其形成盤狀縫槽,調(diào)整水射流器到另一個目標(biāo)點位繼續(xù)進(jìn)行水力切割,最終沿井筒形成立體割縫體系。煤層氣定向井水力割縫方法如圖1所示，以水平井為例示意，其他類型定向井原理與該井型一致。定向井軌跡以及煤層當(dāng)中水射流點位，水力縫槽長度、寬度、角度、間距等參數(shù)依據(jù)具體的地質(zhì)構(gòu)造、儲層物性、應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)與工況條件進(jìn)行測算和設(shè)計。為了確保煤層氣定向井井眼穩(wěn)定性，鉆井作業(yè)后需要對煤層進(jìn)行完井作業(yè)，因此，水力割縫是在定向井完井工程后的施工作業(yè)。煤層氣定向井水力割縫工藝流程如圖2所示。定向井水力割縫方法工程裝備主要包括鉆井裝備、水力割縫裝備以及定位測量裝備。其中，定向井鉆井裝備包括鉆頭、動力鉆具、隨鉆測量儀、地面鉆機(jī)等。水力割縫的施工工具主要包括水射流器、旋轉(zhuǎn)水尾、高壓水管、高壓泵與地面操作臺等。對于深部煤層氣定向井水力割縫而言，由于地下管線長，井眼軌跡多變，還需要在水射流器端部加裝射流測量儀對水射流器進(jìn)行精確定位并測量儲層巖石和縫槽物理參數(shù)(圖1)。

圖1 煤層氣水平井+水力割縫卸壓方法示意Fig.1 Schematic diagram of pressure relief method with the horizontal well+hydraulic slotting of coalbed methane

圖2 定向井+水力割縫卸壓方法工藝流程Fig.2 Flow chart of pressure relief method with the horizontal well hydraulic slotting

1.2 原 理

由于深部煤層氣儲層普遍具有儲層壓力大，地應(yīng)力高，滲透率低等特點。因此，該方法將利用深部煤層地應(yīng)力高的特點，通過在煤層定向鉆井，并在定向井中分段實施高壓水力割縫，在煤層中切割產(chǎn)生多組盤狀縫槽，溝通天然裂縫，誘導(dǎo)產(chǎn)生裂隙，從而提高煤層滲透率，縮短流體擴(kuò)散、滲流路徑，增大煤層卸壓范圍與程度，并強(qiáng)化煤層氣解吸與運(yùn)移，從而達(dá)到提高煤層氣井產(chǎn)量的目的。

1.2.1溝通天然裂縫，誘導(dǎo)產(chǎn)生裂隙

煤層氣儲層為裂縫型儲層，煤層內(nèi)發(fā)育天然裂隙系統(tǒng)，定向鉆井可以提高煤層天然裂縫的鉆遇率，強(qiáng)增了天然裂縫與井眼的連通性。此外，通過在裂縫中分段水力割縫，在煤層形成數(shù)米到數(shù)十米長，數(shù)十厘米到數(shù)米寬的縫槽，大大增加了人工導(dǎo)流通道與天然裂縫的連通性，如圖3所示。受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用影響，煤層外生節(jié)理系統(tǒng)在空間上一般沿一定方位共軛發(fā)育[23]。因此，為了最大程度地溝通天然裂縫與水力縫槽的連通性，定向鉆井的方位設(shè)計以及水力縫槽分段間距應(yīng)充分考慮天然裂縫的走向及發(fā)育程度。

此外，未開采前煤層維持一定的原始應(yīng)力狀態(tài)，難以避免地會打破煤層原始應(yīng)力狀態(tài)。在深部煤層定向井及水力割縫工程擾動作用下，煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場、裂隙場及滲流場(簡稱3場)必將發(fā)生變化。根據(jù)煤巖水力割縫裂隙場演化規(guī)律，煤層在高壓水力沖擊、切割過程中，會形成拉伸、剪切作用力，當(dāng)兩種作用力高于煤巖承受極限時，煤巖產(chǎn)生拉剪裂隙[24]。在持續(xù)的水力切割作用下，縫槽周圍煤巖裂隙逐漸擴(kuò)展延伸，相互交織連接形成網(wǎng)格化導(dǎo)流通道系統(tǒng)(圖4)，大大增加了煤層導(dǎo)流通道數(shù)量和連通性，強(qiáng)化了煤層氣在儲層內(nèi)的運(yùn)移能力。

1.2.2利用地應(yīng)力變化降低儲層壓力

深部煤層定向井+水力割縫在煤層中產(chǎn)生多組縫槽，形成了較大的卸壓空間，相當(dāng)于沿鉆孔方向開采了多層保護(hù)層，縫槽周圍煤體在地應(yīng)力作用下位移變形，從而使儲層壓力得到充分釋放。同時，縫槽周圍形成拉張應(yīng)力區(qū)，使煤層基質(zhì)內(nèi)裂隙張開度大大增加或產(chǎn)生新的裂隙，且這部分裂隙以張裂隙為主。裂隙張開度的增加進(jìn)一步增加了煤層滲透性，這對于通過降壓方式抽采煤層氣而言能夠快速提高煤層氣的解吸、擴(kuò)散和滲流能力。我國煤炭地下開采中廣泛應(yīng)用的保護(hù)層開采方法正是基于通過保護(hù)層開采改變被保護(hù)煤層應(yīng)力狀態(tài)，增加被保護(hù)煤層透氣性的原理，來提高礦井瓦斯抽采效率。相比于常規(guī)鉆孔而言，鉆孔水力割縫其形成的卸壓空間更大，地應(yīng)力作用下煤體變形量也更大，造成其卸壓范圍遠(yuǎn)大于常規(guī)鉆孔。如圖5所示，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬結(jié)果顯示煤層水力割縫后縫槽周圍應(yīng)力變化區(qū)范圍明顯大于未割縫鉆孔應(yīng)力變化區(qū)范圍(具體模擬參數(shù)設(shè)置見文獻(xiàn)[25])，表明水力割縫方法能夠使煤層獲得顯著的卸壓效果。

圖5 未割縫鉆孔與水力割縫鉆孔豎直應(yīng)力云圖[25]Fig.5 Vertical stress distribution of unslotted drilling and slotted drilling[25]

2 方法優(yōu)勢

2.1 深部煤層氣儲層水力壓裂技術(shù)存在的問題

水力壓裂是我國煤層氣地面開發(fā)中應(yīng)用十分普遍且較為成熟的增滲增產(chǎn)改造技術(shù)，在煤層氣井開發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，對于深部煤層氣儲層水力壓裂面臨以下主要問題:

(1)煤礦井下對開挖的地面煤層氣井壓裂裂縫進(jìn)行跟蹤觀測表明，壓裂裂縫主要發(fā)育在原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂煤中，煤層壓裂裂縫長度短(有效支撐裂縫長度一般不超過30 m，煤層支撐裂縫規(guī)模遠(yuǎn)小于地面微地震監(jiān)測裂縫結(jié)果)，且壓裂主干裂縫單一(詳見文獻(xiàn)[26])，排采過程中不僅限制了儲層壓降范圍且容易發(fā)生煤粉堵塞。此外，隨著深部煤儲層地應(yīng)力變大，壓裂支撐劑更容易發(fā)生嵌入造成導(dǎo)流裂縫閉合。

(2)壓裂裂縫形態(tài)難以控制。壓裂過程中通常需要在井口注入壓裂液，因此，難以對煤層內(nèi)壓裂裂縫的形態(tài)(尤其是高度和寬度)進(jìn)行有效控制。隨著煤層埋深的增大，地層破裂壓力的增大，加大了水力壓裂過程中對壓裂裂縫形態(tài)的控制難度[22]。此外，煤層非均質(zhì)性顯著，煤體結(jié)構(gòu)、煤層結(jié)構(gòu)、天然裂縫發(fā)育特征均在很大程度上影響著壓裂裂縫在煤層內(nèi)的擴(kuò)展，這進(jìn)一步增加了壓裂裂縫展布形態(tài)的不確定性。

(3)對于煤層氣井壓裂而言，注入煤層的高壓流體會使煤體發(fā)生變形，并驅(qū)動煤體應(yīng)力向深部方向轉(zhuǎn)移，壓裂后在煤層壓裂裂縫法線方向由近及遠(yuǎn)依次形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)[27]。根據(jù)煤巖損傷演化理論，在煤層卸壓區(qū)，滲透率增加，而在煤層應(yīng)力集中區(qū)煤巖滲透性下降[28]。相比淺部煤儲層而言，深部煤儲層原始滲透率更低，水力壓裂過程中應(yīng)力轉(zhuǎn)移對儲層滲透率的傷害進(jìn)一步限制了儲層導(dǎo)流能力。

2.2 地面定向井+水力割縫卸壓方法特點與優(yōu)勢

2.2.1網(wǎng)格化流體運(yùn)移通道

常規(guī)煤層水力壓裂裂縫數(shù)量單一，加之煤層內(nèi)煤粉含量高，煤層氣滲流過程中裂縫任何部位發(fā)生堵塞，均有可能導(dǎo)致煤層氣無法運(yùn)移至井筒;采用解堵措施，不僅增加了煤層氣井運(yùn)營成本，而且增產(chǎn)改造效果難以把握。對于定向井水力割縫方法而言，一方面定向井大大增加了井筒與煤層的接觸面積，另一方面煤層內(nèi)水力割縫產(chǎn)生的多組縫槽及其周圍產(chǎn)生的網(wǎng)格化導(dǎo)流系統(tǒng)極大增加了煤層氣滲流通道數(shù)量。這樣使得煤層流體(氣、水)以及固相顆粒(粉)可以通過多通道向井筒流動，避免了單一通道造成堵塞而引起整個煤層氣井筒無法產(chǎn)氣[28]。

2.2.2卸壓范圍和程度的擴(kuò)大

(1)定點卸壓。依據(jù)儲層地質(zhì)條件設(shè)計定向井靶點和軌跡，沿儲層不同方位實施定向鉆井作業(yè)。此外，沿定向井實施定點水力割縫可以對儲層井眼延伸方向的不同點位進(jìn)行精準(zhǔn)割縫作業(yè)。

(2)充分卸壓。對于儲層構(gòu)造地質(zhì)條件簡單，厚度分布穩(wěn)定的煤層，沿定向井分段實施水力割后，為煤體應(yīng)力釋放提供了空間，誘導(dǎo)縫槽周圍煤體應(yīng)力釋放，使得煤層氣儲層壓力可以更加充分而徹底地釋放。

2.2.3煤層氣解吸擴(kuò)散的強(qiáng)化

地面煤層氣井排采之所以初期產(chǎn)量低，達(dá)到產(chǎn)氣峰值后可以維持一定穩(wěn)產(chǎn)氣階段，且單井產(chǎn)量總體較低，客觀原因在于絕大多數(shù)煤層氣以吸附態(tài)存在于煤基質(zhì)孔隙中，需要首先通過解吸和擴(kuò)散兩個過程才能進(jìn)入裂隙系統(tǒng)。根據(jù)Fick定律，氣體擴(kuò)散速率與煤基質(zhì)塊的大小呈倒數(shù)關(guān)系(式(1))，即減小煤基質(zhì)塊粒度可以使煤層氣擴(kuò)散速率獲得快速增加[29]。因此，增減裂隙數(shù)量和密度，減小裂隙間距對于提高煤層氣解吸擴(kuò)散速率意義深遠(yuǎn)。分段水力割縫在煤層內(nèi)切割形成的縫槽，誘導(dǎo)產(chǎn)生的次生裂縫系統(tǒng)以及應(yīng)力釋放后原生裂縫開度的增加，這些裂縫相互連通在徑向井周圍形成了網(wǎng)格化導(dǎo)流系統(tǒng)，縮小了煤基質(zhì)內(nèi)甲烷氣擴(kuò)散的距離，強(qiáng)化了煤層氣解吸和擴(kuò)散速率。

(1)

式中，Vm為單位體積煤基塊中吸附氣體積，m3/m3;dVm/dt為擴(kuò)散速率;Di為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;a為形狀因子，a=π/S,m-2;Ve為Langmuir 曲線對應(yīng)氣體體積，m3/m3;S為裂隙間距，用于表征煤基質(zhì)塊的大小，m。

2.2.4適用深部煤層復(fù)雜地質(zhì)條件

對于水力割縫而言，其通過水力切割方式破巖造縫，為煤層提供了卸壓空間，使縫槽周圍形成拉張應(yīng)力區(qū)，從而直接誘導(dǎo)縫槽周圍煤體卸壓，避免了水力壓裂過程中高壓注入流體導(dǎo)致應(yīng)力向煤層深部傳遞，因而更為適應(yīng)深部煤層高地應(yīng)力條件。同時，水力切割作用并不會使流體向儲層深部大量濾失，避免了常規(guī)壓裂過程中壓裂液注入對儲層造成的傷害。

對于地面定向井鉆井技術(shù)而言，由于鉆孔孔徑大，需要保持井眼穩(wěn)定不坍塌，因此，對破碎易坍塌煤層適應(yīng)性較弱。研究表明，我國臨興、阜康、恩洪等多個深部煤層氣開發(fā)區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)較為完好，以原生結(jié)構(gòu)煤或碎裂煤為主[30-31]。這為定向井在深部煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用提供了更強(qiáng)的地質(zhì)保障。礦井下水力割縫作業(yè)實踐表明，無論硬煤(原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤)或軟煤(碎粒煤、糜棱煤)，均能夠通過水力割縫措施進(jìn)行卸壓增透改造，且由于軟煤層更易切割破碎，因此相對而言，水力割縫措施在軟煤層中的應(yīng)用效果更為顯著[24,32]。盡管如此，在作業(yè)實踐過程中，結(jié)合開發(fā)區(qū)塊具體的地質(zhì)條件針對性地優(yōu)化調(diào)整定向井與水力割縫參數(shù)也是保證該方法開發(fā)效果的重要前提。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水力縫槽參數(shù)控制

水力割縫縫槽幾何參數(shù)包括縫槽長度、寬度、間距、走向、傾角、仰角等，縫槽幾何參數(shù)的表示如圖6所示。

圖6 水力縫槽幾何參數(shù)表示Fig.6 Geometric parameters of hydraulic slots

目前水力割縫技術(shù)主要應(yīng)用于礦井下，對于順煤層鉆孔水力割縫技術(shù)而言，縫槽長度一般不超過1/2煤層厚度。相比于地面定向鉆井而言，礦井下鉆井成本低，鉆孔數(shù)量密集，因此，水力縫槽規(guī)模能夠滿足抽采礦井瓦斯的需求。然而，深部煤層定向鉆井及水力割縫成本更高，因此，水力割縫縫槽參數(shù)設(shè)計應(yīng)盡可能增大井眼周圍煤體的卸壓范圍。在沿煤層方向上縫槽的長度應(yīng)足夠長才能獲得良好的煤層氣開發(fā)效益，而在垂直煤層層理方向上則無需過長的縫槽。這就要求地面徑向井水力割縫技術(shù)能夠在空間不同仰角切割出不同長度的縫槽。此外，在實際過程中，還應(yīng)根據(jù)深部煤儲層地質(zhì)構(gòu)造特征、儲層應(yīng)力狀態(tài)、儲層巖石物理性質(zhì)以及工程技術(shù)條件，確定水力割縫目標(biāo)點位及其他具體的水力縫槽參數(shù)。

3.2 固相顆粒的返排

煤巖脆性強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度低，機(jī)械破壞下容易破碎。定向井鉆井和水力割縫過程中會產(chǎn)生大量的破碎煤顆粒以及煤粉。此外，由于導(dǎo)流通道數(shù)量較多，儲層滲透性變大，煤層氣排采過程中，也會從煤層向井筒排出大量的煤粉和碎煤顆粒(固相顆粒)[33]。對于構(gòu)造破碎嚴(yán)重的碎粒煤和糜棱煤，或者縫槽溝通軟煤帶后，井筒產(chǎn)粉量更多[34]。井筒固相顆粒的過多積累將嚴(yán)重阻礙煤層氣和地層水的排采，制約煤層氣井采收率。此外，深部煤層定向井眼長度更大，排渣運(yùn)輸難度更大。因此，固相顆粒的返排直接影響該方法的應(yīng)用效果。研發(fā)井筒固相顆粒返排裝備以及研制地面定向井高效攜渣(固相顆粒)循環(huán)液是解決定向井+水力割縫固相顆粒返排的關(guān)鍵。

3.3 定向井完井與水力割縫匹配性

為了增加鉆井井眼穩(wěn)定性和獲得更高的油氣產(chǎn)量，通常情況下定向井鉆井后需要進(jìn)行完井作業(yè)，定向井完井工藝主要包括裸眼完井、襯管完井、套管射孔完井以及充填礫石完井等[35]。在定向井鉆井基礎(chǔ)上進(jìn)行水力割縫作業(yè)，需要充分考慮定向井完井方式對水力割縫作業(yè)的影響。裸眼完井下水力割縫作業(yè)需要保障井眼穩(wěn)定性;如若襯管和套管完井，由于深部煤層由于地應(yīng)力高，因此，襯管和套管強(qiáng)度會更大，則需要將襯管和套管進(jìn)行水力切割才能在煤層內(nèi)形成縫槽，因而對水射流器機(jī)械結(jié)構(gòu)、切割強(qiáng)度及高壓水流及磨料屬性等要求更高。分析定向井完井方式與水力割縫匹配性，解決完井作業(yè)對水力割縫的不利影響，優(yōu)化水力割縫與定向井完井工藝流程對于煤層定向井水力割縫具有重要的現(xiàn)實意義。

3.4 高壓流體傳輸動力損失

深部煤層氣定向井井筒長度在千米級，在定向井井筒內(nèi)實施水力割縫需要用高壓軟管將水射流器送至井筒前端，由于水射流器靠地面高壓泵泵送液體提供動力，因此，在高壓軟管內(nèi)流體壓力傳送過程中存在一定的壓力損失。為了確保井筒內(nèi)水射流器對深部煤巖切割時有足夠的動力，高壓軟管內(nèi)的流體動力損失必須進(jìn)行最小化控制，以節(jié)省技術(shù)成本和保障水力割縫的安全性。因此，需要從井筒軌跡設(shè)計、高壓軟管材質(zhì)、高壓流體配方以及地面泵送壓力等方面優(yōu)化水力壓裂工藝，保證水射流器端具有足夠的沖擊切割壓力。

綜上所述，水力割縫是煤礦瓦斯抽采常用且較為成熟的卸壓增透方法且地面定向井+水力割縫卸壓方法對深部煤層氣儲層地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的針對性。此外，相比于水力壓裂技術(shù)，地面定向井+水力割縫卸壓方法具有諸多優(yōu)勢。因此，從卸壓原理和方法而言，地面定向井+水力割縫卸壓方法高效開發(fā)深部煤層氣是可行的。鑒于地面工況條件及未采動煤層原地應(yīng)力條件與礦井下條件的差異，以上關(guān)鍵技術(shù)的突破對于地面定向井+水力割縫卸壓方法的成熟應(yīng)用具有重要意義。

4 應(yīng)用前景

4.1 非常規(guī)天然氣增產(chǎn)改造

定向井+水力割縫卸壓方法在深部煤層氣儲層增滲增產(chǎn)改造中具有顯著的優(yōu)勢。其他非常規(guī)天然氣儲層，如頁巖氣、致密砂巖氣等儲層，同為低孔低滲儲層，且需要通過人工增滲增產(chǎn)改造，提高儲層滲透率，才能促進(jìn)氣體的產(chǎn)出。因此，在其他非常規(guī)天然氣井開發(fā)過程中，也有條件通過該技術(shù)進(jìn)行增產(chǎn)改造，提高氣井產(chǎn)量。但考慮到頁巖氣和致密砂巖氣儲層巖性特征、巖石力學(xué)性質(zhì)、儲層物性、埋深和溫度等儲層特性與煤層氣儲層仍有差別，因此，應(yīng)針對具體的儲層特征發(fā)展特定的地面定向井+水力割縫技術(shù)。

4.2 深部煤炭強(qiáng)礦壓與瓦斯災(zāi)害防治

深部煤層通常地應(yīng)力高，瓦斯壓力大。深部煤層采煤面臨著沖擊地壓、冒頂?shù)扰c高地應(yīng)力密切相關(guān)的災(zāi)害問題。此外，頂板的突然垮落與斷裂也極易造成瓦斯的瞬時大量涌出，給深部煤炭資源開采帶來極大安全隱患。我國深部煤炭資源量巨大，然而我國深部煤炭開采量卻很低，煤炭開采最大深度僅為1 500 m左右，且一些埋深較大的煤炭資源盡管煤質(zhì)較好，但卻面臨著當(dāng)前技術(shù)難以充分應(yīng)對的災(zāi)害問題，極大限制了我國對深部煤炭開采的需求。盡管煤炭開采過程中可以在礦井下對煤層進(jìn)行災(zāi)害防治，但是對于深部煤炭開采而言，其致災(zāi)機(jī)會大，致災(zāi)危害程度大，且礦井災(zāi)害防治存在施工環(huán)境復(fù)雜，施工效率低等問題。鑒于此，在深部強(qiáng)礦壓煤礦規(guī)劃區(qū)和準(zhǔn)備區(qū)對煤層頂板巖石采用定向井+水力割縫方法進(jìn)行人工改造，不僅可以釋放煤層頂板地應(yīng)力，同時可以避免因頂板大面積破斷造成瓦斯涌出及超限的難題，對于保障強(qiáng)礦壓與高瓦斯深部礦井的安全高效開采具有重要的意義[36]。

5 結(jié) 論

(1)地面定向井+水力割縫卸壓方法高效開發(fā)深部煤層氣增滲增產(chǎn)原理為:① 定向井眼和水力縫槽溝通天然裂縫系統(tǒng)并誘導(dǎo)煤層產(chǎn)生裂隙，增加導(dǎo)流通道數(shù)量與連通性;② 多組縫槽形成卸壓空間，利用地應(yīng)力變化釋放儲層壓力，增加裂隙張開度。

(2)深部煤層氣定向井+水力割縫卸壓方法具有網(wǎng)格化流體運(yùn)移通道;擴(kuò)大卸壓范圍和程度;強(qiáng)化煤層氣解吸擴(kuò)散;適用深部煤層復(fù)雜地質(zhì)條件等特點與優(yōu)勢。

(3)水力縫槽參數(shù)控制，固相顆粒的返排，定向井完井與水力割縫匹配性以及高壓流體傳輸動力損失是深部煤層氣定向井+水力割縫方法需要解決的關(guān)鍵問題。

(4)深部煤層氣定向井+水力割縫卸壓方法在非常規(guī)天然氣增滲增產(chǎn)改造以及深部煤炭強(qiáng)礦壓與瓦斯災(zāi)害防治等方面具有應(yīng)用前景。