煤礦井下水力壓裂技術的發展現狀與前景

摘 要：我國煤炭安全生產形勢依然嚴峻，增加煤層透氣性、進行有效瓦斯抽放迫在眉睫。水力壓裂技術是目前增加煤層透氣性最有效的方法之一，文章從水力壓裂機理、封孔技術、工藝設備發展三方面，綜述了我國井下煤層水力壓裂技術的發展和應用前景。

關鍵詞：水力壓裂；煤層；增透；發展現狀

基金項目：重慶科技學院研究生科技創新計劃項目，編號：YKJCX2014047

目前我國煤炭行業的安全形勢依然嚴峻，由于煤層透氣性低、瓦斯難以有效抽放導致的瓦斯突出、爆炸等事故屢見不鮮，造成了巨大的人員傷亡和經濟損失，因此，加強瓦斯抽放、增加煤層透氣性勢在必行。水力壓裂技術已成為增加煤層透氣性最有效方法之一，本文通過介紹水力壓裂機理、封孔技術及工藝設備的研究現狀，指出水力壓裂技術研究的必要性與可行性，以期為工程應用提供參考。

1.水力壓裂機理研究

水力壓裂技術1947年始于美國，起初主要用于低滲透油、氣田的開發中，在地面水力壓裂方面的研究僅僅局限在石油、油氣藏以及地熱資源的地面鉆井開采過程中[1]。前蘇聯科學家在20世紀60年代開始在卡拉甘達和頓巴斯礦區進行井下水力壓裂的試驗研究[2]。目前針對井下煤層水力壓裂增透技術的研究已取得了明顯發展，國內學者郭啟文、張文勇等經過試驗與現場應用研究了煤層的壓裂分解機理，指出水力壓裂技術只能夠在煤層內產生很少的裂縫，并會在裂縫周圍產生應力集中區[3]，存在一定局限性。李安啟等將理論與實踐相結合，研究了煤層性質對水力裂縫的影響，還在煤層壓裂裂縫監測基礎上提出了煤層水力裂縫的幾何模型。

在水力壓裂機理方面的研究，國內外學者對水力壓裂在油氣系統地面鉆井壓裂、煤炭行業井下增加煤層透氣性方面都進行了較為深入的研究，但其壓裂機理方面仍存在一定分歧，不能很好的控制水力壓裂的效果。隨著我國煤炭安全生產逐步發展和穿煤隧道等工程的逐步建設，水力壓裂技術將大范圍推廣應用，因此加強水力壓裂技術理論研究勢在必行。

2.壓裂鉆孔封孔技術研究

煤層水力壓裂鉆孔封孔是有效實施水力壓裂技術的關鍵，而封孔質量的好壞取決于兩個主要因素：①封孔材料，需要選擇性能良好、價格適中、易于操作的材料；②封孔的長度，封孔長度太短會導致高壓水的滲漏，太長會造成人力、材料、時間的浪費。因此，要使水力壓裂技術能夠有效開展，必須在選取“物美價廉”的封孔材料的同時，研究材料承載能力與封孔長度之間應滿足的關系，因此有關水力壓裂過程中鉆孔封孔問題的研究主要集中在封孔材料、封孔方法方面的研究。

倪冠華等采用無縫鋼管模擬鉆孔的方法，對PD復合材料的脈動水力壓裂鉆孔密封參數進行了研究，確定了一定注水壓力下的封孔長度，并獲得了許多有益結論，但是該方法不能真實反映現場實際情況，存在一定局限性。葛兆龍等通過建立水力壓裂鉆孔封孔的力學模型，研究了封孔材料承載能力與材料、封孔長度等存在的關系，并指出：封孔材料、封孔長度是影響封孔承載力的關鍵因素，封孔材料承載能力隨材料的強度、彈性模量、封孔長度的增加而增加，且當封孔長度增加到一定程度時，封孔材料承載能力趨于某一定值。2011年由朱建安、申偉鵬[4]等學者研發的水力壓裂耐高壓水力封孔器具有結構簡單，封孔可靠，注水壓力高，可重復利用等優點，但目前在煤礦井下以及穿煤隧道施工過程中近水平孔的封孔方法研究仍然較少，導致增加鉆孔施工量，加大了勞動成本。2014年彭深[5]等學者對煤礦水力壓裂封孔技術長期存在的工藝復雜、封孔困難等問題進行了較為深入的研究，分析了封孔器耐壓的相關影響因素，為井下水力壓裂鉆孔封孔器的設計以及抗壓性能的計算提供了參考，但準確性仍需進一步提高。目前我國大多煤礦采用水泥砂漿封孔等傳統封孔工藝，但其封孔周期長，成本高等問題已逐步顯現，因此，未來仍需加強對封孔技術研究，采用新技術使壓裂鉆孔封孔技術往工藝簡單，操作方便、耐壓性能好等方向發展。

綜上所述，水力壓裂封孔技術主要有水泥砂漿封孔和封孔器封孔2種，其中水泥砂漿封孔所能承受壓力較高，但也存在固有的缺點；封孔器封孔工藝較為簡單，但承受壓力較小，特別是近水平孔封孔質量不高、封堵成功率低、可操作性不強、壓裂增透效果差等方面的問題。目前仍需從壓裂理論層面進一步創新，發掘封孔技術的主要參數，進一步加強封孔質量才能從根本上利用水力壓裂技術達到增加煤層透氣性的目的。

3.水力壓裂工藝設備研究

當前針對煤礦井下水力壓裂工藝方法研究也較多，并取得了不小的成果，蘇現波等采用頂底板順層鉆孔、頂底板穿層鉆孔、本煤層順層鉆孔或本煤層穿層鉆孔進行水力壓裂，首先確定鉆孔參數施工鉆孔，再設計水壓及注水量、洗孔、排水、檢驗壓裂效果，合格后聯管抽放。王魁軍[6]等在頂（底）板巖巷（也可以在煤巷）向煤層打水力壓裂鉆孔，壓裂鉆孔進入煤層的長度大于煤層厚度的1/2以上，并在水力壓裂鉆孔周圍打若干控制鉆孔，從水力壓裂鉆孔進行水力壓裂，當壓裂范圍達到控制鉆孔時，在水力壓裂鉆孔周圍一定距離煤體產生抗壓薄弱區域，高壓水可以把水力壓裂鉆孔與控制孔之間的煤體壓穿，從而達到增透效果。

煤礦井下水力壓裂工藝目前主要有常規壓裂、定向水力壓裂、高脈動水力壓裂以及井下點式水力壓裂等技術工藝。常規水力壓裂能夠克服最小主應力和煤體的抗裂壓力，擴寬伸展并溝通這些裂縫，增加煤層相互貫通裂隙的數量和增大單一裂隙面的張開程度，最終使得煤層透氣性增加。目前已經在鶴壁、焦作、義馬、平頂山等礦區得到應用，并取得了一定效果[7]。由徐幼平等對定向壓裂與非定向壓裂的效果進行了比較，并在平煤集團十二礦進行了生產驗證，結果表明定向壓裂比非定向壓裂在壓裂半徑、增透效果上都有明顯優勢，為煤礦水力壓裂技術的發展提供了新思路。

4.結語

目前，我國煤礦井下水力壓裂技術已經取得了不少成果，并在現場應用中取得了較好的效果，但由于我國幅員遼闊，地質情況復雜，水力壓裂技術并未形成系統應用。壓裂機理尚未完全明晰；封孔技術水平還較為落后，特別是近水平孔多抗壓性能差，封孔質量不高，并且壓裂效果不好的問題尚未得到重視。盡管已在工藝設備的研究方面取得了不少成果，但成本較高，難以推廣應用，加強相關設備的研制必對未來煤礦安全形勢有巨大推動作用。

參考文獻

[1] 楊萬有. 薄差層壓裂力學機理及工藝研究[D].大慶： 大慶石油學院，2006.

[2] 安志雄. 采用水力壓裂強化煤層瓦斯抽放的遠景[J].煤礦安全，1989，20 （ 9） ： 51-53.

[3] 趙陽升，楊棟，胡耀青等. 低滲透煤儲層煤層氣開采有效技術途徑的研究[J].煤炭學報， 2001， 26（5）： 455-458.

[4] 朱建安，申偉鵬，郭培紅. 煤礦水力壓裂耐高壓水力封孔器的研制[J]. 煤礦安全. 2011（08）. 5-6.

[5] 彭深，翟成等. 鉆孔膠囊封孔器耐壓影響因素及其在煤礦水力壓裂中的應用[J].煤礦安全，2014，45（7）114-117.

[6] 王魁軍，富向，曹垚林等. 穿層鉆孔水力壓裂疏松煤體瓦斯抽放方法：中國， CN101581231[P]. 2009.11-18.

[7] 王念紅，任培良. 單一低透氣性煤層水力壓裂技術增透效果考察分析[J].煤礦安全， 2011， 42 （ 2）：109-112.

作者簡介：郭晨 （1990一），男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯治理的研究。