井下煤層水力壓裂理論與技術研究現狀及發展方向

覃木廣

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭是我國的主體能源，根據相關預測，在“十四五”期間，煤炭仍將占據我國一次性能源消費的半數以上，并且在相當長一段時間內，將繼續保持強勁的競爭優勢。2014—2018年， 煤炭生產量、消費量分別維持在36.8億～38.7億t、 39.7億～41.2億t。我國95%的煤礦開采是地下作業，煤層賦存地質條件復雜，事故災害嚴重，隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭，煤礦往深部開采走向常態化，煤炭深部開采面臨著諸多問題，例如地質條件復雜化、地應力大、溫度升高，瓦斯含量和瓦斯壓力急劇加大，而且煤層滲透率低，煤礦瓦斯治理對于深部開采煤層形成了巨大挑戰[1-2]。水力壓裂起先應用于油氣資源的勘探與開發，主要用來提高油氣資源的采收率，之后隨著技術的不斷進步，以及水力壓裂增透范圍大、增透效果明顯等優勢，其在井下低透氣性煤層的卸壓增透方面取得了廣泛的應用，開辟了低滲煤層瓦斯治理新途徑[3]。

近些年，井下煤礦水力壓裂理論與技術取得了長足的進步，在各大煤礦瓦斯抽采治理方面應用效果良好。因為井下煤層地質條件、煤層性質的復雜性，任何工藝技術都存在一定的局限性，如一些煤層不適合壓裂，或者煤層因為壓裂產生一些安全事故。因此，井下煤層水力壓裂在理論與技術上必須開展具有針對性的研究，提出與煤層瓦斯地質條件相適應的水力壓裂一體化解決方案，才能使水力壓裂增滲效果達到最好。

基于此，本文對井下水力壓裂理論與技術的研究成果進行了總結，結合當前我國水力壓裂理論、工藝技術、壓裂設備等方面研究進展，指出井下煤層水力壓裂理論與技術的發展方向，為水力壓裂技術提高和煤層增滲技術發展提供借鑒和參考。

1 井下煤層水力壓裂理論與技術研究現狀

1.1 煤儲層水力壓裂理論研究現狀

水力壓裂是在足夠高的壓力下，將液體注入到壓裂孔中，通過穿孔或裸眼井段，進入目標地層，從而破壞巖石，造成裂縫的過程。隨著高壓流體注入的繼續，一些流體泄漏到地層中，其余流體保持裂縫內部的壓力足夠高，使裂縫繼續擴展。通常一開始泵入清潔液體是為了產生裂縫。實踐表明，對于低滲透煤巖體，為了保持壓力的膨脹，初始壓力往往大于裂縫。鉆孔后，只要裂縫開始在較弱的表面擴展，其余的裂縫方向往往不再發育，即在較弱的位置繼續破裂。

1.1.1 煤體水力壓裂適用性研究現狀

水力壓裂技術雖然在兩淮、松藻、平頂山等礦區進行了廣泛的應用，取得了一定的卸壓增透效果，但是仍有局限。資料顯示，一些礦井運用水力壓裂增透技術后，存在著誘發煤與瓦斯突出、巷道出現垮落等事故，由于評判水力壓裂技術適用的指標還未形成標準，使得該技術的大范圍應用受到一定阻礙。

水力壓裂煤體增透效果受多種因素影響，如煤體瓦斯賦存條件、堅固性系數、煤體類型、水力壓裂工藝等。目前，相關研究及工程技術人員對影響水力壓裂增透效果的因素做了大量的研究，根據水力壓裂工藝及煤體所處地質環境特點，研究認為水力壓裂不適宜在透水型地質構造運用，因為高壓水進入該構造會導致巷道垮落；對于頂(底)板巖石強度低、碎裂及遇水易于膨脹煤層亦不適用水力壓裂。對于深部煤層來說，其存在著較高的地應力，相應的需要高起裂壓裂，這就要求壓裂設備具有較高的壓力和流量，壓裂泵持續的高壓力和流量運轉勢必會對人員、設備造成極大的安全隱患。不同結構及煤層的堅固性系數的可壓裂性也存在較大的差異，對于松軟煤層來說，水力壓裂條件下會形成縫網，壓裂控制范圍小，增透范圍有限。徐剛等[4]研究了煤體不同堅固性系數f值對水力壓裂適用的影響，研究確定了一個水力壓裂堅固性系數臨界值。袁本慶[5]通過比較不同賦存條件下的煤巷條帶，提出了水力壓裂適用條件及其效果評判指標。鄭同社[6]通過對比五類不同煤體的壓裂效果，得出了水力壓裂對Ⅰ類、Ⅱ類煤體增透效果較好。

1.1.2 水力壓裂對煤體瓦斯作用影響研究現狀

煤體中的瓦斯以兩種形式存在，即游離態和吸附態，其中吸附態瓦斯占據到90%以上。當外在水進入到煤體之中，首先對游離態瓦斯進行驅替，其次對于吸附態瓦斯來說，外在水對其有兩種作用，第一種是存在的“置換作用”，研究普遍認為煤體對水分的吸附能力強于瓦斯；第二種是“水鎖效應”，即水分在煤體表面形成水膜，在一定程度上阻礙了孔隙瓦斯向裂隙擴散，從而減緩了瓦斯的解吸。

唐建平[7]分析了水力壓裂對煤體瓦斯運移規律的影響，羅列了兩種賦存狀態瓦斯的流動規律，并分析了水力壓裂后煤體滲透率的演化規律。對于煤體吸附水，聶百勝等[8-9]和劉水文等[10]在微觀上及宏觀上做了大量的研究，得出了煤層吸收水是水分子與煤表面相互吸引的結果，添加適當的活性劑可以改變煤體對水分子的吸引力，以及在宏觀上煤層擴散系數不僅和煤炭的尺寸、強度有關，同時還和注水壓力相關，而且隨著注水壓力的增大，擴散系數不斷增高。程慶迎[11]發現了水力致裂過程中會對瓦斯產生驅趕效應，認為水力致裂在煤層產生裂縫的過程中，水會向裂隙里滲透，引起了裂縫煤體孔隙壓力和瓦斯壓力的變化，壓力不均勻導致了壓力梯度的產生，從而引起瓦斯由壓力高向壓力低的方向流動，為水力化瓦斯流動提供了一個新思路。對于水力壓裂滲透率研究，孫可明等[12]、劉曉麗等[13]在考慮氣體溶于水的情況下，建立了水力壓裂過程中氣、水兩相滲流方程，之后在考慮瓦斯解吸和擴散的情況下，考慮其對煤體變形的影響下，建立了基于變形場多相耦合流固滲流模型，并進行了相關模擬。

1.1.3 水力壓裂裂縫擴展模型研究現狀

自20世紀50年代中期至20年70年代初二維斷裂模型引入以來，為了克服各類斷裂模型的局限性，學者們研究了大量的二維斷裂模型和三維斷裂模型。WARPINSKI等[14]在進行水力壓裂時，指出許多儲層存在一定程度的裂縫復雜性，因而提出了一系列裂縫類型，這些裂縫類型可以應用于不同的儲層之中。水力壓裂卸壓的核心是控制水力裂縫的開裂和擴展方向，因此裂縫形態的識別是研究壓裂效果的基礎，近年來國內外對于水力壓裂裂縫擴展的研究情況，如圖1所示。

圖1 水力壓裂裂縫擴展模型研究進展示意圖Fig.1 Research progress of hydraulic fracture propagation model

煤儲層不是一個天然裂縫的存在對于水力壓裂過程中裂縫的擴展起著決定性的作用，水力裂縫在天然裂縫性儲層與非裂縫性儲層中起著不同的作用[15-16]。水力裂縫在裂縫性多孔介質中的傳播，由于天然裂縫弱界面的相互作用，導致裂縫傳播特性的所有機制都發生了交替。水力裂縫在碰撞階段對天然裂縫的破壞行為可能導致裂縫的交匯、分流或圍堵。在諸多研究成果中，提出了一個非常規裂縫模型。非常規儲層致密，滲透率在納米達西范圍內，非均質、高度復雜。相鄰水力裂縫之間的相互干擾以及水力裂縫與天然裂縫之間的相互作用，也是影響非常規煤層增產效果的關鍵因素。行業中所有商業上可用的三維裂縫模型都是基于以下假設:裂縫是平面的，不與天然裂縫和現有水力裂縫相互作用。傳統的平面模型已不能很好地應用于非常規油氣藏的水力壓裂。為了解釋這些影響，近年來開發了許多非常規裂縫模型。其中一些模型只考慮了多個裂縫之間的干涉等地質力學問題，而另一些模型則試圖捕捉水力裂縫干涉以及與天然裂縫的相互作用。非常規裂縫模型有很多，XU等[17]提出了一種新的三維水力裂縫，描述了非平面水力裂縫在非均質地層中的生長。該模型研究了多裂隙的地質力學相互作用。實例分析表明，該模型能夠較好地反映多裂隙在地質力學應力遮擋作用下的發育情況，為多裂隙優化設計提供了有價值的工具。OLSON等[18]開發了一種新的裂縫傳播模型，用于模擬多段水力裂縫的傳播，該模型生成了物理上真實的多裂縫幾何形狀和非平面裂縫幾何形狀，這些幾何形狀與從微震診斷解釋中得出的物理實驗結果和推斷相一致。MCCLURE等[19]開發了一種水力壓裂模擬裝置，該裝置在大型、復雜的三維離散裂縫網絡(DFNs)中，將流體流動與裂縫變形引起的應力隱式耦合，該模擬器能較好地模擬水力裂縫的擴展和張開情況。林健等[20]研究了壓裂泵流量對裂縫偏轉的影響。

1.2 煤層水力壓裂工藝技術研究現狀

一般來說，在壓裂工藝上，根據水力壓裂鉆孔與煤層之間的聯系，可分為穿層壓裂和順層壓裂。按壓裂作用分為掘進條帶壓裂、回采區域網格壓裂、石門揭煤壓裂等。按單個壓裂鉆孔實施壓裂次數分為單次壓裂和重復壓裂。這些傳統的壓裂工藝技術在一定程度上解決了井下煤層低透氣性及瓦斯抽采效率低下的難題，但仍存在一些不足之處，因而研究發展了一些新的水力壓裂工藝。

1.2.1 定向水力壓裂技術

20世紀60年代，我國從波蘭引進了定向水力壓裂技術，最初的試驗取得了一定的效果，但是受限于當初裝備的落后，該技術未能大面積推廣。在常規的水力壓裂作業中，水力壓裂的裂縫擴展方向具有不確定性，導致應力集中，集中起來的應力無法順利卸壓，從而導致水力壓裂次生災害事故的產生。在此基礎上，提出了定向水力壓裂技術，即在水力壓裂鉆孔影響的半徑范圍內增加特定的定向孔，而且這些定向孔的作用是導向與控制。李全貴等[21]在分析定向水力壓裂機理的基礎上，通過優化水力壓裂施工及布孔參數，在平煤十二礦進風巷實施穿層定向水力壓裂，取得了較好的效果。康紅普等[22]通過監測定向水力壓裂壓裂孔前后煤體應力的變化規律，探索出影響水力壓裂效果的影響因素。

隨著鉆機等裝備的不斷進步，在井下瓦斯治理工作中，長鉆孔成為了技術的主流。定向長鉆孔是在煤層底板或者煤巷條帶開孔，借助定向鉆孔機沿著煤層走向施工數百米甚至千米的長鉆孔，定向長鉆孔壓裂技術應運而生。采用定向長鉆孔壓裂技術充分融合了定向鉆進技術與水力壓裂技術的優勢，克服了常規壓裂技術封孔質量差、增透范圍小的技術瓶頸，達到了煤層局部區域卸壓增透的目的。李書文等[23]利用頂板定向長鉆孔水力壓裂和高位鉆孔立體相結合的瓦斯抽采技術，解決了松軟煤層瓦斯抽采難題。楊旭等[24]在面對急傾斜煤層瓦斯抽采難題時，利用定向鉆機鉆取700 m以上的鉆孔，而且在地質異常區域采用開分支繞過方法，取得了良好的瓦斯抽采效果。閆保永[25]介紹了煤層高位定向長鉆孔鉆進水力壓裂裝備與技術，對于采空區瓦斯治理，保證了煤層回采工作的順利進行。李延軍[26]利用定向長鉆孔實現軸向方向的多次壓裂，對長鉆孔進行定點分段，克服了常規長鉆孔壓裂壓裂泵組體積及壓力過大的不利因素，有效地提高了壓裂效率。李國棟等[27]開發了適合中等偏硬的低透氣性煤層裸鉆高壓穩定封孔裝備，對煤層采用了定向長鉆孔整體卸壓增透試驗，極大地增加了水力壓裂增透范圍及瓦斯抽采效率。

1.2.2 脈動水力壓裂技術

在降低水力壓裂壓力和控制壓裂裂縫擴展方向研究的基礎上，提出了動壓壓裂技術，即通過動壓載荷對煤體造成疲勞損壞和破壞，然后使裂隙擴展形成網絡。李全貴等[28]在理論分析及數值模擬等方法的基礎上，開展了脈動水力壓裂煤層裂隙演化規律，以及脈動頻率和壓力對煤層的影響等研究，煤層脈動水力壓裂技術體系就此建立，并且形成了較為豐富的煤層裂隙網絡。陸沛青等[29]在研究脈動水力壓裂過程應力擾動行為的基礎上，建立了煤儲層動壓下力學模型，并研究了應力波傳播的影響因素，此外還研究了裂隙填充物對脈動水力壓裂的影響，為脈動水力壓裂支撐劑的研發提供了理論支撐。王寧等[30]通過壓汞實驗分析了脈動水力壓裂條件下煤樣的孔隙變化特征，得出了該條件下相對常規壓裂煤體孔隙顯著提升的結果，現場試驗表明了脈動水力壓裂效果顯著高于普通壓裂。對于單一低透氣性煤層瓦斯抽采困難的技術現狀，林柏泉等[31]和孟筠青[32]研究了高壓脈動水力壓裂的破巖機理，以較小的壓裂壓力創造了煤巖體的破壞并形成了網狀裂縫給瓦斯運移提供了通道，為單一煤層瓦斯區域治理提出了新思路。吳晶晶[33]利用聲發射實驗研究了脈動水力壓裂煤巖損傷過程的參數演化，并將之分為平靜期、提速期及穩定期。

1.2.3 縫網水力壓裂技術

縫網水力壓裂又稱體積壓裂，是指在水力壓裂施工中，當煤層起裂時在原始裂縫的基礎上形成新裂紋，并在煤層實現網狀的裂縫結構，實現煤層的均勻壓裂。相關研究表明[34]，縫網壓裂裂縫的發育程度受到天然裂縫分布、地應力、煤巖力學性質及壓裂施工因素所控制，在水力壓裂中裂縫的擴展性為對實現縫網最終形態起到了重要的作用。翁定為等[35]針對不同類型煤儲層，在采用平面模型的基礎上，分析了水力壓裂縫網的形成條件，結果表明當壓裂施工時裂縫內凈壓力超過水平主應力之差和煤巖強度之和的基礎上，方能形成新裂縫，從而實現縫網結構。陳守雨等[36]分析了在進行水力壓裂施工時，形成網狀縫網的關鍵參數和條件，并指出新舊裂縫的連通可以極大地實現增產增效。胡永全等[37]在基礎地質力學的基礎上，通過實驗和現場證明了影響水力壓裂縫網形成的關鍵因素，即壓裂液、應力差及煤巖脆性指數等。侯冰等[38]基于水力壓裂物理模擬實驗，分析了水力壓裂裂紋擴展規律，研究了地質及水力壓裂施工因素對縫網形成的影響。陳沖等[39]研究了煤巖進行水力壓裂時的擴展規律，并以此進行了巖石真三軸實驗，結果顯示：除了地應力差影響裂縫擴展，煤巖滲透率、強度及天然裂縫的分布均是影響水力壓裂縫網形成的重要因素。姜婷婷[40]在基于縫網水力壓裂技術在油氣儲層成功應用的基礎上，研究了該技術在煤層氣開發的適用性，并給出了相應的建議。

1.3 水力壓裂設備研究現狀

進行水力壓裂處理所需的設備包括高壓泵、攪拌機、儲液罐、監控設備以及軟管、管道、閥門、閥組等輔助設備。壓裂就是利用壓裂液體能夠傳導壓力的作用，把高壓設備的壓力傳導給儲層，高壓致使低透氣性煤儲層產生裂紋，進而增加其滲透率。

在煤儲層現場水力壓裂工程中，高壓泵組居于核心地位，直接決定著煤儲層水力壓裂的成敗，對于煤儲層地層破碎、壓裂液輸送起到了提供能量和動力的作用。壓裂泵的工作流程是在攪拌機中利用低壓抽出流體，此為吸入端，之后在壓裂泵組里面加壓，將流體通過高壓膠管輸送至壓裂鉆孔，從而進入煤儲層，此為排放端。隨著煤層地質條件的愈加復雜，就目前來說，傳統的高壓泵組已將其功能發揮到了頂點，繼續新一代的壓裂設備，來滿足現實水力壓裂的需要。與此同時，壓裂設備配套的監測監控技術亦運用于水力壓裂工程實踐中，主要是通過實時地監測壓裂液等施工參數，將數據傳輸于模擬系統中，以此來模擬水力壓裂所形成的裂縫形態，用來指導水力壓裂參數的設計，從而獲得最佳的壓裂效果。通過對水力壓裂范圍的確定、流體在儲層中的流動范圍值，黃炳香[41]開發了一種用來接收控制煤儲層水力壓裂參數的裝置，該裝置通過壓力傳感器獲取管路中流體壓力的方式，對比壓力值是否在所控制的范圍內，從而對其進行適當調整，貫穿于整個壓裂過程。在井下煤儲層壓裂系統一體化中，張群等[42]發明了一種具備遠程操控能力的壓裂系統，包括遠程壓裂泵送系統、地面監控系統及壓裂液配置系統。目前，在壓裂設備生產上，除了核心元件如柱塞泵、變速箱、發動機等外，幾乎全部采用“零件-整機裝配”模式，在行業內具有代表性的井下煤礦專用的壓裂泵生產廠商有寶雞航天動力泵業有限公司、河南煤層氣公司、南京六合煤礦機械公司等，其相關設備參數見表1，其中壓裂泵功率不斷加大，設備實現小型化是今后的發展趨勢。

表1 煤礦井下專用壓裂泵組Table 1 Hydraulic fracturing pump group in coal mine

2 井下煤層水力壓裂技術發展方向

隨著井下煤礦開采深度和廣度的日益擴大，煤層地質條件愈加復雜多樣，隨之而來的是相關的煤層動力災害也更加復雜和嚴重，對煤礦的安全生產產生極大的威脅。水力壓裂作為重要的煤層增滲手段，將面臨更大的需求和挑戰，不斷解決現有難題，使井下水力壓裂技術不斷向前推進，今后水力壓裂的發展方向主要圍繞以下幾個方面。

2.1 進行多手段的水力壓裂基礎理論研究

數學模型建立、科學實驗及數值模擬是常用且有效的研究方法。由于水力壓裂破裂煤體過程的復雜性，僅僅依靠數學模型來揭示其真實的破裂過程是不可能的，科學實驗是研究物體變化的基本方法，也是進行數值模擬的基礎，數值模擬可以對實驗進行補充，以較為準確地研究難以開展的實驗，三者相互促進是水力壓裂基礎理論研究向前發展的趨勢。

對于煤層水力壓裂機理來說，將數學模型、實驗室實驗、數值模擬以及現場測量技術結合起來，是將煤體破裂過程裂縫的定性轉為定量化描述的關鍵。考慮煤體瓦斯吸附解吸規律、低滲透性、各向異性以及煤體非均質性、原生裂隙發展的復雜性等特征的情況，建立大型的水力壓裂物理模擬試驗系統，采用CT掃描、微地震及聲發射等技術手段，在監測裂縫擴展的同時，對裂縫擴展的過程進行分析，利用同位素示蹤的方法，來觀測裂縫發展延伸狀態，使裂縫變為可視化，并利用數值模擬軟件對裂縫進行模擬來進行驗證。

煤儲層壓裂可行性及壓裂綜合評價是今后壓裂技術發展的重點方向之一。由于地層條件的復雜性，盲目地進行水力壓裂不僅消耗大量的人力、物力，同時可能會對地層產生不可預估的次生災害。各個壓裂孔不可能面臨同樣的地質條件，如果實行“一孔一策”的靈活參數，可以極大地改善壓裂效果，同時還能避免煤層因水力壓裂帶來的“副作用”。建立壓裂前、壓裂中及壓裂后一整套全過程的水力壓裂評估系統，對水力壓裂的現場施工進行科學且有效的指導。

2.2 開發多元化及適合各類煤層的水力壓裂技術

軟煤層在我國煤層中占絕大多數，對于軟煤層水力壓裂技術，雖然在機理上做了大量的研究工作，但現場應用中并未取得顯著的水力壓裂增透效果。因此，軟煤層水力壓裂將是今后水力壓裂研究的重點方向之一，在充分借鑒油氣如重復壓裂、多段水平壓裂等工藝及技術的基礎上，對其進行改進，形成適合軟煤層水力壓裂的技術體系。

目前定向長鉆孔成為了瓦斯治理的主流，其貫穿于整個工作面、降低煤層瓦斯抽采周期上，傳統鉆孔所不能比擬，但在煤層中施工定向長鉆孔容易導致垮孔、塌孔的現象，此時采用分段壓裂技術是解決該難題的方法之一，分段水力壓裂在地面壓裂工作中已經相當成熟，如何將其運用于井下，今后需要進行大量的研究。

低透氣性煤層除了水力壓裂增透技術以外，高壓水射流、水力割縫、深孔爆破等增透技術都是目前研究的熱點，水力壓裂單項技術已取得了長足的進步，在如何發揮單項技術長處的同時，盡量克服其缺陷，是水力壓裂在未來的發展中必須要解決的難題之一，由于現場施工安全、各項技術兼容性客觀上存在困難因素，各項增透技術的有效整合增透煤層方面研究較少，這就需要在不斷完善水力壓裂單項技術的基礎上，使多項技術融合，形成優勢互補，取長補短。

2.3 實現水力壓裂裝備一體化和智能化

除發展較為先進的水力壓裂技術及工藝外，水力壓裂裝備也是決定技術可行的關鍵一環。對于目前的壓裂設備，裝備的可靠性及安全性已經遠遠不能滿足現實煤層壓裂增透技術的需要。人工智能、物聯網及大數據技術是目前各項技術發展的熱點，在提高壓裂裝備性能水平的同時，從大數據關聯的角度，將水力壓裂現場實時監測、參數自主優化、壓裂遠程監控及操作集成一體化，避免理論研究不足造成的缺陷，形成較為高度的水力壓裂設備一體化及智能化。在加大壓裂裝備智能操作一體化的同時，還需對其安全保障力度進行進一步研究。對水力壓裂參數進行實施記錄和監控，數據實時自動整理和分析，生成相應的數據模型，實現在異常情況下進行自主決策。

3 結 語

水力壓裂作為低透氣性煤層增滲的重要配套技術，成為了目前煤巖瓦斯災害防治的關鍵技術，具有良好的應用前景。本文主要在理論、技術、裝備上闡述了井下水力壓裂的發展現狀，其中在結合國內研究人員對水力壓裂研究成果的基礎上，著重分析了煤體水力壓裂適用性、水力壓裂對煤體瓦斯作用影響以及水力壓裂裂縫擴展模型的研究現狀，重點介紹了壓裂工藝中較為先進的定向水力壓裂技術、脈動水力壓裂以及縫網壓裂技術等，同時詳細介紹了國內井下主要壓裂裝備的研究狀況，從而指出了井下煤層水力壓裂技術的發展方向：①進行多手段的水力壓裂基礎理論研究，數學模型、科學試驗及數值模擬三種研究手段相互融合；②開發多元化及適合各類煤層的水力壓裂技術，各項增透技術融合，形成優勢互補，取長補短；③實現水力壓裂裝備一體化和智能化，實現水力壓裂現場實時監測、參數自主優化、壓裂遠程監控及操作集成一體化，形成較為高度的水力壓裂設備一體化及智能化。