基于水力壓裂下脈沖放電技術的煤層氣開采應用研究

吳 瓊，張鳳翔，陳松柏，來利鵬

（信陽師范學院 建筑與土木工程學院，河南 信陽 464000）

0 引 言

我國經濟的快速發展離不開能源行業的大力支持，現階段煤炭占據主導地位的能源結構沒有發生重大變化，巨大的能源需求促使我國煤炭開采量急劇增加，與煤炭資源共生的瓦斯涌出量也在增加。瓦斯即煤層氣，既是一種清潔的燃料又是重要的工業原料[1]。在國際上，美國煤層氣行業發展迅猛，其中2010年產量為1 400億m3，預計2035年產量為3 800億m3，非常規天然氣開采量約占總量的50%[2]。

我國煤層氣分布廣泛，儲量位居世界第三，陸地煤層氣開采潛力約為百萬億立方米。現已有單位進行研究并逐步投入開采生產[3]，但技術上相比于美國還有一定差距[4]。山西省2 000以內埋深煤層氣儲量約為十萬億m3，約占全國煤層氣儲量的三分之一[5]。這其中以河東、沁水煤田資源量最為核心，占山西省煤層氣儲量九成以上[6]。近期山西省加快煤層氣開發進程，據能源部門數據顯示，2019年山西煤層氣產量為71億m3，2020為85億m3。

中國各類礦產總量較大，但我國人口眾多，人均占有量與世界平均水平仍有很大差距。巨大的煤層氣資源如不合理利用，不但不能緩解我國能源緊張現狀，還將導致煤礦開采難度加大、瓦斯礦難事故頻發和大氣環境嚴重污染等。因此，加快研究煤層氣開采技術具有重要意義[7]。

1 常規開采方法及局限性

國家能源部門數據表明，目前我國煤層氣平均抽采率約為20%，不足發達國家一半。因此，尋求一種安全、高效、清潔的煤層氣抽采技術是推動煤層氣產業發展的重要動力。國內外現階段使用的煤層氣開采方法主要有密集鉆孔抽采、水力沖孔抽采、水力割縫強化抽采[8]、水力壓裂抽采[9]、開采解放層強化抽采[10]等方法。主動法瓦斯壓力測定技術[11]與脈沖中子源測井儀[12]在煤層氣探測方面有著重要作用。

傳統密集鉆孔存在極限抽采半徑，如果2個鉆孔間距超過極限半徑的2倍，那么2鉆孔中間的一部分瓦斯就無法抽采出來。而當鉆孔過于密集，那么在鉆孔施工的過程中鉆機極易發生串孔、卡鉆等現象，造成施工困難。而且過多的鉆孔會增大施工量和施工成本。而水力沖孔不能大范圍提高煤體透氣性，有效作用范圍非常小，目前已經很少使用。水力割縫強化抽采方法由于受到設備的限制，產生的水壓較小，目前僅能達到15 MPa左右。其割縫寬度也較狹窄，而且缺少可直接用于實際生產的專用設備，導致現場施工復雜，實用性大大降低。

水力壓裂是目前比較常用的一種抽采方法，它的基本原理是在預抽采瓦斯的煤層中注入高壓水，在水壓作用下，將煤層致裂并形成微小貫通，而后將混入支撐劑的液體壓入煤層裂隙中，在卸壓后便可繼續支撐裂隙，從而提高煤層穩定的滲透性。但煤層原生構造復雜，煤質一般都很松軟，常發生快速漏液、壓力失穩、壓裂方向無法控制、支撐裂隙能力有限等問題。因此針對此方法要顯著提高煤層開采效果還需進一步研究。

綜上可知，目前我國的煤層氣抽采還存在一定的局限性，技術方面還有很大的提升空間。其發展的最大挑戰是不能滿足我國現階段以及未來工業發展的需要，因此針對煤層致裂增透技術的研究十分必要。

2 高壓脈沖致裂煤層研究

高壓脈沖放電技術最早于上個世紀后期由蘇聯專家提出。對此技術改進后在國內油田進行實驗，效果顯著[13]。該技術的核心問題是研究高壓電容器作用于水隙，瞬時放電產生高密度能量積累和高壓等離子體膨脹的力學效應。

現階段水壓致裂技術在油氣開采方面運用較多，該技術的優點在于成本低、運用范圍廣，適合當下能源開采的環境和條件。其缺點在于速度較慢[14]，可控性低，雖然能實現開采目標但效率不高，對于煤層氣的疏散效果有限，暫不能滿足實際工程需要。

將高壓脈沖放電技術與水壓致裂技術結合使用可揚長避短，提高利用率。即在靜壓注水的同時，在孔內實施高壓放電，合理控制脈沖電能。這樣可以在水壓生成的裂隙尖端形成沖擊波與氣泡振動響應，并在沖擊動載的作用下，促生裂隙發育并實現有效貫通，減少煤層巖隙內的傳輸阻力，快速釋放地質內部壓力，從而達到增透減阻的效果，提高煤層氣開采效率。煤層氣脈沖放電致裂過程示意如圖1所示。

圖1 煤層氣脈沖放電致裂過程示意Fig.1 Coalbed methane pulse discharge fracturing process

在煤巖鉆孔內施加一個環形沖擊力，生成裂隙并延展發育是脈沖放電致裂煤巖的近似過程。應力波使巖體裂紋開裂，水介質在水壓下楔入裂紋內，產生新生裂紋，其裂紋尖端應力分布如圖2所示。

圖2 脈沖水楔入裂紋尖端應力分布圖Fig.2 Stress distribution map of pulse water wedge crack tip

應力強度因子在靜水壓下的KⅠ-w為：

式中：rb為半徑（鉆孔）；a為裂紋實際長度；Lt為楔入裂紋長度；L0為初始裂隙長度。水壓分布函數沿裂紋發育方向設為p(x,t)[15]，不考慮寬度和空隙影響因素，可認為水壓沿裂紋方向是線性分布的，即簡化為：

如p0為原始靜水壓力，應力強度因子KⅠ_w可表示為：

依據強度因子的疊加理論，裂紋尖端應力強度因子KⅠ可表示為：

研究結果表明，水中高壓脈沖電弧通道內等離子體壓力可達1 Gpa[16]，其有效振動作用范圍可達30 m，影響范圍可達100 m，明顯大于單純水力壓裂過程的擾動范圍。因此抽采鉆孔間距可從目前的5 m左右提高到20 m左右，鉆孔數量大幅減少，可以顯著提高單位鉆孔深度和抽采效率。

3 未來發展分析

現階段需解決的核心問題主要集中在基礎性能研究上。可以研制出一種高壓電脈沖煤體增透實驗臺[17]，此實驗臺能模擬地下400 m深處煤層在水壓與放電脈沖共同作用下的致裂情況，研究高壓脈沖放電在水壓條件下形成的沖擊波，以及氣泡脈動的物理力學特征，觀測其影響因素，從而確定沖擊波壓力傳播規律，以及脈動二次損傷特性和壓力傳導性能分析。

水中脈沖放電沖擊動載主要以沖擊波和氣泡脈動形式生成，這種動載形式會由于脈沖放電環境的變化而出現不同的加載耦合特性。圖3為水中脈沖放電沖擊動載實驗數據圖[18]。

圖3 水中脈沖放電沖擊動載實驗數據Fig.3 Experimental data of pulsed discharge shock in water

水中脈沖放電在煤層氣井產生的沖擊動載可直接作用于煤巖體。其裂隙產生機理、裂隙尖端延伸、裂隙擴展規律、及局部力學性質是煤巖體致裂增透研究的重點。需通過大量煤樣的水中脈沖致裂實驗，探討脈沖動載的致裂增透機制，分析原有裂隙及新生裂隙的產生、延展、發育貫通特性，以及由氣泡脈動產生的空化作用效應。結合滲流力學研究煤層氣解吸及物理形態轉化的作用機制。逐步完善脈沖放電結合水力壓裂技術的理論體系，為煤層氣高效開發利用尋求突破奠定理論基礎。

4 結 論

（1）為加快煤層氣開采進程，促進煤礦安全生產，高壓脈沖放電結合水壓致裂技術是解決低滲透煤層瓦斯抽取技術難題的安全可靠方法。

（2）煤層氣開采研究主要涉及流體力學、巖石力學、斷裂損傷力學、沖擊動力學、電工學、等離子體物理等學科。要對脈沖放電致裂煤巖的裂隙尖端局部力學特征深入研究，建立沖擊動載致裂實驗框架和近場動力學模擬算法，求解煤巖裂隙尖端開裂擴展的核心問題，逐步完善水力壓裂強化增透技術的理論體系。

（3）水中高壓脈沖放電技術未來將廣泛應用于煤層氣開采、地壓防治、地熱開發等工業領域。其中提高煤層氣抽采率，保障煤礦安全高效生產，在能源供應和能源安全方面提供穩定的保障，其理論價值和經濟地位將會日益凸顯。