煤巖水力化技術研究進展

羅興 劉勇 張旺 邱來

摘?要：自工業革命以來，煤層氣作為非常規油氣資源，已經成為我國戰略性接替能源備受關注。煤層水力化技術不斷趨于成熟，其中包括傳統水力壓裂技術、水力吞吐技術、噴射壓裂技術、水力壓沖技術等。本文綜述水力化技術，以期為不同礦區選擇效果最優的煤層水力化技術提供理論支撐。

關鍵詞：煤層氣；煤層水力化技術；水力壓裂；吞吐增透

1?概述

自工業革命以來，隨著常規油氣資源的大規模開發利用，常規儲層產量日趨下降，然而石油、天然氣等清潔能源需求依然在大幅增長。頁巖氣、煤層氣等非常規油氣資源作為戰略性接替能源，能夠有效彌補常規油氣枯竭帶來的能源不足問題，并且我國煤層氣資源豐富，作為世界上煤層氣儲量的第三大儲量國，其總量約占世界煤層氣總資源量的19.3%，因此我國煤層氣的開發技術發展備受關注。然而，我國煤層氣存在埋藏深、滲透率低、變質程度高等特點，并且由于中深部、深部煤層氣自身產出機理不全使得中深部開發程度低并且開發難度大和國外改造技術對國內生產開發不適用等一系列難題，導致國內煤層氣發展一直處于較低的水平［1］。經過近30年的發展，為提高煤體透氣性和瓦斯抽采效率，勘探開發、水平鉆井和煤層水力化技術不斷發展成熟，基本實現了煤層氣的規模化開發與利用［2］。此外，由于我國煤層氣開發主要集中在淺部煤層，其中煤層水力化方法適用于埋藏深度較淺的儲層進行改造，在低滲透煤層抽采中起著至關重要的作用［3］。目前煤層水力化措施的實質是通過在煤層中注水使其產生裂紋，根據突出煤體結構主要可分為硬煤和軟煤，目前常使用的煤層水力化技術有：傳統水力壓裂、水力吞吐、噴射壓裂、水力壓沖等，此外其他水力化方法如水平井分段壓裂技術和重復壓裂等。在煤層氣生產周期里根據煤層水力化各種類型以及相應的機理和適用條件等，針對不同礦區的煤巖地質條件，選擇效果最優的煤層水力化技術。

2?煤層水力化技術

水力化措施主要是通過往煤層中不斷注入水直至煤層中出現裂紋改善煤層的透氣性。而在進行煤層水力化方法的實施過程中，不僅煤層裂縫發育質量發生了變化，根據煤礦氣開采水力滲透性理論，煤層輸氣狀態和煤層透氣性發生了變化。以下為目前常使用的四種煤層水力化技術和一些其他方法，可以適用于不同煤體結構和煤巖地質條件。

2.1?傳統水力壓裂技術

水力壓裂增透的方法即用壓裂泵把高壓、大排量的液體注入煤層中，因為注入的速率高于煤層的吸收水的速率，所以會在煤層的內部產生相應的張應力，而一旦當這個張應力的大小增大到一定程度，超過了其中任意一個方向的軸向應力時，這時煤層本身受到的軸向張力來自這個方向上的會全部被外力所克服，而這些外力的來源則是液體所傳遞的。隨著外來力的增加，此時外來力的大小已經增大到大于煤層破裂所需要的力之后，煤層會從其自身最薄弱的地方開始出現裂紋然后破裂，隨著裂縫的不斷擴大，煤層的透氣性得到了極大的改善。水力壓裂技術存在有改技術經濟上實用，使用的技術成熟，并且工藝程序安全，其擾動性較小等的特點。同時水力壓裂技術存在的問題有以下幾方面。

（1）在注水壓裂的這個過程中需要一直往儲層中注水，需要注入的耗水量較大，因此，此方法目前只能適合用于儲層中微小孔隙的改造，一旦當儲層中出現孔隙過大或者甚至出現了斷層的現象時，會增加過濾損失量，導致壓裂的失敗。

（2）在注水壓裂的這個過程中，往往是需要往壓裂液中添加能夠明顯增強滲透率的強力化學滲透增強劑的，用于提高煤儲層壓裂過程中的滲透效果，然而這一化學劑的使用若回收不當，可能造成地下水等設施的污染和腐蝕，帶來的環境危害是非常大的。但是在裂縫中是一定需要添加支撐劑來維持裂縫的寬度大小，因為一旦支撐劑效果消失，裂縫則受應力作用被擠壓關閉，此時水力壓裂就會失去增大滲透率的效果。

（3）水力壓裂的過程中，除了上述提到的單條完整裂縫之外，還可能存在有該裂縫分岔或者出現多條裂縫一起擴展延伸的現象，以至于當應力作用時，此時，難以保證同步壓裂時的裂縫能夠均勻地膨脹，應力的增加更多是增加了煤層開裂所受的壓力。因此，在壓裂的過程中需要注意的是必須要將壓力集中，用于保證儲層致裂過程中的均勻性，從而保證對不同的儲層進行定向的均勻壓裂。因此，提出的解決措施有：通過使用二次壓力對煤層進行反復壓裂，在致裂的過程中，高瓦斯煤層也會存在瓦斯驅替的現象，此時需要注意在注壓過程中合理地控制釋放瓦斯的速率以及注壓的時間。同時二次壓裂會增加微裂隙的發育，大幅度提高煤層透氣性，同時也能夠促進鉆孔表面煤層瓦斯的解析速率。

2.2?水力吞吐技術

井下水力吞吐技術即將壓裂液連續地注入鉆孔內部，從而對煤層進行壓裂，接著迅速減壓，之后將煤渣和水一并排出，然后如此進行反復持續地進行壓入和排出，相應的煤層也發生開裂和煤層裂縫的持續擴大，進一步形成裂縫網絡系統，導致煤巖的透氣性大幅度增大，有效提高瓦斯抽采效率。吞吐增透的機理則是與水力壓裂技術有所不同，不僅包括了壓裂產生的多個滲透裂縫，還有在使裂縫自支撐的同時，排出了煤巖粉使壓力進一步降低、滲透率增大。水力吞吐主要是通過改變體積的方法來增大滲透率，水力吞吐對煤礦床進行反復的水力裝卸擾動，通過反復的水力裝卸擾動改變了煤巖體的力學性質，使得濕煤彈性降低，塑性增大，彈性模量減小。在回水排放破碎煤巖渣的過程中，會形成一個洞穴，這是由鉆孔周圍被破壞的煤排出形成的。隨著洞穴的形成，不僅煤層的應力場進行了重新分布，與此同時，洞穴上的垂直應力也發生了變化，其中部分的垂直應力會發生轉移到洞壁上，形成指向鉆孔的法向荷載，導致煤體缺乏支撐力，大量移入鉆孔中。這種作用在煤層中持續存在，并且這種作用可以一直延伸到洞穴周圍，使得在洞穴的一定范圍內，鉆井壓裂沖擊范圍里的地應力減小，煤層完全減壓，裂縫得到有效打開、延伸和連通。在煤層中，水力吞吐形成的洞穴周圍壓力降低瓦斯易排放，煤層卸壓區的范圍大幅度增加。較大洞穴的形成也使煤體位移更容易，鉆孔不會被后來的煤體坍塌而堵塞孔壁，從而達到快速連續排放瓦斯的效果。洞穴的形成是基于孔的不穩定性，這是由反復壓裂和大量煤塵排放引起的。由于煤巖的排放缺乏相應的體積支撐，即使煤和巖石膨脹也難以在短時間內補償排出的體積，導致泄壓范圍大，穿透力增加，有效提高了煤層的滲透性。

2.3?水力噴射技術

水力噴射技術即使用高壓水力進行噴射從而在地下開采中形成一個小孔，它的整個流程可以進行簡單描述，先用將磨料用管子使用小孔裝置放入提前鋪設好的預定層上，再在地表的表面借助高壓泵往事先預備好的磨料里面摻雜適量的水通過油管將其送入地下噴嘴而后噴出管道，經此可以得到帶有高壓并且高速流通的磨料射流，磨料顆粒隨流體的高速流動會對切割殼體和巖石造成沖蝕和磨損。并且加壓后的流體會變成一個一毫米的帶壓力的小型水柱，然后該水柱可以快速穿過小孔。不過由于小孔的體積在這種應力下不會發生變化，在壓力的作用下流體從小孔內流出時會產生擠壓形成射流，從而導致其軸向速度發生快速的變化。此時水力噴射時產生的動能就會轉變為內能，又進一步轉變成了很大的壓力能，這樣一來停滯在小孔里的力量就會非常迅速增大，增壓就是這樣產生的。同一時刻，井下產生的壓力大小應該把可控范圍約束在斷裂延伸可以經受的壓力范圍之內。正是因為在噴嘴的周圍存在有一個低壓區域形成，環狀流體將會被吸入裂紋，同時驅動裂紋不斷向前延伸。水力噴射壓裂在煤巖層中的應用存在兩種，分別應用在質地為較軟和較硬的煤巖中。當應用于在質地較硬的煤巖中，在這種煤巖里水力噴射主要可以起到噴射和壓裂兩種不同的作用。流體在流經壓裂泵之后，流體壓力得到明顯提升，緊接著流體又會通過一個厘米級大小的噴嘴兒，經過這一步驟會使得流體的壓力再次增大，變成一束高壓高速的流體，然后非常快速穿透了煤層。隨后在小孔內不斷減小，高壓水攜之而來的巨大動能又會進一步轉化為壓力能，使得小孔里滯留的壓力就會很快速增大，增壓效應也就是這樣產生了。而如果是應用于在質地較軟的煤巖中，其中的應用原理與應用在較軟中的煤層不同。

水力噴射壓裂法的內容包括注塑法和沖壓法。第一是噴射對軟煤巖的影響。在鉆井施工中，采用水力注鉆井煤巖層小孔壁，在一定時間內會有大量煤巖產出，使得小孔徑發生較大的變化，煤巖層的原應力平衡狀態就此打破而，與此同一時刻小孔周的煤巖會向小孔方向產生較大的位移，造成應力再分配；接下來，通過裂紋運輸將自由態瓦斯從煤巖體重排除，這能極大地釋放了煤巖體及圍巖的彈性勢和氣體膨脹能，煤巖層氣顯著提高了煤巖層氣的透氣性。最后，當煤巖吸附水后，水分子會迅速占據煤巖表面氣體的吸附位即瓦斯的吸附位點，從而影響氣體解析速率使得瓦斯解析速度降低，對氣體的排放產生抑制的作用。第二則是在液壓沖小孔作用下軟煤巖會受到的影響。液壓噴射的出現會對軟煤巖部分鉆小孔和注入管的環小孔產生沖擊作用，導致其受到影響。由于注入速度大于軟煤巖的噴射小孔速度，環小孔內的軟煤巖不斷填密，具有封小孔的效果。

水力噴射壓裂的特點：（1）水力噴射壓裂方法的使用范圍十分廣泛，作用和效果也十分明顯。（2）采用水力噴射壓裂可實現裂縫延伸最大化：水力噴流壓裂技術是控制煤巖裂和巖裂裂縫的有效措施。往鉆小孔的末端進行注水，由于水柱的存在會產生高滯后壓力，在煤巖巖中產生多個微裂紋，降低裂紋的裂紋壓力。（3）水力噴射壓裂具有自我獨立的特點：在整個過程中無需采用其他任何手段來對小孔進行填充或者是封堵小孔，這樣一來不但大大降低了作業的風險，極大地減少了操作的危險性，同時還可以大幅度縮短時間降低成本，一舉多得。（4）水力噴射壓裂可做到向指定的點、指定的方向進行壓裂：采用液壓射流固定點、固定方向壓裂、射流壓裂的工具可以精確地降到設計的煤層裂縫的位置，也可以精確地在鉆孔的縫隙中進行連接。

2.4?水力壓沖技術

利用水力壓沖以期達到增透目的的方式主要有兩種：吞吐式水力壓沖和注入式水力壓沖。吞吐式水力壓沖排放過程是煤巖的破壞和剝脫、應力狀態的變化和不斷釋放大量氣體的一個過程。首先，我們通過使用具有高壓力的水流，借助流體壓力將煤巖進行破碎處理，在短時間內就會得到較破碎之前擁有更大直徑的小孔裂隙，從而致使煤巖應力所處的平衡狀態遭到破壞，小孔周圍的煤巖方向大位移，應力狀態動態變化，自主進行二次分配，應力集中的區域發生變化位移，這樣帶來的結果是有效應力整體降低；其次，煤巖在出現新的裂紋以及裂隙的過程以及應力不斷變化的過程中，會使煤巖中氣體的吸附與解吸間的平衡關系遭到破壞，使其中一部分吸附在煤巖表面的氣體解析出了轉化為自由氣體，自由氣體通過裂紋遷移到排放，大大釋放了煤巖及圍巖的彈性勢和氣體膨脹能，煤巖層氣滲透性得到了較好的提高；最后，由于煤巖的吸水性，高壓水會使水分子浸入煤巖體，吸附在煤巖表面的瓦斯解吸速率降低。注入式水力壓沖包括硬煤巖注入式水力壓沖和軟煤巖注入式水力壓沖兩種。

2.5?其他方法

除了上述水力技術外，還包括重復壓裂技術以及水平井分段壓裂技術。分段壓裂主要有兩種方式，一種是使用密封球進行分段壓裂，另一種則是利用限流技術進行分段壓裂，這兩種分段壓裂方法的原理均為將儲層中的不同層分開，從而進行對每一層進行壓裂。從生產現場可以看出，分段壓裂技術的不僅增產效果明顯，并且增產效率較高，使用的分段壓裂技術相對成熟，能夠很好地適用于有多生產層或者長水平距離段的井。多級壓裂技術常用于不同層間含氣量差異顯著的儲層，主要操作方法分為滑動套管封隔器壓裂和連續油管壓裂。多級壓裂技術是在儲層水力壓裂的基礎上發展起來的一項技術，在頁巖氣生產井中，通常采用多級壓裂技術進行壓裂。分段壓裂將繼續朝著低危害、低成本和高效作業的方向發展。重復壓裂技術是在壓裂技術應用的基礎上發展起來的，重復壓裂技術的定義為：當初始壓裂處理已失效，或現有支撐劑由于時間原因從而發生質量下降甚至損壞，導致產量大幅下降時，使用重復壓裂技術進行壓裂，從而提高井產量的過程。初始壓裂后，井眼周圍的應力將在生產一段時間后重新分布。重新壓裂可導致裂縫重新壓裂并重新定向原始裂縫，也會使產能恢復到初始狀態或更高。重復壓裂適用于有天然裂縫、層狀的地層和非均質地層。該技術可以減少傳統作業在作業過程中的不足，使生產井的運行模式更加的合理化。水平井分段壓裂技術和重復壓裂技術的應用提高了生產過程中解決問題的水平，也可以更好地提高低產井的綜合效益。

3?煤層水力化發展趨勢

（1）智能化技術和大數據技術的不斷發展革新，例如最新的ChatGPT技術的出現，使礦山智能化的發展有了飛躍性的進步，因此可以看到未來煤層水力化的發展趨勢必將是機械化、智能化。同時結合大數據計算，對于煤層水力化技術數據的處理以及后續選擇會有更優的算法、更完善的理論體系。

（2）煤層水力化作為一大重要支撐技術，其發展趨勢必將是多元化與交叉化，隨著其他行業不斷的科技創新與進步帶來的沖擊，相應的煤層水力化技術也會不斷發展與完善，未來將出現更多的改進水力化技術，同時煤層水力化技術與其他行業先進技術相結合的方式也會越來越普遍并且多樣。

結語

煤層水力化可以針對不同礦區的煤巖地質條件選擇不同的水力化方法，作為煤層氣開采的一大有效措施，其本質就是通過往煤層中不斷注入水直至煤層中出現裂紋。而在進行煤層水力化方法的過程中，煤層中的裂縫發育質量也會發生改變，根據煤礦氣開采水力滲透性理論，煤層輸氣狀態和煤層透氣性發生了變化。其中常用的水力化措施有：傳統水力壓裂技術、水力吞吐技術、水力噴射技術和水力壓沖技術；其他方法有水平井分段壓裂技術和重復壓裂。未來煤層水力化發展朝著智能化、多行業交叉融合發展的趨勢前進。

參考文獻：

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作者簡介：羅興（1983—?），男，漢族，貴州盤縣人，本科，工程師，研究方向：瓦斯治理和通風；劉勇（1984—?），男，漢族，四川安岳人，本科，工程師，研究方向：煤礦通風及瓦斯防治；張旺（1992—?），男，漢族，貴州盤縣人，本科，工程師，研究方向：采礦工程；邱來（1994—?），男，彝族，貴州盤縣人，本科，助理工程師，研究方向：采礦工程。