水力化煤层增透技术研究进展及发展趋势

王耀锋,何学秋,王恩元,李艳增

(1．中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008;2．煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁沈阳 110016;3．华北科技学院,北京 101601)

水力化煤层增透技术研究进展及发展趋势

王耀锋1,2,何学秋1,3,王恩元1,李艳增2

(1．中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008;2．煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁沈阳 110016;3．华北科技学院,北京 101601)

增加煤层透气性是解决低透气性煤层瓦斯抽采难题的关键。煤岩体结构改造是煤层增透的核心问题,水力化煤层增透技术是煤岩体结构改造的有效途径。基于前期研究及文献调研,回顾了水射流和水力压裂技术的发展历程,综述了国内水力化煤层增透技术的研究进展。分析了理论研究和工程应用中存在的问题,指出增透机理尚未客观揭示、单项增透技术存在局限性、配套装备(特别是安全保障系统)不完善、效果考察体系不健全等因素制约了技术的推广。对总体发展趋势进行了展望,认为水力化煤层增透技术正朝着集成化、多元化和智能化的方向发展,加强理论研究、尽快完善装备、发展定向压裂等综合增透新技术、建立增透效果考察体系等方面是未来主要研究方向。

水力化煤层增透技术;瓦斯抽采;水射流;水力压裂

煤层气(煤矿瓦斯)是与煤伴生且主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气,在我国储量丰富,其开发和利用对于调整能源结构、改善煤矿安全和保护生态环境具有举足重轻的作用。

中国多数煤层具有非均质性、低压力、低渗透率和低含气饱和度等特点[1]。煤层的低渗透率和非均质性造成用常规方法难以有效抽采瓦斯,而如何增加煤层的渗透率已成为制约矿井瓦斯抽采的瓶颈。水力化技术是增加岩(煤)体渗透率的有效途径,美国是开展水力压裂和水射流研究较早的国家,中国、前苏联、德国、日本等也开展了此类研究[2-4]。我国煤层赋存和巷道布置的复杂多样,造成现有的水力化技术与装备在工程应用中存在不配套、不完善等问题,该技术的大范围推广需要突破许多技术瓶颈。基于此,笔者介绍了水力化增透技术的研究进展,分析了理论研究和实际应用中存在的问题,并对其总体发展趋势进行了展望。

1 水力化储层增渗技术的发展历程

煤层和油层等储层都属于非贯通裂隙岩体[5],其内部存在大量不同尺度水平上的裂隙与孔洞,属于极其不连续、各向异性、非弹性的损伤材料,力学特性也非常复杂。要提高储层的渗透率,就必须对它进行结构改造,这是解决许多化石燃料开采困难的共性科学问题。自20世纪80年代以来,裂隙岩体变形等方面的研究已成为岩土工程界的前沿研究方向。从非贯通裂隙岩体的结构出发,研究其破坏模式,是深入研究储层改造的重要途径。

储层增渗技术是从20世纪30年代开始,伴随着石油、煤炭等矿藏的开采而发展起来的,一般可分为力学方法和物理化学方法。力学方法从改变储层应力入手,使之产生不均匀的变形与破坏,张开原生裂隙,产生新裂隙,并使它们在储层内形成相互贯通的裂缝网络,增加流体介质的流动通道,从而提高储层渗透性,如造穴技术、水力压裂、水射流扩孔(或割缝)、松动爆破和层内爆炸等。物理方法是指使声、电等物理场作用于储层来增渗,如超声波、液电脉冲、人工地震、压力脉冲等。化学方法是指向储层注入化学解堵剂溶解堵塞杂质,如酸性处理、注入表面活性剂等[6-7]。

水力化技术是以高压水作为动力,使储层内原生裂隙扩大、延伸或者人为形成新的孔洞、槽缝、裂隙等,促使岩体产生位移,达到储层卸压、增渗的目的,如水射流割缝(或扩孔、钻孔)、水力压裂等。自1947年美国开始第1次水力压裂[8]以来,历经60余年的发展,水力化技术从理论到应用都取得了惊人的进展,成为石油、天然气、页岩气及矿井瓦斯等增产的有效途径。

1.1 水射流技术

水射流技术起源于采矿业,经过探索试验、高压设备研制、技术突飞猛进、技术多样化和智能化与精准化等5个阶段[3]的发展,已成为一种应用范围广、技术门类齐全、能量转化率高且环保的实用技术。

20世纪30年代,美国第1次使用水射流冲洗矿石中的泥土。50年代初,前苏联采用压力105～210 MPa的纯水射流在花岗岩地层进行了钻井试验。60年代,海湾石油公司采用磨料射流进行了硬岩钻进试验,钻速达常规方法的2～3倍。1971年,美国制造出世界第1台超高压纯水射流切割机。1973年,美国的Manurer等开始了射流辅助PDC钻头破岩的钻井试验[9],钻速比常规钻井提高了3倍左右。70年代末,从单纯提高水射流压力转向如何充分发挥水射流的潜力,形成了脉冲射流、高温射流、磨料射流和摆振射流等多种技术。80年代,美国开展了高压水射流钻径向水平井的研究[10]。1983年,西德的Vecker等使用自旋转式喷嘴在煤层中进行了钻孔试验。1984年,美国的Joneson V E Jr等[11]成功地把自振气蚀射流用于石油钻井。1987年,美国开始进行用锥形水射流钻孔。至90年代中期,先后出现了前混合磨料水射流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激振荡水射流等技术。中国石油大学对淹没旋转射流进行了研究,并将其成功应用于钻径向水平井。1997年,在辽河油田锦45-04-19井首次钻出了长15．86 m、直径120～140 mm的水平井眼,使产量提高7倍以上[12]。90年代后期,逐步向切割的智能化和精准化方向发展。2003年,李根生等研制了自振空化射流钻头,钻井速度比普通中长喷嘴钻头提高10．5%～49．3%[13]。

在水射流设备研制和应用技术研究的同时,还对水射流冲击下物体的破坏开展了大量理论研究,形成了多种学说,如气蚀破坏作用、水射流的冲击作用、水射流的动压力作用、脉冲负荷引起的疲劳破坏作用、水楔作用等,但目前大部分学说尚处于假说阶段。

1.2 水力压裂技术

水力压裂技术起源于一种地应力测量方法,至今已有近70 a的历史。1947年,在美国Hugoton气田的一口垂直井中,首次实施了水力压裂增产作业。目前,在全球范围内作业量已将近250万次,约60%的新井要经过压裂改造,水力压裂技术正逐步发展成为一项成熟的石油开采技术,在煤炭、天然气、页岩气等行业也得到了广泛应用。

20世纪50年代,水力压裂开始应用于前苏联油田开发中。60年代,水力压裂以浅层水平造缝为主,发展了高压水力压裂技术,在我国主要用于油田解堵与增产。1964年,德国莱茵普鲁士6号中央矿井进行了脉冲式高压煤壁注水。1968—1972年,前苏联马凯耶夫煤矿安全研究院试验了水力疏松、水力挤出等防突措施。70年代,开始了高排量高压水力压裂。80年代,发展了液氮泡沫加砂压裂技术、复合压裂技术、水平井压裂技术。1985年,Giger首次提出了水平井[14]的概念。90年代,出现了水平井分段压裂技术[15],随着国内外致密低渗油、气藏的开发,该工艺得到迅速发展。1998年,美国的Surjeetamadja首先提出了水力喷射压裂方法,并在国外得到广泛应用。2002年,Devon能源公司在Barnett页岩试验的7口水平井获得了成功,对水平井钻井和减水阻压裂效果的各种改进极大地缩短了钻、完井时间[16]。2005年初,在Barnett页岩油田第1次在水平井使用水力喷射环空压裂技术。2005年后,开始试验水平井同步压裂技术。同年,江汉机械研究所完成了水力深穿透定向射孔技术研究并成功应用。2006年,在川西马井和新都地区施工16井次定向井压裂,成功率100%[17]。2007年,在四川白浅110井首次成功实现连续管水力喷砂逐层压裂。近年来,在常规水力压裂的基础上,发展了多种新型压裂技术和方法,如直井分层压裂、多级同步压裂、变排量压裂、水平井多段压裂、复合压裂、重复压裂等[18]。

伴随着水力压裂技术的飞速发展,国内外在水力裂缝的起裂、扩展与延伸机理方面开展了大量的理论研究,并建立起多种数学模型试图描述压裂过程。最初,水力压裂的计算模型几乎全是二维的,典型的有PK,PKN和KGD模型等。20世纪80年代以后,在假设储层是均匀、弹性介质的基础上,建立了拟三维的P3D模型,继而提出了PL3D模型。近几年,人们围绕建立三维数值模型来模拟水力压裂过程做了大量工作。周健等采用大尺寸真三轴试验系统,对多裂缝储层内水力裂缝与多裂缝干扰后影响水力裂缝走向的各种因素进行了研究,并对压力曲线特征进行了分析[19]。张广清等通过建立了三维弹塑性有限元模型研究了定向射孔水力裂缝形态的影响因素和裂缝的起裂机理,提出了采用定向射孔技术进行转向压裂以形成双S型裂缝的新方法[20]。李连崇等应用并行有限元程序,对压裂过程进行了真三维数值模拟,实现了对裂缝起裂、扩展和扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析[21]。

1.3 裂缝监测技术

为了评价增渗效果和优化技术方案,需要对裂缝发展的走向、形态、数量、展布范围及密度等进行监测和预测。裂缝监测技术作为储层增渗的配套技术,自20世纪60年代起,伴随着增渗技术的广泛应用、数学模型的不断完善和计算机、传感器技术的日趋成熟,在经历了定性分析阶段后,已向定量描述方向发展,正在形成一种多学科相结合的综合技术体系。

微地震方法是国内外应用最广泛的裂缝监测技术之一,它根据储层在结构改造过程中发生应力、应变和位移等变化时能引起微小地震的原理,用地震波检波器探测释放出的能量,并对微地震事件进行处理,确定震源在时间和空间上的分布,实现对裂缝网络的成像和监测。随着微地震技术研究的深入,将微地震事件与地质、地球物理、测井数据等信息应用于数值模拟中,还能够进行客观的产能预测,并进一步指导增渗设计的优化[22]。

美国矿业局已于20世纪40年代开始应用微地震技术探测冲击地压,但大量应用于压裂监测是从1992年开始的,至1997年逐渐商业化。在国内,微地震监测技术发展相对滞后,在学习国外先进技术并引进设备的前提下,才在大庆、华北等油田进行了微地震数据的采集和解释。2013年,中国石化物探院应用自主研发的Frac Listener微地震软件技术,成功实施了川西须五段页岩气储层水力压裂地面微地震监测。

2 煤层增透与油层增渗的关系

归根结底,煤层增透和油层增渗都是通过贯通与增加储层内流体介质的流动通道来增加化石燃料的产量。但是,由于二者存在以下诸多差异[6,23],致使其增渗方式和效果也不尽相同。

(1)产物的赋存特征。

煤层既是生气层又是储集层,作为储集层它与油层相比具有割理发育、泊松比高、杨氏模量低且各向异性等特点。煤层瓦斯的储存方式以吸附为主,而石油总量的90%左右呈游离状态。

(2)运移规律。

石油属于自由流体,能传导压力,其运移基本服从达西定律。而绝大部分煤层瓦斯由于受表面张力的作用处于吸附状态,它的运移主要是分子热扩散运动。

(3)产出方式。

石油的增产是通过增加、维持储层能量或改变石油的物理力学性能来实现的。而煤储层低压力的特点,决定了煤层瓦斯的产出是煤层降压、瓦斯解吸、扩散和运移等因素综合作用的结果。

(4)实施作业的地点。

石油增产作业的地点一般在地面,通过地面钻孔来实施,受作业环境、空间大小等因素的影响较小。煤层增透作业的地点多数在井下,空间狭小、光线暗淡、设备需要防爆,还要考虑实施增透作业后,对于煤层顶、底板的破坏是否会影响后期煤炭的安全开采,这些因素决定了煤层增透作业实施难度更大。

(5)增渗作业的效果及考察方式。

以水力压裂来说,油层增渗的影响范围可达几十米甚至几百米。对于煤层增透,首先,由于煤层的松软及各向异性,有效范围仅能达到几十米;其次,煤层压裂过程中产生大量的煤碎屑,在抽采负压的作用下极易阻塞通道;再者,煤岩吸附压裂液后会引起煤岩基质膨胀而堵塞裂隙;另外,对于突出煤层还要考虑增透作业影响范围内不能留空白带。

从增渗效果考察的角度看,由于油层埋深较大,只能通过产油量或者地球物理手段进行考察。煤层增透效果的考察相对方便,除可以通过抽采量或地球物理手段考察外,还可以在井下施工钻孔进行煤层透气性测试。

储层增渗技术对石油增产的促进作用已是有目共睹,但是基于以上差异,煤层瓦斯抽采不能照搬石油增产技术。引进、消化、吸收并创新,是煤层增透技术发展的必由之路,也正是在借鉴与学习石油增产、页岩气增抽等先进的理论和技术的基础上,我国矿井瓦斯抽采也取得了令人瞩目的成就。

3 水力化煤层增透技术在国内的研究进展

为了提高低透气性煤层的瓦斯抽采率和防治煤与瓦斯突出,我国科研人员在学习石油行业和前苏联、波兰等国家技术及经验的基础上,试验应用了多种煤层增透技术,这些技术多数是从降低煤层外在应力和改变煤体的物理力学性质入手,主要有：开采保护层、卸压带抽采、深孔松动爆破、交叉钻孔、大直径钻孔和水力化增透措施等。国内煤矿应用水力化煤层增透技术开始于20世纪50年代末,至今大致经历了初期试验研究、尝试应用和高速发展这3个阶段,正逐渐发展成为一种适用性强、效果显著的煤层增透和防突技术。

3.1 初期试验研究阶段

20世纪50年代末至80年代末,是国内水力化煤层增透技术的初期试验研究阶段,主要是作为局部防突措施应用于煤巷掘进、石门揭煤等地点。1958年,设计出了简易的“轻变型”水力钻。1965年,用水射流预先冲刷煤体,安全揭开了具有突出危险的石门。抚顺煤炭研究所于1969年在鹤壁六矿进行了水射流割缝试验,扩大了钻孔的卸压范围;1977年,在红卫煤矿进行了水射流割缝防止煤与瓦斯突出试验;在1978—1981年期间,先后在鹤壁四矿、二矿及红卫煤矿进行了水射流割缝提高瓦斯抽采率的工业性试验;1981年研制了液控水射流钻割机;1970—1985年,在白沙里王庙煤矿、阳泉一矿、抚顺北龙凤煤矿和焦作中马村煤矿进行了水力压裂、空穴法强化措施开采煤层气试验。

3.2 尝试应用阶段

20世纪90年代初至21世纪初,虽然前期试验取得了一定效果,但由诸多原因,水力化煤层增透技术未能得到大范围的推广与应用。主要原因：首先,当时煤炭行业发展正处于低谷,现场需求相对较少;其次,未能深入研究煤层卸压增透机理,缺乏必要的理论支撑;再次,当时能在煤矿井下应用的高压水泵流量小、压力低,设备能力不能满足需要;最后,包括安全防护在内的配套设施不够完善。因此,只在抚顺、晋城等矿区的少数煤与瓦斯突出矿井和瓦斯治理困难的高瓦斯矿井进行了小范围尝试应用。

3.3 高速发展阶段

2003年以后,煤炭市场逐渐复苏,在石油等行业取得多项新突破的激励下,随着《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《防治煤与瓦斯突出规定》等相关国家政策的实施,水力化煤层增透技术进入了高速发展阶段,单项水力化增透技术不断完善,总体向着集成化、多元化和智能化的方向发展。以中国矿业大学、中国煤炭科工集团沈阳研究院和中国石油大学等为代表的10余家科研机构在水力化增透方面进行了广泛深入研究,形成了水射流和水力压裂两大类共10余种技术,包括：水力冲孔、水力掏槽、水射流割缝、水射流扩孔、水力挤出、水力疏松、水力压裂等,在全国30余个矿区进行了试验及应用,作业区域也由煤巷掘进、石门揭煤等局部地点发展到地面钻孔抽采、煤层区域预抽、突出煤层消突等,多数应用取得了不错的效果。其中,水力压裂是应用次数最多、范围最广的煤层增透技术,据笔者不完全统计,该技术已在27个矿区的51个矿井进行了应用。从地域上看,在华中、华东、西南和华北地区的应用最多,开展过或正在应用水力压裂技术数量较多的矿区依次是两淮、晋城、平顶山、焦作、松藻、义马、阳泉、白沙等矿区。

(1)单项技术不断完善。

在水射流方面：刘明举等对水力冲孔[24]技术的防突机理、工艺流程进行了研究,在九里山矿应用起到了很好地综合防突作用,使煤巷掘进速度提高了2～3倍。魏国营等研究了水力掏槽[25]技术,系统评价了其有效性、适应性和安全性,在演马庄煤矿突出煤层的应用结果表明,可使巷道安全掘进速度提高2倍以上。林柏泉等提出了整体卸压理念,开发了高压磨料射流割缝[26]技术,在平煤十二矿的应用保障了煤巷掘进安全。唐建新等设计了用于抽放钻孔中切割煤体的高压水射流装置[27],在白皎煤矿的试验结果表明,割缝后钻孔瓦斯抽采率提高了18．8%。卢义玉等对自激振荡脉冲水射流[28]的形成机理和对煤体裂隙率和瓦斯解吸率的影响进行了研究,将逢春煤矿石门揭煤的工期缩短了70 d以上。张义等从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理,优化设计了4种水力旋转式钻扩孔射流钻头[29],在实验室取得了较好的试验效果。王耀锋研制了三维旋转水射流扩孔装置[30],并对其工艺参数进行了研究,使扩孔效率明显提高。徐幼平等分析了钻割一体化水力割煤过程中磨料在射流中的受力状况和速度分布[31],对割缝入射角和割缝方式进行了优化,在芦岭煤矿应用后表明能显著提高设备割缝能力。

在普通水力压裂方面：林柏泉等研究了含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征[32],建立了煤体埋深、瓦斯压力和水力破裂压力三者耦合模型。刘建新等研究了煤巷掘进工作面水力挤出[33]的防突机理,认为注水后煤体弹性潜能释放缓慢,集中应力带前移,卸压带加长,瓦斯涌出量减小。苏现波等提出了地面煤层顶板顺层水平压裂井抽采瓦斯方法[34]。马耕等提出了煤层顺层水力压裂抽放瓦斯的方法[35]。李国旗等研究了煤层水力压裂的合理参数[36]。

在脉动水力压裂方面：张景松[37]利用自主研制的高压脉动水锤发生装置在潘三矿进行试验,结果表明该技术有效地提高了煤层透气性且增透作用较为持久。翟成等开展了煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用[38],在铁法煤业集团大兴煤矿的试验结果表明卸压增透效果明显。

在定向水力压裂方面：王魁军等提出了穿层钻孔水力压裂疏松煤体瓦斯抽放方法[39]。富向提出了井下点式水力压裂增透技术[40]。冯彦军等在王台铺煤矿进行了定向水力压裂控顶试验[41]。李全贵等[4]针对实施水力压裂后增透方向不确定导致应力集中的问题,提出了定向孔定向水力压裂技术,应用结果表明能使煤巷掘进速度提高69%。

(2)综合增透技术快速发展。

将水射流与水力压裂搭配起来,实现了二者的有机结合。黄炳香等[42]提出在钻孔轴向或径向预割出给定方向的裂缝,然后再对其进行水力压裂的定向压裂技术。王耀锋等开展了预置导向槽定向水力压穿增透技术的研究及应用[43],提出了利用导向槽和控制钻孔的共同定向作用将煤体压穿,并通过高压水携带出大量煤屑,来实现煤层卸压和增透的方法。刘勇等开展了降低井下煤层压裂起裂压力方法研究[44],提出采用水射流在煤孔中定向射孔来降低起裂压力。

综合压裂技术取得了一定进展。叶建平等[45]开展了氮气泡沫压裂技术的工业试验并获得成功。许耀波提出了基于构造煤储层特点的液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术[46],现场应用增产效果达到了50%。刘晓在中马村煤矿试验了重复水力压裂[47]技术,取得了较好的效果。王保玉等提出了地面压裂井下水平钻孔抽放煤层气方法[48],将地面钻孔与井下水平定向钻孔相结合,实现联合抽采。林柏泉等提出了区域瓦斯治理钻爆压抽一体化防突方法[49],实现了松动爆破和定向压裂综合增透。

4 存在的关键技术问题

历经60余年的研究,中国水力化煤层增透技术已经取得许多有益的进展。但是,由于煤层瓦斯赋存的地质条件十分复杂,煤矿井下巷道布置方式多样,国内现有的水力化增透技术和装备在工程应用中还存在不配套、不完善等多方面的问题。

4.1 理论研究亟待深入

(1)瓦斯以吸附和游离两种状态储集于煤层内,原始煤体是煤、吸附瓦斯和游离瓦斯组成的类三相体,吸附瓦斯和游离瓦斯处于一种动平衡状态,其中吸附瓦斯约占90%。在割缝(或扩孔)这一水射流破煤过程中,煤屑脱离煤体的同时,煤屑与煤体接触面附近必然会有瓦斯解吸出来,造成水射流破煤体系比水射流破岩更为复杂,在极短的时段内涉及到气体、流体、固体和多相耦合等诸多学科,增加了理论分析和实验研究的难度,使水射流破煤机理的客观揭示成为难题,而对高围压环境下水射流切割含瓦斯煤体机理方面的研究就更少了。这造成了理论研究滞后于实际应用,而现场工艺技术的进一步完善也缺乏必要的理论支撑。

(2)含瓦斯煤体的水压致裂过程,是多孔介质下的多相耦合作用过程。对含瓦斯煤体水力压裂裂缝扩展的研究是对流体动力学、渗流力学、结构力学、断裂力学等多学科的综合运用,是气体解吸、流体渗流与岩石变形等相互耦合的科学问题,水力压裂裂缝的扩展受煤层瓦斯压力、煤的物理力学性质、围层的应力分布、高压水泵的压力和流量等众多因素的影响。针对水力压裂裂缝扩展这一难题,科研人员采用RFPA,ANSYS,FLAC3D,ABAQUS和COMSOL[50]等软件开展了大量数值模拟工作,取得了一些进展,但尚未实现对含瓦斯煤体水压致裂过程的准确、定量描述,笔者认为主要是以下几方面原因造成的：

①绝大多数瓦斯以吸附状态储集于煤层中,前期数值模拟中所建的模型未能充分考虑煤体吸附作用或煤层瓦斯压力的影响。

②所建立的是基于离散裂缝的模型,预设的裂缝不符合煤体内原生裂隙的发育特征,也未能描述煤层裂隙的萌生多是以原生裂隙的张开并进一步连通为主导的模式。

③忽视了煤层水力压裂过程中以原生裂隙的剪切破坏为主,所建立的是基于线弹性断裂的力学模型,主要对张拉型裂缝的扩展进行了计算。

④煤体裂隙网络的形成必然是非平面状态,而所建立的模型往往是基于平面裂纹假设,通常只能处理纵向和横向的扩展与延伸。

因此,前期的数值模拟结果未能客观描述实际的煤层水力压裂过程,仍需进行深入研究。

(3)煤层的透气性是瓦斯抽采的一项重要指标,也是抽采量预测的关键参数,它受煤体内裂隙的分布、应力、水分及温度等多种因素的影响。原有的煤层透气性测试技术是建立在径向不稳定流动理论基础上的,它要求在岩层内打尽量垂直贯穿整个煤层的钻孔,然后依次测定煤层瓦斯压力、钻孔排放瓦斯流量等数据,用相似模型试验的方法计算得出煤层的透气性系数。煤层增透作业会使煤层的透气性产生强烈的变化,且常常不具备施工穿层钻孔的条件,因此,应加强煤层透气性测定理论的研究,并结合裂纹扩展的研究成果,对比研究实施增透作业前后煤层瓦斯压力、含量、抽采量及煤层突出危险性指标等参数的变化,逐步建立起煤层增透效果考察、评价技术体系,为煤层增透技术的发展提供理论支撑。

4.2 核心技术有待突破

经过近十几年的快速发展,水力化煤层增透技术及装备有了很大进步,但多数技术仍处于试验研究阶段,尚未达到可以大面积推广应用的程度。每种单项增透技术都有其优势,又难免存在自身的局限性。例如：对于水射流割缝(或扩孔)来说,在其控制范围内煤体卸压充分、增透效果明显,但是它的影响半径小,仅有几米。水力压裂的控制范围大,影响半径能够达到几十米,但是以现有的技术水平,很难保证在它的控制范围内实现煤体均匀卸压、增透而不留空白带。采用综合增透技术,能使不同的增透手段取长补短、优势互补,但是怎样合理配置各种工艺参数才能真正达到这一目的,仍需深入探索。另外,要准确评价增透作业是否达到了抽采及防突的要求,还需要有完善的效果考察体系来支撑。

4.3 关键装备尚需完善

配套装备是增透技术实现的物质基础,技术的进步会推动装备的完善,而装备的完善也将促进技术的进步。虽然水力化增透配套装备的水平已得到了很大提升,但目前仍有很多方面亟待改进。

(1)由于需要防爆等原因,煤矿井下用高压水泵一般体积庞大、重达数吨,造成在井下运输困难、安装地点受限。而设备的功率大,也给供电带来了困难。在松软、低透气性煤层中实施水射流割缝(或扩孔)时,钻孔往往排渣困难,堵孔、喷孔等现象时有发生,还可能造成瓦斯超限,这就迫切需要研制耐压高、排渣性能好的水射流专用钻杆。喷嘴、高压旋转接头等部件的使用寿命很短,致使水射流增透成本明显提高。现有的水力压裂钻孔封孔装置,还未满足耐高压和回收的需求,尤其是煤层孔的密封,若采用下入钢管后再用水泥或化学药剂封孔,水泥会影响煤质而化学药剂会污染环境,孔内遗留的钢管影响后期采掘作业,这也制约着水力压裂技术的推广。

(2)使用高压水的各种作业都是有危险的并可能造成伤害,尤其是在煤矿井下复杂的作业环境和暗淡的光线下,况且还需要工人与高压设备及煤体“短兵相接”,更令人担心的是在高瓦斯或者突出煤层增透时,还容易出现瓦斯超限、诱发煤与瓦斯突出、高压水携带瓦斯喷出等不可预见的危险,因此,使用高压水进行井下作业离不开安全保障技术及装备的保护。前期虽已初步开展了这方面的研究,但还远未达到完全防范危险并控制作业进程的程度。

(3)在煤层增透和防突实践中,为避免破坏煤层顶、底板,实现区域全面抽采和不留空白带,经常需要控制裂缝的尺度与延展方向,而现有的水力压裂裂缝扩展理论还很难进行客观、准确的预测,这就要求在压裂过程中能够实现对裂缝的形态和扩展情况进行实时监测,由于现有监测仪器和定位软件不能达到精确定位,更缺少适用于煤矿井下的防爆仪器,所以国内现有的技术与装备很难满足实时监测裂隙发展的要求。

5 发展趋势与研究方向

随着煤矿开采深度日益加大,地应力和瓦斯压力都呈现出增大的趋势,与之相关的动力灾害也日趋复杂和严重,对矿井安全生产的威胁越来越大。作为煤层卸压、增透的重要手段,水力化煤层增透技术将面临更大的需求与挑战,这要求科研人员勇于面对挑战,高水平的研究解决存在的难题,把水力化煤层增透技术不断向前推进。今后的研究工作应着力于以下几个方面。

5.1 基础理论研究

数学方法、科学实验和数值模拟是最常用、最有效的理论研究方法。考虑到水射流破煤和水力致裂煤体过程的复杂性,仅依靠数学方法来实现对其真实物理过程的准确揭示是不可能的。实验是研究流体力学的基本方法,其结果真实可信,是数值模拟的基础,而数值模拟能研究难以开展的实验,二者是相互联系、相互促进的。纵观国内外文献,针对水力化增透技术的机理,人们开展了大量的物理实验及数值模拟工作,但笔者分析后发现：进行物理实验的一般没有开展数值模拟,而开展数值模拟的往往没有进行物理实验验证,这些都阻碍了基础理论的进步。

实验设备的改进、实验条件的完善、实验技术水平的提高、大型商业化流体力学数值模拟软件的发展、计算机应用和传感器技术的进步,为水力化增透机理的研究带来了曙光。今后的研究,应将物理实验和数值模拟有机结合,通过高相似度、可重复性的实验,给模拟提供更合理的边界条件并验证模拟的有效性,通过数值模拟获得更全面的流场信息,优化实验方案,不断将理论研究向前推进。

对于水射流机理研究,应在全面考虑围压、淹没程度等试验条件的情况下,充分利用现有的先进技术手段来开展实验,例如：采用高速摄像技术、平面激光诱导荧光技术及粒子图像测速技术等[51]非接触式粒子探测技术开展水射流流速测定和流场分析,利用基于导电橡胶的打击力分布测试系统等进行水射流对煤的打击力测试等等。在充分考虑煤的非均质性和各向异性、力学性质、孔隙率、渗透性、瓦斯的解吸作用等影响因素的情况下,建立其围压条件下气、液、固三相耦合的数学模型,采用ANSYS,COMSOL等适合多物理场耦合模拟的软件来开展数值模拟研究。

对于水力压裂机理研究,应将实验室试验、数值模拟和现代测量技术结合起来,才能真正实现由定性解释向定量描述发展。应综合考虑煤的非均质性和各向异性、孔隙和裂隙发育、渗透率低、煤对瓦斯的吸附作用等特征,建立一套模拟围压条件下的大型煤层水力压裂物理模拟试验平台,采用微地震、声发射和CT扫描等技术手段,监测和分析水力裂缝扩展的物理过程,采用示踪剂观察裂缝的延伸形态,绘制出三维可视化的裂缝发育分布图,并对数值模拟结果进行验证。建立能兼顾煤岩的非线性本构和各向异性特征的数学模型,采用各向异性渗流分析与双向流固气耦合技术,对具有节理网络的煤岩体进行水力压裂数值模拟。还应综合运用数值模拟、地球物理和参数敏感性分析与优化等技术,对数值模型的输入参数进行反演,以确定水力压裂各种因素的重要性和合理参数,形成对特定工程有效的水力压裂预测模型。

5.2 水力化增透技术的集成化和多元化

如何充分发挥不同单项技术的长处并尽量克服其缺陷,是水力化煤层增透技术发展必然要面对和解决的问题,这就要求未来水力化煤层增透技术应在不断完善各单项技术的基础上,实现不同增透手段的集成化和多元化,形成优势互补。

(1)定向压裂技术。

首先,打措施钻孔并在其周围一定距离处打控制钻孔,采用水射流在措施钻孔内对煤体割缝、割槽或径向钻孔,冲出大量煤并使缝、槽或径向钻孔周围的局部煤体充分卸压;然后,对措施钻孔封孔后实施水力压裂,预置的缝、割槽或径向钻孔既降低了起裂压力,又能导控裂隙的扩展方向;最后,水力裂缝扩展至控制钻孔处,并通过水流从控制钻孔带出大量煤屑,防止煤屑堵塞瓦斯抽采通道。该技术实现了水射流和水力压裂技术的紧密结合,既汲取了水射流破煤局部卸压充分和水力压裂影响范围大的优点,又克服了水射流破煤增透范围小和水力压裂后局部出现高应力区[42]的缺陷。

(2)重复压裂技术。

随着瓦斯抽采的进行,常出现钻孔周围的裂隙在地应力的作用下逐渐闭合现象,致使该钻孔瓦斯抽采量急剧降低,这时就需要再次采取增透措施。重复压裂就是在老孔中再次进行水力压裂,在煤层内压出新裂缝、继续延伸原有裂缝或者在与原裂缝呈一定角度方向上造出新裂缝。该技术已在石油行业取得了不错的效果,煤炭行业应对其进行借鉴和发展,实现老孔的修复增产。

(3)同步压裂技术[18]。

美国在沃斯堡盆地Barnett页岩气开发中成功应用了同步压裂技术,它采用更大的压力对相邻且平行的水平井交互作业,促使水力裂缝在扩展过程中相互作用,增加水压裂缝的密度和范围,从而增大改造体积,采用该技术的页岩气井短期内增产效果非常明显。相对于地面钻孔而言,井下钻孔具有长度短、更容易控制钻孔方位、单孔成本低等明显优势,因此有理由相信采用同步压裂技术来增加煤层的透气性有较好的应用前景。

(4)定向水平长钻孔分段压裂技术。

目前,国内钻孔施工技术取得了长足发展,顺煤层定向钻进的最大孔深已能达到1 000 m,形成了定向水平长钻孔、梳状钻孔、井下多分枝钻孔等多项技术与装备,这给定向水平长钻孔分段水力压裂的实现提供了保障。定向水平长钻孔分段压裂技术,就是仿效石油、页岩气等行业的水平井分段水力压裂技术,利用封隔器或其它材料段塞,在水平长钻孔内一次压裂一个孔段,逐段逐次对水平长钻孔进行压裂,以产生更复杂有效的裂缝网络。在美国Arkoma盆地Woodford页岩气聚集带的Tipton-1H-23井,经过7段水力压裂措施改造后,增产效果显著[18]。定向水平长钻孔分段压裂技术适用于煤层硬度较大、钻孔稳定性好的煤层,该技术能大幅度延伸钻孔的抽采范围,是未来矿井瓦斯抽采的关键技术之一。

(5)煤层顶、底板内顺岩层钻孔压裂技术。

对于极松软的突出煤层,在打钻期间常出现喷孔、夹钻等现象,本煤层钻孔施工非常困难。即使能施工钻孔,钻孔长度短、易塌孔等情况也时有发生。煤层顶、底板内顺岩层钻孔压裂技术是从地面或者井下施工定向钻孔,使钻孔的水平段位于煤层顶板或底板内距目标煤层一定距离处,通过在岩层内实施水力压裂,达到间接压裂煤层的目的;也可以施工梳状钻孔,使钻孔的水平段位于煤层顶板或者底板内,其分支钻孔进入煤层,再逐个对分支钻孔进行压裂。煤层顶、底板内顺岩层钻孔压裂技术的提出,冲破了常规方法的束缚,为解决突出煤层压裂难题提供了思路,具体实施工艺有待深入研究。

(6)地面压裂与井下水平钻孔联合抽采技术[48]。

从地面施工钻孔至已形成开拓巷道但尚未布置抽采钻孔的区域。完井后进行水力加砂压裂,形成高渗透性压裂影响区。随后在井下巷道内施工定向水平长钻孔,使其影响区域与地面钻孔压裂影响区域沟通,实现对作用区域内瓦斯的井上下立体化联合抽采。该技术用于埋藏深度不大、透气性中等的煤层,能取得较好的效果。

(7)高能气体压裂与水力压裂联作技术。

自国内1985年开展研究以来,高能气体压裂技术已发展为一项基本成熟的油气层改造增产技术。高能气体压裂与水力压裂联作技术,是指首先对煤层钻孔进行高能气体压裂,使钻孔周围形成多条径向裂缝,降低钻孔周围的应力集中程度,提高与天然裂缝沟通的可能性;然后实施大规模的水力压裂,促使煤层内裂缝沿着已有的多条径向裂缝充分延伸,并在当裂缝末端沿与最小主应力垂直方向发展。大庆油田所做的对比试验[52]表明,采用高能气体压裂与水力压裂联作技术的油井比仅采用水力压裂的能多增产35%。目前,煤炭行业已针对高压空气致裂爆破和CO2深孔控制预裂爆破技术开展了大量研究,而如何在煤矿井下安全、有效的实现高能气体压裂和水力压裂的联作增透,是今后亟需深入研究的课题。

5.3 增透装备的系统化和智能化

作为水力化增透技术的实现手段,水射流和水力压裂装备在很大程度上决定了瓦斯抽采的效率和成本。对于煤矿井下用水射流和水力压裂装备,我国虽有一定的研制和应用基础,但装备的可靠性、安全性和实用性远不能满足煤层增透技术发展的需要,亟需进一步提升这些专用设备的性能和自主化水平,将实时监测、动态模拟与预测、作业过程优化、远程调控集成于一体,形成高度系统化、智能化的成套水力化增透装备。

(1)水射流和水力压裂成套装备研发。

针对煤矿井下用高压水泵存在的体积和质量大、能耗高、对水质要求高、故障率高、运输和安装不方便等缺陷,应不断优化其结构、材质和外观设计,优先考虑采用变频技术等先进技术,实现高压水泵的小型化、安全和高效。对于高压水射流部件,应在改进结构、优选材质、提高加工精度和改善表面处理方法的基础上,研制出打击效率高且耐磨性好的水射流喷嘴、密封性能好且排渣效率高的水射流专用高压钻杆和转速高、寿命长的高压旋转水尾。在水力压裂方面要加强封孔(特别是煤层孔)装备的研究,研制出封孔便捷、耐压好、可回收的专用封孔器,并进一步开展分段压裂封孔装备的研究。

为使水力化增透作业人员远离危险源,保障人身安全和作业过程安全可控,今后应加大安全保障装备的研究力度,使装备除了能实现对高压水系统和作业环境的远程监测和控制外,还要对水压、流量、煤体开裂压力、注水量等数据进行实时监测、记录与分析,实现现场视频、试验数据的实时传输和存储,并能自动生成数据表及相关曲线,实现异常情况自动断电等功能,不但为增透技术优化提供科学依据,还能切实保障增透作业的安全、高效开展。

(2)增透效果预测、实时监测及考察装备。

目前,煤层增透效果监测设备呈现出多元化发展的局面,微震监测系统、电磁辐射监测仪[53]、声发射(AE)监测系统、放射性同位素探测仪等多种监测设备被用于裂隙监测和探测中。今后,应通过对上述设备大量的应用、比较分析与改进,针对不同的煤层赋存条件、不同的增透工艺,甄选和研制出最适宜的监测方法、解释方法和监测设备。最终发展目标是：能够在获取的大量物探和施工数据的基础上,充分利用数学和应用计算机技术的先进成果,达到仪器设备的尖端化和智能化,实现解释方法的三维可视化和对压裂施工与压后生产这两个过程的全三维模拟,实现对裂缝的实时监测分析与控制,逐步由同步监测和后期检测转为前期预测统筹,形成一套真正的科学技术与装备。

6 结 语

作为矿井瓦斯防治和煤层气开发的重要配套技术,水力化煤层增透技术适应国家建立煤炭、煤层气协调开发机制的要求,符合煤矿瓦斯抽采达标的需要,已成为煤矿防范瓦斯事故、提高瓦斯抽采率的关键技术手段,具有较好的应用前景。该技术的持续、快速发展必将整体提升中国矿井瓦斯防治和煤层气产业科技自主创新能力。前期国内大量的研究和应用,为技术的发展提供了有力的支撑,随着增透机理研究的不断深入和装备水平的不断提高,水力化煤层增透技术体系将日趋完善,在未来的煤炭开采和煤层气开发中将发挥更大的作用。

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Research progress and development tendency of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams

WANG Yao-feng1,2,HE Xue-qiu1,3,WANG En-yuan1,LI Yan-zeng2

(1.School of Safety and Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.State Key Laboratory of Coal Safety,CCTEG Shenyang Research Institute,Shenyang 110016,China;3.North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

Taking measures to increase the permeability of coal seams is the key to solve the gas extraction problem in low permeability coal seams．The structure transform of coal-rock mass is the core issue for increasing the permeability of coal seams,while the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams is an effective method to transform the coal-rock structure．On the basis of previous studies and literature review,authors overviews the development of high pressure water jet technology and hydraulic fracturing technology,summarizes the research progress of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams．Through analyzing the issues in theoretical research and engineering application,the authors found that many factors restrict the wide application of hydraulic technology, for instance,the mechanism of increasing permeability has not been revealed objectively,the single technology for increasing the permeability of coal seams has some limitations,the auxiliary equipments,especially safety guarantee system,is not perfect,the effect investigation system is not robust,etc．The authors outline the general development tendency and suggest that the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams is moving toward integra-tion,diversification and intelligence．The major research direction in the future is to strengthen theoretical research,improve the auxiliary equipment,develop the directional hydraulic fracturing and other new technologies,and make robust effect investigation system,etc．

hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams;high pressure water jet technology;hydraulic fracturing technology

TD712

A

0253-9993(2014)10-1945-11

2014-06-09 责任编辑：毕永华

“十二五”国家科技重大专项资助项目(2011ZX05041-003);“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B01)

王耀锋(1972—),男,河北辛集人,研究员,博士研究生。E-mail：wangyaof2008@126．com。通讯作者：李艳增(1982—),男,河北武强人,助理研究员,硕士。E-mail：lyz3144@163．com

王耀锋,何学秋,王恩元,等．水力化煤层增透技术研究进展及发展趋势[J]．煤炭学报,2014,39(10)：1945-1955．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．0760

Wang Yaofeng,He Xueqiu,Wang Enyuan,et al．Research progress and development tendency of the hydraulic technology for increasing the permeability of coal seams[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1945-1955．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．0760