煤岩水力化技术研究进展

罗兴 刘勇 张旺 邱来

摘 要：自工业革命以来，煤层气作为非常规油气资源，已经成为我国战略性接替能源备受关注。煤层水力化技术不断趋于成熟，其中包括传统水力压裂技术、水力吞吐技术、喷射压裂技术、水力压冲技术等。本文综述水力化技术，以期为不同矿区选择效果最优的煤层水力化技术提供理论支撑。

关键词：煤层气；煤层水力化技术；水力压裂；吞吐增透

1 概述

自工业革命以来，随着常规油气资源的大规模开发利用，常规储层产量日趋下降，然而石油、天然气等清洁能源需求依然在大幅增长。页岩气、煤层气等非常规油气资源作为战略性接替能源，能够有效弥补常规油气枯竭带来的能源不足问题，并且我国煤层气资源丰富，作为世界上煤层气储量的第三大储量国，其总量约占世界煤层气总资源量的19.3%，因此我国煤层气的开发技术发展备受关注。然而，我国煤层气存在埋藏深、渗透率低、变质程度高等特点，并且由于中深部、深部煤层气自身产出机理不全使得中深部开发程度低并且开发难度大和国外改造技术对国内生产开发不适用等一系列难题，导致国内煤层气发展一直处于较低的水平［1］。经过近30年的发展，为提高煤体透气性和瓦斯抽采效率，勘探开发、水平钻井和煤层水力化技术不断发展成熟，基本实现了煤层气的规模化开发与利用［2］。此外，由于我国煤层气开发主要集中在浅部煤层，其中煤层水力化方法适用于埋藏深度较浅的储层进行改造，在低渗透煤层抽采中起着至关重要的作用［3］。目前煤层水力化措施的实质是通过在煤层中注水使其产生裂纹，根据突出煤体结构主要可分为硬煤和软煤，目前常使用的煤层水力化技术有：传统水力压裂、水力吞吐、喷射压裂、水力压冲等，此外其他水力化方法如水平井分段压裂技术和重复压裂等。在煤层气生产周期里根据煤层水力化各种类型以及相应的机理和适用条件等，针对不同矿区的煤岩地质条件，选择效果最优的煤层水力化技术。

2 煤层水力化技术

水力化措施主要是通过往煤层中不断注入水直至煤层中出现裂纹改善煤层的透气性。而在进行煤层水力化方法的实施过程中，不仅煤层裂缝发育质量发生了变化，根据煤矿气开采水力渗透性理论，煤层输气状态和煤层透气性发生了变化。以下为目前常使用的四种煤层水力化技术和一些其他方法，可以適用于不同煤体结构和煤岩地质条件。

2.1 传统水力压裂技术

水力压裂增透的方法即用压裂泵把高压、大排量的液体注入煤层中，因为注入的速率高于煤层的吸收水的速率，所以会在煤层的内部产生相应的张应力，而一旦当这个张应力的大小增大到一定程度，超过了其中任意一个方向的轴向应力时，这时煤层本身受到的轴向张力来自这个方向上的会全部被外力所克服，而这些外力的来源则是液体所传递的。随着外来力的增加，此时外来力的大小已经增大到大于煤层破裂所需要的力之后，煤层会从其自身最薄弱的地方开始出现裂纹然后破裂，随着裂缝的不断扩大，煤层的透气性得到了极大的改善。水力压裂技术存在有改技术经济上实用，使用的技术成熟，并且工艺程序安全，其扰动性较小等的特点。同时水力压裂技术存在的问题有以下几方面。

（1）在注水压裂的这个过程中需要一直往储层中注水，需要注入的耗水量较大，因此，此方法目前只能适合用于储层中微小孔隙的改造，一旦当储层中出现孔隙过大或者甚至出现了断层的现象时，会增加过滤损失量，导致压裂的失败。

（2）在注水压裂的这个过程中，往往是需要往压裂液中添加能够明显增强渗透率的强力化学渗透增强剂的，用于提高煤储层压裂过程中的渗透效果，然而这一化学剂的使用若回收不当，可能造成地下水等设施的污染和腐蚀，带来的环境危害是非常大的。但是在裂缝中是一定需要添加支撑剂来维持裂缝的宽度大小，因为一旦支撑剂效果消失，裂缝则受应力作用被挤压关闭，此时水力压裂就会失去增大渗透率的效果。

（3）水力压裂的过程中，除了上述提到的单条完整裂缝之外，还可能存在有该裂缝分岔或者出现多条裂缝一起扩展延伸的现象，以至于当应力作用时，此时，难以保证同步压裂时的裂缝能够均匀地膨胀，应力的增加更多是增加了煤层开裂所受的压力。因此，在压裂的过程中需要注意的是必须要将压力集中，用于保证储层致裂过程中的均匀性，从而保证对不同的储层进行定向的均匀压裂。因此，提出的解决措施有：通过使用二次压力对煤层进行反复压裂，在致裂的过程中，高瓦斯煤层也会存在瓦斯驱替的现象，此时需要注意在注压过程中合理地控制释放瓦斯的速率以及注压的时间。同时二次压裂会增加微裂隙的发育，大幅度提高煤层透气性，同时也能够促进钻孔表面煤层瓦斯的解析速率。

2.2 水力吞吐技术

井下水力吞吐技术即将压裂液连续地注入钻孔内部，从而对煤层进行压裂，接着迅速减压，之后将煤渣和水一并排出，然后如此进行反复持续地进行压入和排出，相应的煤层也发生开裂和煤层裂缝的持续扩大，进一步形成裂缝网络系统，导致煤岩的透气性大幅度增大，有效提高瓦斯抽采效率。吞吐增透的机理则是与水力压裂技术有所不同，不仅包括了压裂产生的多个渗透裂缝，还有在使裂缝自支撑的同时，排出了煤岩粉使压力进一步降低、渗透率增大。水力吞吐主要是通过改变体积的方法来增大渗透率，水力吞吐对煤矿床进行反复的水力装卸扰动，通过反复的水力装卸扰动改变了煤岩体的力学性质，使得湿煤弹性降低，塑性增大，弹性模量减小。在回水排放破碎煤岩渣的过程中，会形成一个洞穴，这是由钻孔周围被破坏的煤排出形成的。随着洞穴的形成，不仅煤层的应力场进行了重新分布，与此同时，洞穴上的垂直应力也发生了变化，其中部分的垂直应力会发生转移到洞壁上，形成指向钻孔的法向荷载，导致煤体缺乏支撑力，大量移入钻孔中。这种作用在煤层中持续存在，并且这种作用可以一直延伸到洞穴周围，使得在洞穴的一定范围内，钻井压裂冲击范围里的地应力减小，煤层完全减压，裂缝得到有效打开、延伸和连通。在煤层中，水力吞吐形成的洞穴周围压力降低瓦斯易排放，煤层卸压区的范围大幅度增加。较大洞穴的形成也使煤体位移更容易，钻孔不会被后来的煤体坍塌而堵塞孔壁，从而达到快速连续排放瓦斯的效果。洞穴的形成是基于孔的不稳定性，这是由反复压裂和大量煤尘排放引起的。由于煤岩的排放缺乏相应的体积支撑，即使煤和岩石膨胀也难以在短时间内补偿排出的体积，导致泄压范围大，穿透力增加，有效提高了煤层的渗透性。

2.3 水力喷射技术

水力喷射技术即使用高压水力进行喷射从而在地下开采中形成一个小孔，它的整个流程可以进行简单描述，先用将磨料用管子使用小孔装置放入提前铺设好的预定层上，再在地表的表面借助高压泵往事先预备好的磨料里面掺杂适量的水通过油管将其送入地下喷嘴而后喷出管道，经此可以得到带有高压并且高速流通的磨料射流，磨料颗粒随流体的高速流动会对切割壳体和岩石造成冲蚀和磨损。并且加压后的流体会变成一个一毫米的带压力的小型水柱，然后该水柱可以快速穿过小孔。不过由于小孔的体积在这种应力下不会发生变化，在压力的作用下流体从小孔内流出时会产生挤压形成射流，从而导致其轴向速度发生快速的变化。此时水力喷射时产生的动能就会转变为内能，又进一步转变成了很大的压力能，这样一来停滞在小孔里的力量就会非常迅速增大，增压就是这样产生的。同一时刻，井下产生的压力大小应该把可控范围约束在断裂延伸可以经受的压力范围之内。正是因为在喷嘴的周围存在有一个低压区域形成，环状流体将会被吸入裂纹，同时驱动裂纹不断向前延伸。水力喷射压裂在煤岩层中的应用存在两种，分别应用在质地为较软和较硬的煤岩中。当应用于在质地较硬的煤岩中，在这种煤岩里水力喷射主要可以起到喷射和压裂两种不同的作用。流体在流经压裂泵之后，流体压力得到明显提升，紧接着流体又会通过一个厘米级大小的喷嘴儿，经过这一步骤会使得流体的压力再次增大，变成一束高压高速的流体，然后非常快速穿透了煤层。随后在小孔内不断减小，高压水携之而来的巨大动能又会进一步转化为压力能，使得小孔里滞留的压力就会很快速增大，增压效应也就是这样产生了。而如果是应用于在质地较软的煤岩中，其中的应用原理与应用在较软中的煤层不同。

水力喷射压裂法的内容包括注塑法和冲压法。第一是喷射对软煤岩的影响。在钻井施工中，采用水力注钻井煤岩层小孔壁，在一定时间内会有大量煤岩产出，使得小孔径发生较大的变化，煤岩层的原应力平衡状态就此打破而，与此同一时刻小孔周的煤岩会向小孔方向产生较大的位移，造成应力再分配；接下来，通过裂纹运输将自由态瓦斯从煤岩体重排除，这能极大地释放了煤岩体及围岩的弹性势和气体膨胀能，煤岩层气显著提高了煤岩层气的透气性。最后，当煤岩吸附水后，水分子会迅速占据煤岩表面气体的吸附位即瓦斯的吸附位点，从而影响气体解析速率使得瓦斯解析速度降低，对气体的排放产生抑制的作用。第二则是在液压冲小孔作用下软煤岩会受到的影响。液压喷射的出现会对软煤岩部分钻小孔和注入管的环小孔产生冲击作用，导致其受到影响。由于注入速度大于软煤岩的喷射小孔速度，环小孔内的软煤岩不断填密，具有封小孔的效果。

水力喷射压裂的特点：（1）水力喷射压裂方法的使用范围十分广泛，作用和效果也十分明显。（2）采用水力喷射压裂可实现裂缝延伸最大化：水力喷流压裂技术是控制煤岩裂和岩裂裂缝的有效措施。往钻小孔的末端进行注水，由于水柱的存在会产生高滞后压力，在煤岩岩中产生多个微裂纹，降低裂纹的裂纹压力。（3）水力喷射压裂具有自我独立的特点：在整个过程中无需采用其他任何手段来对小孔进行填充或者是封堵小孔，这样一来不但大大降低了作业的风险，极大地减少了操作的危险性，同时还可以大幅度缩短时间降低成本，一举多得。（4）水力喷射压裂可做到向指定的点、指定的方向进行压裂：采用液压射流固定点、固定方向压裂、射流压裂的工具可以精确地降到设计的煤层裂缝的位置，也可以精确地在钻孔的缝隙中进行连接。

2.4 水力压冲技术

利用水力压冲以期达到增透目的的方式主要有两种：吞吐式水力压冲和注入式水力压冲。吞吐式水力压冲排放过程是煤岩的破坏和剥脱、应力状态的变化和不断释放大量气体的一个过程。首先，我们通过使用具有高压力的水流，借助流体压力将煤岩进行破碎处理，在短时间内就会得到较破碎之前拥有更大直径的小孔裂隙，从而致使煤岩应力所处的平衡状态遭到破坏，小孔周围的煤岩方向大位移，应力状态动态变化，自主进行二次分配，应力集中的区域发生变化位移，这样带来的结果是有效应力整体降低；其次，煤岩在出现新的裂纹以及裂隙的过程以及应力不断变化的过程中，会使煤岩中气体的吸附与解吸间的平衡关系遭到破坏，使其中一部分吸附在煤岩表面的气体解析出了转化为自由气体，自由气体通过裂纹迁移到排放，大大释放了煤岩及围岩的弹性势和气体膨胀能，煤岩层气渗透性得到了較好的提高；最后，由于煤岩的吸水性，高压水会使水分子浸入煤岩体，吸附在煤岩表面的瓦斯解吸速率降低。注入式水力压冲包括硬煤岩注入式水力压冲和软煤岩注入式水力压冲两种。

2.5 其他方法

除了上述水力技术外，还包括重复压裂技术以及水平井分段压裂技术。分段压裂主要有两种方式，一种是使用密封球进行分段压裂，另一种则是利用限流技术进行分段压裂，这两种分段压裂方法的原理均为将储层中的不同层分开，从而进行对每一层进行压裂。从生产现场可以看出，分段压裂技术的不仅增产效果明显，并且增产效率较高，使用的分段压裂技术相对成熟，能够很好地适用于有多生产层或者长水平距离段的井。多级压裂技术常用于不同层间含气量差异显著的储层，主要操作方法分为滑动套管封隔器压裂和连续油管压裂。多级压裂技术是在储层水力压裂的基础上发展起来的一项技术，在页岩气生产井中，通常采用多级压裂技术进行压裂。分段压裂将继续朝着低危害、低成本和高效作业的方向发展。重复压裂技术是在压裂技术应用的基础上发展起来的，重复压裂技术的定义为：当初始压裂处理已失效，或现有支撑剂由于时间原因从而发生质量下降甚至损坏，导致产量大幅下降时，使用重复压裂技术进行压裂，从而提高井产量的过程。初始压裂后，井眼周围的应力将在生产一段时间后重新分布。重新压裂可导致裂缝重新压裂并重新定向原始裂缝，也会使产能恢复到初始状态或更高。重复压裂适用于有天然裂缝、层状的地层和非均质地层。该技术可以减少传统作业在作业过程中的不足，使生产井的运行模式更加的合理化。水平井分段压裂技术和重复压裂技术的应用提高了生产过程中解决问题的水平，也可以更好地提高低产井的综合效益。

3 煤层水力化发展趋势

（1）智能化技术和大数据技术的不断发展革新，例如最新的ChatGPT技术的出现，使矿山智能化的发展有了飞跃性的进步，因此可以看到未来煤层水力化的发展趋势必将是机械化、智能化。同时结合大数据计算，对于煤层水力化技术数据的处理以及后续选择会有更优的算法、更完善的理论体系。

（2）煤层水力化作为一大重要支撑技术，其发展趋势必将是多元化与交叉化，随着其他行业不断的科技创新与进步带来的冲击，相应的煤层水力化技术也会不断发展与完善，未来将出现更多的改进水力化技术，同时煤层水力化技术与其他行业先进技术相结合的方式也会越来越普遍并且多样。

结语

煤层水力化可以针对不同矿区的煤岩地质条件选择不同的水力化方法，作为煤层气开采的一大有效措施，其本质就是通过往煤层中不断注入水直至煤层中出现裂纹。而在进行煤层水力化方法的过程中，煤层中的裂缝发育质量也会发生改变，根据煤矿气开采水力渗透性理论，煤层输气状态和煤层透气性发生了变化。其中常用的水力化措施有：传统水力压裂技术、水力吞吐技术、水力喷射技术和水力压冲技术；其他方法有水平井分段压裂技术和重复压裂。未来煤层水力化发展朝着智能化、多行业交叉融合发展的趋势前进。

参考文献：

［1］马晓江.煤矿安全管理存在的问题及其防控措施［J］.矿业装备，2020（5）：9697.

［2］傅雪海，姜波，秦勇，等.用测井曲线划分煤体结构和预测煤储层渗透率［J］.测井技术，2003，27（2）：140143.

［3］刘永亮，王振铎.水平井储层改造新方法—水力喷射压裂技术［J］.钻采工艺，2008，31（1）：7173.

［4］Wang Y，Dai Z，Chen L，et al.An integrated multiscale model for CO2 transport and storage in shale reservoirs［J］.Applied Energy，2023，331：120444.

作者簡介：罗兴（1983— ），男，汉族，贵州盘县人，本科，工程师，研究方向：瓦斯治理和通风；刘勇（1984— ），男，汉族，四川安岳人，本科，工程师，研究方向：煤矿通风及瓦斯防治；张旺（1992— ），男，汉族，贵州盘县人，本科，工程师，研究方向：采矿工程；邱来（1994— ），男，彝族，贵州盘县人，本科，助理工程师，研究方向：采矿工程。