碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

桑树勋 ，皇凡生 ，单衍胜 ，周效志 ，刘世奇 ，韩思杰 ，郑司建 ，刘 统 ，王梓良 ，王峰斌

（1.中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室, 江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学 碳中和研究院, 江苏 徐州 221008；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州 221008；4.中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100083）

0 引 言

我国煤层气资源丰富，埋深2 000 m 以浅的资源量约为30.05×1012m3，占世界煤层气总资源量的13.7%[1]。然而，我国煤层气地质条件相对复杂，由于经历多期构造作用，大部分煤层原生结构遭到破坏，煤体变碎、变软，在地层地应力条件下具有低渗透性特点[2]。据统计，碎软低渗煤储层约占我国煤炭总资源量的60%，碎软低渗煤储层含气量高，其煤层气资源量占我国煤层气总资源量的比例更大[3-4]。此外，由于碎软低渗煤储层煤体力学强度低、瓦斯含量高、瓦斯压力大，是易发生井下瓦斯突出的主要煤体类型。在碎软低渗煤层发育煤矿区，采煤前需进行地面煤层气抽采或井下瓦斯预抽，以保障煤矿安全生产。因此，实现碎软低渗煤储层煤层气地面高效开发，对于加快我国煤层气高效开发、治理煤矿瓦斯事故以及实现煤炭甲烷减排均具有重要的意义。截至目前，安徽、河南、山西、湖南、辽宁、重庆、贵州等地已进行了大量的碎软低渗煤储层煤层气开发工程实践，虽然取得了不同程度的增产效果，但仍存在单井产量低、稳产期短、衰减快、瓦斯抽采达标时间长、抽采效率低、代价高等问题[5-6]。如何实现碎软低渗煤储层煤层气高效开发，解决“有气难出”的问题，是煤与煤层气协调开发中亟待攻克的关键技术难题。

由于碎软低渗煤储层渗透性差，为获得较高的煤层气产量，一般都需要采用储层强化手段进行增产[7-8]。我国碎软低渗煤储层瓦斯治理和煤层气开发历经近40 a 的探索，储层强化手段已由国外引进吸收转变为自主创新，形成了一系列独具特色的技术工艺[9-11]。目前，直接压裂技术仍是最常用的碎软低渗煤储层强化手段，但是由于碎软煤力学强度差，直接压裂效果不尽人意[12-13]。为有效提高碎软低渗煤储层煤层气开发效果，利用煤层中及其附近的压裂有利因素，如顶板、夹矸层、硬煤分层，OLSEN 等[14]、李雪姣等[15]、许耀波等[16]分别提出了压裂煤层顶板、夹矸层和硬煤分层间接压裂碎软煤储层的技术思路，并取得了增产效果。受煤矿区保护层开采碎软煤层卸压增透地面井瓦斯抽采技术和洞穴完井技术的启示，桑树勋等[4]、卢义玉等[17]、杨睿月等[18]、张波等[19]通过充分利用碎软煤层易造洞穴或易割缝的力学特性，提出了造穴诱导垮塌、水力割缝卸压激励煤储层大范围应力释放，实现煤储层增渗的技术思路。此外，SONG 和ELSWORTH[20]提出了采用微生物矿化固结措施加固碎软煤储层，再进行水力压裂的技术思路。

笔者在总结我国碎软低渗煤储层特征及其煤层气在地面开发中存在的问题、技术瓶颈基础上，以间接压裂、应力释放以及先固结后压裂3 种不同的技术思路为线索，梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展，介绍了相关技术的基本工作原理、关键技术流程以及现场应用等，重点对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发的应力释放技术的未来发展趋势进行了展望。以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高构造煤煤层气单井产量提供支撑，助力我国煤层气产业的大发展。

1 碎软低渗煤储层特征

所谓碎软煤，又称典型构造煤，是指煤层形成后，在漫长的地质构造演化过程中受到了强烈的构造挤压、褶皱变形、层间滑动揉皱等作用，导致煤层整体或其中一个、多个分层煤体结构破碎成碎片状、粉末状、鳞片状、碎块状、碎粒状，伴随着煤层原有的天然割理/裂隙系统被破坏，甚至消失[21-23]。碎软煤主要由碎粒煤、片状煤以及糜棱煤组成。从定量指标识别的角度来看，碎软煤是指抗碎强度Ss小于50%、坚固性系数f小于0.5 的煤[24]。由于碎软煤储层岩石连续性差，普遍具有机械强度低、弹性模量低、泊松比高等特点，与坚硬煤（原生结构煤和碎裂煤）相比，地层条件下表现为明显的塑性变形特征[5]。在原位应力条件下，受上覆地层压力以及构造应力的作用，碎软煤将会被挤压密实，粒间孔隙闭合。因此，碎软煤储层岩石物性普遍较差，其孔隙度通常小于2%，渗透率小于0.1×10-3μm2[25-26]。此外，碎软煤含水性差，煤层气几乎全部以吸附态赋存，具有高含气量、高含气饱和度以及高甲烷体积分数特征[27]。

2 碎软低渗煤储层煤层气地面开发难题

2.1 建井成井难题

碎软低渗煤储层建井过程中普遍存在成井难、钻进效率低的问题[28-30]。碎软低渗煤储层力学强度低、构造应力复杂，在建井过程中受井筒液柱压力及地应力扰动的影响，井壁极易坍塌失稳；同时，碎软低渗煤极具流动性、透水性大、抗水性差，在钻井液长时间冲刷和软化作用下，井眼周围煤体易变形，进一步加剧井眼坍塌失稳。井眼失稳形成大量的碎块状、碎粒状煤，钻井液难以有效地将其携带出井眼，造成井眼内煤渣堆积，诱发卡钻、埋钻事故，严重制约钻进效率。在固井过程中，碎软低渗煤储层还存在下套管困难，固井水泥环与煤层胶结不紧密，固井质量差问题，在后续压裂和排采过程易诱发串流现象[5]。

2.2 水力压裂难题

目前，直井以及水平井水力压裂是煤层气井最常用的增产改造措施。然而，由于碎软低渗煤储层层理结构紊乱，具有弹性模量低、泊松比高等特性，在碎软煤层中进行水力压裂，其岩石破裂机制与硬煤差别较大，对碎软低渗煤储层直接进行水力压裂的效果并不理想[5,12,31]。首先，碎软煤塑性较强，在煤层中进行直接射孔压裂时，压裂缝难以扩展至煤层远端，形成宽而短的裂缝，导致泄流面积有限；其次，碎软煤结构破碎、力学强度低，压裂后形成的裂缝易发生垮塌，产生的煤粉会对裂缝造成堵塞，从而降低裂缝导流能力；最后，由于碎软煤的塑性特征，支撑剂极易嵌入压裂缝壁面，进一步降低压裂改造效果。

2.3 高效排采难题

煤粉问题是制约碎软低渗煤层气井经济高效排采的关键技术瓶颈[32-36]。由于碎软煤具有细粒化、机械强度低、渗透率低等特点，其基质表面赋存的原生煤粉要远多于坚硬煤；且在建井、增产改造以及排采作业过程中，由于应力扰动、流体冲刷、机械研磨等因素的影响，碎软煤体结构极易破坏，其形成次生煤粉的倾向性也要远大于坚硬煤。在碎软低渗煤层气井排采过程中，原生/次生煤粉随流体发生大规模的运移，不但会堵塞煤层裂隙和支撑裂缝，导致裂隙和支撑裂缝渗透率急剧降低，影响煤层气井产能，而且还会埋住井下管柱和煤层，诱发井筒堵塞、埋泵、卡泵等井下事故，造成气井停产，捞砂检泵作业频繁。

3 碎软低渗煤储层间接压裂技术

鉴于碎软低渗煤储层在建井成井、直接压裂以及高效排采方面的问题，业界专家纷纷对该类煤储层强化及煤层气地面开发方式进行了探索，通过利用顶板岩层、夹矸层和硬煤分层易于建井、压裂的特点，提出了顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂技术思路，有效解决了碎软低渗煤储层建井成井难、压裂改造难和出煤粉严重的问题。关于碎软低渗煤储层间接压裂技术的原理及应用效果如下。

3.1 顶板水平井间接压裂技术

不同于碎软低渗煤储层特征，其顶板岩层通常为砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩等坚硬脆性岩层，具有高弹性模量、低泊松比等特点，更有利于压裂缝扩展、延伸[3,5-6]。为有效避免碎软低渗煤层直接压裂面临的工程难题，OLSEN 等[14]充分利用顶板岩层利于压裂的优势，于2003 年首次提出了顶板水平井间接压裂模式，并与2011 年引入我国。该技术基本原理为在顶板岩层中布设水平井，采用定向射孔和分段压裂模式，诱导水力裂缝在顶板岩层中起裂，水力裂缝一方面会在顶板岩层内沿横向快速扩展，形成长的压裂缝，另一方面还会沿纵向穿层进入煤层，水力裂缝在横向快速扩展和纵向穿层扩展的综合作用下，会如“剪刀”一般撕裂煤层，最终形成贯通顶板岩层和煤层的复杂缝网，为煤层气产出创造高导流通道（图1）[5,37-41]。顶板压裂开发模式选用的井型通常为U 型井组，水平井段布置在距离煤层1.5 m 左右的顶板岩层，水平井段下套管固井，采用“泵送桥塞+定向射孔”联作的分段压裂工艺，实施“大排量、大规模、高前置液比、中砂比”活性水压裂作业[5]。将顶板岩层作为水平井布井和压裂的目的层，具备以下优势[21]：①水平井钻进过程中，井眼稳定性好，且能避免钻井液对煤层的污染；②在压裂过程中，由于压裂液和支撑剂的重力作用，支撑剂更易在裂缝中形成有效支撑；③在排采过程中，煤粉在重力作用下难以进入支撑裂缝和井筒，有利于后期排采管理。间接压裂技术适应性取决于顶底板岩性组合，对于顶底板岩性为砂岩、细砂岩和粉砂岩的脆性岩层，其泊松比低、弹性模量高，岩层最小主应力小于煤层，适合压裂缝延伸，此类岩性顶底板比较适于间接压裂施工；而对于脆性矿物少的厚层泥岩，其可塑性比煤层更强，且最小主应力大于煤层，此类泥岩不适合间接压裂作业，只有当泥岩脆性指数高于40 时，间接压裂优势才能得以体现[21]。

图1 煤层顶板岩层水平井分段压裂开发煤层气技术模式[21]Fig.1 Technology model of CBM development using horizontal well staged fracturing in roof strata of coal seam[21]

截至2022 年11 月，顶板压裂开发技术已在安徽、河南、山西、陕西、贵州等省9 个矿区的碎软低渗煤层气开发中得到了推广应用，已施工或正在施工的顶板压裂水平井有60 余口，多口井日产气量稳定在4 000 m3以上，取得开发成效[3,8,42-45]。2013 年9 月，淮北矿业集团与中国煤炭科工集团西安研究院合作，在芦岭煤矿III-102 采区首次成功实施了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂工程试验[3]。目标8号煤层，深度744 m、厚度10.09 m，煤体破碎，含气量6.19 m3/t，渗透率0.08×10-3μm2，水平段位于顶板砂质泥岩层，距下部煤层0～1.5 m，长度586 m，分7段进行压裂。该井于2015 年4 月开始产气，单井最高日产气量10 754.8 m3，连续3 个月日产气量稳定在10 000 m3以上、连续17 个月平均日产气量7 075 m3，抽采4.5 a 累计产气量700×104m3，创造了国内碎软低渗煤层水平井单井产气量新记录（图2a）。2019年3 月，山西潞安矿区在余吾井田北二采区实施了1 口碎软煤层顶板水平井工程试验，目标3 号煤为软硬复合煤层，碎软煤分层占比高，煤层厚6 m，含气量10～12 m3/t，渗透性较差，顶板岩性为砂岩和泥岩[8]。该井水平段长830 m，分10 段进行压裂施工，排采最高日产气量9 271 m3，且产气量长期稳定在6 000 m3以上，截至2022 年11 月，该井已累计产气746×104m3，成为国内顶板压裂水平井开发煤层气高产稳产的代表（图2b）。

图2 典型碎软低渗煤储层顶板水平井分段压裂排采曲线[8]Fig.2 Drainage curves of stage-fractured horizontal well in roof of broken soft and low-permeability coal seams[8]

3.2 夹矸层水平井间接压裂技术

由于成煤环境的复杂性，在一定地质条件下，煤层中往往会形成一层甚至多层具有一定厚度的夹矸[46-47]。夹矸层岩性多为砂岩、泥岩、黏土岩等，常成层状、似层状或凸镜状分布；与煤分层相比，夹矸层具有抗压强度高、弹性模量高、泊松比低、脆性好等特点，可压性更高[48-49]。针对碎软低渗煤层直接压裂面临的工程难题，通过利用夹矸层利于压裂的优势，形成了碎软煤层夹矸层水平井间接压裂的技术方向[15]，其基本原理与顶板压裂类似，即在夹矸层中布置1 口水平井，采用分段射孔压裂方式，诱导水力裂缝由夹矸层起裂、扩展，在夹矸层内构建一系列长的压裂缝，并穿层进入上下部煤层，为煤层气的产出创造优势通道（图3）。夹矸层水平井间接压裂的选择需满足泥岩夹矸层厚度介于0.5～1.0 m，砂泥岩互层夹矸层厚度介于2.0～3.0 m，且夹矸层延伸稳定[50]。将夹矸层作为水平井布井以及压裂的目的层，存在如下技术优势：①夹矸层岩石强度高、可浸泡性好，可提高建井成功率，并避免钻井液和固井水泥浆对煤层的污染；②降低水力压裂的施工压力，提高了作业的安全性，同时裂缝延伸效果好，煤层改造体积大，增产效果更为明显；③在后期排采过程中，可显著降低煤粉产出量，保障排采作业的连续性和稳定性。以大宁-吉县区块5 号煤层H1 井夹矸层水平井间接压裂试验为例，5 号煤埋深为900～1 200 m，厚度为3.9～9.35 m，平均孔隙度和渗透率分别为3.45%和0.04×10-3μm2，煤体结构破碎，并发育4 套夹矸，夹矸岩性以灰黑色碳质泥岩为主[15]。H1 井为10 段压裂水平井，其中第1～3 段在煤层中射孔，第4～10 段在夹矸层射孔。压裂施工表明在煤层中直接压裂的施工压力为30～38 MPa，裂缝延伸压力为40 MPa，而在夹矸层中压裂的施工压力为25～28 MPa，裂缝延伸压力为20～25 MPa，与在煤层中压裂相比，夹矸层中压裂的施工压力和裂缝延伸压力分别下降了5～10 MPa 和15～20 MPa，且煤粉对压裂缝导流能力影响较小，裂缝延伸较好。H1 水平井稳产期高达52 个月，稳产期平均日产气量为5 768 m3/d，开发效果较好（图4）。

图3 煤储层夹矸层水平井间接压裂开发煤层气示意[15]Fig.3 Schematic of horizontal well indirect fracturing in the gangue of coal seam for CBM development[15]

图4 夹矸层水平井分段压裂与直井压裂日产气曲线对比[50]Fig.4 Comparison of daily gas curves between horizontal well staged fracturing in partings and vertical well fracturing[50]

3.3 硬煤分层水平井间接压裂技术

由于成煤环境和后期构造作用的影响，多数煤层在垂向煤层剖面上呈现碎软煤分层、坚硬煤分层交互特征[51-52]。针对煤储层的这一特点，通过利用坚硬煤分层利于压裂的优势，形成了基于坚硬煤分层水平井间接压裂开发碎软煤储层煤层气的技术方向[16]，其基本原理与顶板间接压裂以及夹矸层间接压裂类似，即将水平井布置于可压性好的坚硬煤分层中，采用下套管不固井的方式进行完井，然后通过水力喷砂射孔沟通井筒与硬煤分层，基于“油管(喷射)+环空(压裂)”大排量水力喷射压裂联作方式进行分段压裂改造，在硬煤分层中形成一系列长的压裂缝，同时这些裂缝能够穿层进入软煤分层中，从而实现对软硬煤分层煤层的整体压裂改造（图5）。硬煤分层水平井间接压裂技术的选择，需满足如下要求：①软硬煤分层叠合关系简单，硬煤分层延伸稳定且厚度较大（> 2 m）；②对于碎软煤分层厚度占比大、软硬煤分层叠合关系复杂的煤层，则需要满足硬煤分层连续延伸、长度较长、厚度较大（> 2 m）[8]。将水平井部署在硬煤分层中，选用下套管不固井完井方式，可大幅提高建井成功率，避免固井水泥浆的污染，并预防排采过程中井眼坍塌。另外，油管(喷射)+环空(压裂)大排量水力喷射压裂方式，还具有降低起裂压力、压裂排量和加砂规模大、定点压裂和防窜流效果好等优点，可显著改善作业效率、减少施工风险、降低作业成本。

图5 硬煤分层水平井分段压裂开发煤层气模式示意[8]Fig.5 Schematic of CBM development by horizontal well staged fracturing in hard coal stratification[8]

2015—2018 年，沁水盆地赵庄井田实施了软硬煤分层煤层水平井分段压裂工程试验，目标3 号煤层埋深763.0～768.2 m，厚5.2 m，水平段长730 m，水平井采用套管外不固井完井方式，并分8 段进行水力喷射压裂[16]。截至2018 年底，试验井累计产气量160×104m3，日产气量突破5 000 m3，稳产气量在4 000～5 000 m3，取得了较好的产气效果（图6a）。2020 年初，晋城矿区寺河矿也开展了软硬煤分层煤层水平井分段压裂工程示范，目标煤层15 号煤埋深335.5～337.6 m，煤厚2.1 m，含气量18 m3/t，水平段长820 m，射孔压裂8 段，段间加密补射孔8 段，累计加砂和用液量分别为350 和6 500 m3，平均加砂比>11.6%[8]。试验井自2020 年6 月1 日开始产气，8 月25 日产气突破5 000 m3/d，最高日产气量9 100 m3，稳定产量在7 000～8 000 m3，产气效果较好（图6b）。目前，该技术还在两淮、贵州、晋城等的部分煤矿区进行了推广应用。

图6 硬煤分层水平井分段压裂试验井产气曲线[8,16]Fig.6 Gas production curves of test wells with horizontal well staged fracturing in hard coal stratification[8,16]

4 碎软低渗煤储层应力释放技术

水力压裂技术主要采用岩体“加压”破裂变形的方法实现造缝增透，然后疏水降压采气。与水力压裂技术开采煤层气原理不同，通过利用碎软低渗煤储层机械强度低、易切割、破碎等天然力学特性，提出了通过水平井造洞穴或水力割缝实现移除煤储层物质的方式，激发煤储层大范围应力释放，进而诱发煤体膨胀，显著改善煤储层物性，促进气体降压解吸和渗流，实现碎软低渗煤储层煤层气的高效开发。

4.1 水平井造穴技术

水平井造穴卸压技术是指在煤层中钻水平井，然后通过机械、水力、气力等方法诱使井筒周围煤体破碎崩落，形成单个或多个洞穴，实现煤体大范围卸压增渗的技术，其力学本质为造穴打破原始应力状态，应力持续重构并诱发煤体损伤破裂[53-54]。依据应力分布演化特征，从洞穴应力自由面到未扰动区，洞穴周围煤体依次发生破裂、损伤、塑性变形和弹性变形，同时这些变形又导致煤体结构变化，引起原生裂隙扩展，新生裂隙形成，增强裂隙连通性，导致煤体渗透率提高[18,55]。近年来，针对碎软低渗煤储层水平井造穴卸压技术已开展了大量研究工作，形成了水力喷射造穴、气体动力造穴、机械-水力复合造穴等技术。

1）机械扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导可控煤体垮塌造穴。在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟实验系统”资助下，笔者团队提出了构造煤水平井双向往复式钻进+多级扩孔+流体加卸载诱导可控煤体垮塌造穴技术思路[4]。该技术可实现原地应力构造煤储层的大范围应力释放传递，在诱导水平井塌孔的同时，又能控制塌孔速率与强度，从而保证煤层气地面开发的稳定运行。其关键技术流程包括构造煤储层U 型井井位部署和建井成井→水平井机械扩孔与大口径成孔→水平井诱导控制造穴应力释放与煤储层激励→高浓度煤粉流体的高效举升→产出物的高效分离、回收、循环泵注（图7）。围绕上述技术流程，笔者团队已形成构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环等应力释放构造煤煤层气开发关键技术，获得一批自主知识产权成果。

图7 构造煤层气水平井机械扩孔+诱导控制塌孔造穴开发示意[56]Fig.7 Schematic of mechanical reaming+induced and controlled cavitation of structural CBM horizontal wells[56]

笔者团队以淮南地区典型构造煤为研究对象，开展了水平井诱导失稳造洞穴应力释放开发煤层气实验及数值模拟研究，取得了系列创新成果与认识[22,56-57]：①揭示了不同变形阶段构造煤视电阻率响应特征，形成了构造煤水平井造洞穴应力释放视电阻率成像监测方法；②明确了构造煤储层水平井造洞穴应力释放区扩展规律，揭示了地质–工程因素对构造煤储层应力释放的控制作用机制；③查明了不同诱导路径下构造煤变形特征，从能量演化角度探究了其变形–损伤机理，构建了构造煤储层可控诱导应力释放激励模式；④建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型，揭示了地应力演化对煤层气扩散的影响机制；⑤提出了构造煤塑性应变渗透率模型，揭示了复杂应力条件下应力释放开发煤储层渗透率演化机理与模式。笔者团队研究表明水平井造洞穴诱发的构造煤塑性破坏区半径可达洞穴半径的3～5 倍，在应力释放作用下构造煤储层渗透率可提高至初始渗透率的1～105倍；且随洞穴直径的增大，水平井造穴诱发的塑性破坏区和渗透率改善区范围更大（图8 和图9）。图中，Dc为洞穴直径，Lh为塑性区水平宽度，Lv为塑性区垂向高度。经过长期探索，笔者团队已初步构建了构造煤储层水平井造穴应力释放强化及地面开发煤层气理论技术体系，未来尚需开展相关工程试验对技术适用性进行验证。

图8 构造煤水平井造穴过程中洞穴周围塑性区分布结果[56]Fig.8 Variations of near-cavern plastic zone during horizontal well cavern completion in tectonically-deformed coal[56]

图9 构造煤水平井造穴过程中洞穴周围渗透率变化结果[56]Fig.9 Variations of near-cavern permeability during horizontal well cavern completion in tectonically-deformed coal[56]

2）水平井气体动力造穴。水平井气体动力造穴技术由直井洞穴完井技术衍生而来，其基本原理为首先选用一定尺寸、直径、强度的筛管进行完井，以保证水平段井壁稳定性，同时又能满足煤粉通过筛管进入井筒，然后从地面向煤层中多次注入空气/氮气进行憋压，之后迅速放喷，这种周期性的压力变化会在井内形成压力激动，从而破坏煤层原始应力状态，引起井筒附近煤层破坏、崩落，同时通过欠平衡返排煤粉，重复使用上述方法，直至形成稳定的洞穴，最后下入射流发生器的管柱进行循环洗井，以携带清除裂隙内的煤粉，实现裂隙通道的畅通（图10）[19,58]。气体动力学造穴技术尤其适用于坚固性系数f< 0.5、无夹矸以及厚度大的松软煤层，但是该技术需要反复的憋压放气，工程操作难度大，作业周期长，且存在造穴尺寸和方位不可控、出煤粉量大、易堵塞以及环境污染等问题。目前，气体动力造穴技术在两淮矿区碎软煤瓦斯治理方面取得了良好的应用效果。以淮南谢一矿水平石门揭煤试验为例，单井注气次数17～23 次，地面注气压力在4～8 MPa，单井出煤量在36～165 m3，单井平均日抽采量达1 500 m3，最高可达2 500 m3，实现了辅助消突的效果[53]。气体动力造穴技术在碎软煤井下瓦斯抽采方面的成功应用，为碎软低渗煤储层煤层气地面开发提供了借鉴和启示。中石油华北油田在沁水盆地樊庄区块樊72 平3 井，首次开展了水平井气体动力造穴试验，造穴后井眼扩径率为73.65%，经充气射流洗井后，持续监测到气体产出，取得了良好应用效果[19]。然而，樊庄区块以原生结构煤为主，水平井气体动力造穴技术在碎软低渗煤储层的工程适用性尚有待验证。

图10 煤层气水平井气体动力造穴卸压示意[19]Fig.10 Schematic of pressure relief with aerodynamic cavitation of CBM horizontal wells[19]

3）水平井水力喷射造穴。为有效解决碎软低渗煤层压裂效果差的难题，杨睿月等[18,59]提出了水平井水力喷射分段造穴卸压增透地面开发煤层气的新思路，通过构建大直径的水平井，实现煤层大范围应力释放。该技术采用磨料射流进行水力喷射定向切割破碎煤层，通过优化喷嘴类型、结构、排布、组合及喷射参数，在三维空间上形成具有一定尺寸和形状的洞穴，并采用管柱拖动式或投球滑套式实现逐级喷射造穴，沿井筒方向形成多段多簇的三维卸压空间，达到增加储层渗透率、提高煤层气产量的目的（图11）。水平井水力喷射分段造穴技术具备洞穴形状尺寸灵活调控、定点喷射、精准分段、多簇卸压优势，而且通过改变射流喷嘴类型，可适用于裸眼完井、筛管完井以及套管完井方式。2019 年，华北油田在沁水盆地郑庄区块开展了筛管完井水平井水力喷射分段造穴现场试验，改造后单井稳定日产气量达104m3，是相邻多级压裂水平井日产气量的4 倍左右（图12），证实了水平井水力喷射分段造穴技术在煤层气地面开发领域的工程可行性[7]。然而，郑庄区块以原生结构煤为主，水平井水力喷射造穴技术在碎软低渗煤储层的工程适用性尚有待验证。

图11 煤层气水平井水力喷射分段造穴示意[7,18]Fig.11 Schematics of hydra-jet multistage cavity completion in CBM horizontal wells[7,18]

图12 煤层气水平井水力喷射分段造穴井日产气与日产水曲线[7]Fig.12 Daily gas and water production curves of CBM horizontal wells with hydra-jet multistage cavity completion[7]

4.2 水平井水力割缝技术

水力割缝技术是利用高压水射流的冲击破岩能力，沿钻孔径向切割煤体，使其产生一定深度的盘状缝槽，由于物质的移除，缝槽周围煤体将向缝槽内流变、膨胀、变形、位移，诱使缝槽周围应力释放形成卸压区，一方面卸压区煤体有效应力降低，原有裂隙宽度不断增加，同时促使原有裂隙扩展、贯通，并萌生新的裂隙；另一方面，相邻卸压区应力叠加，将进一步扩大卸压范围，诱使煤体中裂纹不断增多、贯通，从而实现煤层增透[17,60]。目前，水力割缝卸压技术在煤矿井下瓦斯防突领域应用较多，而在煤层气地面开发中的应用相对较少[61-64]。基于水力割缝卸压提高储层渗透性原理，并综合井下瓦斯抽采实践和地面开发煤层气方式，卢义玉等[17]提出了“地面水平井+水力割缝卸压”方法开发深部煤层气理念，该方法利用深部煤储层高地应力、高孔隙压力大、低渗透性特点，通过在煤层中钻取水平井，并分段实施高压水力割缝作业，在煤层中切割产生多组盘状缝槽，形成沿井筒方向的连续卸压区，构建煤层立体缝网，从而大幅增加煤层渗透性，并指出由于碎软煤更易切割破碎，该技术在碎软煤中的应用效果更为显著（图13）。

图13 煤层气“地面水平井+水力割缝卸压”方法示意[17]Fig.13 Schematic of pressure relief method with the horizontal well+hydraulic slotting of CBM[17]

目前，水力割缝技术在碎软煤层井下瓦斯抽采领域已取得了显著的应用效果。新疆艾维尔沟矿区4 号碎软突出煤层水力割缝试验表明，水力割缝后日平均单孔抽采浓度和抽采纯流量均比普通抽采孔提高了2 倍以上（图14）[62]。鄂尔多斯盆地西缘碎软突出煤层水力割缝试验表明，水力割缝后日平均单孔抽采混合量和抽采纯量分别是普通抽采孔的1.91 倍和4.40 倍，抽采40 d 内钻孔总抽采量为83 462.57 m3，抽采率达到了35.71%[63]。水力割缝卸压技术在碎软煤井下瓦斯抽采方面的成功应用，为碎软低渗煤层气地面开发提供了重要启示和借鉴。然而，相较于矿井下水力割缝作业，碎软低渗煤层气“地面水平井+水力割缝卸压”开发模式所需要的井眼长度更长，面临的井壁失稳问题更加突出，且水力割缝作业时的流体传输动力损失更大，水力缝槽参数控制以及排煤粉难度更大，尚需开展系列工程试验对技术适用性进行验证。

图14 水力割缝钻孔与普通抽采钻孔井下瓦斯抽采效果对比[62]Fig.14 Comparison of gas extraction effect between hydraulic slotted drilling and ordinary drilling[62]

5 碎软低渗煤储层胶结后压裂技术

鉴于碎软低渗煤储层松软、破碎，难以进行直接压裂，SONG 等[20]提出了在不阻碍气体运移通道的前提下，采用微生物矿化法对碎软煤储层结构进行固化，提高煤体力学强度和硬脆性，然后再对其进行压裂的技术思路。该方法首先通过向碎软煤储层中注入巴氏生孢八叠球菌液，使微生物在煤颗粒表面吸附，然后再注入氯化钙溶液和尿素溶液，微生物以氯化钙和尿素为营养源，通过微生物诱导作用在煤颗粒表面及颗粒间形成碳酸钙沉淀。巴氏生孢八叠球菌诱导碳酸钙的基本原理为该细菌在新陈代谢过程中可持续分泌高活性脲酶，脲酶水解尿素生成氨和CO2，并通过细胞壁分散到周围溶液中，经过一系列化合反应后再生成铵根和碳酸根离子，当碳酸根离子与外加的钙离子相遇时便形成碳酸钙，菌株细胞则作为成核位点，促进碳酸钙成核、结晶、沉淀（图15）。生成的碳酸钙填充在颗粒间形成链接键，将碎软煤胶结成型，从而提高碎软煤力学强度和结构完整性。SONG 等[20]研究表明经4 轮巴氏生孢八叠球菌液注入（历时2 d）后，碎软煤单轴抗压强度提高至12 MPa，脆性指数提高至0.17，大于硬煤的脆性指数，可满足水力压裂的基本力学条件，且生成的碳酸钙并未完全充填碎软煤孔裂隙，保证了碎软煤的渗透性。

图15 巴氏生孢八叠球菌诱发碳酸钙形成和沉淀基本原理[20]Fig.15 Mechanisms for the formation and deposition of calcium carbonate by sporosarcina pasteurii[20]

目前，煤体加固技术已在碎软煤瓦斯突出治理方面得到了广泛的应用，常用的煤体加固剂包括超细水泥和树脂类材料（环氧树脂类、酚醛树脂类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、脲醛树脂类等），然而这些传统固化剂在低渗煤储层中渗透性差、注入难、扩散半径小，仅能对井孔周围较小范围内的煤体进行固化，且大部分为高分子物质，往往具有毒性，易造成环境污染[65]。微生物诱导碳酸钙作为自然界广泛存在的一种生物诱导矿化现象，具有方法简单、快速高效、环境耐受性好等优势，且微生物浆液为溶液或悬浊液，浆液黏度低、流动性好、渗透性强，其有效扩散半径要远大于传统固化剂扩散半径[66]。此外，微生物诱导碳酸钙方法可通过控制微生物浆液的注入轮次、注入速率，调整颗粒表面的碳酸钙沉积量，从而以最小的碳酸钙沉积量，实现颗粒间的链接，达到加固岩体和保持岩体渗透性的双重目的。该技术已在土木、环境等领域得到了广泛应用[67-68]，在碎软低渗煤储层固化以及辅助水力压裂方面将具有一定的应用潜力。

6 技术发展趋势与展望

目前，在碎软低渗煤储层水平井间接压裂技术方面，已取得了积极进展，并在现场取得了增产效果，成为碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发的可选技术。水平井应力释放技术以及先胶结后压裂技术仍处于技术探索阶段，相关碎软低渗煤层气地面开发工程试验正在推进。鉴于应力释放技术在碎软煤井下瓦斯抽采领域的显著应用效果，水平井应力释放技术被认为是未来极具发展前景的碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术。基于应力释放技术现阶段取得的进展和存在的问题，笔者从扩大应力释放范围、提高应力释放煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3 个方面对该技术可能的重要发展方向进行展望。

1）扩大水平井应力释放范围的技术。在碎软低渗煤储层中，虽然采用水平井造穴/割缝技术能够在一定程度上实现大范围的储层应力释放，但其诱发的卸压范围相对于整个储层而言仍然较小，仍需要在水平井造穴/割缝的基础上，继续采用某种强化措施（即造穴/割缝+），以扩大煤储层的改造范围，其中水力压裂和脉冲震荡技术不失为合适的选择。在水平井造穴/割缝的基础上继续进行水力压裂作业，一方面由于洞穴/割缝的卸压作用，使得压裂缝更易起裂，大幅降低压裂施工时的破裂压力，而且还能进一步扩大碎软低渗煤储层的改造区域，促进气体产出，从而加速煤储层的卸压，扩大煤储层的应力释放范围[70-71]。另外，在水平井造穴/割缝的基础上，进行脉冲震荡作业，如超声波震荡、电脉冲震荡、水力脉冲震荡等，不但可以在冲击波作用下进一步诱发煤储层破裂，扩大煤储层的应力释放范围，而且还能起到解除煤粉堵塞、疏通裂隙通道的作用[72-73]。

2）提高水平井应力释放煤层气开发效果的技术。水平井应力释放效应对碎软煤储层的改造作用，将大幅改善应力释放区煤储层物性，强化煤层气的解吸-渗流，同时煤层气的产出又将诱导煤储层应力持续重构，从而进一步激发应力释放区向远井带扩展、延伸。在碎软煤储层造穴/割缝完井的基础上，如何通过科学合理优化排采制度，实现碎软煤储层的可控应力释放，保障煤储层应力释放与排水采气间的持续互联互动，是提高水平井应力释放煤层气开发效果的关键技术之一。我国的多个煤层气地面开发工程实践表明，碎软煤层群煤层气井产气效果较差，而各目标煤层的分层控压合层排采是实现碎软煤层群高效开发的关键[8]。基于水平井应力释放开发方式的多煤层分层控压合层排采技术是未来亟待攻关的另一技术方向。此外，碎软煤储层的产煤粉潜力巨大，排采过程中的煤粉运移堵塞问题也是制约应力释放煤层气开发效果的关键技术瓶颈。如何通过优化排采制度，最大程度削弱应力释放过程中的煤粉运移堵塞负效应，是提高应力释放煤层气开发效果的又一关键技术。

3）实现水平井煤与煤层气共采的技术。对于碎软低渗煤储层而言，更有利于发挥煤层开采过程中岩层移动对煤层物性的改善作用，从而在采煤的同时高效开发煤层气，实现煤与煤层气的共采。通过地面钻取大直径水平井（“以井代巷”），采用造穴/水力切割应力释放技术，实现碎软煤的流态化开采以及采煤采气的一体化开发是未来水平井应力释放技术的重要发展方向。碎软煤储层水平井煤与煤层气共采技术的构建，需要重点攻关以下环节：①大直径水平井建井成井技术以及复杂结构井的井眼轨迹控制与对接技术；②基于造洞穴和水力切割的水平井可控应力释放采煤技术以及井下二次碎煤技术，并采用大数据、云计算、物联网等现代化信息，实现应力释放采煤作业的智能设计、智能控制以及智能感知与分析；③基于射流泵的高浓度煤粉流体（煤浆）负压举升技术以及地面气-水-煤粉多相流体的高效分离技术；④基于条带状开采与固废充填的覆岩控制技术。

7 结 论

1）我国以典型构造煤为代表的碎软低渗煤储层分布广泛，然而由于其连续性差，普遍具有机械强度低、弹性模量低、泊松比高等特点，在碎软低渗煤储层直接压裂过程中，水力裂缝难以扩展延伸，形成宽而短的裂缝，储层改造效果并不理想，经过近40 a 的攻关与探索，形成了以水平井间接压裂为主导的碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术，并提出了顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂3 种不同的开发模式，目前水平井间接压裂技术的工程实践探索已有较多的积累，在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果，极大促进了我国碎软低渗煤储层煤层气地面开发的进展。

2）受碎软煤层卸压增透抽采瓦斯技术以及洞穴完井技术的启示，现已形成了以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的水平井应力释放煤层气开发技术，目前以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得了重大进展，并进入工程试验和验证阶段，未来亟待对水平井应力释放诱发的碎软煤储层应力演化机理、渗透率响应机制以及应力释放下气-水-煤粉耦合流动规律等关键科学问题进行深入探索，并进一步研发配套软硬件设备。

3）基于微生物诱导碳酸钙，固化碎软煤储层以辅助水力压裂，是目前较为新颖的碎软煤储层改造技术思路，该方法可显著提高碎软煤的抗压强度和脆性指数，在保证煤体渗透性的前提下，使碎软煤满足水力压裂的基本条件，目前该技术尚处于实验室机理探索阶段，关于微生物诱导碳酸钙的有效固化半径、固化区的渗透率伤害程度以及固化区-非固化区水力裂缝扩展规律、改造效果等方面尚有待深入探究。

4）水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性以及新的开发原理，其卸压范围更广，储层改造潜力更大，未来有望成为碎软低渗煤储层煤层气高效开发的治本之策，从扩大水平井应力释放范围、提高应力释放煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3 方面，对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望，在水平井造穴/割缝基础上继续开展水力压裂或脉冲震荡作业，有望大幅扩大水平井应力释放范围，通过优化排采制度实现可控应力释放以及分层控压合层排采是提高应力释放煤层气开发效果的关键，而基于水平井应力释放实现碎软煤流态化开采和采煤采气一体化开发是未来的重要发展方向。