基于水力壓裂下脈沖放電技術(shù)的煤層氣開采應(yīng)用研究

吳 瓊，張鳳翔，陳松柏，來(lái)利鵬

（信陽(yáng)師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

0 引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開能源行業(yè)的大力支持，現(xiàn)階段煤炭占據(jù)主導(dǎo)地位的能源結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生重大變化，巨大的能源需求促使我國(guó)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(yè)原料[1]。在國(guó)際上，美國(guó)煤層氣行業(yè)發(fā)展迅猛，其中2010年產(chǎn)量為1 400億m3，預(yù)計(jì)2035年產(chǎn)量為3 800億m3，非常規(guī)天然氣開采量約占總量的50%[2]。

我國(guó)煤層氣分布廣泛，儲(chǔ)量位居世界第三，陸地煤層氣開采潛力約為百萬(wàn)億立方米?，F(xiàn)已有單位進(jìn)行研究并逐步投入開采生產(chǎn)[3]，但技術(shù)上相比于美國(guó)還有一定差距[4]。山西省2 000以內(nèi)埋深煤層氣儲(chǔ)量約為十萬(wàn)億m3，約占全國(guó)煤層氣儲(chǔ)量的三分之一[5]。這其中以河?xùn)|、沁水煤田資源量最為核心，占山西省煤層氣儲(chǔ)量九成以上[6]。近期山西省加快煤層氣開發(fā)進(jìn)程，據(jù)能源部門數(shù)據(jù)顯示，2019年山西煤層氣產(chǎn)量為71億m3，2020為85億m3。

中國(guó)各類礦產(chǎn)總量較大，但我國(guó)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(guó)能源緊張現(xiàn)狀，還將導(dǎo)致煤礦開采難度加大、瓦斯礦難事故頻發(fā)和大氣環(huán)境嚴(yán)重污染等。因此，加快研究煤層氣開采技術(shù)具有重要意義[7]。

1 常規(guī)開采方法及局限性

國(guó)家能源部門數(shù)據(jù)表明，目前我國(guó)煤層氣平均抽采率約為20%，不足發(fā)達(dá)國(guó)家一半。因此，尋求一種安全、高效、清潔的煤層氣抽采技術(shù)是推動(dòng)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?guó)內(nèi)外現(xiàn)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(qiáng)化抽采[8]、水力壓裂抽采[9]、開采解放層強(qiáng)化抽采[10]等方法。主動(dòng)法瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)[11]與脈沖中子源測(cè)井儀[12]在煤層氣探測(cè)方面有著重要作用。

傳統(tǒng)密集鉆孔存在極限抽采半徑，如果2個(gè)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(wú)法抽采出來(lái)。而當(dāng)鉆孔過于密集，那么在鉆孔施工的過程中鉆機(jī)極易發(fā)生串孔、卡鉆等現(xiàn)象，造成施工困難。而且過多的鉆孔會(huì)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(jīng)很少使用。水力割縫強(qiáng)化抽采方法由于受到設(shè)備的限制，產(chǎn)生的水壓較小，目前僅能達(dá)到15 MPa左右。其割縫寬度也較狹窄，而且缺少可直接用于實(shí)際生產(chǎn)的專用設(shè)備，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜，實(shí)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(yù)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(xù)支撐裂隙，從而提高煤層穩(wěn)定的滲透性。但煤層原生構(gòu)造復(fù)雜，煤質(zhì)一般都很松軟，常發(fā)生快速漏液、壓力失穩(wěn)、壓裂方向無(wú)法控制、支撐裂隙能力有限等問題。因此針對(duì)此方法要顯著提高煤層開采效果還需進(jìn)一步研究。

綜上可知，目前我國(guó)的煤層氣抽采還存在一定的局限性，技術(shù)方面還有很大的提升空間。其發(fā)展的最大挑戰(zhàn)是不能滿足我國(guó)現(xiàn)階段以及未來(lái)工業(yè)發(fā)展的需要，因此針對(duì)煤層致裂增透技術(shù)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(shù)最早于上個(gè)世紀(jì)后期由蘇聯(lián)專家提出。對(duì)此技術(shù)改進(jìn)后在國(guó)內(nèi)油田進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，效果顯著[13]。該技術(shù)的核心問題是研究高壓電容器作用于水隙，瞬時(shí)放電產(chǎn)生高密度能量積累和高壓等離子體膨脹的力學(xué)效應(yīng)。

現(xiàn)階段水壓致裂技術(shù)在油氣開采方面運(yùn)用較多，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、運(yùn)用范圍廣，適合當(dāng)下能源開采的環(huán)境和條件。其缺點(diǎn)在于速度較慢[14]，可控性低，雖然能實(shí)現(xiàn)開采目標(biāo)但效率不高，對(duì)于煤層氣的疏散效果有限，暫不能滿足實(shí)際工程需要。

將高壓脈沖放電技術(shù)與水壓致裂技術(shù)結(jié)合使用可揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高利用率。即在靜壓注水的同時(shí)，在孔內(nèi)實(shí)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(dòng)響應(yīng)，并在沖擊動(dòng)載的作用下，促生裂隙發(fā)育并實(shí)現(xiàn)有效貫通，減少煤層巖隙內(nèi)的傳輸阻力，快速釋放地質(zhì)內(nèi)部壓力，從而達(dá)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(nèi)施加一個(gè)環(huán)形沖擊力，生成裂隙并延展發(fā)育是脈沖放電致裂煤巖的近似過程。應(yīng)力波使巖體裂紋開裂，水介質(zhì)在水壓下楔入裂紋內(nèi)，產(chǎn)生新生裂紋，其裂紋尖端應(yīng)力分布如圖2所示。

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

應(yīng)力強(qiáng)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(shí)際長(zhǎng)度；Lt為楔入裂紋長(zhǎng)度；L0為初始裂隙長(zhǎng)度。水壓分布函數(shù)沿裂紋發(fā)育方向設(shè)為p(x,t)[15]，不考慮寬度和空隙影響因素，可認(rèn)為水壓沿裂紋方向是線性分布的，即簡(jiǎn)化為：

如p0為原始靜水壓力，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ_w可表示為：

依據(jù)強(qiáng)度因子的疊加理論，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ可表示為：

研究結(jié)果表明，水中高壓脈沖電弧通道內(nèi)等離子體壓力可達(dá)1 Gpa[16]，其有效振動(dòng)作用范圍可達(dá)30 m，影響范圍可達(dá)100 m，明顯大于單純水力壓裂過程的擾動(dòng)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(shù)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(lái)發(fā)展分析

現(xiàn)階段需解決的核心問題主要集中在基礎(chǔ)性能研究上。可以研制出一種高壓電脈沖煤體增透實(shí)驗(yàn)臺(tái)[17]，此實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)的物理力學(xué)特征，觀測(cè)其影響因素，從而確定沖擊波壓力傳播規(guī)律，以及脈動(dòng)二次損傷特性和壓力傳導(dǎo)性能分析。

水中脈沖放電沖擊動(dòng)載主要以沖擊波和氣泡脈動(dòng)形式生成，這種動(dòng)載形式會(huì)由于脈沖放電環(huán)境的變化而出現(xiàn)不同的加載耦合特性。圖3為水中脈沖放電沖擊動(dòng)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖[18]。

圖3 水中脈沖放電沖擊動(dòng)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Experimental data of pulsed discharge shock in water

水中脈沖放電在煤層氣井產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載可直接作用于煤巖體。其裂隙產(chǎn)生機(jī)理、裂隙尖端延伸、裂隙擴(kuò)展規(guī)律、及局部力學(xué)性質(zhì)是煤巖體致裂增透研究的重點(diǎn)。需通過大量煤樣的水中脈沖致裂實(shí)驗(yàn)，探討脈沖動(dòng)載的致裂增透機(jī)制，分析原有裂隙及新生裂隙的產(chǎn)生、延展、發(fā)育貫通特性，以及由氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生的空化作用效應(yīng)。結(jié)合滲流力學(xué)研究煤層氣解吸及物理形態(tài)轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制。逐步完善脈沖放電結(jié)合水力壓裂技術(shù)的理論體系，為煤層氣高效開發(fā)利用尋求突破奠定理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

（1）為加快煤層氣開采進(jìn)程，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)，高壓脈沖放電結(jié)合水壓致裂技術(shù)是解決低滲透煤層瓦斯抽取技術(shù)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(xué)、巖石力學(xué)、斷裂損傷力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)、電工學(xué)、等離子體物理等學(xué)科。要對(duì)脈沖放電致裂煤巖的裂隙尖端局部力學(xué)特征深入研究，建立沖擊動(dòng)載致裂實(shí)驗(yàn)框架和近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬算法，求解煤巖裂隙尖端開裂擴(kuò)展的核心問題，逐步完善水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)的理論體系。

（3）水中高壓脈沖放電技術(shù)未來(lái)將廣泛應(yīng)用于煤層氣開采、地壓防治、地?zé)衢_發(fā)等工業(yè)領(lǐng)域。其中提高煤層氣抽采率，保障煤礦安全高效生產(chǎn)，在能源供應(yīng)和能源安全方面提供穩(wěn)定的保障，其理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)地位將會(huì)日益凸顯。