人工致裂煤巖體及研究進(jìn)展

宋翔宇

內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010

我國能源具有“多煤少油”的特點[1]，煤炭在開采過程常伴有瓦斯的產(chǎn)生[2]。因此，實現(xiàn)對煤層中瓦斯的合理利用，不僅能夠減少溫室氣體的排放[3]，還能在一定程度上緩解國內(nèi)油氣能源緊缺的問題。我國煤層氣(煤礦瓦斯)儲量極為豐富，卻存在變質(zhì)程度高、滲透率低、埋藏深等[4]特點，造成國內(nèi)煤層氣發(fā)展一直處于低水平階段。為提高儲層低滲透性，增加瓦斯抽采效率，一個直接有效的方法就是擴(kuò)大、增加煤巖儲層的裂隙，使之貫通擴(kuò)展成網(wǎng)，增加煤層氣的滲透性，為氣體運(yùn)移提供通暢的運(yùn)輸通道[5]。常見的儲層改造方式：水壓致裂方式、水力割縫致裂、水壓爆破致裂等。其中水壓致裂和水力割縫致裂在煤層氣抽采中的應(yīng)用較為廣泛，但水力裂縫擴(kuò)展較為單一[6]，受地應(yīng)力影響較大，僅限于在淺埋儲層進(jìn)行改造，具有一定局限性。水力割縫在一定程度上能提高煤層透氣性，水力割縫所形成的縫槽空間尺寸較小，煤體產(chǎn)生卸壓變形的范圍有限，導(dǎo)致單個割縫鉆孔的增透范圍較小。基于傳統(tǒng)壓裂存在的問題，本文對現(xiàn)有幾種煤層增透技術(shù)上進(jìn)行對比分析，總結(jié)了用于煤礦井下治理瓦斯的水壓致裂工藝的研究現(xiàn)狀，并對該技術(shù)的發(fā)展趨勢提出了建議。

1 人工致裂的方法

1.1 水壓致裂技術(shù)

水壓致裂技術(shù)最早在石油開采技術(shù)中進(jìn)行應(yīng)用，是國內(nèi)外常用的儲層人工致裂技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)實用、技術(shù)成熟、工藝安全、擾動性小等特點，廣泛應(yīng)用于石油開采和高瓦斯煤儲層的人工致裂改造。其原理是通過向儲層注入高壓力水，造成儲層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，使儲層形成運(yùn)輸通道，降低油氣在儲層孔隙中的吸附力，從而提高油氣抽采效率，見圖1。水壓致裂作業(yè)過程中對流量、注入壓力和微地震監(jiān)測等指標(biāo)進(jìn)行分析評價，判斷儲層的改造效果。

(1)注入壓力用于分析水力裂紋起裂擴(kuò)展壓力，根據(jù)彈性理論對其進(jìn)行求解。通過起裂壓力的變化可以判斷出裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r。

(2)注入流量用于分析裂縫的擴(kuò)展長度和濾失量。當(dāng)壓裂過程中出現(xiàn)流量突然增加起裂壓力、突然降低時停止加載。

(3)微地震監(jiān)測是評價儲層改造最有效手段，利用水力裂紋起裂擴(kuò)展過程中出現(xiàn)的微地震判斷裂紋的走向和擴(kuò)展長度。

圖1 水壓致裂示意圖

水壓致裂技術(shù)存在的問題：

(1)水壓致裂過程中需要不斷地向儲層內(nèi)注水，用水量大，只適用于微小孔隙的儲層改造，當(dāng)儲層內(nèi)孔隙過大或出現(xiàn)斷層現(xiàn)象時，會增加濾失量，造成壓裂失效。

(2)水壓致裂過程中需要向壓裂液中添加化學(xué)增透劑，用于提高儲層的增透效果，對地下水等設(shè)施造成污染和腐蝕，裂縫需要加入支撐劑用于維持開啟狀態(tài)，裂縫一旦閉合，便失去了增透效果。

(3)水壓致裂過程中存在裂縫分叉以及多條裂縫同步擴(kuò)展現(xiàn)象，造成應(yīng)力干擾增加起裂壓力，同步壓裂過程中難以保證裂縫均勻擴(kuò)展，因此，在壓裂過程中需要集中壓力對不同儲層進(jìn)行定向壓裂，確保儲層改造的均勻性。

解決措施：采用二次壓力的方式進(jìn)行重復(fù)壓裂，高瓦斯煤層中存在致裂過程中的瓦斯驅(qū)趕現(xiàn)象(圖2)，合理控制注壓時間，控制瓦斯氣體的釋放。同時二次壓裂可促進(jìn)微裂隙的發(fā)育，提高鉆孔表面煤層的瓦斯解析率。

圖2 水壓致裂過程中瓦斯驅(qū)趕現(xiàn)象示意圖

采用循環(huán)泵對儲層進(jìn)行脈動水壓致裂，通過交變荷載對儲層附近巖體造成疲勞破壞，減少化學(xué)增透劑的用量，降低污染。同時水的波峰值對裂尖具有水錘效應(yīng)，有助于裂縫長度擴(kuò)展，降低起裂壓力。

1.2 水力割縫技術(shù)

水力割縫技術(shù)是通過高壓水射流泵對開采煤層兩側(cè)的切割，形成一定寬度和深度的水平縫，貫穿潛在煤層裂縫，又增加了新裂縫，從而降低了煤層自然狀態(tài)下的地應(yīng)力，實現(xiàn)煤層增透性，減少煤瓦斯突出的風(fēng)險。隨著割縫的完成，儲層得到了充分的卸壓，孔隙通道得到了充分的改善，割縫口可直接用于瓦斯的抽采。

相比較于水壓致裂技術(shù)，水力割縫的優(yōu)勢在于，可對儲層進(jìn)行定向割縫，致裂效果可控；同時水力割縫所用設(shè)備只需要高壓水射流泵，占用空間小，操作便捷；水力割縫后能夠?qū)拥貞?yīng)力進(jìn)行泄壓，孔隙通道自然形成，直接在縫口處即進(jìn)行瓦斯抽采，無須加入支撐劑。

水力割縫技術(shù)存在的問題：

(1)相比于水壓致裂技術(shù)，水力割縫作業(yè)范圍有限，僅能通過局部儲層改造對儲層進(jìn)行解堵。

(2)水力割縫作業(yè)工作面不如水壓致裂，水力割縫作業(yè)常常在礦井中進(jìn)行，水力割縫作業(yè)的同時會產(chǎn)生較大出水量，在狹小的空間中排水是個困難的問題。

(3)水力割縫是在高壓狀態(tài)下進(jìn)行，現(xiàn)階段的水力割縫施工缺乏安全規(guī)范，相比于水壓致裂具有較大的危險性。

解決措施：對水壓致裂鉆孔進(jìn)行加裝改造，采用水壓—水射流的方法進(jìn)行作業(yè)，實現(xiàn)二者致裂效果的互補(bǔ)。

1.3 (定向)水壓爆破技術(shù)

(定向)水壓爆破技術(shù)是利用炸藥在聚能套筒定向爆破作用和水的不易壓縮性，借助水介質(zhì)傳遞炸藥爆炸時所產(chǎn)生的能量與壓力，延長爆炸作用時間[7]，實現(xiàn)儲層充分解堵的目的。水壓定向(聚能)爆破裝藥效果如圖3所示。

圖3 定向(聚能)水壓爆破裝藥示意圖

為確保水壓爆破的致裂效果，需要進(jìn)行深埋裝藥，因此，炮孔的質(zhì)量直接決定了儲層致裂效果質(zhì)量，炮孔在鉆取過程中要確保平直，孔壁光滑，便于長距離裝藥；為避免常規(guī)起爆方式造成爆破中斷，采用雙雷管雙導(dǎo)爆索正向起爆，確保致裂順利完成。

水壓爆破技術(shù)的優(yōu)點：

相比于前兩者的致裂技術(shù)，水壓爆破致裂范圍優(yōu)于水力割縫和水力壓裂，同時具有水力割縫能夠定向制縫的特點，以及水力壓裂能夠深層致裂的效果。

水壓爆破技術(shù)存在的問題：

(1)水壓爆破技術(shù)在炮孔制作時要求較為苛刻，特別是深層爆破致裂，同時還需要采用特殊材料對炮孔進(jìn)行封堵制，致裂準(zhǔn)備時間較長。

(2)水壓爆破技術(shù)在爆炸過程中裝藥量較高(特別是深層爆破)，因此對于爆破效果難以控制，爆破結(jié)束后還需要對儲層產(chǎn)生的污染物進(jìn)行清孔。

(3)相比于水力壓裂，水壓爆破技術(shù)難以進(jìn)行二次爆破致裂，因此，需要專業(yè)人員進(jìn)行炮孔制作，增加作業(yè)成本。

1.4 密集鉆孔抽放瓦斯技術(shù)

密集鉆孔抽放瓦斯技術(shù)通過采用加大鉆孔直徑、縮小鉆孔間距、降低抽放負(fù)壓方式，實現(xiàn)提高瓦斯抽采效率的目的。周世寧院士提出的滲流理論[8]，可得鉆孔總瓦斯流量為：

Q=πmλ0.9P01.85R10.2a0.1t-0.1

(1)

通過上式不難看出，隨著抽放的持續(xù)，總瓦斯流量Q趨于平衡時，將與煤層厚度m成正比、與煤層瓦斯壓力P0的1.85次方，透氣系數(shù)λ的0.9次方成正比，而瓦斯流量Q受鉆孔半徑R1的影響較??；鉆孔瓦斯流量主要由瓦斯壓力P0和透氣系數(shù)λ所決定。

密集鉆孔抽放瓦斯技術(shù)存在的問題：

(1)采用鉆孔抽放時，鉆孔直徑的增加在抽采初期會產(chǎn)生一定效果，由于鉆孔總氣體流量僅與鉆孔半徑的1/5次方成正比，因此隨著抽放的持續(xù)將不再發(fā)生過多變化。

(2)鉆孔間距與鉆孔的有效抽放半徑有關(guān)，實踐證明：鉆孔的有效抽放半徑隨著提取時間的延長而增大，當(dāng)提取的時間達(dá)到某一臨界值時，達(dá)到極限提取半徑。若兩個鉆孔間距達(dá)到2倍極限半徑時，鉆孔之間剩余瓦斯氣體將無法抽采，與抽放時間的延長無關(guān)。

(3)鉆孔過密，容易導(dǎo)致施工作業(yè)過程中出現(xiàn)串孔、卡鉆，從而無法施工。

(4)在較低的煤層透氣性系數(shù)情況下，瓦斯抽放率不會隨著鉆孔抽放負(fù)壓增加而提高。

1.5 其他方法

1.5.1 高壓電脈沖水壓致裂增透技術(shù)

高壓電脈沖水壓致裂技術(shù)是利用高壓電極放電擊穿產(chǎn)生液體介質(zhì)(通常指水)產(chǎn)生的脈動沖擊水激波作用于煤巖體表面，實現(xiàn)與水壓爆破相似的沖擊波作用，實現(xiàn)儲層解堵的目的。相比于水壓爆破技術(shù)，該技術(shù)具有重復(fù)性強(qiáng)、電壓可調(diào)節(jié)、水激波作用強(qiáng)度可控，便于操作、致裂過程中不產(chǎn)生污染物的特點，受到廣泛關(guān)注。

參考文獻(xiàn)[9]中的人員和參考文獻(xiàn)[10]中的鮑先凱團(tuán)隊對該技術(shù)已對水中高壓電脈沖激波致裂增透技術(shù)的可行性進(jìn)行了充分的驗證，對于液電水激波特性[11]、致裂機(jī)理[12]、損傷演化[13]、非均質(zhì)層穿透特征[14]等理論進(jìn)一步完善。但是該技術(shù)在實際工程中尚未大規(guī)模推廣普及，主要原因是由于電容器等儲電設(shè)備的技術(shù)不成熟，由于高能儲能裝置的體積過于龐大，需要采用電纜進(jìn)行電能傳輸，放電致裂過程勢必造成極大的能量損失，同時水中放電過程產(chǎn)生的沖擊波對放電電極的損耗較為嚴(yán)重。如何解決儲電設(shè)備小型化與電極材料耐久性，是該技術(shù)未來需要突破的技術(shù)瓶頸。

1.5.2 脈動水力壓裂增透技術(shù)

脈動水力壓裂是一種以常規(guī)水力壓裂的卸壓增透作用為基礎(chǔ)，結(jié)合煤巖體疲勞破壞特性而衍生出的一種水力增透技術(shù)。該技術(shù)充分發(fā)揮脈動荷載的波峰幅值的“水楔作用”，在交變應(yīng)力作用下造成儲層裂隙疲勞擴(kuò)展，有效降低儲層的起裂壓力。該技術(shù)與電脈沖技術(shù)一樣均無污染物產(chǎn)生。

國內(nèi)翟成等人[15]、林柏泉[16]團(tuán)隊對該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究論證，通過改變脈動激波的幅值和頻率，探究致裂效果。該技術(shù)在實際工程中同樣尚未大規(guī)模推廣普及，主要原因是脈動水力壓裂技術(shù)對于埋藏深儲層的致裂作用較小，所用設(shè)備體積龐大等原因造成。

2 致裂增透技術(shù)的發(fā)展趨勢

(1)隨著人工智能化的不斷發(fā)展，今后的儲層改造設(shè)備必將趨于智能化、小型化。結(jié)合大數(shù)據(jù)計算，儲層人工改造會有更優(yōu)的算法、更完善的理論體系、更健全的行業(yè)規(guī)范。

(2)隨著人工致裂技術(shù)的不斷發(fā)展，今后會有更多的儲層增透模式將會顯現(xiàn)，同時增滲技術(shù)逐漸趨向綠色化、經(jīng)濟(jì)化、環(huán)保化、安全化方向，各種常規(guī)致裂技術(shù)相結(jié)合的方式會越來越普遍。