人工致裂煤巖體及研究進展

宋翔宇

內蒙古科技大學土木工程學院 內蒙古包頭 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生[2]。因此，實現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，卻存在變質程度高、滲透率低、埋藏深等[4]特點，造成國內煤層氣發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大、增加煤巖儲層的裂隙，使之貫通擴展成網，增加煤層氣的滲透性，為氣體運移提供通暢的運輸通道[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用較為廣泛，但水力裂縫擴展較為單一[6]，受地應力影響較大，僅限于在淺埋儲層進行改造，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，煤體產生卸壓變形的范圍有限，導致單個割縫鉆孔的增透范圍較小。基于傳統壓裂存在的問題，本文對現有幾種煤層增透技術上進行對比分析，總結了用于煤礦井下治理瓦斯的水壓致裂工藝的研究現狀，并對該技術的發展趨勢提出了建議。

1 人工致裂的方法

1.1 水壓致裂技術

水壓致裂技術最早在石油開采技術中進行應用，是國內外常用的儲層人工致裂技術，具有經濟實用、技術成熟、工藝安全、擾動性小等特點，廣泛應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，造成儲層內部產生裂紋，使儲層形成運輸通道，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。水壓致裂作業過程中對流量、注入壓力和微地震監測等指標進行分析評價，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展壓力，根據彈性理論對其進行求解。通過起裂壓力的變化可以判斷出裂紋擴展狀況。

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

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

圖1 水壓致裂示意圖

水壓致裂技術存在的問題：

(1)水壓致裂過程中需要不斷地向儲層內注水，用水量大，只適用于微小孔隙的儲層改造，當儲層內孔隙過大或出現斷層現象時，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增透劑，用于提高儲層的增透效果，對地下水等設施造成污染和腐蝕，裂縫需要加入支撐劑用于維持開啟狀態，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展現象，造成應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展，因此，在壓裂過程中需要集中壓力對不同儲層進行定向壓裂，確保儲層改造的均勻性。

解決措施：采用二次壓力的方式進行重復壓裂，高瓦斯煤層中存在致裂過程中的瓦斯驅趕現象(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微裂隙的發育，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趕現象示意圖

采用循環泵對儲層進行脈動水壓致裂，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，有助于裂縫長度擴展，降低起裂壓力。

1.2 水力割縫技術

水力割縫技術是通過高壓水射流泵對開采煤層兩側的切割，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下的地應力，實現煤層增透性，減少煤瓦斯突出的風險。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，水力割縫的優勢在于，可對儲層進行定向割縫，致裂效果可控；同時水力割縫所用設備只需要高壓水射流泵，占用空間小，操作便捷；水力割縫后能夠對儲層地應力進行泄壓，孔隙通道自然形成，直接在縫口處即進行瓦斯抽采，無須加入支撐劑。

水力割縫技術存在的問題：

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

(2)水力割縫作業工作面不如水壓致裂，水力割縫作業常常在礦井中進行，水力割縫作業的同時會產生較大出水量，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下進行，現階段的水力割縫施工缺乏安全規范，相比于水壓致裂具有較大的危險性。

解決措施：對水壓致裂鉆孔進行加裝改造，采用水壓—水射流的方法進行作業，實現二者致裂效果的互補。

1.3 (定向)水壓爆破技術

(定向)水壓爆破技術是利用炸藥在聚能套筒定向爆破作用和水的不易壓縮性，借助水介質傳遞炸藥爆炸時所產生的能量與壓力，延長爆炸作用時間[7]，實現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，需要進行深埋裝藥，因此，炮孔的質量直接決定了儲層致裂效果質量，炮孔在鉆取過程中要確保平直，孔壁光滑，便于長距離裝藥；為避免常規起爆方式造成爆破中斷，采用雙雷管雙導爆索正向起爆，確保致裂順利完成。

水壓爆破技術的優點：

相比于前兩者的致裂技術，水壓爆破致裂范圍優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。

水壓爆破技術存在的問題：

(1)水壓爆破技術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行封堵制，致裂準備時間較長。

(2)水壓爆破技術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，爆破結束后還需要對儲層產生的污染物進行清孔。

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

1.4 密集鉆孔抽放瓦斯技術

密集鉆孔抽放瓦斯技術通過采用加大鉆孔直徑、縮小鉆孔間距、降低抽放負壓方式，實現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，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的影響較小；鉆孔瓦斯流量主要由瓦斯壓力P0和透氣系數λ所決定。

密集鉆孔抽放瓦斯技術存在的問題：

(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將不再發生過多變化。

(2)鉆孔間距與鉆孔的有效抽放半徑有關，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，當提取的時間達到某一臨界值時，達到極限提取半徑。若兩個鉆孔間距達到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。

(3)鉆孔過密，容易導致施工作業過程中出現串孔、卡鉆，從而無法施工。

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

1.5 其他方法

1.5.1 高壓電脈沖水壓致裂增透技術

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

參考文獻[9]中的人員和參考文獻[10]中的鮑先凱團隊對該技術已對水中高壓電脈沖激波致裂增透技術的可行性進行了充分的驗證，對于液電水激波特性[11]、致裂機理[12]、損傷演化[13]、非均質層穿透特征[14]等理論進一步完善。但是該技術在實際工程中尚未大規模推廣普及，主要原因是由于電容器等儲電設備的技術不成熟，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生的沖擊波對放電電極的損耗較為嚴重。如何解決儲電設備小型化與電極材料耐久性，是該技術未來需要突破的技術瓶頸。

1.5.2 脈動水力壓裂增透技術

脈動水力壓裂是一種以常規水力壓裂的卸壓增透作用為基礎，結合煤巖體疲勞破壞特性而衍生出的一種水力增透技術。該技術充分發揮脈動荷載的波峰幅值的“水楔作用”，在交變應力作用下造成儲層裂隙疲勞擴展，有效降低儲層的起裂壓力。該技術與電脈沖技術一樣均無污染物產生。

國內翟成等人[15]、林柏泉[16]團隊對該技術進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。該技術在實際工程中同樣尚未大規模推廣普及，主要原因是脈動水力壓裂技術對于埋藏深儲層的致裂作用較小，所用設備體積龐大等原因造成。

2 致裂增透技術的發展趨勢

(1)隨著人工智能化的不斷發展，今后的儲層改造設備必將趨于智能化、小型化。結合大數據計算，儲層人工改造會有更優的算法、更完善的理論體系、更健全的行業規范。

(2)隨著人工致裂技術的不斷發展，今后會有更多的儲層增透模式將會顯現，同時增滲技術逐漸趨向綠色化、經濟化、環保化、安全化方向，各種常規致裂技術相結合的方式會越來越普遍。