煤礦井下水力壓裂技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

摘 要：我國煤炭安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻，增加煤層透氣性、進(jìn)行有效瓦斯抽放迫在眉睫。水力壓裂技術(shù)是目前增加煤層透氣性最有效的方法之一，文章從水力壓裂機(jī)理、封孔技術(shù)、工藝設(shè)備發(fā)展三方面，綜述了我國井下煤層水力壓裂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；煤層；增透；發(fā)展現(xiàn)狀

基金項(xiàng)目：重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，編號：YKJCX2014047

目前我國煤炭行業(yè)的安全形勢依然嚴(yán)峻，由于煤層透氣性低、瓦斯難以有效抽放導(dǎo)致的瓦斯突出、爆炸等事故屢見不鮮，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此，加強(qiáng)瓦斯抽放、增加煤層透氣性勢在必行。水力壓裂技術(shù)已成為增加煤層透氣性最有效方法之一，本文通過介紹水力壓裂機(jī)理、封孔技術(shù)及工藝設(shè)備的研究現(xiàn)狀，指出水力壓裂技術(shù)研究的必要性與可行性，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1.水力壓裂機(jī)理研究

水力壓裂技術(shù)1947年始于美國，起初主要用于低滲透油、氣田的開發(fā)中，在地面水力壓裂方面的研究僅僅局限在石油、油氣藏以及地?zé)豳Y源的地面鉆井開采過程中[1]。前蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)60年代開始在卡拉甘達(dá)和頓巴斯礦區(qū)進(jìn)行井下水力壓裂的試驗(yàn)研究[2]。目前針對井下煤層水力壓裂增透技術(shù)的研究已取得了明顯發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者郭啟文、張文勇等經(jīng)過試驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)用研究了煤層的壓裂分解機(jī)理，指出水力壓裂技術(shù)只能夠在煤層內(nèi)產(chǎn)生很少的裂縫，并會(huì)在裂縫周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)[3]，存在一定局限性。李安啟等將理論與實(shí)踐相結(jié)合，研究了煤層性質(zhì)對水力裂縫的影響，還在煤層壓裂裂縫監(jiān)測基礎(chǔ)上提出了煤層水力裂縫的幾何模型。

在水力壓裂機(jī)理方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者對水力壓裂在油氣系統(tǒng)地面鉆井壓裂、煤炭行業(yè)井下增加煤層透氣性方面都進(jìn)行了較為深入的研究，但其壓裂機(jī)理方面仍存在一定分歧，不能很好的控制水力壓裂的效果。隨著我國煤炭安全生產(chǎn)逐步發(fā)展和穿煤隧道等工程的逐步建設(shè)，水力壓裂技術(shù)將大范圍推廣應(yīng)用，因此加強(qiáng)水力壓裂技術(shù)理論研究勢在必行。

2.壓裂鉆孔封孔技術(shù)研究

煤層水力壓裂鉆孔封孔是有效實(shí)施水力壓裂技術(shù)的關(guān)鍵，而封孔質(zhì)量的好壞取決于兩個(gè)主要因素：①封孔材料，需要選擇性能良好、價(jià)格適中、易于操作的材料；②封孔的長度，封孔長度太短會(huì)導(dǎo)致高壓水的滲漏，太長會(huì)造成人力、材料、時(shí)間的浪費(fèi)。因此，要使水力壓裂技術(shù)能夠有效開展，必須在選取“物美價(jià)廉”的封孔材料的同時(shí)，研究材料承載能力與封孔長度之間應(yīng)滿足的關(guān)系，因此有關(guān)水力壓裂過程中鉆孔封孔問題的研究主要集中在封孔材料、封孔方法方面的研究。

倪冠華等采用無縫鋼管模擬鉆孔的方法，對PD復(fù)合材料的脈動(dòng)水力壓裂鉆孔密封參數(shù)進(jìn)行了研究，確定了一定注水壓力下的封孔長度，并獲得了許多有益結(jié)論，但是該方法不能真實(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際情況，存在一定局限性。葛兆龍等通過建立水力壓裂鉆孔封孔的力學(xué)模型，研究了封孔材料承載能力與材料、封孔長度等存在的關(guān)系，并指出：封孔材料、封孔長度是影響封孔承載力的關(guān)鍵因素，封孔材料承載能力隨材料的強(qiáng)度、彈性模量、封孔長度的增加而增加，且當(dāng)封孔長度增加到一定程度時(shí)，封孔材料承載能力趨于某一定值。2011年由朱建安、申偉鵬[4]等學(xué)者研發(fā)的水力壓裂耐高壓水力封孔器具有結(jié)構(gòu)簡單，封孔可靠，注水壓力高，可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，但目前在煤礦井下以及穿煤隧道施工過程中近水平孔的封孔方法研究仍然較少，導(dǎo)致增加鉆孔施工量，加大了勞動(dòng)成本。2014年彭深[5]等學(xué)者對煤礦水力壓裂封孔技術(shù)長期存在的工藝復(fù)雜、封孔困難等問題進(jìn)行了較為深入的研究，分析了封孔器耐壓的相關(guān)影響因素，為井下水力壓裂鉆孔封孔器的設(shè)計(jì)以及抗壓性能的計(jì)算提供了參考，但準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步提高。目前我國大多煤礦采用水泥砂漿封孔等傳統(tǒng)封孔工藝，但其封孔周期長，成本高等問題已逐步顯現(xiàn)，因此，未來仍需加強(qiáng)對封孔技術(shù)研究，采用新技術(shù)使壓裂鉆孔封孔技術(shù)往工藝簡單，操作方便、耐壓性能好等方向發(fā)展。

綜上所述，水力壓裂封孔技術(shù)主要有水泥砂漿封孔和封孔器封孔2種，其中水泥砂漿封孔所能承受壓力較高，但也存在固有的缺點(diǎn)；封孔器封孔工藝較為簡單，但承受壓力較小，特別是近水平孔封孔質(zhì)量不高、封堵成功率低、可操作性不強(qiáng)、壓裂增透效果差等方面的問題。目前仍需從壓裂理論層面進(jìn)一步創(chuàng)新，發(fā)掘封孔技術(shù)的主要參數(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)封孔質(zhì)量才能從根本上利用水力壓裂技術(shù)達(dá)到增加煤層透氣性的目的。

3.水力壓裂工藝設(shè)備研究

當(dāng)前針對煤礦井下水力壓裂工藝方法研究也較多，并取得了不小的成果，蘇現(xiàn)波等采用頂?shù)装屙槍鱼@孔、頂?shù)装宕鱼@孔、本煤層順層鉆孔或本煤層穿層鉆孔進(jìn)行水力壓裂，首先確定鉆孔參數(shù)施工鉆孔，再設(shè)計(jì)水壓及注水量、洗孔、排水、檢驗(yàn)壓裂效果，合格后聯(lián)管抽放。王魁軍[6]等在頂（底）板巖巷（也可以在煤巷）向煤層打水力壓裂鉆孔，壓裂鉆孔進(jìn)入煤層的長度大于煤層厚度的1/2以上，并在水力壓裂鉆孔周圍打若干控制鉆孔，從水力壓裂鉆孔進(jìn)行水力壓裂，當(dāng)壓裂范圍達(dá)到控制鉆孔時(shí)，在水力壓裂鉆孔周圍一定距離煤體產(chǎn)生抗壓薄弱區(qū)域，高壓水可以把水力壓裂鉆孔與控制孔之間的煤體壓穿，從而達(dá)到增透效果。

煤礦井下水力壓裂工藝目前主要有常規(guī)壓裂、定向水力壓裂、高脈動(dòng)水力壓裂以及井下點(diǎn)式水力壓裂等技術(shù)工藝。常規(guī)水力壓裂能夠克服最小主應(yīng)力和煤體的抗裂壓力，擴(kuò)寬伸展并溝通這些裂縫，增加煤層相互貫通裂隙的數(shù)量和增大單一裂隙面的張開程度，最終使得煤層透氣性增加。目前已經(jīng)在鶴壁、焦作、義馬、平頂山等礦區(qū)得到應(yīng)用，并取得了一定效果[7]。由徐幼平等對定向壓裂與非定向壓裂的效果進(jìn)行了比較，并在平煤集團(tuán)十二礦進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果表明定向壓裂比非定向壓裂在壓裂半徑、增透效果上都有明顯優(yōu)勢，為煤礦水力壓裂技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

4.結(jié)語

目前，我國煤礦井下水力壓裂技術(shù)已經(jīng)取得了不少成果，并在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了較好的效果，但由于我國幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，水力壓裂技術(shù)并未形成系統(tǒng)應(yīng)用。壓裂機(jī)理尚未完全明晰；封孔技術(shù)水平還較為落后，特別是近水平孔多抗壓性能差，封孔質(zhì)量不高，并且壓裂效果不好的問題尚未得到重視。盡管已在工藝設(shè)備的研究方面取得了不少成果，但成本較高，難以推廣應(yīng)用，加強(qiáng)相關(guān)設(shè)備的研制必對未來煤礦安全形勢有巨大推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊萬有. 薄差層壓裂力學(xué)機(jī)理及工藝研究[D].大慶： 大慶石油學(xué)院，2006.

[2] 安志雄. 采用水力壓裂強(qiáng)化煤層瓦斯抽放的遠(yuǎn)景[J].煤礦安全，1989，20 （ 9） ： 51-53.

[3] 趙陽升，楊棟，胡耀青等. 低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣開采有效技術(shù)途徑的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2001， 26（5）： 455-458.

[4] 朱建安，申偉鵬，郭培紅. 煤礦水力壓裂耐高壓水力封孔器的研制[J]. 煤礦安全. 2011（08）. 5-6.

[5] 彭深，翟成等. 鉆孔膠囊封孔器耐壓影響因素及其在煤礦水力壓裂中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2014，45（7）114-117.

[6] 王魁軍，富向，曹垚林等. 穿層鉆孔水力壓裂疏松煤體瓦斯抽放方法：中國， CN101581231[P]. 2009.11-18.

[7] 王念紅，任培良. 單一低透氣性煤層水力壓裂技術(shù)增透效果考察分析[J].煤礦安全， 2011， 42 （ 2）：109-112.

作者簡介：郭晨 （1990一），男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯治理的研究。