低滲透煤層氣液兩相復(fù)合壓裂卸壓增透技術(shù)

王澤東，劉國磊，2，崔 崳，李 明，張曉君，姜 濤

（1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061）

我國煤炭生產(chǎn)和消費量巨大，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1]。隨著淺部資源的消耗殆盡，深部煤炭開采不斷擴(kuò)展[2]，而礦井深部煤層地質(zhì)條件更加復(fù)雜，多種災(zāi)害頻發(fā)，造成巨大損失[3-5]。這其中瓦斯事故占比高達(dá)40%[6]。瓦斯既是煤的伴生物又是煤礦主要災(zāi)害源，隨采深增加，瓦斯含量和壓力不斷增長，煤與瓦斯突出（簡稱突出）事故危害性也不斷加大，已成為煤礦開采最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[7]，突出也常伴有如爆炸、沖擊地壓等次生災(zāi)害發(fā)生[8]。

突出機(jī)理是突出防治的前提和理論基礎(chǔ)[9]，其中“綜合作用假說”被廣泛接受[10]。眾多學(xué)者也先后提出了解釋突出現(xiàn)象的定性假說或半定量化機(jī)理[11-12]，研究成果豐富。在監(jiān)測預(yù)警方面，突出危險監(jiān)測預(yù)警已形成較完善的技術(shù)體系[13-15]，實踐成果豐富，但開采前的預(yù)防和預(yù)警后的處置仍是防突的重點和難點。

目前我國礦井防突采取保護(hù)層開采與大面積預(yù)抽煤層瓦斯2 類區(qū)域性措施，輔以預(yù)抽瓦斯、超前鉆孔、水力化措施、松動爆破等局部防突措施[16-18]。我國突出煤層普遍具有低滲透的特點，低滲透性是煤層瓦斯抽采的首要難題，多數(shù)沒有保護(hù)層開采條件的單一高瓦斯低滲透煤層還是以效率低、效果差的預(yù)抽瓦斯為主。對此，水力壓裂技術(shù)因工藝相對簡單、兼具區(qū)域性卸壓增透和弱化煤體作用而受到青睞：陳冬冬等[19]研發(fā)了快速、定點、分段與可重復(fù)的水力壓裂孔內(nèi)裝備；劉東等[20]開展了水力沖孔壓裂卸壓增透抽采瓦斯技術(shù)工程實施研究；賈文超等[21]提出基于非對稱孔隙壓力場的多孔控制定向水力壓裂新工藝；鄭凱歌等[22]提出底板梳狀長鉆孔分段水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)。水力壓裂技術(shù)具有增透范圍大、效果顯著等特點，但存在壓裂產(chǎn)生的裂隙較少且容易由于增透方向的不確定而導(dǎo)致應(yīng)力集中以及瓦斯抽采屏障區(qū)的出現(xiàn)，也存在裂隙重新閉合使得瓦斯無法順利抽出等問題。

因CO2-煤的親和力和吸附力遠(yuǎn)大于瓦斯-煤，CO2氣體能夠置換出煤中吸附態(tài)瓦斯氣體，實現(xiàn)增透消突的目的，N2也有相似的作用效果，專家學(xué)者著力于CO2、N2壓裂增透、驅(qū)替CH4等方面的研究，取得豐富成果[23-24]。部分學(xué)者也提出煤層酸化增透機(jī)制，即向煤層注入1 種或多種酸液，通過溶解、溶蝕等化學(xué)反應(yīng)來增強(qiáng)煤層滲透率[25]。當(dāng)高壓泵入酸液時稱為酸化壓裂復(fù)合增透，酸化壓裂增透效果明顯優(yōu)于煤層酸化增透、水力壓裂增透方案[26]。

綜合分析，各種致裂增透措施針對不同地質(zhì)條件有各自的適用性，均有利弊，也有許多科學(xué)問題需要研究解決。瓦斯作為重要的不可再生煤層氣資源，實現(xiàn)煤與瓦斯協(xié)同共采是深部煤炭資源開采的必然途徑，能夠提高煤礦安全高效潔凈開采水平，促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；因此，低滲透煤層的高效增透技術(shù)研究是必要的，具有重要的理論意義和實踐價值；煤層高效增透技術(shù)的研究仍是防突的重點。

1 氣液兩相復(fù)合壓裂卸壓和增透裝置

煤層水力壓裂主要作用是起裂煤層，在煤層內(nèi)形成宏觀裂縫網(wǎng)絡(luò)，起到卸壓作用，同時促進(jìn)瓦斯?jié)B流和擴(kuò)散；CO2相變壓裂與水力壓裂相似，壓裂范圍較均勻，循環(huán)壓裂能取得更好的卸壓效果，同時CO2能夠進(jìn)入煤基質(zhì)的微觀孔隙，驅(qū)替瓦斯，促進(jìn)瓦斯抽采；煤層酸化增透是在水力壓裂的基礎(chǔ)上更換酸性壓裂液，酸液壓裂煤層的同時溶解部分雜質(zhì)，增大裂隙張開程度，產(chǎn)生的CO2氣體同樣具有前述驅(qū)替效果。綜合水力壓裂、CO2壓裂和驅(qū)替、煤層酸化增透技術(shù)的特性，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出氣液兩相復(fù)合壓裂卸壓增透與置換技術(shù)，并已獲得國家發(fā)明專利。氣液兩相復(fù)合壓裂卸壓增透裝置如圖1。

圖1 氣液兩相復(fù)合壓裂卸壓增透裝置Fig.1 Pressure relief and permeability increasing device for gas-liquid two-phase composite fracturing

技術(shù)主要實施步驟包括：①在煤壁中鉆打壓裂孔，并連接壓裂裝置；②將膠囊封孔器放置在壓裂鉆孔中；③開啟膠囊泵站，使泵入膠囊封孔器的水的壓力不小于致裂壓力；④開啟酸液泵站和堿液泵站，分別向膠囊封孔器中泵入酸液和堿液，兩者反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體；⑤煤層壓裂后，保持膠囊泵站、酸液泵站和堿液泵站壓力不變，直至流量計趨于穩(wěn)定；⑥關(guān)閉所有泵站，增透壓裂結(jié)束，撤出裝置。

該技術(shù)方法主要特點是將壓裂液替換為酸液和堿液，分別高壓泵入封閉壓裂孔內(nèi)混合，作為液相壓裂介質(zhì)；酸液和堿液反應(yīng)生成CO2氣體，形成氣相壓裂介質(zhì)，復(fù)合壓裂介質(zhì)能夠有效擴(kuò)展常規(guī)水力壓裂和氣相壓裂的優(yōu)勢，并補(bǔ)充兩者的不足，擴(kuò)大卸壓范圍、提高增透效果，強(qiáng)化瓦斯抽采效果。

2 煤層氣液兩相復(fù)合壓裂防突機(jī)理

能量的蓄積和突然釋放是突出的準(zhǔn)備階段和啟動階段最大的特點，在開采過程中，煤體開采卸壓、頂板動載、爆破沖擊等開采效應(yīng)引起應(yīng)力突變是突出啟動的直接原因，防突應(yīng)從突出準(zhǔn)備階段開始，主要是減少能量蓄積或消除能量積蓄條件[27]。煤層氣液兩相復(fù)合壓裂防突機(jī)理主要從煤層酸堿處理增透、高壓CO2促裂和CO2驅(qū)替增透3 個方面作用，對煤體進(jìn)行卸壓和增透，促進(jìn)瓦斯抽采，消減突出力源和物質(zhì)來源。

2.1 煤層酸堿處理增透

煤層是1 種結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成非均質(zhì)性的層狀礦產(chǎn)，充滿多種內(nèi)生裂隙和外生裂隙，內(nèi)部也含有多種雜質(zhì)礦物，雜質(zhì)和裂隙在煤層內(nèi)廣泛分布，影響著煤層的完整性和力學(xué)性質(zhì)。層理、割理和構(gòu)造3種裂隙系統(tǒng)組成了煤層原始裂縫系統(tǒng)，與煤層清水水力壓裂相似，CO2制劑壓裂煤層的起裂規(guī)律主要受原始裂縫系統(tǒng)控制。煤層中的原始裂隙系統(tǒng)示意圖如圖2[28]。

圖2 煤層中的原始裂隙系統(tǒng)示意圖[28]Fig.2 Existing fracture system in coal seam

在壓裂過程中，層理易于損傷變形，形成人工裂縫；面割理和端割理抗拉強(qiáng)度最弱，是煤層滲透率的主要貢獻(xiàn)者[29]，受壓后割理優(yōu)先損傷破壞并逐步擴(kuò)張；人工壓裂縫隙在層理和割理弱面間錯雜分布，在構(gòu)造裂隙疊加作用下，壓裂縫隙將呈網(wǎng)絡(luò)狀進(jìn)一步擴(kuò)大。壓裂鉆孔與原始裂縫系統(tǒng)呈不同方向貫通，壓裂液能夠輕易進(jìn)入這些原始裂縫系統(tǒng)，持續(xù)追蹤節(jié)理弱面，壓裂液蔓延促進(jìn)裂隙張開，形成相互交錯的裂隙網(wǎng)絡(luò)，便開始起裂過程。

煤中有多種礦物質(zhì)，無論是高灰煤還是低灰煤，均可用酸堿法有效脫除灰分[30]。鉆孔壁揭露了部分碳酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽形式存在的雜質(zhì)礦物，煤層起裂時部分酸性壓裂液溶解附近礦物起到酸化增透的作用，有助于壓裂液長距離、大范圍擴(kuò)散，促進(jìn)人工裂縫系統(tǒng)的擴(kuò)展和延伸，增大壓裂范圍，提高卸壓和增透效果。煤層酸化增透原理如圖3[31]。

圖3 煤層酸化增透原理[31]Fig.3 Principle of acidizing and increasing permeability of coal seam

此外，堿液與高嶺土、伊利石等礦物也存在一定程度的反應(yīng)，能夠使煤的粒度更加均一，表面的礦物質(zhì)小顆粒減少[32]，減少瓦斯運移通道的阻塞，有效增加煤體滲透性。

2.2 CO2 驅(qū)替增透

由于CO2的極化率和電離勢較大，CO2氣體分子和煤之間的作用力較大，煤對CO2的吸附能力大于CH4，因此高壓泵入的壓裂液混合后迅速反應(yīng)生成大量CO2氣體，驅(qū)替煤層中的CH4，3 個發(fā)展階段的主導(dǎo)效應(yīng)分別為裂隙游離CH4驅(qū)趕、CH4自解吸及CO2-CH4競爭吸附[33]。煤對CO2具有更高的作用力，兩者親和力更強(qiáng)，裂縫內(nèi)高壓CO2氣體沿煤層裂隙滲流，對裂隙中的游離態(tài)CH4產(chǎn)生驅(qū)趕作用，CH4由裂隙迅速向外擴(kuò)散，孔隙內(nèi)CH4分壓快速下降，煤基質(zhì)孔隙表面CH4解吸和吸附的平衡被打破，平衡向吸附態(tài)CH4解吸偏移，游離態(tài)CH4在CO2驅(qū)趕下排出裂隙。大量CO2擴(kuò)散進(jìn)入煤體微觀孔隙，與吸附態(tài)CH4不斷發(fā)生競爭吸附。在驅(qū)替過程中，大量CH4排出煤基質(zhì)，提高后續(xù)瓦斯預(yù)抽效率和效果。

2.3 高壓CO2 促裂

應(yīng)力場是影響裂隙張開和閉合的關(guān)鍵因素，煤層最小起裂壓力σ 應(yīng)克服地應(yīng)力作用產(chǎn)生的周向應(yīng)力σθ和煤層在垂直方向上的抗拉強(qiáng)度σbtH，滿足式（2）[34]。

式中：H 為煤層埋深，m；ρ 為煤層密度，t/m3；E1為平行層理方向的彈性模量，GPa；μ2為垂直層理方向的泊松比；E2為垂直層理方向的彈性模量，GPa；μ1為平行層理方向的泊松比。

煤層起裂后，壓裂液持續(xù)驅(qū)動裂紋張裂和延伸，引起鉆孔周邊煤體卸壓，應(yīng)力場動態(tài)演變，人工縫隙發(fā)育區(qū)內(nèi)應(yīng)力均化和降低，應(yīng)力向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和累積，甚至產(chǎn)生局部集中，應(yīng)力增量為△σ，此時最小起裂壓力σ′=σ+△σ，裂縫末端壓裂液壓力難以滿足起裂條件，壓裂增透范圍達(dá)到極限。此時壓裂液迅速反應(yīng)生成的大量CO2氣體具有足夠的壓強(qiáng)，能夠提供額外起裂壓力σp，則壓裂液最小起裂壓力顯著降低，滿足σ′=σ+△σ-σp，氣液兩相高壓流體能夠繼續(xù)起裂煤層，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張和延伸，壓裂卸壓增透范圍得以擴(kuò)大，提高瓦斯治理效果。

氣液兩相復(fù)合壓裂煤層的實質(zhì)：①高壓液造縫卸壓：CO2氣體促進(jìn)遠(yuǎn)端裂隙擴(kuò)展，增大卸壓范圍，區(qū)域地應(yīng)力場重新分配，形成大區(qū)域煤層裂隙發(fā)育卸壓區(qū)，區(qū)內(nèi)應(yīng)力均化和降低，應(yīng)力集中向孔壁深處卸壓區(qū)邊緣轉(zhuǎn)移，能夠在很大程度上消除瓦斯突出煤體失穩(wěn)和瓦斯突出的應(yīng)力來源；②壓裂增透：卸壓區(qū)內(nèi)裂縫對瓦斯有良好的導(dǎo)流增滲作用，利于瓦斯預(yù)抽，同時均化和降低瓦斯壓力場，緩解瓦斯突出危險性；③CO2驅(qū)替CH4促抽：CO2能夠深入煤基質(zhì)孔隙，驅(qū)趕游離態(tài)CH4，置換吸附態(tài)CH4，促進(jìn)CH4解吸，有效弱化突出的物質(zhì)來源，增加抽采效率。氣液兩相復(fù)合壓裂煤層具有卸壓和增透效應(yīng)，降低和均化地應(yīng)力場和瓦斯壓力場，截斷突出的準(zhǔn)備階段，同時提高抽采效率，保證瓦斯預(yù)抽的快速達(dá)標(biāo)，實現(xiàn)單一低滲透高瓦斯突出煤層的安全開采。煤層氣液兩相復(fù)合壓裂技術(shù)體系如圖4。

圖4 煤層氣液兩相復(fù)合壓裂技術(shù)體系Fig.4 Gas-liquid two-phase composite fracturing technology system of coal seam

3 防突機(jī)理特點和技術(shù)關(guān)鍵點及不足

3.1 機(jī)理特點

1）反應(yīng)產(chǎn)物呈中性、易溶解。壓裂液可以選擇如鹽酸溶液和碳酸氫鈉溶液，兩者反應(yīng)產(chǎn)物為中性且溶于水，不會污染煤層，不會產(chǎn)生大量沉淀，阻塞壓裂縫隙。

2）少量酸化增透產(chǎn)物支撐作用，減弱裂隙閉合。酸液主體是與堿液反應(yīng)，有少部分酸液與雜質(zhì)礦物接觸、反應(yīng)，煤層酸化增透產(chǎn)物含有少量固體顆粒，能夠?qū)α严镀鸬揭欢ㄖ巫饔茫苊饬严堕]合。

3）反應(yīng)升溫，避免CO2過量吸附降低滲透率。CO2氣體驅(qū)替CH4存在1 個矛盾點，煤層吸附CO2后膨脹，會引起滲透率降低，而隨著溫度升高，CO2氣體的驅(qū)趕游離態(tài)CH4、降低分壓促進(jìn)吸附態(tài)CH4解吸的能力變化很小，但驅(qū)替CH4的特性會有所降低[33]，因此壓裂液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出熱量，環(huán)境溫度升高，促進(jìn)CH4排出的同時，避免了煤層過量吸附CO2而膨脹，導(dǎo)致滲透性降低。

4）技術(shù)方式靈活多變。除一次高壓壓裂煤體外，可以調(diào)整泵入壓力，逐級加壓，低壓泵入階段以CO2氣體為主要起裂手段，CO2氣體膨脹將會在鉆孔周圍形成與CO2相變爆破技術(shù)類似的較均勻致裂區(qū)，只是壓裂效果相對較弱，隨后高壓液相能夠更均勻地壓裂煤體，避免局部壓裂引起應(yīng)力集中。

3.2 技術(shù)關(guān)鍵點

1）壓裂液的種類。該技術(shù)方案為實現(xiàn)高效壓裂增透的目標(biāo)，選擇酸液和堿液作為壓裂液，技術(shù)層面要求兩者反應(yīng)生成CO2，且對礦物質(zhì)具有腐蝕性；在安全和環(huán)保層面，則要求液體不污染煤層、反應(yīng)產(chǎn)物對環(huán)境友好，通常酸液為無機(jī)酸溶液，堿液為無機(jī)碳酸鹽或碳酸氫鹽溶液，金屬離子對應(yīng)的金屬單質(zhì)的密度不大于4.5 g/cm3。如酸液可選擇鹽酸、硝酸等，堿液可選擇碳酸鈉或碳酸氫鈉，溶液對礦物質(zhì)具有腐蝕性，產(chǎn)物對煤層傷害低。

2）壓裂液的濃度配比：①考慮到化學(xué)反應(yīng)特性，堿液為碳酸鹽溶液時，酸液中H+物質(zhì)的量與堿液中CO32-物質(zhì)的量比為2∶1，堿液是碳酸氫鹽溶液則為1:1；同時出于環(huán)保的角度，酸液的酸性不宜過高，優(yōu)選pH≥4，堿液的堿性不宜過高，優(yōu)選pH≤8；②煤層中含有一定的H2S 氣體，濃度超限時會造成較大危害，因此，本技術(shù)可選擇適當(dāng)增加堿液濃度，達(dá)到額外除去H2S 的目的，增加的量可參考注堿鉆孔控制范圍H2S 完全中和需要NaHCO3質(zhì)量m 的計算公式（3）[35]。

式中：k1為注堿儲備系數(shù)；b 為鉆孔間距，m；La為鉆孔長度，m；Qh為回風(fēng)量，m3/min；C 為H2S 體積分?jǐn)?shù)，%；v 為采煤機(jī)回采速度，m/min；Lc為滾筒截深，m。

3）壓裂裝備的可靠性。壓裂泵站、管路、封孔器等需要具有足夠的耐酸堿腐蝕性；煤層地質(zhì)情況復(fù)雜多變，鉆孔孔壁形態(tài)也多變，封孔器封孔的好壞決定了壓裂的成功與否；由于分源泵入壓裂液，設(shè)備多，各設(shè)備間的配合需嚴(yán)格控制，特別是泵入壓力和流量的控制，應(yīng)防止液體回流。

3.3 存在的不足

1）環(huán)境安全。所用壓裂液對人體和設(shè)備具有較大危害，儲存、搬運和使用過程中均存在一定泄漏風(fēng)險，特別是壓裂過程中的不可控性，壓裂液走向大部分受煤層裂隙控制，液體存在與錨索孔、錨桿孔、卸壓孔等通道連通的風(fēng)險，因此定點、定向壓裂是重要的研究點。

2）反排效果。殘酸殘堿對儲層存在二次傷害，如何增加液體排除，減少殘留是1 個重要的優(yōu)化方向。

3）輔助添加劑。壓裂液應(yīng)具備低濾失性、防水鎖、防水敏、低摩阻等性能，技能有效壓裂煤層，又避免造成水鎖等問題，通常加入相關(guān)輔助試劑來解決，但酸堿中和反應(yīng)條件下的試劑較難確定，有待深入研究。

4）設(shè)備繁雜。技術(shù)所需設(shè)備數(shù)量多、種類多、占空間大，不能很好滿足井下設(shè)備體積小、效率高的原則，因此設(shè)備存在優(yōu)化設(shè)計空間，將各部分設(shè)備組合，減小體積、提高效率。

4 結(jié) 語

1）氣液兩相復(fù)合壓裂防突技術(shù)具有高效卸壓和增透效應(yīng)，降低和均化地應(yīng)力場和瓦斯壓力場，截斷突出的準(zhǔn)備階段，提高抽采效率，促進(jìn)單一低滲透高瓦斯突出煤層的安全開采。

2）酸液與雜質(zhì)礦物接觸反應(yīng)，增加裂隙數(shù)量，促進(jìn)高壓液體的擴(kuò)散，有助于煤層的起裂卸壓和增透。

3）CO2氣體能夠提供額外起裂壓力σp，降低最小起裂壓力，滿足σ′=σ+△σ-σp，增大壓裂卸壓和增透范圍，同時CO2進(jìn)入微觀孔隙，驅(qū)替CH4，提高瓦斯治理效果。

4）防突技術(shù)的機(jī)理特點：①反應(yīng)產(chǎn)物呈中性、易溶解；②少量酸化增透產(chǎn)物支撐作用，減弱裂隙閉合；③反應(yīng)升溫，避免CO2過量吸附降低滲透率；④技術(shù)方式靈活多變。

5）需要解決的技術(shù)關(guān)鍵點主要有壓裂液的種類、壓裂液的濃度配比及壓裂裝備的可靠性等。

6）技術(shù)尚處于理論研究階段，諸多關(guān)鍵問題還需進(jìn)行深入研究，開展實驗室試驗、工程實驗，豐富理論支撐，研制配套壓裂裝備，優(yōu)化工藝流程。