刘晓;马耕;苏现波;陶云奇
【摘 要】在分析总结我国煤矿井下水力压裂增透抽采已有研究成果的基础上,从理论基础、装备水平、技术工艺等方面探讨了井下钻孔水力压裂取得的成绩与不足,认为目前煤矿井下水力压裂增透抽采理论与技术多借鉴于石油气、煤层气开采的相关研究成果,尚没有完全形成以煤层瓦斯赋存特征、采掘应力场、裂隙场、流场的动态变化特征和井下瓦斯抽采特点等为基础的、特鲜明的煤矿井下水力压裂理论及技术体系.据此,提出了相应对策:大力发展瓦斯抽采地质学,研究水力压裂前、中、后地应力和水力裂缝演化规律及瓦斯抽采的动态响应特征;进一步提高煤矿井下水力压裂的钻孔、封孔、压裂、测试等相关的设备水平;以缝网改造为煤矿井下水力压裂技术的发展思路,结合井下“三场”动态变化特征,有的放矢进行水力压裂设计,丰富内涵,扩展外延;大力发展井下与地面联合水力压裂抽采瓦斯及煤气共采等理论与技术.为煤矿井下水力压裂的推广应用提供一定的借鉴.
【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(035)003
【总页数】6页(P303-308)
【关键词】水力压裂;存在问题;缝网改造;井地联合
【作 者】刘晓;马耕;苏现波;陶云奇
【作者单位】河南理工大学 能源科学与工程学院,河南焦作 454000;中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454000;河南理工大学 能源科学与工程学院,河南焦作 454000;中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454000;河南能源化工集团研究院有限责任公司,河南郑州 450000;河南理工大学 能源科学与工程学院,河南焦作 454000;中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454000;河南理工大学 能源科学与工程学院,河南焦作 454000;中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454000;河南能源化工集团研究院有限责任公司,河南郑州 450000
【正文语种】中 文
【中图分类】TD712+.67
我国煤矿地质条件复杂，高瓦斯煤层占70%以上，而高瓦斯低透气性煤层又占其中的 70%左右，采前区域瓦斯抽采是实现煤和瓦斯安全共采、减少环境污染的主要措施[1]。随着高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术的深入研究，许多水力化措施得到应用，其特点都是以水作为煤体卸压增透的介质，使煤层产生并沟通裂隙，提高瓦斯抽采效果。水力压裂技术可开启、扩展、延伸煤层裂隙，提高抽采效率，通过在国内大量的工业性试验应用表明，水力压裂具有增透范围大，增透效果显著的特点，为低渗煤层的瓦斯抽采提供了一条新的途径[2-6]。
近些年，煤矿井下水力压裂技术得到了长足发展，各个矿区采用该技术在低渗透煤层瓦斯抽采方面取得了较好效果，但也暴露出不少问题，使该技术并未能顺利推广应用。本文在总结、分析前期水力压裂试验及工业应用的基础上，阐明了煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯存在的问题，并提出了相应对策，以期为煤矿井下钻孔水力压裂的推广应用提供一定的借鉴。
煤矿井下水力压裂增透抽采研究主要体现在两大方面：一方面为井下钻孔水力压裂的室内实验及理论分析；另一方面为煤矿井下钻孔水力压裂的现场试验及工业应用。下面分别简述之。
(1)室内实验及理论研究。目前煤矿井下水力压裂的研究多集中在通过室内试件压裂实验、理论分析和数值模拟对水力压裂注入参数、裂缝扩展、延伸规律进行研究[7-12]，水力压裂过程中煤岩应力及渗透率演化并不多见。康红普[13]采用空心包体应变计，对水力压裂前后钻孔附近煤层应力的变化及水力压裂实施后，随着工作面推进，前方煤层应力的变化进行了监测，指导了坚硬顶板的放顶作业，对水力压裂增透抽采瓦斯具有一定的借鉴意义；富向[14]利用 RFPA2D-Flow 软件模拟了穿煤层钻孔定向水压致裂全过程，分析了应力、 水压的分布与变化规律。
(2)现场试验及工业应用。近些年，煤矿井下钻孔水力压裂在河南能源化工集团、平煤集团、郑煤集团、阳泉煤业集团、晋城煤业集团、潞安煤业集团、六枝工矿集团、六盘水煤业集团、陕煤集团、重庆能源投资集团等大型煤炭企业试验应用，并均取得了较好效果[15-19]。其中，重庆能源集团在10多对突出矿井进行了100余次试验，水力压裂后，煤层透气性提高了50余倍，压裂钻场预抽瓦斯体积分数是常规预抽的6.5倍，平均单孔抽采纯量是常规预抽的4.4倍，试验矿井抽采达标时间比常规抽采缩短近4个月，掘进单进提高了2倍以上，并未出现防突指标超标现象。但有些矿井并未取得预期效果。
2.1 井下水力压裂理论基础亟需夯实
目前煤矿井下水力压裂的相关理论、模型多借鉴于地面煤层气勘探开发及石油气开采，尚没有完全结合煤层瓦斯赋存特征、采掘过程中三场(应力场、裂隙场、流场)的时空动态变化特征、井下抽采特点，形成旗帜鲜明的煤矿井下水力压裂理论体系。
(1)需大力发展煤层瓦斯抽采地质技术，为水力压裂抽采瓦斯提供指导。煤层瓦斯赋存特征是煤层瓦斯抽采的基础和关键。煤矿井下水力压裂作为煤层增透的重要技术，其实施效果与煤层瓦斯赋存特征息息相关。但目前的水力压力尽管考虑了地质因素的影响，但缺乏细致、系统的地质指标，仅以人的主观意识和经验进行判断，这一方面是由于地质勘探装备技术有待进一步提高，另一方面也受制于煤炭连续开采需大规模抽采的现状，往往对不同煤层瓦斯赋存区域一视同仁，没有有的放矢地进行抽采设计及压裂设计。解决此问题，亟需科学的抽采地质理论以指导抽采设计。通过分析地质因素对瓦斯抽采的影响，建立以抽采地质评价指标和分类方法为核心的瓦斯抽采地质技术与评价体系，指导水力压裂的设计及抽采。
(2)主客观影响因素之下的裂缝延伸扩展规律有待于进一步研究。水力压裂裂缝的开启延伸不仅受上覆岩层压力、水平主应力的影响，而且同时也受制于煤岩层岩性、煤层厚度、煤
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层倾角、煤体含水性、裂隙发育程度等自然客观存在的煤岩储层物性特征，另外，水力压裂注入工艺、注入参数、压裂钻孔方位及长度、压裂时间、排水时间、抽采负压等人为主观因素也对水力压裂效果起到不可忽视的作用。目前煤矿井下水力压裂的破裂模型及裂缝形态模型鲜有与上述的主客观关键因素相关联，尤其采掘造成的应力场、裂隙场、流场的时间及空间变化对水力裂缝扩展延伸规律有待于继续深入研究。
(3)亟需探索水力压裂过程中应力及渗透率演化规律。水力压裂作为煤层增透的有效途径，其开启裂缝数目及均匀程度至关重要且受制于水力压裂相关的主客观因素。但追根到底各种因素均体现在“力”上，“力”是缝开启和扩展的原因，同时，缝又反作用于应力，水力压裂过程中钻孔周边应力展现出怎样的分布及变化规律？在此情况下，煤体渗透率又如何变化？水力压裂的影响范围受何种因素怎样的制约？这些问题的研究不仅能对水力压裂提供指导，而且也为瓦斯抽采“抽得出、抽得快、抽得省、抽得好”提供理论支撑。
(4)需深入研究含水煤体负压作条件下的瓦斯渗流机理。含水煤体的瓦斯渗流规律实验室进行了大量的实验研究，对水力压裂提供了理论支持，但现场水力压裂实施后是在负压条件下进行的抽采，笔者在阳煤寺家庄公司、焦煤中马村矿、新河煤矿、鹤壁中泰矿业有限公
司、松藻煤电渝阳公司等单位所做的试验表明，水力压裂后，钻孔抽采流量呈现出不同的形态，大体可以分为3类：小流量-大流量；大流量-小流量；忽高忽低。并且受负压影响较大，采取何种措施能够实现较为连续稳定的抽采；这就需要对含水煤体负压条件下的瓦斯渗流机理进行深入研究。
2.2 井下钻孔水力压裂装备材料有待提高
(1)水力压裂泵组。目前专业的煤矿井下钻孔水力压裂泵组主要有3种(表1)，设备体积基本上都能适应井下狭小的巷道空间，进行钻孔水力压裂时，往往是在某一额定档位，极限档位不易长时间工作，注入压力和流量受电机功率限制，难以反映井下钻孔水力压裂的真实压力变化，同时，远距离监测性能有待于进一步提高。网络分配器
(2)水力压裂封隔器。井下水力压裂钻孔封孔质量是水力压裂成败的关键，目前主要采用水泥砂浆封孔，但其封孔工艺繁琐、技术难度大、封孔耗时长、成本高。借鉴石油系统的封隔器，也研发了相应的基于胶囊膨胀扩张的井下水力压裂钻孔封孔器，取得了一定效果，但由于钻孔成孔规则程度及成孔质量的制约，加之自身膨胀率有限，并未得到推广应用。为满足水力压裂钻孔封孔需求，河南理工大学、河南省煤层气公司等相继研发了水力压裂
钻孔专用封孔材料，取得了较好效果，但在封孔工艺、封孔成本等方面有待于进一步的改进完善。
(3)其他。煤矿井下水力压裂增透技术的实施是以设备为基础的一项系统工程，除压裂泵外，还涉及钻孔钻进、图像传输、瓦斯参数监测、应力变化测试、巷道围岩变形、裂缝开启形态、钻孔含水条件下煤层瓦斯流量、含量、体积分数等多个方面的有效测试手段与装备。
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2.3 井下钻孔水力压裂工艺及管理需进一步完善
经过众多研究者的研究及现场应用，目前已经形成了较为完善的煤矿井下水力压裂工艺体系，但尚有改进完善的地方，以使煤矿井下钻孔的水力压裂的实施更加科学，主要表现在以下方面。
(1)进一步完善煤矿井下水力压裂可行性评价指标体系。近些年，煤矿井下水力压裂得到了较快发展，在全国为数不少的矿区开展了相关研究及应用，但效果良莠不齐，究其原因有二：一是对煤矿井下水力压裂并无深刻认识，生搬照抄，并没有结合矿井特点有的放矢地
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进行研究；二是缺乏完善的水力压裂可行性评价指标体系，包括煤层顶底板岩性、煤层厚度及倾角、煤岩裂隙发育、孔隙率、巷道部署、应力特征、泵类型及参数匹配、组织管理等。软毡
(2)水力压裂钻孔类型较为单一，没有充分利用井下的便利条件。井下水力压裂区别与地面煤层气开发的主要特点是施工便利、成本低、周期短，可结合采场裂隙演化有目的进行水力压裂。同时，水力压裂钻孔的施工、压裂、抽采要同煤矿井下的采、掘、抽在工序上相协调。
(3)完善煤矿井下水力压裂效果考察方法。煤矿井下水力压裂不仅仅是为了尽可能多的抽采瓦斯，要从“抽得出、抽得快”向“抽得省、抽得好”转换，要实现煤矿井下瓦斯的高效抽采及保质保量的利用，为此，需要制定一系列的考察方法，包括抽采流量、抽采体积分数、应力变化、抽采稳定时长、经济效益分析等，且循序渐进落实，同时，要加大煤矿井下水力压裂的过程管理、工艺管理、组织管理，保障措施到位，提高技术应用水平。
3.1 大力发展瓦斯抽采地质研究
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以瓦斯地质学、采矿学、渗流力学等学科为基础，大力发展瓦斯抽采地质技术，实现与煤层瓦斯抽采密切相关的地质判识、地质预测，更准确地阐明煤岩层瓦斯抽采地质特征，为有的放矢地选择水力压裂和瓦斯抽采工艺、确定施工参数提供可靠的地质保障；研究多流态瓦斯运移产出规律，探明水力压裂在造缝“正效应”条件与水抑制瓦斯“负效应”条件下的瓦斯运移产出，从而优化工艺参数；探讨水力压裂前、强化中及抽采中的地应力变化规律，研究应力场、裂隙场、流场对瓦斯抽采的影响，提出分级分类评价指标；建立井下钻孔水力压裂体积改造三维空间内的影响范围及改造程度的量化指标与评价体系。
