覃木广

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤炭是我国的主体能源，根据相关预测，在“十四五”期间，煤炭仍将占据我国一次性能源消费的半数以上，并且在相当长一段时间内，将继续保持强劲的竞争优势。2014—2018年， 煤炭生产量、消费量分别维持在36.8亿～38.7亿t、 39.7亿～41.2亿t。我国95%的煤矿开采是地下作业，煤层赋存地质条件复杂，事故灾害严重，随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿往深部开采走向常态化，煤炭深部开采面临着诸多问题，例如地质条件复杂化、地应力大、温度升高，瓦斯含量和瓦斯压力急剧加大，而且煤层渗透率低，煤矿瓦斯治理对于深部开采煤层形成了巨大挑战[1-2]。水力压裂起先应用于油气资源的勘探与开发，主要用来提高油气资源的采收率，之后随着技术的不断进步，以及水力压裂增透范围大、增透效果明显等优势，其在井下低透气性煤层的卸压增透方面取得了广泛的应用，开辟了低渗煤层瓦斯治理新途径[3]。

近些年，井下煤矿水力压裂理论与技术取得了长足的进步，在各大煤矿瓦斯抽采治理方面应用效果良好。因为井下煤层地质条件、煤层性质的复杂性，任何工艺技术都存在一定的局限性，如一些煤层不适合压裂，或者煤层因为压裂产生一些安全事故。因此，井下煤层水力压裂在理论与技术上必须开展具有针对性的研究，提出与煤层瓦斯地质条件相适应的水力压裂一体化解决方案，才能使水力压裂增渗效果达到最好。

基于此，本文对井下水力压裂理论与技术的研究成果进行了总结，结合当前我国水力压裂理论、工艺技术、压裂设备等方面研究进展，指出井下煤层水力压裂理论与技术的发展方向，为水力压裂技术提高和煤层增渗技术发展提供借鉴和参考。

1 井下煤层水力压裂理论与技术研究现状

1.1 煤储层水力压裂理论研究现状

水力压裂是在足够高的压力下，将液体注入到压裂孔中，通过穿孔或裸眼井段，进入目标地层，从而破坏岩石，造成裂缝的过程。随着高压流体注入的继续，一些流体泄漏到地层中，其余流体保持裂缝内部的压力足够高，使裂缝继续扩展。通常一开始泵入清洁液体是为了产生裂缝。实践表明，对于低渗透煤岩体，为了保持压力的膨胀，初始压力往往大于裂缝。钻孔后，只要裂缝开始在较弱的表面扩展，其余的裂缝方向往往不再发育，即在较弱的位置继续破裂。

1.1.1 煤体水力压裂适用性研究现状

水力压裂技术虽然在两淮、松藻、平顶山等矿区进行了广泛的应用，取得了一定的卸压增透效果，但是仍有局限。资料显示，一些矿井运用水力压裂增透技术后，存在着诱发煤与瓦斯突出、巷道出现垮落等事故，由于评判水力压裂技术适用的指标还未形成标准，使得该技术的大范围应用受到一定阻碍。

水力压裂煤体增透效果受多种因素影响，如煤体瓦斯赋存条件、坚固性系数、煤体类型、水力压裂工艺等。目前，相关研究及工程技术人员对影响水力压裂增透效果的因素做了大量的研究，根据水力压裂工艺及煤体所处地质环境特点，研究认为水力压裂不适宜在透水型地质构造运用，因为高压水进入该构造会导致巷道垮落；对于顶(底)板岩石强度低、碎裂及遇水易于膨胀煤层亦不适用水力压裂。对于深部煤层来说，其存在着较高的地应力，相应的需要高起裂压裂，这就要求压裂设备具有较高的压力和流量，压裂泵持续的高压力和流量运转势必会对人员、设备造成极大的安全隐患。不同结构及煤层的坚固性系数的可压裂性也存在较大的差异，对于松软煤层来说，水力压裂条件下会形成缝网，压裂控制范围小，增透范围有限。徐刚等[4]研究了煤体不同坚固性系数f值对水力压裂适用的影响，研究确定了一个水力压裂坚固性系数临界值。袁本庆[5]通过比较不同赋存条件下的煤巷条带，提出了水力压裂适用条件及其效果评判指标。郑同社[6]通过对比五类不同煤体的压裂效果，得出了水力压裂对Ⅰ类、Ⅱ类煤体增透效果较好。

1.1.2 水力压裂对煤体瓦斯作用影响研究现状

煤体中的瓦斯以两种形式存在，即游离态和吸附态，其中吸附态瓦斯占据到90%以上。当外在水进入到煤体之中，首先对游离态瓦斯进行驱替，其次对于吸附态瓦斯来说，外在水对其有两种作用，第一种是存在的“置换作用”，研究普遍认为煤体对水分的吸附能力强于瓦斯；第二种是“水锁效应”，即水分在煤体表面形成水膜，在一定程度上阻碍了孔隙瓦斯向裂隙扩散，从而减缓了瓦斯的解吸。

唐建平[7]分析了水力压裂对煤体瓦斯运移规律的影响，罗列了两种赋存状态瓦斯的流动规律，并分析了水力压裂后煤体渗透率的演化规律。对于煤体吸附水，聂百胜等[8-9]和刘水文等[10]在微观上及宏观上做了大量的研究，得出了煤层吸收水是水分子与煤表面相互吸引的结果，添加适当的活性剂可以改变煤体对水分子的吸引力，以及在宏观上煤层扩散系数不仅和煤炭的尺寸、强度有关，同时还和注水压力相关，而且随着注水压力的增大，扩散系数不断增高。程庆迎[11]发现了水力致裂过程中会对瓦斯产生驱赶效应，认为水力致裂在煤层产生裂缝的过程中，水会向裂隙里渗透，引起了裂缝煤体孔隙压力和瓦斯压力的变化，压力不均匀导致了压力梯度的产生，从而引起瓦斯由压力高向压力低的方向流动，为水力化瓦斯流动提供了一个新思路。对于水力压裂渗透率研究，孙可明等[12]、刘晓丽等[13]在考虑气体溶于水的情况下，建立了水力压裂过程中气、水两相渗流方程，之后在考虑瓦斯解吸和扩散的情况下，考虑其对煤体变形的影响下，建立了基于变形场多相耦合流固渗流模型，并进行了相关模拟。

1.1.3 水力压裂裂缝扩展模型研究现状

自20世纪50年代中期至20年70年代初二维断裂模型引入以来，为了克服各类断裂模型的局限性，学者们研究了大量的二维断裂模型和三维断裂模型。WARPINSKI等[14]在进行水力压裂时，指出许多储层存在一定程度的裂缝复杂性，因而提出了一系列裂缝类型，这些裂缝类型可以应用于不同的储层之中。水力压裂卸压的核心是控制水力裂缝的开裂和扩展方向，因此裂缝形态的识别是研究压裂效果的基础，近年来国内外对于水力压裂裂缝扩展的研究情况，如图1所示。

图1 水力压裂裂缝扩展模型研究进展示意图Fig.1 Research progress of hydraulic fracture propagation model

煤储层不是一个天然裂缝的存在对于水力压裂过程中裂缝的扩展起着决定性的作用，水力裂缝在天然裂缝性储层与非裂缝性储层中起着不同的作用[15-16]。水力裂缝在裂缝性多孔介质中的传播，由于天然裂缝弱界面的相互作用，导致裂缝传播特性的所有机制都发生了交替。水力裂缝在碰撞阶段对天然裂缝的破坏行为可能导致裂缝的交汇、分流或围堵。在诸多研究成果中，提出了一个非常规裂缝模型。非常规储层致密，渗透率在纳米达西范围内，非均质、高度复杂。相邻水力裂缝之间的相互干扰以及水力裂缝与天然裂缝之间的相互作用，也是影响非常规煤层增产效果的关键因素。行业中所有商业上可用的三维裂缝模型都是基于以下假设:裂缝是平面的，不与天然裂缝和现有水力裂缝相互作用。传统的平面模型已不能很好地应用于非常规油气藏的水力压裂。为了解释这些影响，近年来开发了许多非常规裂缝模型。其中一些模型只考虑了多个裂缝之间的干涉等地质力学问题，而另一些模型则试图捕捉水力裂缝干涉以及与天然裂缝的相互作用。非常规裂缝模型有很多，XU等[17]提出了一种新的三维水力裂缝，描述了非平面水力裂缝在非均质地层中的生长。该模型研究了多裂隙的地质力学相互作用。实例分析表明，该模型能够较好地反映多裂隙在地质力学应力遮挡作用下的发育情况，为多裂隙优化设计提供了有价值的工具。OLSON等[18]开发了一种新的裂缝传播模型，用于模拟多段水力裂缝的传播，该模型生成了物理上真实的多裂缝几何形状和非平面裂缝几何形状，这些几何形状与从微震诊断解释中得出的物理实验结果和推断相一致。MCCLURE等[19]开发了一种水力压裂模拟装置，该装置在大型、复杂的三维离散裂缝网络(DFNs)中，将流体流动与裂缝变形引起的应力隐式耦合，该模拟器能较好地模拟水力裂缝的扩展和张开情况。林健等[20]研究了压裂泵流量对裂缝偏转的影响。

1.2 煤层水力压裂工艺技术研究现状

一般来说，在压裂工艺上，根据水力压裂钻孔与煤层之间的联系，可分为穿层压裂和顺层压裂。按压裂作用分为掘进条带压裂、回采区域网格压裂、石门揭煤压裂等。按单个压裂钻孔实施压裂次数分为单次压裂和重复压裂。这些传统的压裂工艺技术在一定程度上解决了井下煤层低透气性及瓦斯抽采效率低下的难题，但仍存在一些不足之处，因而研究发展了一些新的水力压裂工艺。

1.2.1 定向水力压裂技术

20世纪60年代，我国从波兰引进了定向水力压裂技术，最初的试验取得了一定的效果，但是受限于当初装备的落后，该技术未能大面积推广。在常规的水力压裂作业中，水力压裂的裂缝扩展方向具有不确定性，导致应力集中，集中起来的应力无法顺利卸压，从而导致水力压裂次生灾害事故的产生。在此基础上，提出了定向水力压裂技术，即在水力压裂钻孔影响的半径范围内增加特定的定向孔，而且这些定向孔的作用是导向与控制。李全贵等[21]在分析定向水力压裂机理的基础上，通过优化水力压裂施工及布孔参数，在平煤十二矿进风巷实施穿层定向水力压裂，取得了较好的效果。康红普等[22]通过监测定向水力压裂压裂孔前后煤体应力的变化规律，探索出影响水力压裂效果的影响因素。

随着钻机等装备的不断进步，在井下瓦斯治理工作中，长钻孔成为了技术的主流。定向长钻孔是在煤层底板或者煤巷条带开孔，借助定向钻孔机沿着煤层走向施工数百米甚至千米的长钻孔，定向长钻孔压裂技术应运而生。采用定向长钻孔压裂技术充分融合了定向钻进技术与水力压裂技术的优势，克服了常规压裂技术封孔质量差、增透范围小的技术瓶颈，达到了煤层局部区域卸压增透的目的。李书文等[23]利用顶板定向长钻孔水力压裂和高位钻孔立体相结合的瓦斯抽采技术，解决了松软煤层瓦斯抽采难题。杨旭等[24]在面对急倾斜煤层瓦斯抽采难题时，利用定向钻机钻取700 m以上的钻孔，而且在地质异常区域采用开分支绕过方法，取得了良好的瓦斯抽采效果。闫保永[25]介绍了煤层高位定向长钻孔钻进水力压裂装备与技术，对于采空区瓦斯治理，保证了煤层回采工作的顺利进行。李延军[26]利用定向长钻孔实现轴向方向的多次压裂，对长钻孔进行定点分段，克服了常规长钻孔压裂压裂泵组体积及压力过大的不利因素，有效地提高了压裂效率。李国栋等[27]开发了适合中等偏硬的低透气性煤层裸钻高压稳定封孔装备，对煤层采用了定向长钻孔整体卸压增透试验，极大地增加了水力压裂增透范围及瓦斯抽采效率。

1.2.2 脉动水力压裂技术

在降低水力压裂压力和控制压裂裂缝扩展方向研究的基础上，提出了动压压裂技术，即通过动压载荷对煤体造成疲劳损坏和破坏，然后使裂隙扩展形成网络。李全贵等[28]在理论分析及数值模拟等方法的基础上，开展了脉动水力压裂煤层裂隙演化规律，以及脉动频率和压力对煤层的影响等研究，煤层脉动水力压裂技术体系就此建立，并且形成了较为丰富的煤层裂隙网络。陆沛青等[29]在研究脉动水力压裂过程应力扰动行为的基础上，建立了煤储层动压下力学模型，并研究了应力波传播的影响因素，此外还研究了裂隙填充物对脉动水力压裂的影响，为脉动水力压裂支撑剂的研发提供了理论支撑。王宁等[30]通过压汞实验分析了脉动水力压裂条件下煤样的孔隙变化特征，得出了该条件下相对常规压裂煤体孔隙显著提升的结果，现场试验表明了脉动水力压裂效果显著高于普通压裂。对于单一低透气性煤层瓦斯抽采困难的技术现状，林柏泉等[31]和孟筠青[32]研究了高压脉动水力压裂的破岩机理，以较小的压裂压力创造了煤岩体的破坏并形成了网状裂缝给瓦斯运移提供了通道，为单一煤层瓦斯区域治理提出了新思路。吴晶晶[33]利用声发射实验研究了脉动水力压裂煤岩损伤过程的参数演化，并将之分为平静期、提速期及稳定期。

1.2.3 缝网水力压裂技术

缝网水力压裂又称体积压裂，是指在水力压裂施工中，当煤层起裂时在原始裂缝的基础上形成新裂纹，并在煤层实现网状的裂缝结构，实现煤层的均匀压裂。相关研究表明[34]，缝网压裂裂缝的发育程度受到天然裂缝分布、地应力、煤岩力学性质及压裂施工因素所控制，在水力压裂中裂缝的扩展性为对实现缝网最终形态起到了重要的作用。翁定为等[35]针对不同类型煤储层，在采用平面模型的基础上，分析了水力压裂缝网的形成条件，结果表明当压裂施工时裂缝内净压力超过水平主应力之差和煤岩强度之和的基础上，方能形成新裂缝，从而实现缝网结构。陈守雨等[36]分析了在进行水力压裂施工时，形成网状缝网的关键参数和条件，并指出新旧裂缝的连通可以极大地实现增产增效。胡永全等[37]在基础地质力学的基础上，通过实验和现场证明了影响水力压裂缝网形成的关键因素，即压裂液、应力差及煤岩脆性指数等。侯冰等[38]基于水力压裂物理模拟实验，分析了水力压裂裂纹扩展规律，研究了地质及水力压裂施工因素对缝网形成的影响。陈冲等[39]研究了煤岩进行水力压裂时的扩展规律，并以此进行了岩石真三轴实验，结果显示：除了地应力差影响裂缝扩展，煤岩渗透率、强度及天然裂缝的分布均是影响水力压裂缝网形成的重要因素。姜婷婷[40]在基于缝网水力压裂技术在油气储层成功应用的基础上，研究了该技术在煤层气开发的适用性，并给出了相应的建议。

1.3 水力压裂设备研究现状

进行水力压裂处理所需的设备包括高压泵、搅拌机、储液罐、监控设备以及软管、管道、阀门、阀组等辅助设备。压裂就是利用压裂液体能够传导压力的作用，把高压设备的压力传导给储层，高压致使低透气性煤储层产生裂纹，进而增加其渗透率。

在煤储层现场水力压裂工程中，高压泵组居于核心地位，直接决定着煤储层水力压裂的成败，对于煤储层地层破碎、压裂液输送起到了提供能量和动力的作用。压裂泵的工作流程是在搅拌机中利用低压抽出流体，此为吸入端，之后在压裂泵组里面加压，将流体通过高压胶管输送至压裂钻孔，从而进入煤储层，此为排放端。随着煤层地质条件的愈加复杂，就目前来说，传统的高压泵组已将其功能发挥到了顶点，继续新一代的压裂设备，来满足现实水力压裂的需要。与此同时，压裂设备配套的监测监控技术亦运用于水力压裂工程实践中，主要是通过实时地监测压裂液等施工参数，将数据传输于模拟系统中，以此来模拟水力压裂所形成的裂缝形态，用来指导水力压裂参数的设计，从而获得最佳的压裂效果。通过对水力压裂范围的确定、流体在储层中的流动范围值，黄炳香[41]开发了一种用来接收控制煤储层水力压裂参数的装置，该装置通过压力传感器获取管路中流体压力的方式，对比压力值是否在所控制的范围内，从而对其进行适当调整，贯穿于整个压裂过程。在井下煤储层压裂系统一体化中，张群等[42]发明了一种具备远程操控能力的压裂系统，包括远程压裂泵送系统、地面监控系统及压裂液配置系统。目前，在压裂设备生产上，除了核心元件如柱塞泵、变速箱、发动机等外，几乎全部采用“零件-整机装配”模式，在行业内具有代表性的井下煤矿专用的压裂泵生产厂商有宝鸡航天动力泵业有限公司、河南煤层气公司、南京六合煤矿机械公司等，其相关设备参数见表1，其中压裂泵功率不断加大，设备实现小型化是今后的发展趋势。

表1 煤矿井下专用压裂泵组Table 1 Hydraulic fracturing pump group in coal mine

2 井下煤层水力压裂技术发展方向

随着井下煤矿开采深度和广度的日益扩大，煤层地质条件愈加复杂多样，随之而来的是相关的煤层动力灾害也更加复杂和严重，对煤矿的安全生产产生极大的威胁。水力压裂作为重要的煤层增渗手段，将面临更大的需求和挑战，不断解决现有难题，使井下水力压裂技术不断向前推进，今后水力压裂的发展方向主要围绕以下几个方面。

2.1 进行多手段的水力压裂基础理论研究

数学模型建立、科学实验及数值模拟是常用且有效的研究方法。由于水力压裂破裂煤体过程的复杂性，仅仅依靠数学模型来揭示其真实的破裂过程是不可能的，科学实验是研究物体变化的基本方法，也是进行数值模拟的基础，数值模拟可以对实验进行补充，以较为准确地研究难以开展的实验，三者相互促进是水力压裂基础理论研究向前发展的趋势。

对于煤层水力压裂机理来说，将数学模型、实验室实验、数值模拟以及现场测量技术结合起来，是将煤体破裂过程裂缝的定性转为定量化描述的关键。考虑煤体瓦斯吸附解吸规律、低渗透性、各向异性以及煤体非均质性、原生裂隙发展的复杂性等特征的情况，建立大型的水力压裂物理模拟试验系统，采用CT扫描、微地震及声发射等技术手段，在监测裂缝扩展的同时，对裂缝扩展的过程进行分析，利用同位素示踪的方法，来观测裂缝发展延伸状态，使裂缝变为可视化，并利用数值模拟软件对裂缝进行模拟来进行验证。

煤储层压裂可行性及压裂综合评价是今后压裂技术发展的重点方向之一。由于地层条件的复杂性，盲目地进行水力压裂不仅消耗大量的人力、物力，同时可能会对地层产生不可预估的次生灾害。各个压裂孔不可能面临同样的地质条件，如果实行“一孔一策”的灵活参数，可以极大地改善压裂效果，同时还能避免煤层因水力压裂带来的“副作用”。建立压裂前、压裂中及压裂后一整套全过程的水力压裂评估系统，对水力压裂的现场施工进行科学且有效的指导。

2.2 开发多元化及适合各类煤层的水力压裂技术

软煤层在我国煤层中占绝大多数，对于软煤层水力压裂技术，虽然在机理上做了大量的研究工作，但现场应用中并未取得显著的水力压裂增透效果。因此，软煤层水力压裂将是今后水力压裂研究的重点方向之一，在充分借鉴油气如重复压裂、多段水平压裂等工艺及技术的基础上，对其进行改进，形成适合软煤层水力压裂的技术体系。

目前定向长钻孔成为了瓦斯治理的主流，其贯穿于整个工作面、降低煤层瓦斯抽采周期上，传统钻孔所不能比拟，但在煤层中施工定向长钻孔容易导致垮孔、塌孔的现象，此时采用分段压裂技术是解决该难题的方法之一，分段水力压裂在地面压裂工作中已经相当成熟，如何将其运用于井下，今后需要进行大量的研究。

低透气性煤层除了水力压裂增透技术以外，高压水射流、水力割缝、深孔爆破等增透技术都是目前研究的热点，水力压裂单项技术已取得了长足的进步，在如何发挥单项技术长处的同时，尽量克服其缺陷，是水力压裂在未来的发展中必须要解决的难题之一，由于现场施工安全、各项技术兼容性客观上存在困难因素，各项增透技术的有效整合增透煤层方面研究较少，这就需要在不断完善水力压裂单项技术的基础上，使多项技术融合，形成优势互补，取长补短。

2.3 实现水力压裂装备一体化和智能化

除发展较为先进的水力压裂技术及工艺外，水力压裂装备也是决定技术可行的关键一环。对于目前的压裂设备，装备的可靠性及安全性已经远远不能满足现实煤层压裂增透技术的需要。人工智能、物联网及大数据技术是目前各项技术发展的热点，在提高压裂装备性能水平的同时，从大数据关联的角度，将水力压裂现场实时监测、参数自主优化、压裂远程监控及操作集成一体化，避免理论研究不足造成的缺陷，形成较为高度的水力压裂设备一体化及智能化。在加大压裂装备智能操作一体化的同时，还需对其安全保障力度进行进一步研究。对水力压裂参数进行实施记录和监控，数据实时自动整理和分析，生成相应的数据模型，实现在异常情况下进行自主决策。

3 结 语

水力压裂作为低透气性煤层增渗的重要配套技术，成为了目前煤岩瓦斯灾害防治的关键技术，具有良好的应用前景。本文主要在理论、技术、装备上阐述了井下水力压裂的发展现状，其中在结合国内研究人员对水力压裂研究成果的基础上，着重分析了煤体水力压裂适用性、水力压裂对煤体瓦斯作用影响以及水力压裂裂缝扩展模型的研究现状，重点介绍了压裂工艺中较为先进的定向水力压裂技术、脉动水力压裂以及缝网压裂技术等，同时详细介绍了国内井下主要压裂装备的研究状况，从而指出了井下煤层水力压裂技术的发展方向：①进行多手段的水力压裂基础理论研究，数学模型、科学试验及数值模拟三种研究手段相互融合；②开发多元化及适合各类煤层的水力压裂技术，各项增透技术融合，形成优势互补，取长补短；③实现水力压裂装备一体化和智能化，实现水力压裂现场实时监测、参数自主优化、压裂远程监控及操作集成一体化，形成较为高度的水力压裂设备一体化及智能化。