煤矿井下水力压裂技术的发展现状与前景

摘 要：我国煤炭安全生产形势依然严峻，增加煤层透气性、进行有效瓦斯抽放迫在眉睫。水力压裂技术是目前增加煤层透气性最有效的方法之一，文章从水力压裂机理、封孔技术、工艺设备发展三方面，综述了我国井下煤层水力压裂技术的发展和应用前景。

关键词：水力压裂；煤层；增透；发展现状

基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目，编号：YKJCX2014047

目前我国煤炭行业的安全形势依然严峻，由于煤层透气性低、瓦斯难以有效抽放导致的瓦斯突出、爆炸等事故屡见不鲜，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，因此，加强瓦斯抽放、增加煤层透气性势在必行。水力压裂技术已成为增加煤层透气性最有效方法之一，本文通过介绍水力压裂机理、封孔技术及工艺设备的研究现状，指出水力压裂技术研究的必要性与可行性，以期为工程应用提供参考。

1.水力压裂机理研究

水力压裂技术1947年始于美国，起初主要用于低渗透油、气田的开发中，在地面水力压裂方面的研究仅仅局限在石油、油气藏以及地热资源的地面钻井开采过程中[1]。前苏联科学家在20世纪60年代开始在卡拉甘达和顿巴斯矿区进行井下水力压裂的试验研究[2]。目前针对井下煤层水力压裂增透技术的研究已取得了明显发展，国内学者郭启文、张文勇等经过试验与现场应用研究了煤层的压裂分解机理，指出水力压裂技术只能够在煤层内产生很少的裂缝，并会在裂缝周围产生应力集中区[3]，存在一定局限性。李安启等将理论与实践相结合，研究了煤层性质对水力裂缝的影响，还在煤层压裂裂缝监测基础上提出了煤层水力裂缝的几何模型。

在水力压裂机理方面的研究，国内外学者对水力压裂在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业井下增加煤层透气性方面都进行了较为深入的研究，但其压裂机理方面仍存在一定分歧，不能很好的控制水力压裂的效果。随着我国煤炭安全生产逐步发展和穿煤隧道等工程的逐步建设，水力压裂技术将大范围推广应用，因此加强水力压裂技术理論研究势在必行。

2.压裂钻孔封孔技术研究

煤层水力压裂钻孔封孔是有效实施水力压裂技术的关键，而封孔质量的好坏取决于两个主要因素：①封孔材料，需要选择性能良好、价格适中、易于操作的材料；②封孔的长度，封孔长度太短会导致高压水的渗漏，太长会造成人力、材料、时间的浪费。因此，要使水力压裂技术能够有效开展，必须在选取“物美价廉”的封孔材料的同时，研究材料承载能力与封孔长度之间应满足的关系，因此有关水力压裂过程中钻孔封孔问题的研究主要集中在封孔材料、封孔方法方面的研究。

倪冠华等采用无缝钢管模拟钻孔的方法，对PD复合材料的脉动水力压裂钻孔密封参数进行了研究，确定了一定注水压力下的封孔长度，并获得了许多有益结论，但是该方法不能真实反映现场实际情况，存在一定局限性。葛兆龙等通过建立水力压裂钻孔封孔的力学模型，研究了封孔材料承载能力与材料、封孔长度等存在的关系，并指出：封孔材料、封孔长度是影响封孔承载力的关键因素，封孔材料承载能力随材料的强度、弹性模量、封孔长度的增加而增加，且当封孔长度增加到一定程度时，封孔材料承载能力趋于某一定值。2011年由朱建安、申伟鹏[4]等学者研发的水力压裂耐高压水力封孔器具有结构简单，封孔可靠，注水压力高，可重复利用等优点，但目前在煤矿井下以及穿煤隧道施工过程中近水平孔的封孔方法研究仍然较少，导致增加钻孔施工量，加大了劳动成本。2014年彭深[5]等学者对煤矿水力压裂封孔技术长期存在的工艺复杂、封孔困难等问题进行了较为深入的研究，分析了封孔器耐压的相关影响因素，为井下水力压裂钻孔封孔器的设计以及抗压性能的计算提供了参考，但准确性仍需进一步提高。目前我国大多煤矿采用水泥砂浆封孔等传统封孔工艺，但其封孔周期长，成本高等问题已逐步显现，因此，未来仍需加强对封孔技术研究，采用新技术使压裂钻孔封孔技术往工艺简单，操作方便、耐压性能好等方向发展。

综上所述，水力压裂封孔技术主要有水泥砂浆封孔和封孔器封孔2种，其中水泥砂浆封孔所能承受压力较高，但也存在固有的缺点；封孔器封孔工艺较为简单，但承受压力较小，特别是近水平孔封孔质量不高、封堵成功率低、可操作性不强、压裂增透效果差等方面的问题。目前仍需从压裂理论层面进一步创新，发掘封孔技术的主要参数，进一步加强封孔质量才能从根本上利用水力压裂技术达到增加煤层透气性的目的。

3.水力压裂工艺设备研究

当前针对煤矿井下水力压裂工艺方法研究也较多，并取得了不小的成果，苏现波等采用顶底板顺层钻孔、顶底板穿层钻孔、本煤层顺层钻孔或本煤层穿层钻孔进行水力压裂，首先确定钻孔参数施工钻孔，再设计水压及注水量、洗孔、排水、检验压裂效果，合格后联管抽放。王魁军[6]等在顶（底）板岩巷（也可以在煤巷）向煤层打水力压裂钻孔，压裂钻孔进入煤层的长度大于煤层厚度的1/2以上，并在水力压裂钻孔周围打若干控制钻孔，从水力压裂钻孔进行水力压裂，当压裂范围达到控制钻孔时，在水力压裂钻孔周围一定距离煤体产生抗压薄弱区域，高压水可以把水力压裂钻孔与控制孔之间的煤体压穿，从而达到增透效果。

煤矿井下水力压裂工艺目前主要有常规压裂、定向水力压裂、高脉动水力压裂以及井下点式水力压裂等技术工艺。常规水力压裂能够克服最小主应力和煤体的抗裂压力，扩宽伸展并沟通这些裂缝，增加煤层相互贯通裂隙的数量和增大单一裂隙面的张开程度，最终使得煤层透气性增加。目前已经在鹤壁、焦作、义马、平顶山等矿区得到应用，并取得了一定效果[7]。由徐幼平等对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较，并在平煤集团十二矿进行了生产验证，结果表明定向压裂比非定向压裂在压裂半径、增透效果上都有明显优势，为煤矿水力压裂技术的发展提供了新思路。

4.结语

目前，我国煤矿井下水力压裂技术已经取得了不少成果，并在现场应用中取得了较好的效果，但由于我国幅员辽阔，地质情况复杂，水力压裂技术并未形成系统应用。压裂机理尚未完全明晰；封孔技术水平还较为落后，特别是近水平孔多抗压性能差，封孔质量不高，并且压裂效果不好的问题尚未得到重视。尽管已在工艺设备的研究方面取得了不少成果，但成本较高，难以推广应用，加强相关设备的研制必对未来煤矿安全形势有巨大推动作用。

参考文献

[1] 杨万有. 薄差层压裂力学机理及工艺研究[D].大庆： 大庆石油学院，2006.

[2] 安志雄. 采用水力压裂强化煤层瓦斯抽放的远景[J].煤矿安全，1989，20 （ 9） ： 51-53.

[3] 赵阳升，杨栋，胡耀青等. 低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究[J].煤炭学报， 2001， 26（5）： 455-458.

[4] 朱建安，申伟鹏，郭培红. 煤矿水力压裂耐高压水力封孔器的研制[J]. 煤矿安全. 2011（08）. 5-6.

[5] 彭深，翟成等. 钻孔胶囊封孔器耐压影响因素及其在煤矿水力压裂中的应用[J].煤矿安全，2014，45（7）114-117.

[6] 王魁军，富向，曹垚林等. 穿层钻孔水力压裂疏松煤体瓦斯抽放方法：中国， CN101581231[P]. 2009.11-18.

[7] 王念红，任培良. 单一低透气性煤层水力压裂技术增透效果考察分析[J].煤矿安全， 2011， 42 （ 2）：109-112.

作者简介：郭晨 （1990一），男，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事煤矿瓦斯治理的研究。