基于水力压裂下脉冲放电技术的煤层气开采应用研究

吴 琼，张凤翔，陈松柏，来利鹏

（信阳师范学院 建筑与土木工程学院，河南 信阳 464000）

0 引 言

我国经济的快速发展离不开能源行业的大力支持，现阶段煤炭占据主导地位的能源结构没有发生重大变化，巨大的能源需求促使我国煤炭开采量急剧增加，与煤炭资源共生的瓦斯涌出量也在增加。瓦斯即煤层气，既是一种清洁的燃料又是重要的工业原料[1]。在国际上，美国煤层气行业发展迅猛，其中2010年产量为1 400亿m3，预计2035年产量为3 800亿m3，非常规天然气开采量约占总量的50%[2]。

我国煤层气分布广泛，储量位居世界第三，陆地煤层气开采潜力约为百万亿立方米。现已有单位进行研究并逐步投入开采生产[3]，但技术上相比于美国还有一定差距[4]。山西省2 000以内埋深煤层气储量约为十万亿m3，约占全国煤层气储量的三分之一[5]。这其中以河东、沁水煤田资源量最为核心，占山西省煤层气储量九成以上[6]。近期山西省加快煤层气开发进程，据能源部门数据显示，2019年山西煤层气产量为71亿m3，2020为85亿m3。

中国各类矿产总量较大，但我国人口众多，人均占有量与世界平均水平仍有很大差距。巨大的煤层气资源如不合理利用，不但不能缓解我国能源紧张现状，还将导致煤矿开采难度加大、瓦斯矿难事故频发和大气环境严重污染等。因此，加快研究煤层气开采技术具有重要意义[7]。

1 常规开采方法及局限性

国家能源部门数据表明，目前我国煤层气平均抽采率约为20%，不足发达国家一半。因此，寻求一种安全、高效、清洁的煤层气抽采技术是推动煤层气产业发展的重要动力。国内外现阶段使用的煤层气开采方法主要有密集钻孔抽采、水力冲孔抽采、水力割缝强化抽采[8]、水力压裂抽采[9]、开采解放层强化抽采[10]等方法。主动法瓦斯压力测定技术[11]与脉冲中子源测井仪[12]在煤层气探测方面有着重要作用。

传统密集钻孔存在极限抽采半径，如果2个钻孔间距超过极限半径的2倍，那么2钻孔中间的一部分瓦斯就无法抽采出来。而当钻孔过于密集，那么在钻孔施工的过程中钻机极易发生串孔、卡钻等现象，造成施工困难。而且过多的钻孔会增大施工量和施工成本。而水力冲孔不能大范围提高煤体透气性，有效作用范围非常小，目前已经很少使用。水力割缝强化抽采方法由于受到设备的限制，产生的水压较小，目前仅能达到15 MPa左右。其割缝宽度也较狭窄，而且缺少可直接用于实际生产的专用设备，导致现场施工复杂，实用性大大降低。

水力压裂是目前比较常用的一种抽采方法，它的基本原理是在预抽采瓦斯的煤层中注入高压水，在水压作用下，将煤层致裂并形成微小贯通，而后将混入支撑剂的液体压入煤层裂隙中，在卸压后便可继续支撑裂隙，从而提高煤层稳定的渗透性。但煤层原生构造复杂，煤质一般都很松软，常发生快速漏液、压力失稳、压裂方向无法控制、支撑裂隙能力有限等问题。因此针对此方法要显著提高煤层开采效果还需进一步研究。

综上可知，目前我国的煤层气抽采还存在一定的局限性，技术方面还有很大的提升空间。其发展的最大挑战是不能满足我国现阶段以及未来工业发展的需要，因此针对煤层致裂增透技术的研究十分必要。

2 高压脉冲致裂煤层研究

高压脉冲放电技术最早于上个世纪后期由苏联专家提出。对此技术改进后在国内油田进行实验，效果显著[13]。该技术的核心问题是研究高压电容器作用于水隙，瞬时放电产生高密度能量积累和高压等离子体膨胀的力学效应。

现阶段水压致裂技术在油气开采方面运用较多，该技术的优点在于成本低、运用范围广，适合当下能源开采的环境和条件。其缺点在于速度较慢[14]，可控性低，虽然能实现开采目标但效率不高，对于煤层气的疏散效果有限，暂不能满足实际工程需要。

将高压脉冲放电技术与水压致裂技术结合使用可扬长避短，提高利用率。即在静压注水的同时，在孔内实施高压放电，合理控制脉冲电能。这样可以在水压生成的裂隙尖端形成冲击波与气泡振动响应，并在冲击动载的作用下，促生裂隙发育并实现有效贯通，减少煤层岩隙内的传输阻力，快速释放地质内部压力，从而达到增透减阻的效果，提高煤层气开采效率。煤层气脉冲放电致裂过程示意如图1所示。

图1 煤层气脉冲放电致裂过程示意Fig.1 Coalbed methane pulse discharge fracturing process

在煤岩钻孔内施加一个环形冲击力，生成裂隙并延展发育是脉冲放电致裂煤岩的近似过程。应力波使岩体裂纹开裂，水介质在水压下楔入裂纹内，产生新生裂纹，其裂纹尖端应力分布如图2所示。

图2 脉冲水楔入裂纹尖端应力分布图Fig.2 Stress distribution map of pulse water wedge crack tip

应力强度因子在静水压下的KⅠ-w为：

式中：rb为半径（钻孔）；a为裂纹实际长度；Lt为楔入裂纹长度；L0为初始裂隙长度。水压分布函数沿裂纹发育方向设为p(x,t)[15]，不考虑宽度和空隙影响因素，可认为水压沿裂纹方向是线性分布的，即简化为：

如p0为原始静水压力，应力强度因子KⅠ_w可表示为：

依据强度因子的叠加理论，裂纹尖端应力强度因子KⅠ可表示为：

研究结果表明，水中高压脉冲电弧通道内等离子体压力可达1 Gpa[16]，其有效振动作用范围可达30 m，影响范围可达100 m，明显大于单纯水力压裂过程的扰动范围。因此抽采钻孔间距可从目前的5 m左右提高到20 m左右，钻孔数量大幅减少，可以显著提高单位钻孔深度和抽采效率。

3 未来发展分析

现阶段需解决的核心问题主要集中在基础性能研究上。可以研制出一种高压电脉冲煤体增透实验台[17]，此实验台能模拟地下400 m深处煤层在水压与放电脉冲共同作用下的致裂情况，研究高压脉冲放电在水压条件下形成的冲击波，以及气泡脉动的物理力学特征，观测其影响因素，从而确定冲击波压力传播规律，以及脉动二次损伤特性和压力传导性能分析。

水中脉冲放电冲击动载主要以冲击波和气泡脉动形式生成，这种动载形式会由于脉冲放电环境的变化而出现不同的加载耦合特性。图3为水中脉冲放电冲击动载实验数据图[18]。

图3 水中脉冲放电冲击动载实验数据Fig.3 Experimental data of pulsed discharge shock in water

水中脉冲放电在煤层气井产生的冲击动载可直接作用于煤岩体。其裂隙产生机理、裂隙尖端延伸、裂隙扩展规律、及局部力学性质是煤岩体致裂增透研究的重点。需通过大量煤样的水中脉冲致裂实验，探讨脉冲动载的致裂增透机制，分析原有裂隙及新生裂隙的产生、延展、发育贯通特性，以及由气泡脉动产生的空化作用效应。结合渗流力学研究煤层气解吸及物理形态转化的作用机制。逐步完善脉冲放电结合水力压裂技术的理论体系，为煤层气高效开发利用寻求突破奠定理论基础。

4 结 论

（1）为加快煤层气开采进程，促进煤矿安全生产，高压脉冲放电结合水压致裂技术是解决低渗透煤层瓦斯抽取技术难题的安全可靠方法。

（2）煤层气开采研究主要涉及流体力学、岩石力学、断裂损伤力学、冲击动力学、电工学、等离子体物理等学科。要对脉冲放电致裂煤岩的裂隙尖端局部力学特征深入研究，建立冲击动载致裂实验框架和近场动力学模拟算法，求解煤岩裂隙尖端开裂扩展的核心问题，逐步完善水力压裂强化增透技术的理论体系。

（3）水中高压脉冲放电技术未来将广泛应用于煤层气开采、地压防治、地热开发等工业领域。其中提高煤层气抽采率，保障煤矿安全高效生产，在能源供应和能源安全方面提供稳定的保障，其理论价值和经济地位将会日益凸显。