低渗透煤层气液两相复合压裂卸压增透技术

王泽东，刘国磊，2，崔 嵛，李 明，张晓君，姜 涛

（1.山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255000；2.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061）

我国煤炭生产和消费量巨大，煤炭在能源结构中占有重要地位[1]。随着浅部资源的消耗殆尽，深部煤炭开采不断扩展[2]，而矿井深部煤层地质条件更加复杂，多种灾害频发，造成巨大损失[3-5]。这其中瓦斯事故占比高达40%[6]。瓦斯既是煤的伴生物又是煤矿主要灾害源，随采深增加，瓦斯含量和压力不断增长，煤与瓦斯突出（简称突出）事故危害性也不断加大，已成为煤矿开采最严重的灾害之一[7]，突出也常伴有如爆炸、冲击地压等次生灾害发生[8]。

突出机理是突出防治的前提和理论基础[9]，其中“综合作用假说”被广泛接受[10]。众多学者也先后提出了解释突出现象的定性假说或半定量化机理[11-12]，研究成果丰富。在监测预警方面，突出危险监测预警已形成较完善的技术体系[13-15]，实践成果丰富，但开采前的预防和预警后的处置仍是防突的重点和难点。

目前我国矿井防突采取保护层开采与大面积预抽煤层瓦斯2 类区域性措施，辅以预抽瓦斯、超前钻孔、水力化措施、松动爆破等局部防突措施[16-18]。我国突出煤层普遍具有低渗透的特点，低渗透性是煤层瓦斯抽采的首要难题，多数没有保护层开采条件的单一高瓦斯低渗透煤层还是以效率低、效果差的预抽瓦斯为主。对此，水力压裂技术因工艺相对简单、兼具区域性卸压增透和弱化煤体作用而受到青睐：陈冬冬等[19]研发了快速、定点、分段与可重复的水力压裂孔内装备；刘东等[20]开展了水力冲孔压裂卸压增透抽采瓦斯技术工程实施研究；贾文超等[21]提出基于非对称孔隙压力场的多孔控制定向水力压裂新工艺；郑凯歌等[22]提出底板梳状长钻孔分段水力压裂强化增透技术。水力压裂技术具有增透范围大、效果显著等特点，但存在压裂产生的裂隙较少且容易由于增透方向的不确定而导致应力集中以及瓦斯抽采屏障区的出现，也存在裂隙重新闭合使得瓦斯无法顺利抽出等问题。

因CO2-煤的亲和力和吸附力远大于瓦斯-煤，CO2气体能够置换出煤中吸附态瓦斯气体，实现增透消突的目的，N2也有相似的作用效果，专家学者着力于CO2、N2压裂增透、驱替CH4等方面的研究，取得丰富成果[23-24]。部分学者也提出煤层酸化增透机制，即向煤层注入1 种或多种酸液，通过溶解、溶蚀等化学反应来增强煤层渗透率[25]。当高压泵入酸液时称为酸化压裂复合增透，酸化压裂增透效果明显优于煤层酸化增透、水力压裂增透方案[26]。

综合分析，各种致裂增透措施针对不同地质条件有各自的适用性，均有利弊，也有许多科学问题需要研究解决。瓦斯作为重要的不可再生煤层气资源，实现煤与瓦斯协同共采是深部煤炭资源开采的必然途径，能够提高煤矿安全高效洁净开采水平，促进我国能源结构的优化；因此，低渗透煤层的高效增透技术研究是必要的，具有重要的理论意义和实践价值；煤层高效增透技术的研究仍是防突的重点。

1 气液两相复合压裂卸压和增透装置

煤层水力压裂主要作用是起裂煤层，在煤层内形成宏观裂缝网络，起到卸压作用，同时促进瓦斯渗流和扩散；CO2相变压裂与水力压裂相似，压裂范围较均匀，循环压裂能取得更好的卸压效果，同时CO2能够进入煤基质的微观孔隙，驱替瓦斯，促进瓦斯抽采；煤层酸化增透是在水力压裂的基础上更换酸性压裂液，酸液压裂煤层的同时溶解部分杂质，增大裂隙张开程度，产生的CO2气体同样具有前述驱替效果。综合水力压裂、CO2压裂和驱替、煤层酸化增透技术的特性，在前人研究成果的基础上，创新性提出气液两相复合压裂卸压增透与置换技术，并已获得国家发明专利。气液两相复合压裂卸压增透装置如图1。

图1 气液两相复合压裂卸压增透装置Fig.1 Pressure relief and permeability increasing device for gas-liquid two-phase composite fracturing

技术主要实施步骤包括：①在煤壁中钻打压裂孔，并连接压裂装置；②将胶囊封孔器放置在压裂钻孔中；③开启胶囊泵站，使泵入胶囊封孔器的水的压力不小于致裂压力；④开启酸液泵站和碱液泵站，分别向胶囊封孔器中泵入酸液和碱液，两者反应产生CO2气体；⑤煤层压裂后，保持胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站压力不变，直至流量计趋于稳定；⑥关闭所有泵站，增透压裂结束，撤出装置。

该技术方法主要特点是将压裂液替换为酸液和碱液，分别高压泵入封闭压裂孔内混合，作为液相压裂介质；酸液和碱液反应生成CO2气体，形成气相压裂介质，复合压裂介质能够有效扩展常规水力压裂和气相压裂的优势，并补充两者的不足，扩大卸压范围、提高增透效果，强化瓦斯抽采效果。

2 煤层气液两相复合压裂防突机理

能量的蓄积和突然释放是突出的准备阶段和启动阶段最大的特点，在开采过程中，煤体开采卸压、顶板动载、爆破冲击等开采效应引起应力突变是突出启动的直接原因，防突应从突出准备阶段开始，主要是减少能量蓄积或消除能量积蓄条件[27]。煤层气液两相复合压裂防突机理主要从煤层酸碱处理增透、高压CO2促裂和CO2驱替增透3 个方面作用，对煤体进行卸压和增透，促进瓦斯抽采，消减突出力源和物质来源。

2.1 煤层酸碱处理增透

煤层是1 种结构和物质组成非均质性的层状矿产，充满多种内生裂隙和外生裂隙，内部也含有多种杂质矿物，杂质和裂隙在煤层内广泛分布，影响着煤层的完整性和力学性质。层理、割理和构造3种裂隙系统组成了煤层原始裂缝系统，与煤层清水水力压裂相似，CO2制剂压裂煤层的起裂规律主要受原始裂缝系统控制。煤层中的原始裂隙系统示意图如图2[28]。

图2 煤层中的原始裂隙系统示意图[28]Fig.2 Existing fracture system in coal seam

在压裂过程中，层理易于损伤变形，形成人工裂缝；面割理和端割理抗拉强度最弱，是煤层渗透率的主要贡献者[29]，受压后割理优先损伤破坏并逐步扩张；人工压裂缝隙在层理和割理弱面间错杂分布，在构造裂隙叠加作用下，压裂缝隙将呈网络状进一步扩大。压裂钻孔与原始裂缝系统呈不同方向贯通，压裂液能够轻易进入这些原始裂缝系统，持续追踪节理弱面，压裂液蔓延促进裂隙张开，形成相互交错的裂隙网络，便开始起裂过程。

煤中有多种矿物质，无论是高灰煤还是低灰煤，均可用酸碱法有效脱除灰分[30]。钻孔壁揭露了部分碳酸盐、磷酸盐和硅酸盐形式存在的杂质矿物，煤层起裂时部分酸性压裂液溶解附近矿物起到酸化增透的作用，有助于压裂液长距离、大范围扩散，促进人工裂缝系统的扩展和延伸，增大压裂范围，提高卸压和增透效果。煤层酸化增透原理如图3[31]。

图3 煤层酸化增透原理[31]Fig.3 Principle of acidizing and increasing permeability of coal seam

此外，碱液与高岭土、伊利石等矿物也存在一定程度的反应，能够使煤的粒度更加均一，表面的矿物质小颗粒减少[32]，减少瓦斯运移通道的阻塞，有效增加煤体渗透性。

2.2 CO2 驱替增透

由于CO2的极化率和电离势较大，CO2气体分子和煤之间的作用力较大，煤对CO2的吸附能力大于CH4，因此高压泵入的压裂液混合后迅速反应生成大量CO2气体，驱替煤层中的CH4，3 个发展阶段的主导效应分别为裂隙游离CH4驱赶、CH4自解吸及CO2-CH4竞争吸附[33]。煤对CO2具有更高的作用力，两者亲和力更强，裂缝内高压CO2气体沿煤层裂隙渗流，对裂隙中的游离态CH4产生驱赶作用，CH4由裂隙迅速向外扩散，孔隙内CH4分压快速下降，煤基质孔隙表面CH4解吸和吸附的平衡被打破，平衡向吸附态CH4解吸偏移，游离态CH4在CO2驱赶下排出裂隙。大量CO2扩散进入煤体微观孔隙，与吸附态CH4不断发生竞争吸附。在驱替过程中，大量CH4排出煤基质，提高后续瓦斯预抽效率和效果。

2.3 高压CO2 促裂

应力场是影响裂隙张开和闭合的关键因素，煤层最小起裂压力σ 应克服地应力作用产生的周向应力σθ和煤层在垂直方向上的抗拉强度σbtH，满足式（2）[34]。

式中：H 为煤层埋深，m；ρ 为煤层密度，t/m3；E1为平行层理方向的弹性模量，GPa；μ2为垂直层理方向的泊松比；E2为垂直层理方向的弹性模量，GPa；μ1为平行层理方向的泊松比。

煤层起裂后，压裂液持续驱动裂纹张裂和延伸，引起钻孔周边煤体卸压，应力场动态演变，人工缝隙发育区内应力均化和降低，应力向远处转移和累积，甚至产生局部集中，应力增量为△σ，此时最小起裂压力σ′=σ+△σ，裂缝末端压裂液压力难以满足起裂条件，压裂增透范围达到极限。此时压裂液迅速反应生成的大量CO2气体具有足够的压强，能够提供额外起裂压力σp，则压裂液最小起裂压力显著降低，满足σ′=σ+△σ-σp，气液两相高压流体能够继续起裂煤层，裂缝进一步扩张和延伸，压裂卸压增透范围得以扩大，提高瓦斯治理效果。

气液两相复合压裂煤层的实质：①高压液造缝卸压：CO2气体促进远端裂隙扩展，增大卸压范围，区域地应力场重新分配，形成大区域煤层裂隙发育卸压区，区内应力均化和降低，应力集中向孔壁深处卸压区边缘转移，能够在很大程度上消除瓦斯突出煤体失稳和瓦斯突出的应力来源；②压裂增透：卸压区内裂缝对瓦斯有良好的导流增渗作用，利于瓦斯预抽，同时均化和降低瓦斯压力场，缓解瓦斯突出危险性；③CO2驱替CH4促抽：CO2能够深入煤基质孔隙，驱赶游离态CH4，置换吸附态CH4，促进CH4解吸，有效弱化突出的物质来源，增加抽采效率。气液两相复合压裂煤层具有卸压和增透效应，降低和均化地应力场和瓦斯压力场，截断突出的准备阶段，同时提高抽采效率，保证瓦斯预抽的快速达标，实现单一低渗透高瓦斯突出煤层的安全开采。煤层气液两相复合压裂技术体系如图4。

图4 煤层气液两相复合压裂技术体系Fig.4 Gas-liquid two-phase composite fracturing technology system of coal seam

3 防突机理特点和技术关键点及不足

3.1 机理特点

1）反应产物呈中性、易溶解。压裂液可以选择如盐酸溶液和碳酸氢钠溶液，两者反应产物为中性且溶于水，不会污染煤层，不会产生大量沉淀，阻塞压裂缝隙。

2）少量酸化增透产物支撑作用，减弱裂隙闭合。酸液主体是与碱液反应，有少部分酸液与杂质矿物接触、反应，煤层酸化增透产物含有少量固体颗粒，能够对裂隙起到一定支撑作用，避免裂隙闭合。

3）反应升温，避免CO2过量吸附降低渗透率。CO2气体驱替CH4存在1 个矛盾点，煤层吸附CO2后膨胀，会引起渗透率降低，而随着温度升高，CO2气体的驱赶游离态CH4、降低分压促进吸附态CH4解吸的能力变化很小，但驱替CH4的特性会有所降低[33]，因此压裂液发生化学反应放出热量，环境温度升高，促进CH4排出的同时，避免了煤层过量吸附CO2而膨胀，导致渗透性降低。

4）技术方式灵活多变。除一次高压压裂煤体外，可以调整泵入压力，逐级加压，低压泵入阶段以CO2气体为主要起裂手段，CO2气体膨胀将会在钻孔周围形成与CO2相变爆破技术类似的较均匀致裂区，只是压裂效果相对较弱，随后高压液相能够更均匀地压裂煤体，避免局部压裂引起应力集中。

3.2 技术关键点

1）压裂液的种类。该技术方案为实现高效压裂增透的目标，选择酸液和碱液作为压裂液，技术层面要求两者反应生成CO2，且对矿物质具有腐蚀性；在安全和环保层面，则要求液体不污染煤层、反应产物对环境友好，通常酸液为无机酸溶液，碱液为无机碳酸盐或碳酸氢盐溶液，金属离子对应的金属单质的密度不大于4.5 g/cm3。如酸液可选择盐酸、硝酸等，碱液可选择碳酸钠或碳酸氢钠，溶液对矿物质具有腐蚀性，产物对煤层伤害低。

2）压裂液的浓度配比：①考虑到化学反应特性，碱液为碳酸盐溶液时，酸液中H+物质的量与碱液中CO32-物质的量比为2∶1，碱液是碳酸氢盐溶液则为1:1；同时出于环保的角度，酸液的酸性不宜过高，优选pH≥4，碱液的碱性不宜过高，优选pH≤8；②煤层中含有一定的H2S 气体，浓度超限时会造成较大危害，因此，本技术可选择适当增加碱液浓度，达到额外除去H2S 的目的，增加的量可参考注碱钻孔控制范围H2S 完全中和需要NaHCO3质量m 的计算公式（3）[35]。

式中：k1为注碱储备系数；b 为钻孔间距，m；La为钻孔长度，m；Qh为回风量，m3/min；C 为H2S 体积分数，%；v 为采煤机回采速度，m/min；Lc为滚筒截深，m。

3）压裂装备的可靠性。压裂泵站、管路、封孔器等需要具有足够的耐酸碱腐蚀性；煤层地质情况复杂多变，钻孔孔壁形态也多变，封孔器封孔的好坏决定了压裂的成功与否；由于分源泵入压裂液，设备多，各设备间的配合需严格控制，特别是泵入压力和流量的控制，应防止液体回流。

3.3 存在的不足

1）环境安全。所用压裂液对人体和设备具有较大危害，储存、搬运和使用过程中均存在一定泄漏风险，特别是压裂过程中的不可控性，压裂液走向大部分受煤层裂隙控制，液体存在与锚索孔、锚杆孔、卸压孔等通道连通的风险，因此定点、定向压裂是重要的研究点。

2）反排效果。残酸残碱对储层存在二次伤害，如何增加液体排除，减少残留是1 个重要的优化方向。

3）辅助添加剂。压裂液应具备低滤失性、防水锁、防水敏、低摩阻等性能，技能有效压裂煤层，又避免造成水锁等问题，通常加入相关辅助试剂来解决，但酸碱中和反应条件下的试剂较难确定，有待深入研究。

4）设备繁杂。技术所需设备数量多、种类多、占空间大，不能很好满足井下设备体积小、效率高的原则，因此设备存在优化设计空间，将各部分设备组合，减小体积、提高效率。

4 结 语

1）气液两相复合压裂防突技术具有高效卸压和增透效应，降低和均化地应力场和瓦斯压力场，截断突出的准备阶段，提高抽采效率，促进单一低渗透高瓦斯突出煤层的安全开采。

2）酸液与杂质矿物接触反应，增加裂隙数量，促进高压液体的扩散，有助于煤层的起裂卸压和增透。

3）CO2气体能够提供额外起裂压力σp，降低最小起裂压力，满足σ′=σ+△σ-σp，增大压裂卸压和增透范围，同时CO2进入微观孔隙，驱替CH4，提高瓦斯治理效果。

4）防突技术的机理特点：①反应产物呈中性、易溶解；②少量酸化增透产物支撑作用，减弱裂隙闭合；③反应升温，避免CO2过量吸附降低渗透率；④技术方式灵活多变。

5）需要解决的技术关键点主要有压裂液的种类、压裂液的浓度配比及压裂装备的可靠性等。

6）技术尚处于理论研究阶段，诸多关键问题还需进行深入研究，开展实验室试验、工程实验，丰富理论支撑，研制配套压裂装备，优化工艺流程。