摘 要：現(xiàn)行的儲層改造工藝僅適用于硬煤，對軟煤則無能為力，這是造成我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化難以取得突破的主因這一，探索一種實(shí)現(xiàn)各類儲層強(qiáng)化增透的普適性技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。為此，采用理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析了水力壓裂過程中徑向引張、周緣引張和剪切裂縫等多級、多類裂縫形成的力學(xué)機(jī)制，揭示了圍巖 煤儲層縫網(wǎng)改造的增透機(jī)理。結(jié)果表明：水平井分段多簇射孔壓裂、水力噴射分段壓裂、四變壓裂以及一些輔助措施是實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)改造的有效技術(shù)途徑，尤其是四變壓裂使得煤層氣垂直井和叢式井的縫網(wǎng)改造成為現(xiàn)實(shí)。結(jié)論認(rèn)為：圍巖抽采層縫網(wǎng)改造技術(shù)以鉆井施工安全、可改造性強(qiáng)、抗應(yīng)力敏感和速敏能力強(qiáng)、適合于任何煤體結(jié)構(gòu)煤儲層為特點(diǎn)，因而具有顯著的優(yōu)勢；該技術(shù)除了在圍巖水敏性極強(qiáng)、富水性強(qiáng)的條件下使用尚有局限外，具有廣泛的適應(yīng)性。煤層氣地面開采和煤礦井下抽采成功的工業(yè)性試驗(yàn)表明，所構(gòu)建的圍巖—煤儲層縫網(wǎng)改造理論和技術(shù)體系，將作為一種廣普性的增透措施在我國煤層氣井地聯(lián)合抽采領(lǐng)域發(fā)揮作用。
關(guān)鍵詞：煤層瓦斯 頂?shù)装?span lang="EN-US"> 圍巖抽采層 縫網(wǎng)改造 增透機(jī)理 四變壓裂 技術(shù)
A theory and technical system of permeability enhancement to extract coal gas by fracture network stimulating in adj acent rocks and coal reservoirs
Abstract：The existing reservoir stimulating technology is only applicable to hard coal but unsuitable for soft coal，which restricts the CBM industrialization in China．It is urgent to develop a universal stimulating technology which can increase the permeability in various coal reservoirs．Theoretical analysis and field tests were used to systematically analyze the mechanical mechanism of the formation of radial tensile fractures，peripheral tensile fractures，shear fractures and other multistage variofis fractures in hydraulic fracturing and to work out the mechanism of permeability enhancement by fracture network stimulating in adjacent rocks and coal resetvoirs．It is shown that multiple perforation staged fracturing of horizontal wells，hydraulicjet staged fracturing，quadruplex hydraulic fracturing and some auxiliary measures are effective technical approaches to achieving fracture network stimulatin9，especially quadruplex hydraulic fracturing that can stimulate the fracture network in vertical and cluster wells．The fracture network stimulating technology for adj acent rock mining layers has significant advantages，such as safe drilling operation，strong renovation，strong antistress sensitivity，and strong velocity sensitivity，so this technology is suitable for coal reservoirs with any coal structures．In addition to adjacent rocks with strong water sensitivity and a high water yield，the technology is also strong in adaptability．Thus，a successful industrial test conducted on ground and under coal mines proves that the theory and technical system of fracture network stimulating in adjacent rocks and coal reservoirs will play a role as a widely applicable measure in the CBM development in China．
Keywords：CBM，adjacent rock mining layer，fracture network stimulating，permeability enhancement mechanism，quadruplex hydraulic fracturing,technology
地面煤層氣開發(fā)以其資源、減災(zāi)與減排三重意義而備受重視，美國的13個(gè)煤盆地中有11個(gè)已實(shí)現(xiàn)了煤層氣商業(yè)化開發(fā)[1]；加拿大阿爾伯特地區(qū)近期煤層氣產(chǎn)量上升迅猛[2]；澳大利亞在蘇拉特盆地多分支水平井的開發(fā)效益顯著[3-4]。我國在經(jīng)歷了30多年的艱苦探索后，在局部地區(qū)實(shí)現(xiàn)了煤層氣商業(yè)化運(yùn)作。
煤層氣開發(fā)的核心技術(shù)是水力壓裂。由于水力壓裂的適用對象是彈性體，在彈性介質(zhì)中形成支撐裂縫，增加其導(dǎo)流能力，達(dá)到增產(chǎn)的目的；而對于隸屬于塑性體的軟煤則無能為力，這已被大量的實(shí)踐和研究所證實(shí)[5]，構(gòu)成了煤層氣開發(fā)的第一個(gè)禁區(qū)，而我國半數(shù)以上的煤層氣資源賦存在軟煤相對發(fā)育的儲層內(nèi)?，F(xiàn)行的活性水+石英砂壓裂工藝，難以在深部高應(yīng)力煤儲層中造出長且寬的支撐裂縫，排采過程中逐漸加強(qiáng)的應(yīng)力敏感效應(yīng)使得支撐劑嚴(yán)重破碎、鑲嵌、裂縫閉合，在經(jīng)歷短暫的產(chǎn)氣后成為死井[6]，從而構(gòu)成了煤層氣開發(fā)的第二個(gè)禁區(qū)。正是由于這兩大禁區(qū)的存在，致使我國煤層氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)難以取得突破。
煤礦井下瓦斯抽采可區(qū)分為未卸壓和卸壓抽采兩大類[7]。前者的抽采效果完全取決于煤儲層的原始滲透率，往往以增加鉆孔工程量來彌補(bǔ)；后者則可以將滲透率提高千倍以上。保護(hù)層開采是最有效的增透手段，在多煤層礦井得到了成功應(yīng)用[8-9]。保護(hù)層開采后，不僅使得被保護(hù)煤層滲透性顯著提升，而且可以從圍巖裂隙帶中抽出大量瓦斯。說明只要在圍巖中形成一個(gè)裂隙發(fā)育的卸壓帶，即可實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯的大規(guī)模、快速抽采?；夭晒ぷ髅娓呶汇@孔、高抽巷抽采與此原理相同?；谶@一原理，蘇現(xiàn)波[10-12]、馬耕[13]朝提出了“虛擬儲層”強(qiáng)化抽采瓦斯技術(shù)，即通過水力壓裂將煤層的頂?shù)装甯脑斐赏咚惯\(yùn)移產(chǎn)出的高速通道，相當(dāng)于改造出保護(hù)層開采中的裂隙帶。這樣就避開了不可強(qiáng)化的軟煤，且?guī)r層的應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤層。該技術(shù)為這禁區(qū)的突破提供了一種行之有效的新途徑，近期的工業(yè)性試驗(yàn)充分證實(shí)了此工藝的可行性。
近些年來，隨著頁巖氣儲層體積改造技術(shù)的日臻成熟[14-15]，使得煤儲層縫網(wǎng)改造理論與技術(shù)得以長足進(jìn)步。筆者從力學(xué)的角度深入分析壓裂過程中多級、多類裂縫的形成機(jī)制，據(jù)此提出實(shí)現(xiàn)圍巖煤儲層縫網(wǎng)改造的技術(shù)途徑，為瓦斯的井地聯(lián)合高效抽采提供一種全新的工藝。
1 圍巖—煤儲層縫網(wǎng)改造理論
1．1 圍巖抽采層概念
圍巖抽采層是指鄰近煤層的頂?shù)装鍘r層，該巖層可通過人工改造形成多級、多類裂縫網(wǎng)絡(luò)與煤層溝通、成為瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出的產(chǎn)層，早期被稱為“虛擬儲層”[10-13]。圍巖抽采層經(jīng)水力強(qiáng)化改造后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)與煤層溝通的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本煤層鉆孔，瓦斯由煤層解吸、擴(kuò)散、滲流到這一產(chǎn)層后被快速抽出；相當(dāng)于在圍巖中建立了一條瓦斯運(yùn)移的高速通道。圍巖抽采層縫網(wǎng)改造技術(shù)突破了軟煤儲層無法直接進(jìn)行水力強(qiáng)化、實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)的禁區(qū)；同時(shí)也以其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤儲層應(yīng)力敏感而使深部高應(yīng)力儲層煤層氣井達(dá)到產(chǎn)能成為可能。
1．2 圍巖抽采層縫網(wǎng)改造增透機(jī)理
縫網(wǎng)改造技術(shù)是指在水力壓裂過程中，采用分段多簇射孔壓裂、水力噴射分段壓裂和四變壓裂(變排量、變支撐劑、變壓裂液和變砂比)，以及一些輔助措施(端部脫砂、投球暫堵等技術(shù))，最大限度地?cái)_動原始地應(yīng)力場，從而使裂縫的起裂與擴(kuò)展不簡單是儲層的張性破壞，還存在剪切、滑移、錯(cuò)斷等復(fù)雜的力學(xué)行為，進(jìn)而形成徑向引張、周緣引張和剪切裂縫等多類、多級裂縫體系。同時(shí)壓裂過程中儲層自身形成的脆性顆?？善鸬阶晕抑巫饔茫诿嫖灰埔部蓪?shí)現(xiàn)裂縫增容。這樣就在儲層內(nèi)形成了一個(gè)由天然裂縫與人工改造的多級、多類裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系，整體上改變了儲層三維空間滲透性，而不單單是幾條裂縫的導(dǎo)流能力。從而造成裂縫壁面與儲層基質(zhì)塊的接觸面積最大化，使得流體從任意方向的基質(zhì)向裂縫的滲流距離最短，為儲層流體運(yùn)移產(chǎn)出提供了最佳、最暢通道。這種以多級、多類裂縫的形成為目的的儲層強(qiáng)化技術(shù)稱縫網(wǎng)改造技術(shù)(圖1)。縫網(wǎng)改造就是要解決裂縫能否形成與如何形成的問題。
1．2．1徑向引張裂縫
在水力壓裂過程中，當(dāng)流體壓力超過最小水平應(yīng)力與巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，薄弱面將被拉裂。假設(shè)裂縫內(nèi)流體壓力各方向相等，裂縫端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子[16]為：
式中KI為煤巖體張性裂縫強(qiáng)度因子；p(y)為作用于裂縫面上的凈壓力；a為裂縫的半長；y為裂縫上任一點(diǎn)到井筒中心的距離；GSI為煤巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，反映非完整煤巖體結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的一個(gè)定量指標(biāo)[17-18]，不同GSl值的煤巖體應(yīng)該具有不同的應(yīng)力強(qiáng)度因子。
當(dāng)KI>KIC(KIC為煤巖體的張性裂縫斷裂韌度)時(shí)，裂縫開始向前擴(kuò)展，且沿著最大主應(yīng)力方向延伸、最小主應(yīng)力方向張開，任何壓裂方式均可形成此類裂縫(圖2)。
1．2．2 剪切裂縫
假定在儲層中存在長度為6的微裂縫，則剪切應(yīng)力強(qiáng)度因子[19]為(圖2)：
式中KⅡ為剪性裂縫強(qiáng)度因子；s¢1、s¢3為最大和最小有效應(yīng)力；a為裂縫與主應(yīng)力s¢3的夾角；b為微裂長度；t為裂縫面上切應(yīng)力。
當(dāng)KⅡ>KⅡC、(KⅡC為煤巖體的剪性裂縫斷裂韌度)時(shí)，剪切裂縫將向前擴(kuò)展，任何壓裂方式理論上均可形成此類裂縫。
1．2．3周緣引張裂縫
在水力壓裂過程中快速降低排量、甚至停泵，或瞬時(shí)卸載放噴，都可形成近乎垂直于徑向裂縫的周緣引張裂縫。這些壓裂方式可造成井筒內(nèi)快速卸壓，流體帶動煤巖體向井筒方向徑向位移，位移量白鉆孔壁面向外逐漸減小。由于煤巖體中結(jié)構(gòu)弱面兩側(cè)位移量不同，將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫開始萌生擴(kuò)展，形成周緣引張裂縫[20-21](圖3)。
裂縫面的法向有效應(yīng)力和剪應(yīng)力可表示為：
式中a為裂縫與最小有效應(yīng)力方向的夾角；t為剪切應(yīng)力；s¢n為裂縫面法向有效應(yīng)力。
當(dāng)s¢n＜0時(shí)，裂縫面法向應(yīng)力為拉應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生法向位移、裂開，滑動抗剪摩擦力忽略不計(jì)，裂縫端部擴(kuò)展裂紋(r,q)處的s¢q可表示為：
式中q為裂縫轉(zhuǎn)向角；r為擴(kuò)展裂紋長度。
對于長度較小的裂紋，可看做是無限體平面問題，在無限遠(yuǎn)處有一對壓拉組合作用力，則張性裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：
由式(4)、(5)可得出擴(kuò)展裂縫(r，q)處的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：
對式(4)求偏導(dǎo)，并令其為0，則
式中q0為轉(zhuǎn)向裂縫開裂角。
將式(7)確定的開裂角(q0)代入式(6)，求出拉剪作用下的裂紋起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子為：
周緣引張裂縫是單純的注入式壓裂難以實(shí)現(xiàn)的，而變排量、吞吐或重復(fù)壓裂的卸載階段可形成。
1．2．4裂縫轉(zhuǎn)向與多級裂縫的形成
變排量壓裂、分段多簇射孔壓裂、重復(fù)壓裂等都會引起地應(yīng)力重新分布，后期壓裂裂縫將與前期壓裂所形成的裂縫呈臼的方位延伸，從而形成轉(zhuǎn)向裂縫[22-23]。壓裂形成的每條裂縫都將產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力場，造成應(yīng)力重新分布[24]，裂縫在A點(diǎn)形成的誘導(dǎo)應(yīng)力見圖4和式(9)～(12)。
式中s¢x誘導(dǎo)為x方向誘導(dǎo)有效應(yīng)力；s¢y誘導(dǎo)為y方向誘導(dǎo)有效應(yīng)力；p為縫內(nèi)流體壓力；r為A點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；r1、r2分別為A點(diǎn)到裂縫兩個(gè)端點(diǎn)的距離；q1、q2分別為A點(diǎn)和裂縫兩個(gè)端點(diǎn)連線與y軸的夾角；v為泊松比。
以誘導(dǎo)應(yīng)力與裂縫中的凈壓力p的比值為縱坐標(biāo)，以與初始裂縫的距離x和半縫高a的比值為縱軸作圖(圖5)，由圖5可以看出誘導(dǎo)應(yīng)力的大小隨著與初始裂縫距離的變化而改變，在3倍的半縫高距離以后，誘導(dǎo)應(yīng)力變的得很小，可以忽略不計(jì)[25]。
誘導(dǎo)應(yīng)力場和原應(yīng)力場相互疊加形成復(fù)合應(yīng)力場。裂縫的復(fù)雜性決定了誘導(dǎo)應(yīng)力場的非均一性，從而造成了復(fù)合應(yīng)力場的復(fù)雜性。正是存在非均一性，才使多級、多類裂縫的形成成為可能。因此，縫網(wǎng)改造的核心是通過改變壓裂工藝，最大限度地?cái)_動原始應(yīng)力場。
1．2．5裂縫的自我支撐
圍巖抽采層壓裂過程中形成的剪切裂縫將產(chǎn)生自我支撐(圖1)。隨壓裂的進(jìn)行，剪切裂縫將發(fā)生壁面位移，粗糙的裂縫面凸凸相對，從而發(fā)生增容；壓裂中形成的一些較大的脆性顆粒，滯留在裂縫體系內(nèi)，起到了顆粒支撐作用。
上述力學(xué)分析表明，儲層縫網(wǎng)改造的核心是最大限度地?cái)_動原始應(yīng)力場，只要通過水力壓裂不斷擾動應(yīng)力場，就可形成多級、多類裂縫。這一理論分析為以下縫網(wǎng)改造技術(shù)的形成奠定了基礎(chǔ)。
2 圍巖一煤儲層縫網(wǎng)改造技術(shù)
2．1 技術(shù)的適用性
2．1．1技術(shù)優(yōu)勢
圍巖抽采層縫網(wǎng)改造以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢為上述兩大煤層氣開發(fā)禁區(qū)的突破提供了新途徑。
1)鉆孔不易失穩(wěn)。巖體的力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于含瓦斯煤體，鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)概率低，易形成一個(gè)高質(zhì)量的井孔。
2)圍巖的可改造性強(qiáng)。任何圍巖，除了個(gè)別水敏性極強(qiáng)的泥巖外，其脆性指數(shù)、力學(xué)強(qiáng)度都高于煤層，水力壓裂時(shí)易形成裂縫。
3)裂縫不易因應(yīng)力敏感而閉合。隨排采的進(jìn)行、流體壓力的降低，有效應(yīng)力在不斷增加，裂縫將逐漸閉合，支撐劑將會嵌入煤巖層，致使其導(dǎo)流能力顯著降低，甚至完全消失。巖層的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤層，抗支撐劑鑲嵌能力高于煤層，因此排采過程中無法回避的應(yīng)力敏感造成裂縫的閉合程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤層。
4)易發(fā)生速敏。煤層氣排采要求“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”，其核心就是要控制速敏的發(fā)生。對于本煤層壓裂井而言，如果排采失控，將會出現(xiàn)煤粉隨流體產(chǎn)出，產(chǎn)出煤粉要么沉淀在口袋中，要么滯積在近井地帶(往往為應(yīng)力集中帶)，造成儲層嚴(yán)重傷害。通過圍巖井孔抽采瓦斯顯著降低了速敏發(fā)生的概率。這是由于巖層的破碎能力顯著低于煤層，不易形成巖粉；就是形成少量的巖粉，也不會像煤粉那樣顆粒與顆粒之間存在強(qiáng)的結(jié)合力，在近井應(yīng)力集中帶形成致密的煤粉滯積環(huán)。
5)適合于任何結(jié)構(gòu)煤儲層。對硬煤儲層，在進(jìn)行圍巖縫網(wǎng)改造的同時(shí)也改造了煤層；對軟煤儲層，由于其自身不可壓裂，改造的只是圍巖。
圍巖抽采層縫網(wǎng)改造以上述諸多技術(shù)優(yōu)勢，將為瓦斯抽采提供一種全新的技術(shù)途徑，將推動我國煤層氣商業(yè)化開發(fā)的進(jìn)程。
2．1．2技術(shù)的局限性
盡管圍巖抽采層縫網(wǎng)改造具有上述多種優(yōu)勢，但也有其局限性：①煤層上下均為強(qiáng)水敏性巖層、遇水即嚴(yán)重膨脹和軟化時(shí)不適用；②圍巖抽采層為富水性較強(qiáng)的含水層，或強(qiáng)化影響范圍內(nèi)有富水性強(qiáng)的含水層時(shí)不適用。
2．2 縫網(wǎng)改造增透技術(shù)
圍巖抽采層—煤儲層縫網(wǎng)改造技術(shù)適合于地面煤層氣開發(fā)和井下瓦斯抽采，是一種相對普適性技術(shù)。其核心是根據(jù)煤巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，針對不同的井型采用不同的水力壓裂工藝，最大限度地形成多級、多類裂縫體系，達(dá)到快速抽采瓦斯的目的。對于硬煤儲層強(qiáng)化的是圍巖和煤儲層，瓦斯以一級擴(kuò)散、兩級滲流方式產(chǎn)出；對于軟煤儲層強(qiáng)化的是圍巖，煤層不能被強(qiáng)化，只能形成擠脹和穿刺，瓦斯以兩級擴(kuò)散、一級滲流方式產(chǎn)出[12](圖6)。但軟煤可以通過水力壓沖出煤卸壓實(shí)現(xiàn)，其機(jī)理另文探討。圍巖煤儲層縫網(wǎng)改造可通過下述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。
2．2．1四變壓裂技術(shù)
四變壓裂，即變排量、變砂比、變支撐劑和變壓裂液，是一種實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)改造的有效途徑。
2．2．1．1變排量壓裂
變排量壓裂是指壓裂過程中排量從低到高反復(fù)進(jìn)行，對儲層反復(fù)激動，低排量可以是停泵。隨著排量的增加、壓力增大，徑向引張裂縫形成；當(dāng)降低排量或停泵時(shí)，儲層相應(yīng)發(fā)生卸載，形成周緣引張裂縫；與此同時(shí)，先期形成的剪切裂縫，間或徑向引張裂縫會發(fā)生壁面位移，從而實(shí)現(xiàn)裂縫的增容和自位支撐。反復(fù)的變排量泵注過程中，應(yīng)力場不斷被擾動，形成復(fù)合應(yīng)力場，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。從而形成了多級、多類裂縫網(wǎng)絡(luò)。變排量是四變壓裂的核心。
2．2．1．2變砂比
變砂比是與變排量壓裂相輔相成的一種壓裂技術(shù)。在大排量時(shí)加入支撐劑，形成段塞；在低排量時(shí)不加支撐劑，形成隔離，最終形成房柱式支撐，一些學(xué)者將此壓裂稱為通道壓裂[26-27]。支撐劑的圓度、球度、抗壓強(qiáng)度和破碎率決定了支撐裂縫的導(dǎo)流能力，石英砂的低抗壓強(qiáng)度和高破碎率，往往難以維持支撐裂縫導(dǎo)流能力的長期穩(wěn)定。而變砂比通道壓裂則是由支撐劑建立支撐房柱，它自身可以沒有導(dǎo)流能力，只要房柱之間的通道具有高導(dǎo)流能力就可為流體運(yùn)移產(chǎn)出提供暢通流道。因此，通道壓裂對支撐劑質(zhì)量要求不嚴(yán)格，能夠建立房柱即可。
變砂比壓裂往往與裂縫端部脫砂、投球暫堵等輔助措施相結(jié)合，可達(dá)到事半功倍的效果。另外，變砂比通道壓裂要求巖層有足夠的強(qiáng)度[28]，所形成的房柱不被壓垮，這正是圍巖抽采層具備的優(yōu)勢。
2．2．1．3變壓裂液
變壓裂液是指充分發(fā)揮各種壓裂液的性能，實(shí)現(xiàn)多級、多類裂縫的有效支撐。一般采用廉價(jià)的活性水作為前置液充分實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)改造；以昂貴的胍膠等高黏、強(qiáng)攜砂能力壓裂液為攜砂液，實(shí)現(xiàn)裂縫的有效支撐。變壓裂液壓裂即所謂的復(fù)合壓裂。
2．2．1．4變支撐劑
變支撐劑包括變粒徑與變類型兩層含義。①變粒徑。在前置液中一般要加入一定量的粉砂，其作用有三：堵塞大裂縫降濾失、打磨裂縫壁面和支撐微裂縫；攜砂液加入的中砂是形成導(dǎo)流通道的主體；最后加入粗砂形成近井地帶高滲通道。②變支撐劑類型。變支撐劑類型與變壓裂液密切相關(guān)。前置液采用廉價(jià)的活性水造縫，加入粉砂；攜砂液如果采用活性水，則必須采用入木質(zhì)支撐劑(如核桃殼)或者超低密度陶粒；攜砂液如果采用胍膠等高黏壓裂液，則可加入抗壓能力強(qiáng)的支撐劑(如陶粒)。除煤層埋深較淺、閉合壓力較低，或采用變砂比通道壓裂外，一般不可采用石英砂做支撐劑。
四變壓裂中的“四變”是相輔相成的，一個(gè)區(qū)塊、一口井都要根據(jù)具體的儲層條件進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)一區(qū)一策、一井一法，達(dá)到縫網(wǎng)改造的目的。
2．2．2地面煤層氣開發(fā)縫網(wǎng)改造技術(shù)
根據(jù)前述的裂縫形成機(jī)制，結(jié)合四變壓裂技術(shù)，任何煤體結(jié)構(gòu)儲層都可進(jìn)行圍巖—煤儲層縫網(wǎng)改造，特別是全層均為軟煤的儲層優(yōu)勢更加顯著。
2．2．2．1水平井圍巖縫網(wǎng)改造技術(shù)
在距煤層一定距離的頂板或底板圍巖層內(nèi)施工水平井(圖6)。壓裂分段由煤巖體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)、改造體積、地應(yīng)力和施工能力決定，每段長度一般不超過100m?？刹捎寐菪淇谆蚨ㄏ蛏淇祝酌芏雀鶕?jù)壓裂需求而定，但均要多簇射孔?？刹捎梅飧羝鳈C(jī)械封隔，也可水力噴射自我封隔分段壓裂。對于埋深淺、地應(yīng)力低的儲層，壓裂液可采用活性水或滑溜水；對深部高應(yīng)力儲層，則采用胍膠或清潔壓裂液，但要與低溫強(qiáng)制性破膠劑結(jié)合，最好加注自生氮，確保破膠徹底和快速返排。支撐劑以中砂為主，尾追粗砂，前置液中加入粉砂。泵注過程采用四變壓裂，泵注排量和攜砂量取決于煤巖體結(jié)構(gòu)和改造體積等。
水平井的分段多簇射孔壓裂，通過簇與簇、段與段之間的應(yīng)力場干擾實(shí)現(xiàn)了裂縫的轉(zhuǎn)向，加上“四變”技術(shù)，充分形成了多級、多類裂縫體系，達(dá)到縫網(wǎng)改造目的。在河南煤化集團(tuán)中馬村礦施工的地面U型井，水平井眼布置在煤層以上5m左右的頂板圍巖內(nèi)，水平段長300m左右，采用水力噴射分段壓裂，通過圍巖抽采層實(shí)現(xiàn)間接瓦斯抽采。由于和煤礦井下工程沖突，壓裂規(guī)模較小。但獲得了2300m3／d的產(chǎn)氣量，這是國內(nèi)外第一口進(jìn)行圍巖改造抽出瓦斯的地面井。
2．2．2．2垂直井與叢式井縫網(wǎng)改造技術(shù)
四變壓裂是垂直井和叢式井圍巖縫網(wǎng)改造的技術(shù)途徑。若煤層全部為軟煤，可只打開圍巖，通過四變壓裂實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)改造；若煤儲層存在硬分層，則將此硬分層與圍巖一并打開；如果存在脆性的夾矸，也打開。采用四變壓裂，并輔之以端部脫砂或投球暫堵技術(shù)，先壓開煤層，后壓開圍巖抽采層。壓裂液、支撐劑、泵注排量等的確定原則與水平井相同?？蓢L試不均勻射孔，類似于水平井的分段多簇射孔，煤層孔密度大些，這樣更容易形成應(yīng)力場的擾動。
圍巖抽采層縫網(wǎng)改造技術(shù)在山西古交地面垂直井得到了成功應(yīng)用。該區(qū)發(fā)育兩層煤，煤層厚度l～3m，兩層煤間距為5～10m，巖性為粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，煤層氣含量10～15m3／t，為碎粒煤。把煤層和煤層之間圍巖一并壓裂的2口井，穩(wěn)產(chǎn)在1600m3／d；而只對煤層實(shí)施壓裂改造的1口井僅150m3／d。這一工業(yè)性試驗(yàn)充分說明圍巖抽采層縫網(wǎng)改造的技術(shù)優(yōu)勢。
2．2．3煤礦井下瓦斯抽采縫網(wǎng)改造技術(shù)
筆者于2004年提出將地面煤層氣開發(fā)的壓裂工藝移植到煤礦井下[29]，于2008年進(jìn)行了真正意義上井下圍巖一煤層水力壓裂，這一工藝技術(shù)正以其強(qiáng)有力的生命力在走入工程化。
煤礦井下可把圍巖和煤層作為整體進(jìn)行縫網(wǎng)改造，其實(shí)現(xiàn)途徑為吞吐壓裂、重復(fù)壓裂、水力壓沖等，工藝的選擇取決于煤巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)[30]。圍巖抽采層煤儲層縫網(wǎng)改造技術(shù)以其增透效果明顯、成本低而成為煤礦井下瓦斯抽采的一種新技術(shù)，在河南、重慶、貴州、安徽、山西等高突礦井被逐漸推廣。
3 結(jié)論
鑒于現(xiàn)行的水力壓裂工藝難以滿足軟煤和深部高應(yīng)力煤儲層煤層氣商業(yè)化開發(fā)的需求，筆者提出了一種圍巖煤儲層縫網(wǎng)改造技術(shù)。該技術(shù)通過不同的水力強(qiáng)化措施，對圍巖一煤儲層進(jìn)行縫網(wǎng)改造，形成一個(gè)由多類、多級裂縫組成的縫網(wǎng)體系，達(dá)到大規(guī)模抽采瓦斯的目的。力學(xué)分析結(jié)果表明，水力壓裂可形成徑向引張、周緣引張和剪切裂縫等多類、多級裂縫。在分析了圍巖抽采層縫網(wǎng)改造技術(shù)的適用性和局限性后，提出實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)改造的技術(shù)途徑：四變壓裂、水平井分段多簇射孔壓裂、水力噴射分段壓裂以及一些輔助措施。這一技術(shù)的核心是應(yīng)力場的擾動，目的是形成多級、多類裂縫，大規(guī)模提升瓦斯抽采效率。煤層氣地面開采和煤礦井下抽采成功的工業(yè)性試驗(yàn)，初步形成了一套井上下圍巖煤儲層縫網(wǎng)改造技術(shù)體系。該技術(shù)突破了軟煤儲層不可強(qiáng)化、深部高應(yīng)力儲層低產(chǎn)兩大禁區(qū)，其推廣應(yīng)用將極大地推進(jìn)我國地面煤層氣商業(yè)化開發(fā)進(jìn)程，形成一種瓦斯區(qū)域治理新工藝。
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本文作者：馬耕 蘇現(xiàn)波 藺海曉 郭紅玉 陶云奇 劉曉
作者單位：河南煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司
河南理工大學(xué)能源科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
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