碎軟低滲煤儲層強化與煤層氣地面開發技術進展

桑樹勛 ，皇凡生 ，單衍勝 ，周效志 ，劉世奇 ，韓思杰 ，鄭司建 ，劉 統 ，王梓良 ，王峰斌

（1.中國礦業大學 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室, 江蘇 徐州 221008；2.中國礦業大學 碳中和研究院, 江蘇 徐州 221008；3.中國礦業大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州 221008；4.中國地質調查局油氣資源調查中心, 北京 100083）

0 引 言

我國煤層氣資源豐富，埋深2 000 m 以淺的資源量約為30.05×1012m3，占世界煤層氣總資源量的13.7%[1]。然而，我國煤層氣地質條件相對復雜，由于經歷多期構造作用，大部分煤層原生結構遭到破壞，煤體變碎、變軟，在地層地應力條件下具有低滲透性特點[2]。據統計，碎軟低滲煤儲層約占我國煤炭總資源量的60%，碎軟低滲煤儲層含氣量高，其煤層氣資源量占我國煤層氣總資源量的比例更大[3-4]。此外，由于碎軟低滲煤儲層煤體力學強度低、瓦斯含量高、瓦斯壓力大，是易發生井下瓦斯突出的主要煤體類型。在碎軟低滲煤層發育煤礦區，采煤前需進行地面煤層氣抽采或井下瓦斯預抽，以保障煤礦安全生產。因此，實現碎軟低滲煤儲層煤層氣地面高效開發，對于加快我國煤層氣高效開發、治理煤礦瓦斯事故以及實現煤炭甲烷減排均具有重要的意義。截至目前，安徽、河南、山西、湖南、遼寧、重慶、貴州等地已進行了大量的碎軟低滲煤儲層煤層氣開發工程實踐，雖然取得了不同程度的增產效果，但仍存在單井產量低、穩產期短、衰減快、瓦斯抽采達標時間長、抽采效率低、代價高等問題[5-6]。如何實現碎軟低滲煤儲層煤層氣高效開發，解決“有氣難出”的問題，是煤與煤層氣協調開發中亟待攻克的關鍵技術難題。

由于碎軟低滲煤儲層滲透性差，為獲得較高的煤層氣產量，一般都需要采用儲層強化手段進行增產[7-8]。我國碎軟低滲煤儲層瓦斯治理和煤層氣開發歷經近40 a 的探索，儲層強化手段已由國外引進吸收轉變為自主創新，形成了一系列獨具特色的技術工藝[9-11]。目前，直接壓裂技術仍是最常用的碎軟低滲煤儲層強化手段，但是由于碎軟煤力學強度差，直接壓裂效果不盡人意[12-13]。為有效提高碎軟低滲煤儲層煤層氣開發效果，利用煤層中及其附近的壓裂有利因素，如頂板、夾矸層、硬煤分層，OLSEN 等[14]、李雪姣等[15]、許耀波等[16]分別提出了壓裂煤層頂板、夾矸層和硬煤分層間接壓裂碎軟煤儲層的技術思路，并取得了增產效果。受煤礦區保護層開采碎軟煤層卸壓增透地面井瓦斯抽采技術和洞穴完井技術的啟示，桑樹勛等[4]、盧義玉等[17]、楊睿月等[18]、張波等[19]通過充分利用碎軟煤層易造洞穴或易割縫的力學特性，提出了造穴誘導垮塌、水力割縫卸壓激勵煤儲層大范圍應力釋放，實現煤儲層增滲的技術思路。此外，SONG 和ELSWORTH[20]提出了采用微生物礦化固結措施加固碎軟煤儲層，再進行水力壓裂的技術思路。

筆者在總結我國碎軟低滲煤儲層特征及其煤層氣在地面開發中存在的問題、技術瓶頸基礎上，以間接壓裂、應力釋放以及先固結后壓裂3 種不同的技術思路為線索，梳理了目前碎軟低滲煤儲層強化與煤層氣地面開發技術進展，介紹了相關技術的基本工作原理、關鍵技術流程以及現場應用等，重點對碎軟低滲煤儲層強化及煤層氣地面開發的應力釋放技術的未來發展趨勢進行了展望。以期為改善我國碎軟低滲煤儲層增產改造效果以及提高構造煤煤層氣單井產量提供支撐，助力我國煤層氣產業的大發展。

1 碎軟低滲煤儲層特征

所謂碎軟煤，又稱典型構造煤，是指煤層形成后，在漫長的地質構造演化過程中受到了強烈的構造擠壓、褶皺變形、層間滑動揉皺等作用，導致煤層整體或其中一個、多個分層煤體結構破碎成碎片狀、粉末狀、鱗片狀、碎塊狀、碎粒狀，伴隨著煤層原有的天然割理/裂隙系統被破壞，甚至消失[21-23]。碎軟煤主要由碎粒煤、片狀煤以及糜棱煤組成。從定量指標識別的角度來看，碎軟煤是指抗碎強度Ss小于50%、堅固性系數f小于0.5 的煤[24]。由于碎軟煤儲層巖石連續性差，普遍具有機械強度低、彈性模量低、泊松比高等特點，與堅硬煤（原生結構煤和碎裂煤）相比，地層條件下表現為明顯的塑性變形特征[5]。在原位應力條件下，受上覆地層壓力以及構造應力的作用，碎軟煤將會被擠壓密實，粒間孔隙閉合。因此，碎軟煤儲層巖石物性普遍較差，其孔隙度通常小于2%，滲透率小于0.1×10-3μm2[25-26]。此外，碎軟煤含水性差，煤層氣幾乎全部以吸附態賦存，具有高含氣量、高含氣飽和度以及高甲烷體積分數特征[27]。

2 碎軟低滲煤儲層煤層氣地面開發難題

2.1 建井成井難題

碎軟低滲煤儲層建井過程中普遍存在成井難、鉆進效率低的問題[28-30]。碎軟低滲煤儲層力學強度低、構造應力復雜，在建井過程中受井筒液柱壓力及地應力擾動的影響，井壁極易坍塌失穩；同時，碎軟低滲煤極具流動性、透水性大、抗水性差，在鉆井液長時間沖刷和軟化作用下，井眼周圍煤體易變形，進一步加劇井眼坍塌失穩。井眼失穩形成大量的碎塊狀、碎粒狀煤，鉆井液難以有效地將其攜帶出井眼，造成井眼內煤渣堆積，誘發卡鉆、埋鉆事故，嚴重制約鉆進效率。在固井過程中，碎軟低滲煤儲層還存在下套管困難，固井水泥環與煤層膠結不緊密，固井質量差問題，在后續壓裂和排采過程易誘發串流現象[5]。

2.2 水力壓裂難題

目前，直井以及水平井水力壓裂是煤層氣井最常用的增產改造措施。然而，由于碎軟低滲煤儲層層理結構紊亂，具有彈性模量低、泊松比高等特性，在碎軟煤層中進行水力壓裂，其巖石破裂機制與硬煤差別較大，對碎軟低滲煤儲層直接進行水力壓裂的效果并不理想[5,12,31]。首先，碎軟煤塑性較強，在煤層中進行直接射孔壓裂時，壓裂縫難以擴展至煤層遠端，形成寬而短的裂縫，導致泄流面積有限；其次，碎軟煤結構破碎、力學強度低，壓裂后形成的裂縫易發生垮塌，產生的煤粉會對裂縫造成堵塞，從而降低裂縫導流能力；最后，由于碎軟煤的塑性特征，支撐劑極易嵌入壓裂縫壁面，進一步降低壓裂改造效果。

2.3 高效排采難題

煤粉問題是制約碎軟低滲煤層氣井經濟高效排采的關鍵技術瓶頸[32-36]。由于碎軟煤具有細?；?、機械強度低、滲透率低等特點，其基質表面賦存的原生煤粉要遠多于堅硬煤；且在建井、增產改造以及排采作業過程中，由于應力擾動、流體沖刷、機械研磨等因素的影響，碎軟煤體結構極易破壞，其形成次生煤粉的傾向性也要遠大于堅硬煤。在碎軟低滲煤層氣井排采過程中，原生/次生煤粉隨流體發生大規模的運移，不但會堵塞煤層裂隙和支撐裂縫，導致裂隙和支撐裂縫滲透率急劇降低，影響煤層氣井產能，而且還會埋住井下管柱和煤層，誘發井筒堵塞、埋泵、卡泵等井下事故，造成氣井停產，撈砂檢泵作業頻繁。

3 碎軟低滲煤儲層間接壓裂技術

鑒于碎軟低滲煤儲層在建井成井、直接壓裂以及高效排采方面的問題，業界專家紛紛對該類煤儲層強化及煤層氣地面開發方式進行了探索，通過利用頂板巖層、夾矸層和硬煤分層易于建井、壓裂的特點，提出了頂板間接壓裂、夾矸層間接壓裂以及硬煤分層間接壓裂技術思路，有效解決了碎軟低滲煤儲層建井成井難、壓裂改造難和出煤粉嚴重的問題。關于碎軟低滲煤儲層間接壓裂技術的原理及應用效果如下。

3.1 頂板水平井間接壓裂技術

不同于碎軟低滲煤儲層特征，其頂板巖層通常為砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖等堅硬脆性巖層，具有高彈性模量、低泊松比等特點，更有利于壓裂縫擴展、延伸[3,5-6]。為有效避免碎軟低滲煤層直接壓裂面臨的工程難題，OLSEN 等[14]充分利用頂板巖層利于壓裂的優勢，于2003 年首次提出了頂板水平井間接壓裂模式，并與2011 年引入我國。該技術基本原理為在頂板巖層中布設水平井，采用定向射孔和分段壓裂模式，誘導水力裂縫在頂板巖層中起裂，水力裂縫一方面會在頂板巖層內沿橫向快速擴展，形成長的壓裂縫，另一方面還會沿縱向穿層進入煤層，水力裂縫在橫向快速擴展和縱向穿層擴展的綜合作用下，會如“剪刀”一般撕裂煤層，最終形成貫通頂板巖層和煤層的復雜縫網，為煤層氣產出創造高導流通道（圖1）[5,37-41]。頂板壓裂開發模式選用的井型通常為U 型井組，水平井段布置在距離煤層1.5 m 左右的頂板巖層，水平井段下套管固井，采用“泵送橋塞+定向射孔”聯作的分段壓裂工藝，實施“大排量、大規模、高前置液比、中砂比”活性水壓裂作業[5]。將頂板巖層作為水平井布井和壓裂的目的層，具備以下優勢[21]：①水平井鉆進過程中，井眼穩定性好，且能避免鉆井液對煤層的污染；②在壓裂過程中，由于壓裂液和支撐劑的重力作用，支撐劑更易在裂縫中形成有效支撐；③在排采過程中，煤粉在重力作用下難以進入支撐裂縫和井筒，有利于后期排采管理。間接壓裂技術適應性取決于頂底板巖性組合，對于頂底板巖性為砂巖、細砂巖和粉砂巖的脆性巖層，其泊松比低、彈性模量高，巖層最小主應力小于煤層，適合壓裂縫延伸，此類巖性頂底板比較適于間接壓裂施工；而對于脆性礦物少的厚層泥巖，其可塑性比煤層更強，且最小主應力大于煤層，此類泥巖不適合間接壓裂作業，只有當泥巖脆性指數高于40 時，間接壓裂優勢才能得以體現[21]。

圖1 煤層頂板巖層水平井分段壓裂開發煤層氣技術模式[21]Fig.1 Technology model of CBM development using horizontal well staged fracturing in roof strata of coal seam[21]

截至2022 年11 月，頂板壓裂開發技術已在安徽、河南、山西、陜西、貴州等省9 個礦區的碎軟低滲煤層氣開發中得到了推廣應用，已施工或正在施工的頂板壓裂水平井有60 余口，多口井日產氣量穩定在4 000 m3以上，取得開發成效[3,8,42-45]。2013 年9 月，淮北礦業集團與中國煤炭科工集團西安研究院合作，在蘆嶺煤礦III-102 采區首次成功實施了碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂工程試驗[3]。目標8號煤層，深度744 m、厚度10.09 m，煤體破碎，含氣量6.19 m3/t，滲透率0.08×10-3μm2，水平段位于頂板砂質泥巖層，距下部煤層0～1.5 m，長度586 m，分7段進行壓裂。該井于2015 年4 月開始產氣，單井最高日產氣量10 754.8 m3，連續3 個月日產氣量穩定在10 000 m3以上、連續17 個月平均日產氣量7 075 m3，抽采4.5 a 累計產氣量700×104m3，創造了國內碎軟低滲煤層水平井單井產氣量新記錄（圖2a）。2019年3 月，山西潞安礦區在余吾井田北二采區實施了1 口碎軟煤層頂板水平井工程試驗，目標3 號煤為軟硬復合煤層，碎軟煤分層占比高，煤層厚6 m，含氣量10～12 m3/t，滲透性較差，頂板巖性為砂巖和泥巖[8]。該井水平段長830 m，分10 段進行壓裂施工，排采最高日產氣量9 271 m3，且產氣量長期穩定在6 000 m3以上，截至2022 年11 月，該井已累計產氣746×104m3，成為國內頂板壓裂水平井開發煤層氣高產穩產的代表（圖2b）。

圖2 典型碎軟低滲煤儲層頂板水平井分段壓裂排采曲線[8]Fig.2 Drainage curves of stage-fractured horizontal well in roof of broken soft and low-permeability coal seams[8]

3.2 夾矸層水平井間接壓裂技術

由于成煤環境的復雜性，在一定地質條件下，煤層中往往會形成一層甚至多層具有一定厚度的夾矸[46-47]。夾矸層巖性多為砂巖、泥巖、黏土巖等，常成層狀、似層狀或凸鏡狀分布；與煤分層相比，夾矸層具有抗壓強度高、彈性模量高、泊松比低、脆性好等特點，可壓性更高[48-49]。針對碎軟低滲煤層直接壓裂面臨的工程難題，通過利用夾矸層利于壓裂的優勢，形成了碎軟煤層夾矸層水平井間接壓裂的技術方向[15]，其基本原理與頂板壓裂類似，即在夾矸層中布置1 口水平井，采用分段射孔壓裂方式，誘導水力裂縫由夾矸層起裂、擴展，在夾矸層內構建一系列長的壓裂縫，并穿層進入上下部煤層，為煤層氣的產出創造優勢通道（圖3）。夾矸層水平井間接壓裂的選擇需滿足泥巖夾矸層厚度介于0.5～1.0 m，砂泥巖互層夾矸層厚度介于2.0～3.0 m，且夾矸層延伸穩定[50]。將夾矸層作為水平井布井以及壓裂的目的層，存在如下技術優勢：①夾矸層巖石強度高、可浸泡性好，可提高建井成功率，并避免鉆井液和固井水泥漿對煤層的污染；②降低水力壓裂的施工壓力，提高了作業的安全性，同時裂縫延伸效果好，煤層改造體積大，增產效果更為明顯；③在后期排采過程中，可顯著降低煤粉產出量，保障排采作業的連續性和穩定性。以大寧-吉縣區塊5 號煤層H1 井夾矸層水平井間接壓裂試驗為例，5 號煤埋深為900～1 200 m，厚度為3.9～9.35 m，平均孔隙度和滲透率分別為3.45%和0.04×10-3μm2，煤體結構破碎，并發育4 套夾矸，夾矸巖性以灰黑色碳質泥巖為主[15]。H1 井為10 段壓裂水平井，其中第1～3 段在煤層中射孔，第4～10 段在夾矸層射孔。壓裂施工表明在煤層中直接壓裂的施工壓力為30～38 MPa，裂縫延伸壓力為40 MPa，而在夾矸層中壓裂的施工壓力為25～28 MPa，裂縫延伸壓力為20～25 MPa，與在煤層中壓裂相比，夾矸層中壓裂的施工壓力和裂縫延伸壓力分別下降了5～10 MPa 和15～20 MPa，且煤粉對壓裂縫導流能力影響較小，裂縫延伸較好。H1 水平井穩產期高達52 個月，穩產期平均日產氣量為5 768 m3/d，開發效果較好（圖4）。

圖3 煤儲層夾矸層水平井間接壓裂開發煤層氣示意[15]Fig.3 Schematic of horizontal well indirect fracturing in the gangue of coal seam for CBM development[15]

圖4 夾矸層水平井分段壓裂與直井壓裂日產氣曲線對比[50]Fig.4 Comparison of daily gas curves between horizontal well staged fracturing in partings and vertical well fracturing[50]

3.3 硬煤分層水平井間接壓裂技術

由于成煤環境和后期構造作用的影響，多數煤層在垂向煤層剖面上呈現碎軟煤分層、堅硬煤分層交互特征[51-52]。針對煤儲層的這一特點，通過利用堅硬煤分層利于壓裂的優勢，形成了基于堅硬煤分層水平井間接壓裂開發碎軟煤儲層煤層氣的技術方向[16]，其基本原理與頂板間接壓裂以及夾矸層間接壓裂類似，即將水平井布置于可壓性好的堅硬煤分層中，采用下套管不固井的方式進行完井，然后通過水力噴砂射孔溝通井筒與硬煤分層，基于“油管(噴射)+環空(壓裂)”大排量水力噴射壓裂聯作方式進行分段壓裂改造，在硬煤分層中形成一系列長的壓裂縫，同時這些裂縫能夠穿層進入軟煤分層中，從而實現對軟硬煤分層煤層的整體壓裂改造（圖5）。硬煤分層水平井間接壓裂技術的選擇，需滿足如下要求：①軟硬煤分層疊合關系簡單，硬煤分層延伸穩定且厚度較大（> 2 m）；②對于碎軟煤分層厚度占比大、軟硬煤分層疊合關系復雜的煤層，則需要滿足硬煤分層連續延伸、長度較長、厚度較大（> 2 m）[8]。將水平井部署在硬煤分層中，選用下套管不固井完井方式，可大幅提高建井成功率，避免固井水泥漿的污染，并預防排采過程中井眼坍塌。另外，油管(噴射)+環空(壓裂)大排量水力噴射壓裂方式，還具有降低起裂壓力、壓裂排量和加砂規模大、定點壓裂和防竄流效果好等優點，可顯著改善作業效率、減少施工風險、降低作業成本。

圖5 硬煤分層水平井分段壓裂開發煤層氣模式示意[8]Fig.5 Schematic of CBM development by horizontal well staged fracturing in hard coal stratification[8]

2015—2018 年，沁水盆地趙莊井田實施了軟硬煤分層煤層水平井分段壓裂工程試驗，目標3 號煤層埋深763.0～768.2 m，厚5.2 m，水平段長730 m，水平井采用套管外不固井完井方式，并分8 段進行水力噴射壓裂[16]。截至2018 年底，試驗井累計產氣量160×104m3，日產氣量突破5 000 m3，穩產氣量在4 000～5 000 m3，取得了較好的產氣效果（圖6a）。2020 年初，晉城礦區寺河礦也開展了軟硬煤分層煤層水平井分段壓裂工程示范，目標煤層15 號煤埋深335.5～337.6 m，煤厚2.1 m，含氣量18 m3/t，水平段長820 m，射孔壓裂8 段，段間加密補射孔8 段，累計加砂和用液量分別為350 和6 500 m3，平均加砂比>11.6%[8]。試驗井自2020 年6 月1 日開始產氣，8 月25 日產氣突破5 000 m3/d，最高日產氣量9 100 m3，穩定產量在7 000～8 000 m3，產氣效果較好（圖6b）。目前，該技術還在兩淮、貴州、晉城等的部分煤礦區進行了推廣應用。

圖6 硬煤分層水平井分段壓裂試驗井產氣曲線[8,16]Fig.6 Gas production curves of test wells with horizontal well staged fracturing in hard coal stratification[8,16]

4 碎軟低滲煤儲層應力釋放技術

水力壓裂技術主要采用巖體“加壓”破裂變形的方法實現造縫增透，然后疏水降壓采氣。與水力壓裂技術開采煤層氣原理不同，通過利用碎軟低滲煤儲層機械強度低、易切割、破碎等天然力學特性，提出了通過水平井造洞穴或水力割縫實現移除煤儲層物質的方式，激發煤儲層大范圍應力釋放，進而誘發煤體膨脹，顯著改善煤儲層物性，促進氣體降壓解吸和滲流，實現碎軟低滲煤儲層煤層氣的高效開發。

4.1 水平井造穴技術

水平井造穴卸壓技術是指在煤層中鉆水平井，然后通過機械、水力、氣力等方法誘使井筒周圍煤體破碎崩落，形成單個或多個洞穴，實現煤體大范圍卸壓增滲的技術，其力學本質為造穴打破原始應力狀態，應力持續重構并誘發煤體損傷破裂[53-54]。依據應力分布演化特征，從洞穴應力自由面到未擾動區，洞穴周圍煤體依次發生破裂、損傷、塑性變形和彈性變形，同時這些變形又導致煤體結構變化，引起原生裂隙擴展，新生裂隙形成，增強裂隙連通性，導致煤體滲透率提高[18,55]。近年來，針對碎軟低滲煤儲層水平井造穴卸壓技術已開展了大量研究工作，形成了水力噴射造穴、氣體動力造穴、機械-水力復合造穴等技術。

1）機械擴孔+水力噴射+流體加卸載誘導可控煤體垮塌造穴。在國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目“構造煤原位煤層氣水平井洞穴卸壓開發模擬實驗系統”資助下，筆者團隊提出了構造煤水平井雙向往復式鉆進+多級擴孔+流體加卸載誘導可控煤體垮塌造穴技術思路[4]。該技術可實現原地應力構造煤儲層的大范圍應力釋放傳遞，在誘導水平井塌孔的同時，又能控制塌孔速率與強度，從而保證煤層氣地面開發的穩定運行。其關鍵技術流程包括構造煤儲層U 型井井位部署和建井成井→水平井機械擴孔與大口徑成孔→水平井誘導控制造穴應力釋放與煤儲層激勵→高濃度煤粉流體的高效舉升→產出物的高效分離、回收、循環泵注（圖7）。圍繞上述技術流程，筆者團隊已形成構造煤儲層大口徑水平井雙向往復式鉆進+多級擴孔+復雜循環鉆井液成井、水平井泵注+噴射誘導控制造洞穴應力釋放與儲層激勵、氣/水/高濃度煤粉混合物直井射流泵+配套井底裝置組合高效舉升、產出物地面高效重力分離+回收+水循環等應力釋放構造煤煤層氣開發關鍵技術，獲得一批自主知識產權成果。

圖7 構造煤層氣水平井機械擴孔+誘導控制塌孔造穴開發示意[56]Fig.7 Schematic of mechanical reaming+induced and controlled cavitation of structural CBM horizontal wells[56]

筆者團隊以淮南地區典型構造煤為研究對象，開展了水平井誘導失穩造洞穴應力釋放開發煤層氣實驗及數值模擬研究，取得了系列創新成果與認識[22,56-57]：①揭示了不同變形階段構造煤視電阻率響應特征，形成了構造煤水平井造洞穴應力釋放視電阻率成像監測方法；②明確了構造煤儲層水平井造洞穴應力釋放區擴展規律，揭示了地質–工程因素對構造煤儲層應力釋放的控制作用機制；③查明了不同誘導路徑下構造煤變形特征，從能量演化角度探究了其變形–損傷機理，構建了構造煤儲層可控誘導應力釋放激勵模式；④建立了構造煤儲層應力釋放與煤層氣解吸擴散關系模型，揭示了地應力演化對煤層氣擴散的影響機制；⑤提出了構造煤塑性應變滲透率模型，揭示了復雜應力條件下應力釋放開發煤儲層滲透率演化機理與模式。筆者團隊研究表明水平井造洞穴誘發的構造煤塑性破壞區半徑可達洞穴半徑的3～5 倍，在應力釋放作用下構造煤儲層滲透率可提高至初始滲透率的1～105倍；且隨洞穴直徑的增大，水平井造穴誘發的塑性破壞區和滲透率改善區范圍更大（圖8 和圖9）。圖中，Dc為洞穴直徑，Lh為塑性區水平寬度，Lv為塑性區垂向高度。經過長期探索，筆者團隊已初步構建了構造煤儲層水平井造穴應力釋放強化及地面開發煤層氣理論技術體系，未來尚需開展相關工程試驗對技術適用性進行驗證。

圖8 構造煤水平井造穴過程中洞穴周圍塑性區分布結果[56]Fig.8 Variations of near-cavern plastic zone during horizontal well cavern completion in tectonically-deformed coal[56]

圖9 構造煤水平井造穴過程中洞穴周圍滲透率變化結果[56]Fig.9 Variations of near-cavern permeability during horizontal well cavern completion in tectonically-deformed coal[56]

2）水平井氣體動力造穴。水平井氣體動力造穴技術由直井洞穴完井技術衍生而來，其基本原理為首先選用一定尺寸、直徑、強度的篩管進行完井，以保證水平段井壁穩定性，同時又能滿足煤粉通過篩管進入井筒，然后從地面向煤層中多次注入空氣/氮氣進行憋壓，之后迅速放噴，這種周期性的壓力變化會在井內形成壓力激動，從而破壞煤層原始應力狀態，引起井筒附近煤層破壞、崩落，同時通過欠平衡返排煤粉，重復使用上述方法，直至形成穩定的洞穴，最后下入射流發生器的管柱進行循環洗井，以攜帶清除裂隙內的煤粉，實現裂隙通道的暢通（圖10）[19,58]。氣體動力學造穴技術尤其適用于堅固性系數f< 0.5、無夾矸以及厚度大的松軟煤層，但是該技術需要反復的憋壓放氣，工程操作難度大，作業周期長，且存在造穴尺寸和方位不可控、出煤粉量大、易堵塞以及環境污染等問題。目前，氣體動力造穴技術在兩淮礦區碎軟煤瓦斯治理方面取得了良好的應用效果。以淮南謝一礦水平石門揭煤試驗為例，單井注氣次數17～23 次，地面注氣壓力在4～8 MPa，單井出煤量在36～165 m3，單井平均日抽采量達1 500 m3，最高可達2 500 m3，實現了輔助消突的效果[53]。氣體動力造穴技術在碎軟煤井下瓦斯抽采方面的成功應用，為碎軟低滲煤儲層煤層氣地面開發提供了借鑒和啟示。中石油華北油田在沁水盆地樊莊區塊樊72 平3 井，首次開展了水平井氣體動力造穴試驗，造穴后井眼擴徑率為73.65%，經充氣射流洗井后，持續監測到氣體產出，取得了良好應用效果[19]。然而，樊莊區塊以原生結構煤為主，水平井氣體動力造穴技術在碎軟低滲煤儲層的工程適用性尚有待驗證。

圖10 煤層氣水平井氣體動力造穴卸壓示意[19]Fig.10 Schematic of pressure relief with aerodynamic cavitation of CBM horizontal wells[19]

3）水平井水力噴射造穴。為有效解決碎軟低滲煤層壓裂效果差的難題，楊睿月等[18,59]提出了水平井水力噴射分段造穴卸壓增透地面開發煤層氣的新思路，通過構建大直徑的水平井，實現煤層大范圍應力釋放。該技術采用磨料射流進行水力噴射定向切割破碎煤層，通過優化噴嘴類型、結構、排布、組合及噴射參數，在三維空間上形成具有一定尺寸和形狀的洞穴，并采用管柱拖動式或投球滑套式實現逐級噴射造穴，沿井筒方向形成多段多簇的三維卸壓空間，達到增加儲層滲透率、提高煤層氣產量的目的（圖11）。水平井水力噴射分段造穴技術具備洞穴形狀尺寸靈活調控、定點噴射、精準分段、多簇卸壓優勢，而且通過改變射流噴嘴類型，可適用于裸眼完井、篩管完井以及套管完井方式。2019 年，華北油田在沁水盆地鄭莊區塊開展了篩管完井水平井水力噴射分段造穴現場試驗，改造后單井穩定日產氣量達104m3，是相鄰多級壓裂水平井日產氣量的4 倍左右（圖12），證實了水平井水力噴射分段造穴技術在煤層氣地面開發領域的工程可行性[7]。然而，鄭莊區塊以原生結構煤為主，水平井水力噴射造穴技術在碎軟低滲煤儲層的工程適用性尚有待驗證。

圖11 煤層氣水平井水力噴射分段造穴示意[7,18]Fig.11 Schematics of hydra-jet multistage cavity completion in CBM horizontal wells[7,18]

圖12 煤層氣水平井水力噴射分段造穴井日產氣與日產水曲線[7]Fig.12 Daily gas and water production curves of CBM horizontal wells with hydra-jet multistage cavity completion[7]

4.2 水平井水力割縫技術

水力割縫技術是利用高壓水射流的沖擊破巖能力，沿鉆孔徑向切割煤體，使其產生一定深度的盤狀縫槽，由于物質的移除，縫槽周圍煤體將向縫槽內流變、膨脹、變形、位移，誘使縫槽周圍應力釋放形成卸壓區，一方面卸壓區煤體有效應力降低，原有裂隙寬度不斷增加，同時促使原有裂隙擴展、貫通，并萌生新的裂隙；另一方面，相鄰卸壓區應力疊加，將進一步擴大卸壓范圍，誘使煤體中裂紋不斷增多、貫通，從而實現煤層增透[17,60]。目前，水力割縫卸壓技術在煤礦井下瓦斯防突領域應用較多，而在煤層氣地面開發中的應用相對較少[61-64]?；谒Ω羁p卸壓提高儲層滲透性原理，并綜合井下瓦斯抽采實踐和地面開發煤層氣方式，盧義玉等[17]提出了“地面水平井+水力割縫卸壓”方法開發深部煤層氣理念，該方法利用深部煤儲層高地應力、高孔隙壓力大、低滲透性特點，通過在煤層中鉆取水平井，并分段實施高壓水力割縫作業，在煤層中切割產生多組盤狀縫槽，形成沿井筒方向的連續卸壓區，構建煤層立體縫網，從而大幅增加煤層滲透性，并指出由于碎軟煤更易切割破碎，該技術在碎軟煤中的應用效果更為顯著（圖13）。

圖13 煤層氣“地面水平井+水力割縫卸壓”方法示意[17]Fig.13 Schematic of pressure relief method with the horizontal well+hydraulic slotting of CBM[17]

目前，水力割縫技術在碎軟煤層井下瓦斯抽采領域已取得了顯著的應用效果。新疆艾維爾溝礦區4 號碎軟突出煤層水力割縫試驗表明，水力割縫后日平均單孔抽采濃度和抽采純流量均比普通抽采孔提高了2 倍以上（圖14）[62]。鄂爾多斯盆地西緣碎軟突出煤層水力割縫試驗表明，水力割縫后日平均單孔抽采混合量和抽采純量分別是普通抽采孔的1.91 倍和4.40 倍，抽采40 d 內鉆孔總抽采量為83 462.57 m3，抽采率達到了35.71%[63]。水力割縫卸壓技術在碎軟煤井下瓦斯抽采方面的成功應用，為碎軟低滲煤層氣地面開發提供了重要啟示和借鑒。然而，相較于礦井下水力割縫作業，碎軟低滲煤層氣“地面水平井+水力割縫卸壓”開發模式所需要的井眼長度更長，面臨的井壁失穩問題更加突出，且水力割縫作業時的流體傳輸動力損失更大，水力縫槽參數控制以及排煤粉難度更大，尚需開展系列工程試驗對技術適用性進行驗證。

圖14 水力割縫鉆孔與普通抽采鉆孔井下瓦斯抽采效果對比[62]Fig.14 Comparison of gas extraction effect between hydraulic slotted drilling and ordinary drilling[62]

5 碎軟低滲煤儲層膠結后壓裂技術

鑒于碎軟低滲煤儲層松軟、破碎，難以進行直接壓裂，SONG 等[20]提出了在不阻礙氣體運移通道的前提下，采用微生物礦化法對碎軟煤儲層結構進行固化，提高煤體力學強度和硬脆性，然后再對其進行壓裂的技術思路。該方法首先通過向碎軟煤儲層中注入巴氏生孢八疊球菌液，使微生物在煤顆粒表面吸附，然后再注入氯化鈣溶液和尿素溶液，微生物以氯化鈣和尿素為營養源，通過微生物誘導作用在煤顆粒表面及顆粒間形成碳酸鈣沉淀。巴氏生孢八疊球菌誘導碳酸鈣的基本原理為該細菌在新陳代謝過程中可持續分泌高活性脲酶，脲酶水解尿素生成氨和CO2，并通過細胞壁分散到周圍溶液中，經過一系列化合反應后再生成銨根和碳酸根離子，當碳酸根離子與外加的鈣離子相遇時便形成碳酸鈣，菌株細胞則作為成核位點，促進碳酸鈣成核、結晶、沉淀（圖15）。生成的碳酸鈣填充在顆粒間形成鏈接鍵，將碎軟煤膠結成型，從而提高碎軟煤力學強度和結構完整性。SONG 等[20]研究表明經4 輪巴氏生孢八疊球菌液注入（歷時2 d）后，碎軟煤單軸抗壓強度提高至12 MPa，脆性指數提高至0.17，大于硬煤的脆性指數，可滿足水力壓裂的基本力學條件，且生成的碳酸鈣并未完全充填碎軟煤孔裂隙，保證了碎軟煤的滲透性。

圖15 巴氏生孢八疊球菌誘發碳酸鈣形成和沉淀基本原理[20]Fig.15 Mechanisms for the formation and deposition of calcium carbonate by sporosarcina pasteurii[20]

目前，煤體加固技術已在碎軟煤瓦斯突出治理方面得到了廣泛的應用，常用的煤體加固劑包括超細水泥和樹脂類材料（環氧樹脂類、酚醛樹脂類、聚氨酯類、丙烯酰胺類、脲醛樹脂類等），然而這些傳統固化劑在低滲煤儲層中滲透性差、注入難、擴散半徑小，僅能對井孔周圍較小范圍內的煤體進行固化，且大部分為高分子物質，往往具有毒性，易造成環境污染[65]。微生物誘導碳酸鈣作為自然界廣泛存在的一種生物誘導礦化現象，具有方法簡單、快速高效、環境耐受性好等優勢，且微生物漿液為溶液或懸濁液，漿液黏度低、流動性好、滲透性強，其有效擴散半徑要遠大于傳統固化劑擴散半徑[66]。此外，微生物誘導碳酸鈣方法可通過控制微生物漿液的注入輪次、注入速率，調整顆粒表面的碳酸鈣沉積量，從而以最小的碳酸鈣沉積量，實現顆粒間的鏈接，達到加固巖體和保持巖體滲透性的雙重目的。該技術已在土木、環境等領域得到了廣泛應用[67-68]，在碎軟低滲煤儲層固化以及輔助水力壓裂方面將具有一定的應用潛力。

6 技術發展趨勢與展望

目前，在碎軟低滲煤儲層水平井間接壓裂技術方面，已取得了積極進展，并在現場取得了增產效果，成為碎軟低滲煤儲層強化及煤層氣地面開發的可選技術。水平井應力釋放技術以及先膠結后壓裂技術仍處于技術探索階段，相關碎軟低滲煤層氣地面開發工程試驗正在推進。鑒于應力釋放技術在碎軟煤井下瓦斯抽采領域的顯著應用效果，水平井應力釋放技術被認為是未來極具發展前景的碎軟低滲煤儲層強化及煤層氣地面開發技術?；趹︶尫偶夹g現階段取得的進展和存在的問題，筆者從擴大應力釋放范圍、提高應力釋放煤層氣開發效果以及實現煤與煤層氣共采3 個方面對該技術可能的重要發展方向進行展望。

1）擴大水平井應力釋放范圍的技術。在碎軟低滲煤儲層中，雖然采用水平井造穴/割縫技術能夠在一定程度上實現大范圍的儲層應力釋放，但其誘發的卸壓范圍相對于整個儲層而言仍然較小，仍需要在水平井造穴/割縫的基礎上，繼續采用某種強化措施（即造穴/割縫+），以擴大煤儲層的改造范圍，其中水力壓裂和脈沖震蕩技術不失為合適的選擇。在水平井造穴/割縫的基礎上繼續進行水力壓裂作業，一方面由于洞穴/割縫的卸壓作用，使得壓裂縫更易起裂，大幅降低壓裂施工時的破裂壓力，而且還能進一步擴大碎軟低滲煤儲層的改造區域，促進氣體產出，從而加速煤儲層的卸壓，擴大煤儲層的應力釋放范圍[70-71]。另外，在水平井造穴/割縫的基礎上，進行脈沖震蕩作業，如超聲波震蕩、電脈沖震蕩、水力脈沖震蕩等，不但可以在沖擊波作用下進一步誘發煤儲層破裂，擴大煤儲層的應力釋放范圍，而且還能起到解除煤粉堵塞、疏通裂隙通道的作用[72-73]。

2）提高水平井應力釋放煤層氣開發效果的技術。水平井應力釋放效應對碎軟煤儲層的改造作用，將大幅改善應力釋放區煤儲層物性，強化煤層氣的解吸-滲流，同時煤層氣的產出又將誘導煤儲層應力持續重構，從而進一步激發應力釋放區向遠井帶擴展、延伸。在碎軟煤儲層造穴/割縫完井的基礎上，如何通過科學合理優化排采制度，實現碎軟煤儲層的可控應力釋放，保障煤儲層應力釋放與排水采氣間的持續互聯互動，是提高水平井應力釋放煤層氣開發效果的關鍵技術之一。我國的多個煤層氣地面開發工程實踐表明，碎軟煤層群煤層氣井產氣效果較差，而各目標煤層的分層控壓合層排采是實現碎軟煤層群高效開發的關鍵[8]?；谒骄畱︶尫砰_發方式的多煤層分層控壓合層排采技術是未來亟待攻關的另一技術方向。此外，碎軟煤儲層的產煤粉潛力巨大，排采過程中的煤粉運移堵塞問題也是制約應力釋放煤層氣開發效果的關鍵技術瓶頸。如何通過優化排采制度，最大程度削弱應力釋放過程中的煤粉運移堵塞負效應，是提高應力釋放煤層氣開發效果的又一關鍵技術。

3）實現水平井煤與煤層氣共采的技術。對于碎軟低滲煤儲層而言，更有利于發揮煤層開采過程中巖層移動對煤層物性的改善作用，從而在采煤的同時高效開發煤層氣，實現煤與煤層氣的共采。通過地面鉆取大直徑水平井（“以井代巷”），采用造穴/水力切割應力釋放技術，實現碎軟煤的流態化開采以及采煤采氣的一體化開發是未來水平井應力釋放技術的重要發展方向。碎軟煤儲層水平井煤與煤層氣共采技術的構建，需要重點攻關以下環節：①大直徑水平井建井成井技術以及復雜結構井的井眼軌跡控制與對接技術；②基于造洞穴和水力切割的水平井可控應力釋放采煤技術以及井下二次碎煤技術，并采用大數據、云計算、物聯網等現代化信息，實現應力釋放采煤作業的智能設計、智能控制以及智能感知與分析；③基于射流泵的高濃度煤粉流體（煤漿）負壓舉升技術以及地面氣-水-煤粉多相流體的高效分離技術；④基于條帶狀開采與固廢充填的覆巖控制技術。

7 結 論

1）我國以典型構造煤為代表的碎軟低滲煤儲層分布廣泛，然而由于其連續性差，普遍具有機械強度低、彈性模量低、泊松比高等特點，在碎軟低滲煤儲層直接壓裂過程中，水力裂縫難以擴展延伸，形成寬而短的裂縫，儲層改造效果并不理想，經過近40 a 的攻關與探索，形成了以水平井間接壓裂為主導的碎軟低滲煤儲層強化與煤層氣地面開發技術，并提出了頂板間接壓裂、夾矸層間接壓裂以及硬煤分層間接壓裂3 種不同的開發模式，目前水平井間接壓裂技術的工程實踐探索已有較多的積累，在地質條件適宜地區對碎軟低滲煤儲層強化取得了較好效果，極大促進了我國碎軟低滲煤儲層煤層氣地面開發的進展。

2）受碎軟煤層卸壓增透抽采瓦斯技術以及洞穴完井技術的啟示，現已形成了以水力噴射造穴、氣體動力造穴、擴孔+水力噴射+流體加卸載誘導失穩造穴、水力割縫為不同應力釋放方式的水平井應力釋放煤層氣開發技術，目前以應力釋放為代表的碎軟低滲煤儲層強化新技術探索已取得了重大進展，并進入工程試驗和驗證階段，未來亟待對水平井應力釋放誘發的碎軟煤儲層應力演化機理、滲透率響應機制以及應力釋放下氣-水-煤粉耦合流動規律等關鍵科學問題進行深入探索，并進一步研發配套軟硬件設備。

3）基于微生物誘導碳酸鈣，固化碎軟煤儲層以輔助水力壓裂，是目前較為新穎的碎軟煤儲層改造技術思路，該方法可顯著提高碎軟煤的抗壓強度和脆性指數，在保證煤體滲透性的前提下，使碎軟煤滿足水力壓裂的基本條件，目前該技術尚處于實驗室機理探索階段，關于微生物誘導碳酸鈣的有效固化半徑、固化區的滲透率傷害程度以及固化區-非固化區水力裂縫擴展規律、改造效果等方面尚有待深入探究。

4）水平井應力釋放技術針對碎軟低滲煤儲層特性以及新的開發原理，其卸壓范圍更廣，儲層改造潛力更大，未來有望成為碎軟低滲煤儲層煤層氣高效開發的治本之策，從擴大水平井應力釋放范圍、提高應力釋放煤層氣開發效果以及實現煤與煤層氣共采3 方面，對碎軟低滲煤儲層強化及煤層氣地面開發技術的發展趨勢進行了展望，在水平井造穴/割縫基礎上繼續開展水力壓裂或脈沖震蕩作業，有望大幅擴大水平井應力釋放范圍，通過優化排采制度實現可控應力釋放以及分層控壓合層排采是提高應力釋放煤層氣開發效果的關鍵，而基于水平井應力釋放實現碎軟煤流態化開采和采煤采氣一體化開發是未來的重要發展方向。