復合射孔技術提高瓦斯抽采率原理研究

徐景德，楊 鑫

(華北科技學院研究生院，北京 東燕郊 101601)

1 射孔技術應用背景

由于成煤和地質條件影響，我國大部分高瓦斯和突出礦井瓦斯抽采屬于難以抽采，其根本原因是煤層透氣性差。低透氣性高瓦斯煤層，采用常規(guī)方式抽采煤層，存在煤層瓦斯預抽周期長、抽采率低等問題。決定煤層透氣性高低的主要因素是煤層孔隙率，增大煤層孔隙率是提高瓦斯抽采效果的關鍵措施［1－5］。

多年以來，國內外抽采技術研究都是圍繞提高煤層透氣性這一目標進行的，其基本原理借助外力采用特定工藝改變煤體的原始結構，增大煤層孔隙率，采用的工藝主要有:水力割縫、水力壓裂、松動爆破、密集鉆孔、交叉鉆孔、深孔預裂爆破等方法［6－8］，其中應用比較廣泛的是水力壓裂和深孔預裂爆破技術。

水力壓裂技術通過割縫可以使煤層卸壓，并在地應力作用下引起煤層變形和破壞，增加煤層內得裂隙數(shù)量，從而達到增加煤層透氣性得目的［9］，但該技術需要專門壓裂設備，常規(guī)水力壓裂設備質量體積相對比較大，運輸不便，在井下需要準備空間安放設備和供作業(yè)人員活動。在注水過程中，需要控制注水壓力及壓裂時間，準備過程復雜，壓裂時間較長。

深孔預裂爆破技術是利用爆破產(chǎn)生的應力波作為破壞煤體的能量，應力波在向煤體深處傳播過程中產(chǎn)生應力波相互疊加，進一步加速煤體的破壞，從而增加煤體的透氣性，但該技術需要計算和控制炮孔深度、孔內裝藥長度和封孔長度等參數(shù)，且易產(chǎn)生啞炮而留有安全隱患。

從兼顧提高抽采率和保證安全性出發(fā)，必須開發(fā)煤層增透新技術、新工藝，本文重點探討復合射孔技術應用于煤礦瓦斯抽采的可行性。

2 復合射孔技術提高煤層透氣性的原理

2.1 射孔技術原理簡介

射孔技術已成為國內外油氣田開采勘探的主要技術手段，目前世界上對油氣井已普遍采用射孔完井方式。我國自20世紀50年代起開始對油氣井進行射孔完井作業(yè)，經(jīng)過50多年的發(fā)展歷程，無論在射孔工藝技術上還是在射孔器材的性能和配套上都取得了顯著的成績。射孔技術的主要原理是利用聚能效應使炸藥爆炸的能量作用于藥型罩，從而產(chǎn)生高溫高壓高速的金屬射流，穿透套管和目的物，在目的物中形成一定深度的孔道［10］［12］。聚能效應是指炸藥爆炸后的產(chǎn)物在高溫高壓下沿炸藥表面的法線方向向外飛散。因此，帶凹槽的裝藥在引爆后，在凹槽軸線上會出現(xiàn)一股匯聚的、速度和壓強都很高的爆炸產(chǎn)物流，在一定的范圍內使炸藥爆炸釋放出來的化學能集中起來。見圖1所示:

圖1 聚能效應原理圖

復合射孔技術是一項集射孔和高能氣體壓裂于一體的射孔技術，在射孔的同時對地層進行氣體壓裂，形成多條裂縫，增加煤層孔隙率，改善煤層瓦斯導流能力。

2.2 復合射孔技術煤體致裂機理

作業(yè)時，導爆索在引爆射孔彈的同時引燃推進劑，射孔彈先穿透槍身和煤層，在鉆孔和煤層之間形成一個通道;然后固體推進劑進行二次爆炸，瞬時跟上燃燒形成的高溫氣流，在高壓氣體的膨脹擠壓作用下，對射孔孔道進行沖刷、壓裂，產(chǎn)生徑向和軸向的裂縫，并向多方擴展延伸，在煤層孔道形成多向網(wǎng)狀裂縫，延伸射孔深度，增大煤層孔隙率，提高煤層透氣性，從而提高瓦斯抽采效果。

復合射孔技術技術應用于提高低透氣性煤層透氣性的可行性主要表現(xiàn)在如下幾個方面:

1)石油、天然氣氣藏通常賦存在四周非滲透性巖層中，以吸附狀態(tài)保留在煤巖裂隙中，這一點與瓦斯賦存條件類似。

2)復合射孔增透技術中用到的炸藥屬于民用爆破器材，在煤礦中廣泛使用，屬于常規(guī)火工品，對其管理屬于常規(guī)管理。

3)與深孔爆破增透技術相比，更為安全。射孔后在目的物(煤層)中殘留的金屬體(射流金屬)，不產(chǎn)生或攜帶任何氧化劑(或空氣中的氧氣)，引起煤層瓦斯爆炸的可能性非常小。

4)射孔技術在石油、天然氣行業(yè)應用已經(jīng)比較成熟，工藝簡單，易操作且成本低，容易推廣應用。

3 射孔技術裝備和工藝

3.1 射孔裝備

射孔裝備包括射孔彈、射孔器、槍身，核心組成部分是射孔彈。

3.1.1 射孔彈

射孔彈是根據(jù)火藥爆燃時聚能效應原理制造的，不同形狀的火藥在爆燃時能量傳遞方式不同，見圖2所示。

3.1.2 射孔器

射孔器是將幾十發(fā)甚至幾百發(fā)射孔彈串連在一起，用雷管和導爆索引爆射孔的工具。按結構分為有槍身射孔器和無槍身射孔器。有槍身射孔器是指射孔彈裝配在密封的鋼管內;無槍身射孔器是指單個密封的射孔彈用鋼絲、金屬桿或薄金屬帶連起來， 直接下井射孔。結構分別見圖3所示。

圖2a 射孔彈結構

圖2b 不同形狀火藥對目標物不同破壞效果

圖3a 有槍身射孔器

圖3b 無槍身射孔器

3.1.3 槍身

槍身是射孔器的重要部件之一，主要作用是作為射孔彈載體承壓和吸收射孔彈爆炸產(chǎn)生的能量(無槍身射孔器沒有槍身)。

3.2 射孔工藝

射孔按工藝可以分為正壓射孔、負壓射孔、超正壓射孔。

射孔按射孔器輸送方式可以分為電纜輸送射孔(WCP)和油管輸送射孔(TCP)。

電纜輸送射孔是用電纜將射孔器(分有槍身與無槍身射孔器兩種)通過套管或油管內輸

送至井下，用射孔深度控制技術進行定位，對準目的層，地面儀器向射孔器起爆裝置供電，引爆射孔器，射穿套管、水泥環(huán)、目的層，建立井筒與目的層之間的通道的一種射孔工藝。射孔工藝、射孔器結構分別見圖4。

管柱輸送射孔是指把所要射開油氣層的射孔器全部串接在管柱的尾端，形成一個硬連接的貫串下入井中。通過測量磁定位曲線或放射性曲線，校深調整使射孔器對準射孔層位，通過撞擊式和加壓式兩種方式引爆射孔器，對目的層進行射孔。在大斜度井、水平井、稠油井、高壓氣井、防砂井和低滲透地層的射孔作業(yè)中具有其他射孔方法所不具備的優(yōu)勢。射孔工藝、射孔器結構分別見圖5。

圖4a 電纜輸送射孔工藝

圖4b 電纜輸送射孔器結構

圖5a 油管輸送射孔工藝

圖5b 油管輸送射孔器結構

4 應用復合射孔技術提高瓦斯抽采率的技術路線

油氣井實施射孔技術過程中作業(yè)人員處于地面施工，施工過程安全隱患小，造成人員傷害的可能性也很小，而煤礦生產(chǎn)環(huán)境決定了實施射孔工藝時，人員與射孔準備處于同一作業(yè)環(huán)境，存在安全風險，所以保證井下作業(yè)人員安全是首要問題，一般技術路線是:

1)測定煤巖彈性模量、滲透率等基礎參數(shù)，采用專業(yè)軟件，對作業(yè)環(huán)境應用射孔形成的射孔裂隙分布進行數(shù)值模擬，為試驗提供參考。

2)根據(jù)數(shù)值模擬結果，選擇合適外徑的射孔槍等射孔裝備，確定鉆孔參數(shù)(鉆孔直徑、長度、間距、角度等)和封孔長度。

3)鉆孔打好后根據(jù)所打鉆孔深度確定母線(點火線)長度，然后將母線與射孔槍內部的雷管腳線連接好;

4)采用專用推進器(如炮棍)將確定的射孔槍送入鉆孔孔底，可根據(jù)實際需要將射孔槍串接進行射孔作業(yè);

5)用封孔器進行封孔，封孔材料采用聚氨酯，封孔長度不得小于10m，封孔時應保護好母線(點火線)，禁止出現(xiàn)母線短路或斷路;

6)在安全區(qū)域內將母線(點火線)與起爆儀器接好通電后進行射孔作業(yè)，射孔槍工作過程見圖6;

圖6 射孔槍安裝、射孔過程

7)作業(yè)結束后應及時拔下母線，確認現(xiàn)場安全后，測定孔內瓦斯流量及濃度并記錄數(shù)據(jù)，與未實施射孔工藝前的瓦斯參數(shù)進行對比，得出結論。

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