复合射孔技术提高瓦斯抽采率原理研究

徐景德，杨 鑫

(华北科技学院研究生院，北京 东燕郊 101601)

1 射孔技术应用背景

由于成煤和地质条件影响，我国大部分高瓦斯和突出矿井瓦斯抽采属于难以抽采，其根本原因是煤层透气性差。低透气性高瓦斯煤层，采用常规方式抽采煤层，存在煤层瓦斯预抽周期长、抽采率低等问题。决定煤层透气性高低的主要因素是煤层孔隙率，增大煤层孔隙率是提高瓦斯抽采效果的关键措施［1－5］。

多年以来，国内外抽采技术研究都是围绕提高煤层透气性这一目标进行的，其基本原理借助外力采用特定工艺改变煤体的原始结构，增大煤层孔隙率，采用的工艺主要有:水力割缝、水力压裂、松动爆破、密集钻孔、交叉钻孔、深孔预裂爆破等方法［6－8］，其中应用比较广泛的是水力压裂和深孔预裂爆破技术。

水力压裂技术通过割缝可以使煤层卸压，并在地应力作用下引起煤层变形和破坏，增加煤层内得裂隙数量，从而达到增加煤层透气性得目的［9］，但该技术需要专门压裂设备，常规水力压裂设备质量体积相对比较大，运输不便，在井下需要准备空间安放设备和供作业人员活动。在注水过程中，需要控制注水压力及压裂时间，准备过程复杂，压裂时间较长。

深孔预裂爆破技术是利用爆破产生的应力波作为破坏煤体的能量，应力波在向煤体深处传播过程中产生应力波相互叠加，进一步加速煤体的破坏，从而增加煤体的透气性，但该技术需要计算和控制炮孔深度、孔内装药长度和封孔长度等参数，且易产生哑炮而留有安全隐患。

从兼顾提高抽采率和保证安全性出发，必须开发煤层增透新技术、新工艺，本文重点探讨复合射孔技术应用于煤矿瓦斯抽采的可行性。

2 复合射孔技术提高煤层透气性的原理

2.1 射孔技术原理简介

射孔技术已成为国内外油气田开采勘探的主要技术手段，目前世界上对油气井已普遍采用射孔完井方式。我国自20世纪50年代起开始对油气井进行射孔完井作业，经过50多年的发展历程，无论在射孔工艺技术上还是在射孔器材的性能和配套上都取得了显著的成绩。射孔技术的主要原理是利用聚能效应使炸药爆炸的能量作用于药型罩，从而产生高温高压高速的金属射流，穿透套管和目的物，在目的物中形成一定深度的孔道［10］［12］。聚能效应是指炸药爆炸后的产物在高温高压下沿炸药表面的法线方向向外飞散。因此，带凹槽的装药在引爆后，在凹槽轴线上会出现一股汇聚的、速度和压强都很高的爆炸产物流，在一定的范围内使炸药爆炸释放出来的化学能集中起来。见图1所示:

图1 聚能效应原理图

复合射孔技术是一项集射孔和高能气体压裂于一体的射孔技术，在射孔的同时对地层进行气体压裂，形成多条裂缝，增加煤层孔隙率，改善煤层瓦斯导流能力。

2.2 复合射孔技术煤体致裂机理

作业时，导爆索在引爆射孔弹的同时引燃推进剂，射孔弹先穿透枪身和煤层，在钻孔和煤层之间形成一个通道;然后固体推进剂进行二次爆炸，瞬时跟上燃烧形成的高温气流，在高压气体的膨胀挤压作用下，对射孔孔道进行冲刷、压裂，产生径向和轴向的裂缝，并向多方扩展延伸，在煤层孔道形成多向网状裂缝，延伸射孔深度，增大煤层孔隙率，提高煤层透气性，从而提高瓦斯抽采效果。

复合射孔技术技术应用于提高低透气性煤层透气性的可行性主要表现在如下几个方面:

1)石油、天然气气藏通常赋存在四周非渗透性岩层中，以吸附状态保留在煤岩裂隙中，这一点与瓦斯赋存条件类似。

2)复合射孔增透技术中用到的炸药属于民用爆破器材，在煤矿中广泛使用，属于常规火工品，对其管理属于常规管理。

3)与深孔爆破增透技术相比，更为安全。射孔后在目的物(煤层)中残留的金属体(射流金属)，不产生或携带任何氧化剂(或空气中的氧气)，引起煤层瓦斯爆炸的可能性非常小。

4)射孔技术在石油、天然气行业应用已经比较成熟，工艺简单，易操作且成本低，容易推广应用。

3 射孔技术装备和工艺

3.1 射孔装备

射孔装备包括射孔弹、射孔器、枪身，核心组成部分是射孔弹。

3.1.1 射孔弹

射孔弹是根据火药爆燃时聚能效应原理制造的，不同形状的火药在爆燃时能量传递方式不同，见图2所示。

3.1.2 射孔器

射孔器是将几十发甚至几百发射孔弹串连在一起，用雷管和导爆索引爆射孔的工具。按结构分为有枪身射孔器和无枪身射孔器。有枪身射孔器是指射孔弹装配在密封的钢管内;无枪身射孔器是指单个密封的射孔弹用钢丝、金属杆或薄金属带连起来， 直接下井射孔。结构分别见图3所示。

图2a 射孔弹结构

图2b 不同形状火药对目标物不同破坏效果

图3a 有枪身射孔器

图3b 无枪身射孔器

3.1.3 枪身

枪身是射孔器的重要部件之一，主要作用是作为射孔弹载体承压和吸收射孔弹爆炸产生的能量(无枪身射孔器没有枪身)。

3.2 射孔工艺

射孔按工艺可以分为正压射孔、负压射孔、超正压射孔。

射孔按射孔器输送方式可以分为电缆输送射孔(WCP)和油管输送射孔(TCP)。

电缆输送射孔是用电缆将射孔器(分有枪身与无枪身射孔器两种)通过套管或油管内输

送至井下，用射孔深度控制技术进行定位，对准目的层，地面仪器向射孔器起爆装置供电，引爆射孔器，射穿套管、水泥环、目的层，建立井筒与目的层之间的通道的一种射孔工艺。射孔工艺、射孔器结构分别见图4。

管柱输送射孔是指把所要射开油气层的射孔器全部串接在管柱的尾端，形成一个硬连接的贯串下入井中。通过测量磁定位曲线或放射性曲线，校深调整使射孔器对准射孔层位，通过撞击式和加压式两种方式引爆射孔器，对目的层进行射孔。在大斜度井、水平井、稠油井、高压气井、防砂井和低渗透地层的射孔作业中具有其他射孔方法所不具备的优势。射孔工艺、射孔器结构分别见图5。

图4a 电缆输送射孔工艺

图4b 电缆输送射孔器结构

图5a 油管输送射孔工艺

图5b 油管输送射孔器结构

4 应用复合射孔技术提高瓦斯抽采率的技术路线

油气井实施射孔技术过程中作业人员处于地面施工，施工过程安全隐患小，造成人员伤害的可能性也很小，而煤矿生产环境决定了实施射孔工艺时，人员与射孔准备处于同一作业环境，存在安全风险，所以保证井下作业人员安全是首要问题，一般技术路线是:

1)测定煤岩弹性模量、渗透率等基础参数，采用专业软件，对作业环境应用射孔形成的射孔裂隙分布进行数值模拟，为试验提供参考。

2)根据数值模拟结果，选择合适外径的射孔枪等射孔装备，确定钻孔参数(钻孔直径、长度、间距、角度等)和封孔长度。

3)钻孔打好后根据所打钻孔深度确定母线(点火线)长度，然后将母线与射孔枪内部的雷管脚线连接好;

4)采用专用推进器(如炮棍)将确定的射孔枪送入钻孔孔底，可根据实际需要将射孔枪串接进行射孔作业;

5)用封孔器进行封孔，封孔材料采用聚氨酯，封孔长度不得小于10m，封孔时应保护好母线(点火线)，禁止出现母线短路或断路;

6)在安全区域内将母线(点火线)与起爆仪器接好通电后进行射孔作业，射孔枪工作过程见图6;

图6 射孔枪安装、射孔过程

7)作业结束后应及时拔下母线，确认现场安全后，测定孔内瓦斯流量及浓度并记录数据，与未实施射孔工艺前的瓦斯参数进行对比，得出结论。

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