徐景德，楊 鑫

(華北科技學(xué)院研究生院，北京 東燕郊 101601)

1 射孔技術(shù)應(yīng)用背景

由于成煤和地質(zhì)條件影響，我國(guó)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(yù)抽周期長(zhǎng)、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(guān)鍵措施［1－5］。

多年以來，國(guó)內(nèi)外抽采技術(shù)研究都是圍繞提高煤層透氣性這一目標(biāo)進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(dòng)爆破、密集鉆孔、交叉鉆孔、深孔預(yù)裂爆破等方法［6－8］，其中應(yīng)用比較廣泛的是水力壓裂和深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。

水力壓裂技術(shù)通過割縫可以使煤層卸壓，并在地應(yīng)力作用下引起煤層變形和破壞，增加煤層內(nèi)得裂隙數(shù)量，從而達(dá)到增加煤層透氣性得目的［9］，但該技術(shù)需要專門壓裂設(shè)備，常規(guī)水力壓裂設(shè)備質(zhì)量體積相對(duì)比較大，運(yùn)輸不便，在井下需要準(zhǔn)備空間安放設(shè)備和供作業(yè)人員活動(dòng)。在注水過程中，需要控制注水壓力及壓裂時(shí)間，準(zhǔn)備過程復(fù)雜，壓裂時(shí)間較長(zhǎng)。

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)是利用爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波作為破壞煤體的能量，應(yīng)力波在向煤體深處傳播過程中產(chǎn)生應(yīng)力波相互疊加，進(jìn)一步加速煤體的破壞，從而增加煤體的透氣性，但該技術(shù)需要計(jì)算和控制炮孔深度、孔內(nèi)裝藥長(zhǎng)度和封孔長(zhǎng)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(shù)、新工藝，本文重點(diǎn)探討復(fù)合射孔技術(shù)應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采的可行性。

2 復(fù)合射孔技術(shù)提高煤層透氣性的原理

2.1 射孔技術(shù)原理簡(jiǎn)介

射孔技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外油氣田開采勘探的主要技術(shù)手段，目前世界上對(duì)油氣井已普遍采用射孔完井方式。我國(guó)自20世紀(jì)50年代起開始對(duì)油氣井進(jìn)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(shù)上還是在射孔器材的性能和配套上都取得了顯著的成績(jī)。射孔技術(shù)的主要原理是利用聚能效應(yīng)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(yīng)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(huì)出現(xiàn)一股匯聚的、速度和壓強(qiáng)都很高的爆炸產(chǎn)物流，在一定的范圍內(nèi)使炸藥爆炸釋放出來的化學(xué)能集中起來。見圖1所示:

圖1 聚能效應(yīng)原理圖

復(fù)合射孔技術(shù)是一項(xiàng)集射孔和高能氣體壓裂于一體的射孔技術(shù)，在射孔的同時(shí)對(duì)地層進(jìn)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(dǎo)流能力。

2.2 復(fù)合射孔技術(shù)煤體致裂機(jī)理

作業(yè)時(shí)，導(dǎo)爆索在引爆射孔彈的同時(shí)引燃推進(jìn)劑，射孔彈先穿透槍身和煤層，在鉆孔和煤層之間形成一個(gè)通道;然后固體推進(jìn)劑進(jìn)行二次爆炸，瞬時(shí)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(duì)射孔孔道進(jìn)行沖刷、壓裂，產(chǎn)生徑向和軸向的裂縫，并向多方擴(kuò)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(fù)合射孔技術(shù)技術(shù)應(yīng)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(gè)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(diǎn)與瓦斯賦存條件類似。

2)復(fù)合射孔增透技術(shù)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(duì)其管理屬于常規(guī)管理。

3)與深孔爆破增透技術(shù)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(shù)在石油、天然氣行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，工藝簡(jiǎn)單，易操作且成本低，容易推廣應(yīng)用。

3 射孔技術(shù)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(shí)聚能效應(yīng)原理制造的，不同形狀的火藥在爆燃時(shí)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(dǎo)爆索引爆射孔的工具。按結(jié)構(gòu)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(nèi);無槍身射孔器是指單個(gè)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(jié)構(gòu)分別見圖3所示。

圖2a 射孔彈結(jié)構(gòu)

圖2b 不同形狀火藥對(duì)目標(biāo)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(fù)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(nèi)輸

送至井下，用射孔深度控制技術(shù)進(jìn)行定位，對(duì)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(gè)硬連接的貫串下入井中。通過測(cè)量磁定位曲線或放射性曲線，校深調(diào)整使射孔器對(duì)準(zhǔn)射孔層位，通過撞擊式和加壓式兩種方式引爆射孔器，對(duì)目的層進(jìn)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(shì)。射孔工藝、射孔器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

圖5a 油管輸送射孔工藝

圖5b 油管輸送射孔器結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用復(fù)合射孔技術(shù)提高瓦斯抽采率的技術(shù)路線

油氣井實(shí)施射孔技術(shù)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(shí)施射孔工藝時(shí)，人員與射孔準(zhǔn)備處于同一作業(yè)環(huán)境，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，所以保證井下作業(yè)人員安全是首要問題，一般技術(shù)路線是:

1)測(cè)定煤巖彈性模量、滲透率等基礎(chǔ)參數(shù)，采用專業(yè)軟件，對(duì)作業(yè)環(huán)境應(yīng)用射孔形成的射孔裂隙分布進(jìn)行數(shù)值模擬，為試驗(yàn)提供參考。

2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(zhǎng)度、間距、角度等)和封孔長(zhǎng)度。

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

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

5)用封孔器進(jìn)行封孔，封孔材料采用聚氨酯，封孔長(zhǎng)度不得小于10m，封孔時(shí)應(yīng)保護(hù)好母線(點(diǎn)火線)，禁止出現(xiàn)母線短路或斷路;

6)在安全區(qū)域內(nèi)將母線(點(diǎn)火線)與起爆儀器接好通電后進(jìn)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(jié)束后應(yīng)及時(shí)拔下母線，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)安全后，測(cè)定孔內(nèi)瓦斯流量及濃度并記錄數(shù)據(jù)，與未實(shí)施射孔工藝前的瓦斯參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

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