楊兆中，王乃璐，張 平，李成兵，李小剛

（1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011）

0 引 言

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，以吸附狀態(tài)的形式自生自儲(chǔ)在煤層中，由于煤層壓力和滲透率低、氣體在煤層中驅(qū)動(dòng)力低，導(dǎo)致煤層氣解吸和運(yùn)移速度降低，即使是煤層含氣量高的地區(qū)，其最終產(chǎn)量也很低［1］。 因此要實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤層氣工業(yè)開發(fā)，需采取一定的增產(chǎn)措施［2－3］。 與頁(yè)巖不同［4］，對(duì)于松軟煤層，由于煤巖彈性模量、抗壓強(qiáng)度低，泊松比高，儲(chǔ)層中存在大量節(jié)理、割理和天然裂縫等［5］，導(dǎo)致射孔后采用常規(guī)水力壓裂施工作業(yè)時(shí)，常常出現(xiàn)漏失嚴(yán)重，裂縫起裂難，裂縫延伸受地應(yīng)力控制等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響煤層氣開發(fā)效果。 復(fù)合射孔技術(shù)將聚能射孔與高能氣體壓裂技術(shù)相結(jié)合，以毫秒級(jí)的升壓速率迅速壓裂地層，在井筒附近壓開多條不受地應(yīng)力控制的多方位裂縫，改善煤層氣開發(fā)效果［6］。 為提高煤層氣井單井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)煤層氣效益開發(fā)，開展復(fù)合射孔技術(shù)對(duì)松軟煤層的損傷效果研究具有重要意義。 目前，復(fù)合射孔對(duì)煤巖損傷效果的研究并不成熟。 劉曉輝等［7］對(duì)無煙煤進(jìn)行了不同應(yīng)變率下沖擊動(dòng)力試驗(yàn)，研究了能量耗散與應(yīng)變率的關(guān)系。 孫可明等［8］利用理論與數(shù)值模擬的方法研究了低滲煤層預(yù)裂爆破裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。 張文清等［9］對(duì)煤巖進(jìn)行不同應(yīng)變率條件下的沖擊壓縮試驗(yàn)，分析了沖擊加載速率對(duì)煤巖破碎耗能和塊度分布的影響。 武進(jìn)壯等［10］研究了煤儲(chǔ)層的高能氣體壓裂下的裂縫擴(kuò)展情況。 李楊［11］通過實(shí)驗(yàn)研究了煤體在高壓氣體作用下的爆破致裂規(guī)律。 結(jié)合前人的研究成果，針對(duì)煤巖彈性模量低，抗壓強(qiáng)度低，泊松比高，儲(chǔ)層中存在大量節(jié)理、割理和天然裂縫等特點(diǎn)，以充分改造煤儲(chǔ)層為目標(biāo)，筆者采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究復(fù)合射孔對(duì)煤巖的損傷效應(yīng)，分析原生裂縫、推進(jìn)劑類型及其配置方式對(duì)煤巖損傷效果的影響，為后續(xù)復(fù)合射孔技術(shù)的發(fā)展提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 復(fù)合射孔技術(shù)的相關(guān)理論

1.1 聚能射孔理論

聚能射孔的原理是利用聚能炸藥的聚能效應(yīng)形成高速金屬射流，高速金屬射流穿透地層形成一定深度的孔道，從而在井筒與儲(chǔ)層之間形成連接通道。 所謂聚能效應(yīng)通常稱為“門羅效應(yīng)”，即炸藥爆炸后，爆炸物沿著炸藥表面的法向運(yùn)動(dòng)。 因此，聚能射孔彈起爆后，藥型罩在爆轟產(chǎn)物壓力作用下壓垮變形，并運(yùn)行到軸線上匯合形成射流，這股高速、高壓射流使爆炸產(chǎn)生的化學(xué)能匯聚，從而增強(qiáng)射孔能力［11］。

1.2 高能氣體壓裂理論

高能氣體壓裂技術(shù)是利用火藥或火箭推進(jìn)劑快速燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體，在適當(dāng)?shù)募虞d速率下，在井筒附近壓開多方位的裂縫，溝通天然裂縫，從而使油氣水井增產(chǎn)增注［12］。 高能氣體壓裂技術(shù)的作用體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：①機(jī)械作用。 高加載速率的氣體壓力，可形成徑向多裂縫體系，解除井筒附近的污染，并增加溝通天然裂縫的機(jī)會(huì)。 ②熱作用?；鹚幦紵龝r(shí)釋放出大量的熱能，燃燒點(diǎn)處的氣體溫度高達(dá)2 000 ℃，處理1 ～3 h 后整個(gè)射孔井段井筒附近溫度提高20 ～50 ℃。 這些熱量可融化近井地帶的蠟質(zhì)瀝青質(zhì)，改善地層孔隙度和滲透性。 ③化學(xué)作用。 火藥燃燒產(chǎn)生大量CO2、CO、HCl、NO、NO2等酸性氣體，有刻蝕裂縫和保護(hù)地層的作用。 ④振動(dòng)脈沖作用。 在裂縫延伸過程中，伴隨著壓力脈沖波動(dòng)過程，對(duì)沖刷近井堵塞物有著積極作用。

1.3 復(fù)合射孔技術(shù)原理

復(fù)合射孔技術(shù)將聚能射孔與高能氣體壓裂技術(shù)相結(jié)合［13］，在聚能射孔的基礎(chǔ)上，將復(fù)合推進(jìn)劑引入到射孔槍內(nèi)作為二次能量，聚能射孔彈射孔形成孔道的同時(shí)，復(fù)合推進(jìn)劑被激發(fā)燃燒，在槍內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體，通過槍身泄壓孔釋放并直接進(jìn)入射孔孔道，對(duì)地層進(jìn)行有效的氣體壓裂，形成孔縫結(jié)合型的深穿透，在近井地帶形成廣泛的裂縫網(wǎng)絡(luò)，大幅度提高近井地帶的導(dǎo)流能力。

2 煤巖相關(guān)試驗(yàn)

為真實(shí)地說明復(fù)合射孔對(duì)煤巖損傷效應(yīng)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，結(jié)合AUTODYN 軟件［14］對(duì)材料所需要的數(shù)據(jù)，從我國(guó)滇東黔西的松軟煤層［15］中選取煤樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)參數(shù)測(cè)試。 所測(cè)量的數(shù)據(jù)具體為巖樣的泊松比、彈性模量、差應(yīng)力（抗壓強(qiáng)度）及靜態(tài)壓縮下應(yīng)力應(yīng)變曲線。 為深入研究復(fù)合射孔對(duì)煤巖的損傷效應(yīng)，使用分離式霍普金斯桿（SHPB）對(duì)煤樣進(jìn)行室內(nèi)沖擊試驗(yàn)，研究煤巖在高升壓速率下的破壞形式。

2.1 煤巖靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

為準(zhǔn)確測(cè)試煤巖的泊松比、彈性模量、差應(yīng)力（抗壓強(qiáng)度）及在靜態(tài)壓縮下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，制備了4 組直徑在25 mm 左右，長(zhǎng)度在50 mm 左右的巖心（圖1），并根據(jù)所取煤巖的深度加上相應(yīng)的圍壓，其試驗(yàn)結(jié)果見表1，圍壓9.4 MPa 下應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2 所示。

表1 煤巖基本力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Coal basic mechanical parameters

圖1 巖樣Fig.1 Coal samples

由表1 可以看出，樣品2 與其他3 組測(cè)試結(jié)果相差較大，因此將樣品2 試驗(yàn)結(jié)果舍去，剩余3 組樣品泊松比、彈性模量、抗壓強(qiáng)度平均依次為0.404、4 827.7和20.5 MPa。

由圖2 可以看出，煤巖在靜態(tài)壓縮下表現(xiàn)出偏塑性的特性，抗壓強(qiáng)度為18 ～25 MPa，表明其內(nèi)部原有的張開性結(jié)構(gòu)面較少，巖石受壓后直接進(jìn)入到彈性變形階段。

圖2 4 組煤巖在靜態(tài)壓縮下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Stress and strain curves of 4 coal samples under static compression

2.2 分離式霍普金森桿測(cè)試

煤巖的在動(dòng)態(tài)壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線由分離式霍普金森桿（SHPB）進(jìn)行測(cè)試［16］，分離式霍普金森桿試驗(yàn)技術(shù)是研究中高應(yīng)變率下材料力學(xué)性能的最主要、可靠的試驗(yàn)方法，是爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分。

1）試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。 為對(duì)煤巖進(jìn)行SHPB 測(cè)試，選取滇東黔西的煤巖，制作了6 塊直徑約30 mm，長(zhǎng)度在18 mm 左右的巖樣（圖3），各巖樣兩端面打磨光滑且平行，每個(gè)相同的應(yīng)變率范圍內(nèi)測(cè)試2 組。

圖3 巖樣Fig.3 Preparations of coal samples

2）SHPB 試驗(yàn)裝置及原理。 沖擊動(dòng)態(tài)試驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置完成（圖4a），試驗(yàn)設(shè)備子彈直徑為14.5 mm。 壓桿材料選擇強(qiáng)度較高的7075－ T6 鋁，采用的錐形變截面入射桿桿長(zhǎng)2 000 mm，直徑30 mm（圖4b）。

圖4 SHPB 設(shè)備示意Fig.4 Schematic of SHPB equipment

試樣夾在入射桿和轉(zhuǎn)化桿之間。 用高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)加載裝置（子彈）以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力脈沖，即入射波。 入射波沿入射桿向試樣傳播，經(jīng)過輸入桿應(yīng)變計(jì)被記錄下來。當(dāng)入射波傳播到試樣位置時(shí)，推動(dòng)試樣開始變形，并在入射桿中產(chǎn)生一個(gè)反向應(yīng)力脈沖，即反射波；到達(dá)入射桿應(yīng)變計(jì)時(shí)也被記錄下來。 另一部分脈沖透過試樣進(jìn)入轉(zhuǎn)化桿向前傳播，即透射波，經(jīng)過轉(zhuǎn)化桿應(yīng)變計(jì)時(shí)也被記錄下來。 利用實(shí)驗(yàn)記錄的3 個(gè)典型脈沖信號(hào)，可以計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力及應(yīng)變參數(shù)［17］。

3）試驗(yàn)準(zhǔn)備。 在試驗(yàn)中，使用分離式霍普金斯壓桿作為試驗(yàn)設(shè)備。 試驗(yàn)開始前，需要在彈性桿的兩端進(jìn)行潤(rùn)滑措施，在煤樣兩端也需要潤(rùn)滑，如凡士林等，保證煤樣端面與桿件端面接觸完全（圖5）。在SHPB 試驗(yàn)中，當(dāng)一個(gè)壓縮應(yīng)力脈沖作用于巖樣時(shí)，巖樣會(huì)產(chǎn)生橫向膨脹，若壓桿與巖樣接觸潤(rùn)滑不足，會(huì)產(chǎn)生額外摩擦力，阻滯巖樣端面的橫向變形［18］。

圖5 煤樣與桿件接觸示意Fig.5 Schematic of contact between coal sample and pole

4）試驗(yàn)結(jié)果分析。 SHPB 試驗(yàn)中，煤樣受沖擊載荷，應(yīng)變率從300 ～1 200 s－1依次增加，每次增加200 s－1。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用“二波法”處理［19］。 從應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖6）來看，煤巖表現(xiàn)出明顯的沖擊脆性。隨沖擊加載應(yīng)變率的增加，煤巖峰值應(yīng)力不斷增加，當(dāng)應(yīng)變力高于843 s－1后，應(yīng)變率效應(yīng)更加顯著。 與常規(guī)靜態(tài)壓縮巖石力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的偏塑性不同，此試驗(yàn)表明煤巖有明顯的沖擊脆性，表現(xiàn)出很強(qiáng)的氣動(dòng)力沖擊可壓性。

圖6 6 組煤巖應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress and strain curves of 6 coal samples

3 復(fù)合射孔誘導(dǎo)煤巖起裂數(shù)值計(jì)算

3.1 模型的建立

復(fù)合射孔作用到地層中需依次穿過套管、水泥環(huán)，建立1.5 m×1.5 m 二維對(duì)稱計(jì)算模型（圖7）， 選用的套管材料參數(shù)見表2，水泥環(huán)厚度設(shè)定為20 mm，抗壓強(qiáng)度為20 MPa，復(fù)合射孔槍外徑為89 mm，推進(jìn)劑外置在射孔槍外表面，厚度為10 mm。 為減少數(shù)值計(jì)算時(shí)間，先建立射孔模型，借助軟件的映射功能，將爆炸形成的高速金屬射流映射到復(fù)合射孔數(shù)值計(jì)算模型中，避免了炸藥爆炸形成金屬射流等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程，從而大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型Fig.7 Model of numerical calculation

表2 套管參數(shù)Table 2 Casing parameters

結(jié)合滇東黔西松軟煤層的特性，數(shù)值計(jì)算中確定Druker－Prager 和Cumulative Damage 作為煤巖本構(gòu)和損傷模型，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 煤巖相關(guān)參數(shù)Table 3 Coal parameters

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1）原生裂縫的影響。 建立一個(gè)普通射孔模型（圖8）作為對(duì)比，并逐步研究原生裂縫對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響（圖9），最后研究推進(jìn)劑的類型（圖10）及推進(jìn)劑配置方式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響（圖11）。

圖8 普通射孔對(duì)煤巖的損傷效應(yīng)Fig.8 Damage effect of perforation on coal

圖9 復(fù)合射孔有無原生裂縫時(shí)對(duì)煤巖的損傷效應(yīng)Fig.9 Damage effect of coal bearing on presence or absence of primary cracks by compound perforation

由圖8、9 可以看出：在松軟煤層中應(yīng)用復(fù)合射孔技術(shù)時(shí)，剪切和拉伸破壞范圍明顯增大，損傷裂縫數(shù)量更多，裂縫擴(kuò)展更長(zhǎng)；煤巖內(nèi)原生裂縫對(duì)復(fù)合射孔時(shí)煤巖損傷裂縫萌生、擴(kuò)展和延伸產(chǎn)生明顯影響；相比于普通射孔，復(fù)合射孔時(shí)水泥環(huán)及近井筒區(qū)煤巖損傷破壞明顯，井筒穩(wěn)定性遭受一定程度破壞。

2）推進(jìn)劑的影響。 復(fù)合射孔高壓氣動(dòng)力誘導(dǎo)煤巖損傷效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于推進(jìn)劑的種類。 計(jì)算時(shí)選取了HMX－HTPB、KCI04－AI、NEXPLO 三種推進(jìn)劑，由計(jì)算結(jié)果可以看出：HMX－HTPB 系推進(jìn)劑［20］，在井筒周圍壓裂作用明顯，形成多條損傷裂紋，從0.2 ms開始升壓，在0.25 ms 壓力達(dá)到30 GPa（圖10）；KCI04－AI 系推進(jìn)劑在井筒周圍產(chǎn)生粉碎區(qū)，形成多條短裂縫，引爆瞬間開始升壓，在0.7 ms 時(shí)壓力達(dá)到峰值2.6 GPa（圖11）；NEXPLO 系推進(jìn)劑在井筒周圍產(chǎn)生粉碎區(qū)更加明顯，短裂縫更多，從0.01 ms 開始升壓，在0.025 ms 壓力達(dá)峰值12 GPa（圖12）。 HMX－HTPB 系推進(jìn)劑，由于其點(diǎn)火后升壓延遲時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)聚能射流射孔不產(chǎn)生影響，對(duì)射孔孔道及井筒周圍煤巖壓裂作用明顯，形成多條損傷裂紋。因此，3 種推進(jìn)劑，HMX－HTPB 系推進(jìn)劑較適用于復(fù)合射孔。

圖10 HMX－HTPB 推進(jìn)劑對(duì)煤巖損傷效應(yīng)的影響及其pg－t 曲線Fig.10 Effect of HMX－HTPB propellant on coal damage and the pg－t curve

圖11 KCI04－AI 推進(jìn)劑對(duì)煤巖損傷效應(yīng)的影響及其Pg－t 曲線Fig.11 Effect of KCI04－AI propellant on coal damage and the Pg－t curve

圖12 NEXPLO 推進(jìn)劑對(duì)煤巖損傷效應(yīng)的影響及其Pg－t 曲線Fig.12 Effect of NEXPLO propellant on coal damage and the Pg－t curve

3）推進(jìn)劑配置方式的影響。 在復(fù)合射孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，推進(jìn)劑配置方式通常有內(nèi)置在射孔槍管內(nèi)表面（圖13）和外置在射孔槍管外表面（圖14）2種方式。

圖13 推進(jìn)劑內(nèi)置對(duì)復(fù)合射孔效應(yīng)的影響Fig.13 Effect of propellant built－in on compound perforation

圖14 推進(jìn)劑外置對(duì)復(fù)合射孔效應(yīng)的影響Fig.14 Effect of external propellant on compound perforation

結(jié)果表明：外置推進(jìn)劑時(shí)，復(fù)合射孔后，對(duì)射孔孔道附近的煤巖壓裂改造作用較為明顯，形成多條延伸距離較遠(yuǎn)的損傷裂紋；對(duì)套管、水泥環(huán)的損傷破壞效應(yīng)相對(duì)弱。

4 結(jié) 論

1）煤巖在靜態(tài)壓縮下呈現(xiàn)偏塑性，但通過分離式霍普金斯桿對(duì)煤樣進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)表明，煤巖在高速率載荷加載下有明顯的沖擊脆性，表現(xiàn)出很強(qiáng)的氣動(dòng)力沖擊可壓性，為復(fù)合射孔技術(shù)在松軟煤層中的可行性提供了有利的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2）在松軟煤層中應(yīng)用復(fù)合射孔技術(shù)時(shí)，會(huì)在井筒周圍產(chǎn)生多條徑向裂縫，原生裂縫對(duì)裂縫起裂、擴(kuò)展及延伸有明顯的影響。

3）HMX－HTPB 系推進(jìn)劑，點(diǎn)火升壓延遲時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)射孔孔道及井筒周圍煤巖壓裂作用明顯，因此較適用于復(fù)合射孔；推進(jìn)劑外置對(duì)射孔孔道附近的煤巖壓裂改造作用較為明顯，形成多條延伸距離較遠(yuǎn)的損傷裂紋，對(duì)套管、水泥環(huán)的損傷破壞效應(yīng)相對(duì)較弱。

4）復(fù)合射孔技術(shù)能夠?qū)Φ貙舆M(jìn)行有效的氣體壓裂在近井地帶形成廣泛的裂縫網(wǎng)絡(luò)，大幅度提高近井地帶的導(dǎo)流能力，為改造松軟煤層提供了有效的途徑。