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Research on damage effect of compound perforating technology on soft coal seam
煤层气是一种非常规天然气，以吸附状态的形式自生自储在煤层中，由于煤层压力和渗透率低、气体在煤层中驱动力低，导致煤层气解吸和运移速度降低，即使是煤层含气量高的地区，其最终产量也很低［1］。 因此要实现我国煤层气工业开发，需采取一定的增产措施［2－3］。 与页岩不同［4］，对于松软煤层，由于煤岩弹性模量、抗压强度低，泊松比高，储层中存在大量节理、割理和天然裂缝等［5］，导致射孔后采用常规水力压裂施工作业时，常常出现漏失严重，裂缝起裂难，裂缝延伸受地应力控制等现象，严重影响煤层气开发效果。 复合射孔技术将聚能射孔与高能气体压裂技术相结合，以毫秒级的升压速率迅速压裂地层，在井筒附近压开多条不受地应力控制的多方位裂缝，改善煤层气开发效果［6］。 为提高煤层气井单井产能，实现煤层气效益开发，开展复合射孔技术对松软煤层的损伤效果研究具有重要意义。 目前，复合射孔对煤岩损伤效果的研究并不成熟。 刘晓辉等［7］对无烟煤进行了不同应变率下冲击动力试验，研究了能量耗散与应变率的关系。 孙可明等［8］利用理论与数值模拟的方法研究了低渗煤层预裂爆破裂纹的扩展规律。 张文清等［9］对煤岩进行不同应变率条件下的冲击压缩试验，分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。 武进壮等［10］研究了煤储层的高能气体压裂下的裂缝扩展情况。 李杨［11］通过实验研究了煤体在高压气体作用下的爆破致裂规律。 结合前人的研究成果，针对煤岩弹性模量低，抗压强度低，泊松比高，储层中存在大量节理、割理和天然裂缝等特点，以充分改造煤储层为目标，笔者采用实验与数值模拟相结合的方法，研究复合射孔对煤岩的损伤效应，分析原生裂缝、推进剂类型及其配置方式对煤岩损伤效果的影响，为后续复合射孔技术的发展提供一定的数据支撑。
聚能射孔的原理是利用聚能炸药的聚能效应形成高速金属射流，高速金属射流穿透地层形成一定深度的孔道，从而在井筒与储层之间形成连接通道。 所谓聚能效应通常称为“门罗效应”，即炸药爆炸后，爆炸物沿着炸药表面的法向运动。 因此，聚能射孔弹起爆后，药型罩在爆轰产物压力作用下压垮变形，并运行到轴线上汇合形成射流，这股高速、高压射流使爆炸产生的化学能汇聚，从而增强射孔能力［11］。
高能气体压裂技术是利用火药或火箭推进剂快速燃烧产生的高温高压气体，在适当的加载速率下，在井筒附近压开多方位的裂缝，沟通天然裂缝，从而使油气水井增产增注［12］。 高能气体压裂技术的作用体现在以下4 个方面：①机械作用。 高加载速率的气体压力，可形成径向多裂缝体系，解除井筒附近的污染，并增加沟通天然裂缝的机会。 ②热作用。火药燃烧时释放出大量的热能，燃烧点处的气体温度高达2 000 ℃，处理1 ～3 h 后整个射孔井段井筒附近温度提高20 ～50 ℃。 这些热量可融化近井地带的蜡质沥青质，改善地层孔隙度和渗透性。 ③化学作用。 火药燃烧产生大量CO2、CO、HCl、NO、NO2等酸性气体，有刻蚀裂缝和保护地层的作用。 ④振动脉冲作用。 在裂缝延伸过程中，伴随着压力脉冲波动过程，对冲刷近井堵塞物有着积极作用。
复合射孔技术将聚能射孔与高能气体压裂技术相结合［13］，在聚能射孔的基础上，将复合推进剂引入到射孔枪内作为二次能量，聚能射孔弹射孔形成孔道的同时，复合推进剂被激发燃烧，在枪内产生高温高压气体，通过枪身泄压孔释放并直接进入射孔孔道，对地层进行有效的气体压裂，形成孔缝结合型的深穿透，在近井地带形成广泛的裂缝网络，大幅度提高近井地带的导流能力。
为真实地说明复合射孔对煤岩损伤效应数值计算的准确性，结合AUTODYN 软件［14］对材料所需要的数据，从我国滇东黔西的松软煤层［15］中选取煤样进行相关力学参数测试。 所测量的数据具体为岩样的泊松比、弹性模量、差应力（抗压强度）及静态压缩下应力应变曲线。 为深入研究复合射孔对煤岩的损伤效应，使用分离式霍普金斯杆（SHPB）对煤样进行室内冲击试验，研究煤岩在高升压速率下的破坏形式。
为准确测试煤岩的泊松比、弹性模量、差应力（抗压强度）及在静态压缩下应力应变关系曲线，制备了4 组直径在25 mm 左右，长度在50 mm 左右的岩心（图1），并根据所取煤岩的深度加上相应的围压，其试验结果见表1，围压9.4 MPa 下应力－应变曲线如图2 所示。
表1 煤岩基本力学参数测试结果
Table 1 Coal basic mechanical parameters
序号 围压／MPa 泊松比 弹性模量／MPa 差应力／MPa 1 0.382 4 012.4 19.3 2 3 4 9.4 0.162 4 379.1 4.9 0.425 4 903.5 18.0 0.404 5 867.1 24.1
图1 岩样
Fig.1 Coal samples
由表1 可以看出，样品2 与其他3 组测试结果相差较大，因此将样品2 试验结果舍去，剩余3 组样品泊松比、弹性模量、抗压强度平均依次为0.404、4 827.7和20.5 MPa。
由图2 可以看出，煤岩在静态压缩下表现出偏塑性的特性，抗压强度为18 ～25 MPa，表明其内部原有的张开性结构面较少，岩石受压后直接进入到弹性变形阶段。
图2 4 组煤岩在静态压缩下的应力－应变曲线
Fig.2 Stress and strain curves of 4 coal samples under static compression
煤岩的在动态压缩下的应力应变关系曲线由分离式霍普金森杆（SHPB）进行测试［16］，分离式霍普金森杆试验技术是研究中高应变率下材料力学性能的最主要、可靠的试验方法，是爆炸与冲击动力学试验技术的重要组成部分。
1）试验材料准备。 为对煤岩进行SHPB 测试，选取滇东黔西的煤岩，制作了6 块直径约30 mm，长度在18 mm 左右的岩样（图3），各岩样两端面打磨光滑且平行，每个相同的应变率范围内测试2 组。
图3 岩样
Fig.3 Preparations of coal samples
2）SHPB 试验装置及原理。 冲击动态试验采用分离式霍普金森压杆试验装置完成（图4a），试验设备子弹直径为14.5 mm。 压杆材料选择强度较高的7075－ T6 铝，采用的锥形变截面入射杆杆长2 000 mm，直径30 mm（图4b）。
图4 SHPB 设备示意
Fig.4 Schematic of SHPB equipment
试样夹在入射杆和转化杆之间。 用高压氮气驱动加载装置（子弹）以一定的速度撞击入射杆，在入射杆内产生一个应力脉冲，即入射波。 入射波沿入射杆向试样传播，经过输入杆应变计被记录下来。当入射波传播到试样位置时，推动试样开始变形，并在入射杆中产生一个反向应力脉冲，即反射波；到达入射杆应变计时也被记录下来。 另一部分脉冲透过试样进入转化杆向前传播，即透射波，经过转化杆应变计时也被记录下来。 利用实验记录的3 个典型脉冲信号，可以计算材料的动态应力及应变参数［17］。
3）试验准备。 在试验中，使用分离式霍普金斯压杆作为试验设备。 试验开始前，需要在弹性杆的两端进行润滑措施，在煤样两端也需要润滑，如凡士林等，保证煤样端面与杆件端面接触完全（图5）。在SHPB 试验中，当一个压缩应力脉冲作用于岩样时，岩样会产生横向膨胀，若压杆与岩样接触润滑不足，会产生额外摩擦力，阻滞岩样端面的横向变形［18］。
图5 煤样与杆件接触示意
Fig.5 Schematic of contact between coal sample and pole
4）试验结果分析。 SHPB 试验中，煤样受冲击载荷，应变率从300 ～1 200 s－1依次增加，每次增加200 s－1。 试验数据采用“二波法”处理［19］。 从应力应变曲线（图6）来看，煤岩表现出明显的冲击脆性。随冲击加载应变率的增加，煤岩峰值应力不断增加，当应变力高于843 s－1后，应变率效应更加显著。 与常规静态压缩岩石力学试验发现的偏塑性不同，此试验表明煤岩有明显的冲击脆性，表现出很强的气动力冲击可压性。
图6 6 组煤岩应力应变曲线
Fig.6 Stress and strain curves of 6 coal samples
复合射孔作用到地层中需依次穿过套管、水泥环，建立1.5 m×1.5 m 二维对称计算模型（图7）， 选用的套管材料参数见表2，水泥环厚度设定为20 mm，抗压强度为20 MPa，复合射孔枪外径为89 mm，推进剂外置在射孔枪外表面，厚度为10 mm。 为减少数值计算时间，先建立射孔模型，借助软件的映射功能，将爆炸形成的高速金属射流映射到复合射孔数值计算模型中，避免了炸药爆炸形成金属射流等复杂动力学过程，从而大大节约了计算时间。
图7 数值计算模型
Fig.7 Model of numerical calculation
表2 套管参数
Table 2 Casing parameters
套管尺寸／mm 套管外径／mm 壁厚／mm 钢级 屈服强度／MPa 18.3 139.7 7.72 N80 551
结合滇东黔西松软煤层的特性，数值计算中确定Druker－Prager 和Cumulative Damage 作为煤岩本构和损伤模型，相关参数见表3。
表3 煤岩相关参数
Table 3 Coal parameters
密度／（g·cm－3） 弹性模量／MPa 泊松比 抗压强度／MPa 2 500 4 827.7 0.404 20.5
1）原生裂缝的影响。 建立一个普通射孔模型（图8）作为对比，并逐步研究原生裂缝对计算结果的影响（图9），最后研究推进剂的类型（图10）及推进剂配置方式对计算结果的影响（图11）。
图8 普通射孔对煤岩的损伤效应
Fig.8 Damage effect of perforation on coal
图9 复合射孔有无原生裂缝时对煤岩的损伤效应
Fig.9 Damage effect of coal bearing on presence or absence of primary cracks by compound perforation
由图8、9 可以看出：在松软煤层中应用复合射孔技术时，剪切和拉伸破坏范围明显增大，损伤裂缝数量更多，裂缝扩展更长；煤岩内原生裂缝对复合射孔时煤岩损伤裂缝萌生、扩展和延伸产生明显影响；相比于普通射孔，复合射孔时水泥环及近井筒区煤岩损伤破坏明显，井筒稳定性遭受一定程度破坏。
2）推进剂的影响。 复合射孔高压气动力诱导煤岩损伤效应的强弱取决于推进剂的种类。 计算时选取了HMX－HTPB、KCI04－AI、NEXPLO 三种推进剂，由计算结果可以看出：HMX－HTPB 系推进剂［20］，在井筒周围压裂作用明显，形成多条损伤裂纹，从0.2 ms开始升压，在0.25 ms 压力达到30 GPa（图10）；KCI04－AI 系推进剂在井筒周围产生粉碎区，形成多条短裂缝，引爆瞬间开始升压，在0.7 ms 时压力达到峰值2.6 GPa（图11）；NEXPLO 系推进剂在井筒周围产生粉碎区更加明显，短裂缝更多，从0.01 ms 开始升压，在0.025 ms 压力达峰值12 GPa（图12）。 HMX－HTPB 系推进剂，由于其点火后升压延迟时间长，对聚能射流射孔不产生影响，对射孔孔道及井筒周围煤岩压裂作用明显，形成多条损伤裂纹。因此，3 种推进剂，HMX－HTPB 系推进剂较适用于复合射孔。
图10 HMX－HTPB 推进剂对煤岩损伤效应的影响及其pg－t 曲线
Fig.10 Effect of HMX－HTPB propellant on coal damage and the pg－t curve
图11 KCI04－AI 推进剂对煤岩损伤效应的影响及其Pg－t 曲线
Fig.11 Effect of KCI04－AI propellant on coal damage and the Pg－t curve
图12 NEXPLO 推进剂对煤岩损伤效应的影响及其Pg－t 曲线
Fig.12 Effect of NEXPLO propellant on coal damage and the Pg－t curve
3）推进剂配置方式的影响。 在复合射孔器结构设计中，推进剂配置方式通常有内置在射孔枪管内表面（图13）和外置在射孔枪管外表面（图14）2种方式。
图13 推进剂内置对复合射孔效应的影响
Fig.13 Effect of propellant built－in on compound perforation
图14 推进剂外置对复合射孔效应的影响
Fig.14 Effect of external propellant on compound perforation
结果表明：外置推进剂时，复合射孔后，对射孔孔道附近的煤岩压裂改造作用较为明显，形成多条延伸距离较远的损伤裂纹；对套管、水泥环的损伤破坏效应相对弱。
1）煤岩在静态压缩下呈现偏塑性，但通过分离式霍普金斯杆对煤样进行的冲击试验表明，煤岩在高速率载荷加载下有明显的冲击脆性，表现出很强的气动力冲击可压性，为复合射孔技术在松软煤层中的可行性提供了有利的试验基础。
2）在松软煤层中应用复合射孔技术时，会在井筒周围产生多条径向裂缝，原生裂缝对裂缝起裂、扩展及延伸有明显的影响。
3）HMX－HTPB 系推进剂，点火升压延迟时间长，对射孔孔道及井筒周围煤岩压裂作用明显，因此较适用于复合射孔；推进剂外置对射孔孔道附近的煤岩压裂改造作用较为明显，形成多条延伸距离较远的损伤裂纹，对套管、水泥环的损伤破坏效应相对较弱。
4）复合射孔技术能够对地层进行有效的气体压裂在近井地带形成广泛的裂缝网络，大幅度提高近井地带的导流能力，为改造松软煤层提供了有效的途径。
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