甲烷原位燃爆压裂非均匀燃爆增强效应及关键参数优化研究

摘要

甲烷原位燃爆压裂技术通过引燃储层解吸甲烷与助燃剂的混合气体产生高温高压冲击波，从而形成复杂裂缝网络.为揭示甲烷原位燃爆压裂井筒非均匀混合燃爆特性，基于预充式助燃剂投放方法，耦合Arrhenius动力学方程与涡耗散方程，建立了密闭井筒甲烷非均匀燃爆三维模型，研究了井筒燃爆压力特征，分析了井筒压力、温度、甲烷体积分数和点火方式对燃爆压力的影响规律.结果表明：预充式投放导致井筒内形成特征鲜明的甲烷体积分数分区，以投放工具为中心，两侧对称分布着低体积分数弱燃爆区(5%～14%)、强燃爆区(15%～55%)及高体积分数弱燃爆区(55%～92%).相较于均匀燃爆工况，非均匀混合条件下井筒底部峰值压力显著提升，同时密闭井段上端峰值压力降低12%～15%,形成更优的压裂安全窗口.参数敏感性研究表明，初始压力从5 MPa增至15 MPa时，燃爆峰值压力提升39.3 MPa,但增压速率随压力升高呈衰减趋势；当初始压力保持不变时，环境温度每升高40 K,峰值压力衰减幅度达10.4%;非均匀混合使甲烷燃爆最佳体积分数从33.3%降至26.8%,显著降低了对混合比例的敏感性要求；采用高温点火方式可使井筒上部峰值压力提升30%,并有效消除了电火花点火时的滞燃现象.研究结果揭示了非均匀混合条件下的燃爆增强效应，可为现场应用提供理论参考.

关键词

甲烷 / 助燃剂投放 / 非均匀燃爆 / 井筒压力 / 压裂