煤炭学报

作者：蔡承政, 高亚楠, 高明忠, 陶志祥, 孙伟福, 王博, 朱正超, 邹增信,

关键词：甲烷, 原位燃爆, 压裂, 助燃剂投放, 移动喷射,

甲烷原位燃爆压裂作为非常规天然气开发领域的颠覆性储层改造方法，通过储层解吸的甲烷与地面投放的助燃剂在井底混合燃爆，产生高温高压冲击作用，形成复杂压裂缝网。该技术的核心机理在于通过甲烷与助燃剂在特定浓度范围内的混合燃爆反应，在密闭空间中形成足够的燃爆压力致裂储层。其中，井筒−储层复杂流场环境下的助燃剂精准投放与混合调控，成为制约技术工程化应用的关键瓶颈。针对传统固定式投放方式存在的混合效率低、井筒安全风险高等难题，提出了采用移动射流进行助燃剂投放的思路。通过计算流体力学(CFD)方法，建立了井筒−储层孔道甲烷与助燃剂的三维混合流场模型，研究了移动射流作用下储层孔道混合流场演化规律，对比了轴向前置、斜向前置、径向侧置和斜向后置4种喷嘴方位对甲烷−助燃剂混合特性的影响机制。结果表明：当射流沿井筒移动时，射流边界层与孔道入口产生强烈剪切作用；孔道内形成了以孔口和孔内旋流场为主要形式的非稳态扰动流场。助燃剂与甲烷在孔口进行质量交换后，在孔内切向速度作用下进一步扩散混合。通过调整喷嘴方位与投放参数，可将孔内甲烷体积分数控制在燃爆极限范围内，同时使井筒内甲烷体积分数降低至最低燃爆极限以下，确保甲烷燃爆仅在储层孔道内进行。不同喷嘴方位对混合效率的影响存在显著差异，径向侧置喷嘴通过正交射流产生强旋流场(切向速度1.05 m/s)，促使助燃剂沿孔道轴向均匀扩散，混合非均匀度明显小于其他方位喷嘴；而轴向前置喷嘴虽然在提高孔道内混合均匀性上弱于径向侧置喷嘴，但其井筒稀释效果最佳(甲烷体积分数 < 4%)。综合考虑甲烷体积分数与流场非均匀性，孔内助燃剂喷射投放混合效果由高到低依次为径向侧置射流、斜向前置射流、斜向后置射流和轴向前置射流。其中，轴向前置射流在井筒甲烷稀释方面表现最优，而径向侧置射流则在孔道内混合均匀性上具有优势。为进一步提升助燃剂的投放效果，提出了采用径向侧置喷嘴与轴向前置喷嘴组合的方式进行助燃剂喷射投放，在确保井筒安全的前提下，进一步提高了孔道内助燃剂投放效果和混合均匀性。研究结果可为甲烷原位燃爆压裂中助燃剂的投放提供理论指导。

来源：2025年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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