从地下煤层(subsurface coal seams)生产商用天然气目前已有三十年的 历史。地下煤层可能含有大量天然气或甲烷(通常称为煤层甲烷或者CBM)， 这些天然气或甲烷吸附在煤炭表面上。当煤层中的压力显著下降时，这种 气体从煤炭中释放出来并可进行生产。然而，在大多数情况下，煤炭中的 低渗透率或者由于在钻井或者完井过程中对煤炭的破坏使得降压(进而煤层 甲烷生产)被削弱。
迄今为止，存在两种促进煤层甲烷生产或者绕过被破坏的煤炭以增加 气体产量的方法：a)汽蚀作用(cavitation)；或者b)水力压裂。汽蚀作用是一 种通过重复注入流体和侵蚀性回流以沿井筒切断并生产煤炭而将其移去的 方法，从而通过形成空穴使井筒扩大。不幸地是这种方法仅在数量非常有 限的煤层中取得了成功，所述煤层包含具有特殊脆性的煤炭。
另一种方法--水力压裂与多年来在常规油气地层中应用的方法相同。该 方法包括通过在高压下将流体高速泵送至地层中来引发煤层裂缝 (fractures)。不幸地，由于煤炭的柔软性和天然裂缝(称作割理)的存在，这些 引发的水力压裂裂缝并不是非常有效并且与在常规油气地层中应用相类似 表现相当不佳。将支撑剂添加至压裂液中，以提高撤去水压后的裂缝传导 性；然而过早的支撑剂桥堵已经成为煤层压裂中的一个问题。通常，为成 功地进行这些支撑剂处理剂，要求使用高粘性流体。然而，这些高粘性流 体经常对临近裂缝的煤炭割理造成二次损坏，而这可能大大地减轻压裂处 理的增产作用。
煤层是主要由碳化合物构成的地下岩层，例如具有约(85％C，5％H， 5％(O、N、S)，5％M)的典型组成，其中C指的是总的碳含量(不挥发性物 质加上挥发性物质)；H指的是总的氢含量；O、N、S指的是氧、氮以及硫 的总含量；以及M指的是惰性物质的总含量。煤炭和碳酸盐岩(石灰石和白   云石)通常是油气生产的来源，并且通常是天然断裂的，由此提高了它们的 生产潜力。由于低渗透率或钻井和完井期间的损害，煤炭、石灰石和白云 石可能具有有限的油气生产力。然而，因为岩石可易溶于成本低廉的酸， 例如盐酸，所以可容易地使碳酸盐岩增产或者可绕过它们的损害。石灰石 /HCl溶解反应为：
2HCl+CaCO3<-->CaCl2+H2O+CO2
白云石/HCl溶解反应为：
4HCl+CaMg(CO3)2<-->CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2
可通过增大井筒和消除或绕过损害使这些地层增产，或者可通过用酸 性流体进行压裂来增强水力裂缝，由此将沿着裂缝面移动岩石并增强撤去 水压后的裂缝渗透率。
虽然已作出一些努力来使用氧化剂用于增产CBM，然而没有在CBM 增产中为移去岩石使用由提供氧化剂而增强的燃烧的描述或建议。一直存 在持续的并且迄今尚未满足的对于增产CBM的需求。

根据本发明，描述了煤层甲烷增产的方法，所述方法减少或克服了现 有方法中存在的问题。通过下述方法，本发明方法允许促进含煤地层(例如 煤层等)生产更多的煤层甲烷：提供暂时的氧化环境、允许煤炭燃烧和增大 水压诱导裂缝或射孔的尺寸。本发明方法包括经由钻井筒将一种或者多种 组合物引入到地下煤层中，由此释放和/或生成浓度和数量充足的氧化材料 以产生暂时的、局部的氧化环境，从而保证含碳材料的高速氧化。高速氧 化反应的作用是通过除去关键区域中的煤炭来改善连通性和从煤层到井筒 的流动通道而促进煤层的天然气产生。这可包括除去或者绕过接近井筒的 含煤地层(coal-bearing formation)的损害区域，所述损害区域是钻井和完井、 环向应力、或者这些原因的组合所造成的。
本发明的一个方面是含煤地层煤层甲烷增产的方法，该方法包括提供 能够进入含煤地层的井筒；提供射孔弹(perforation charge)，该射孔弹包括 标准射孔弹装弹部分以及能够在射孔中产生包括氧化剂的局部暂时性氧化 环境的组合物；利用射孔弹对含煤地层进行穿孔而形成由含碳材料确定的 初始射孔，该初始射孔中具有局部的暂时性氧化环境，并且在该氧化环境 下引发含碳物质的燃烧，从而扩大该初始射孔。可仅通过射孔弹对含煤地 层的摩擦致热来引发燃烧。可替换地，或者除此以外，可通过许多如下所 述的方法实现引发燃烧，例如电热元件、辅助燃烧器、钢缆火花等等。
本发明的另一个方法包括通过下述操作促进含煤地层的煤层甲烷生 产：提供能够进入含煤地层的井筒，利用标准射孔弹对含煤地层进行射孔， 由此形成射孔；利用组合物处理该射孔，所述组合物在射孔中形成含有氧 化剂的暂时性局部氧化环境，并利用该氧化环境引发含碳物质的燃烧，从 而扩大该射孔。在这种方法中，如果不是由摩擦生热引发燃烧，那么可通 过第一种方法中所描述的方法引发或者补充燃烧。一些具体实施方案可包 括，在射孔之前，在井筒中预充填或者加样(spotting)包括氧化剂的组合物。 例如，利用下套管井筒或者裸眼井筒，可在生产油管和含煤地层之间的流 动通道中安装一个或者多个筛管(screens)。可将填充物(packer)放置在筛管上 面和下面，以将生产区域中的环带封离非生产地层。为了在筛管周围加样 包括氧化剂的组合物，可使用作业管柱和井下密封装置(service seal unit)。 该井下密封装置可用于通过作业管柱在含煤地层和筛管之间泵送组合物(例 如含有氧化剂的砂砾或者凝胶)，所述组合物在该作业管柱处被挤压。可以 沿着作业管柱向下泵送水淤浆或者凝胶中的组合物，并对其进行加样以填 满筛管和油井套管或井筒侧壁之间的环带。在筛管悬挂在裸眼钻孔中的井 装置中，预填充有助于支撑周围的地层。在这些具体实施方案中，一旦加 样包括氧化剂的组合物，射孔和处理射孔的步骤可基本上同时进行。射孔 弹穿过该组合物并可用来引发氧化剂和地层中的煤炭和/或甲烷的燃烧。
在此所用的术语“标准射孔弹”指的是通常起到对套管和含煤地层进 行射孔的作用的炸药(charge)。术语“组合物”指的是起到提供一定氧化环境 作用的化合物或者组合物。该组合物可以是气体、液体、固体以及它们的 任意组合。在此提供了实例。在此所用的短语“扩大射孔”意味着增加任意一 维或多维的尺寸，包括射孔的平均直径、体积和/或穿透距离。“射孔”表示 使用射孔弹发射弹丸(projectile)穿过井筒的侧壁，其中“井筒”可以为下套管 井、下套管胶结井或者裸眼井(cased，cased and cemented，or open hole)，还可 以是任意类型的井，包括但不限于出油井、非出油井、试验井、探井等等。 井筒可以是垂直的、水平的、在垂直和水平之间任何角度的、转向的或者 不转向的、以及它们的组合，例如具有非垂直部分的竖井。术语“含煤的” 表示具有任意等级的煤炭。术语“含碳物质”包括煤炭和煤炭中的可燃材料， 例如煤素质。煤素质是煤炭的组分。当用于火成岩或者变质岩时，该术语 类似于术语矿物质。煤素质的实例为惰质组、镜质组和类脂组。认为惰质 组是炭和降解的植物材料的等价物。认为镜质组由例如根、树皮、植物茎 和树干等细胞植物材料构成。当在显微镜下观察时，镜质组煤素质显示出 箱状的、蜂窝状结构，该结构通常具有可能为植物茎剩余部分的椭圆形空 穴和空腔。认为类脂组煤素质由腐烂的叶物质、芽胞、花粉和藻类物质产 生。树指和植物蜡也可为类脂组煤素质的一部分。术语“甲烷”包括天然气。
本发明的第三种方法包括：
(a)通过井筒，使含煤地层的裂缝表面与一种组合物接触，该组合物含 有或者一接触到所述表面就形成裂缝中的局部暂时性氧化环境；以及
(b)在足以扩张性地而不是爆炸性地氧化一些含碳材料的条件下，在所 述氧化环境中燃烧含碳材料，从而扩大裂缝。
可通过一个或多个前两种方法所述的技术引发含碳材料的燃烧。在本 发明该方面内的方法中，“裂缝”包括割理和人工裂缝。该方面内的方法可能 特别适用于减轻由于井筒周围和通常垂直于井筒轴的平面上的类拱张力而 存在的流动阻塞。该组合物可以是固体、液体、气体、或它们的任意组合， 例如料浆。本发明该方面内的方法包括那些方法，其中燃烧导致裂缝比原 始裂缝更深地延伸到含煤地层中，所述裂缝的有效直径大于处理前裂缝的 有效直径，或它们的组合，并且当井回到生产中时这些扩大的裂缝可保持 开放状态。任选地，可在燃烧步骤后进行支撑剂压裂液或其它压裂液的注 入。在某些具体实施方案中，可以在燃烧步骤后以及注入压裂液之前使井 筒的压力骤降。这些方法减少或者消除了那些常导致支撑压裂处理过早中 止的近井问题。
在本发明的另一个方法中，氧化剂可为在置枪和点火之前加样至井筒 中或者压入煤层中的材料。例如，在第一步中，可将氧源(氧化剂)泵送(或 加样)到井筒中或者煤层中(或越过煤层)，然后在第二步中可采用射孔器 (perforation gun)或推进器作为点火源以促进或提供燃烧增强。在放置氧化剂 之后，可将射孔器或者增产器(stimulation gun)降低到井筒中，并使其发射以 在煤层中点火。这种方法可以应用于新的(未射孔的)井筒，或者用作补救增 产措施，其中在点火前将氧化材料压入煤层。在未射孔的井筒中，可以将 组合物放置在邻近煤层的下套管中，或者可将组合物泵送到下套管和煤炭 之间的环带中，然后沿着所述环带泵送胶结剂(cement)并将组合物移至邻近 煤层的下套管的底部。基于附图说明、发明详述和其后的权利要求，本发 明的方法将变得更加明白。

在下列描述和附图中对可实现本发明的目的和其它所需特征的方式进 行说明，其中：
图1为具有射孔的典型含煤地层的截面示意图，在所述含煤地层中具 有下套管井筒，所述射孔由标准射孔弹形成；
图2为具有射孔的典型含煤地层的更详细的局部截面示意图，在所述 含煤地层中具有下套管井筒，所述射孔由标准射孔弹形成；
图3为具有扩大的射孔的含煤地层的局部截面示意图，所述含煤地层 具有图2所示的下套管井筒，所述扩大的射孔根据本发明的方法形成；
图4A和图4B分别为一个发射器和弹丸的局部纵截面示意图，所述发 射器和弹丸可有助于实施本发明方法之一。
图5A-5C分别为一个射孔弹和弹丸的透视示意图、截面图和侧面示意 图，所述射孔弹和弹丸可用于实施本发明的另一个方法。
图5D以局部截面图示例了包括氧化剂的组合物的射孔弹简化方案，所 述简化方案用于实施本发明的一个方法。
图6为典型含煤地层中的裸眼井筒的局部截面示意图，显示了原始尺 寸大小的裂缝和如何使用本发明的方法扩大裂缝的例子。
然而，应当注意的是，附图不是按比例绘制的，仅示例了本发明的典 型具体实施方式，因此，不应认为附图限定了本发明的范围，对于本发明， 可允许其它等效具体实施方式。

在下面的描述中，阐述了许多细节来帮助理解本发明。然而，本领域 技术人员应当理解的是，本发明可在没有这些细节的情况下实施，并且从 所述具体实施方式进行改变或者改进是可能的。
从二十世纪80年代中期起，在美国，煤层甲烷(CBM)已经成为日益重 要的非常规矿物燃料能源。多年来，CBM主要是地下煤矿安全问题并且有 大量关于该主题的文献。在过去的二十年中，对于作为非常规矿物燃料的 CBM的兴趣急剧加速。煤层甲烷还被某些文献称为煤层气。差不多98％的 CBM被吸附在煤炭微孔中，所述煤炭微孔一般具有小于40埃的直径，而 不是像在常规气藏中那样位于粒间孔隙中。在CBM可被释放之前必须除去 煤炭割理系统中的大部分水。煤炭中的天然裂缝(割理)是用于从煤储层传输 水和甲烷的主要渠道。面割理(face cleates)和对接割理(buff cleates)分别是煤 炭中的主要和次要割理系统，并且它们是地区结构、煤级、煤炭煤岩类型、 煤层厚度及其他因素的函数。由于含煤地层中的割理系统，本发明的方法 最适用于含煤地层中所包含的甲烷，这是因为这些方法提供了利用射孔弹 穿透煤层形成人工裂缝的能力。
本发明方法包括经由钻井筒将组合物引入在地下煤层，所述组合物释 放和/或产生足够浓度和数量的氧化材料，从而形成足以支持快速局部暂时 性氧化反应的局部暂时性氧化条件。由于操作人员支配该组合物在含煤地 层中应用于何处的能力，因此这种作用是局部的，并且因为一旦组合物中 的氧化剂耗尽，燃烧就会停止，因此该作用是暂时的。在燃烧期间，将燃 烧热转移到煤层中围绕的含碳材料中，并且如果存在足够的水，可以形成 蒸汽并且形成的蒸汽可膨胀到割理和天然裂缝中，也可膨胀到人工裂缝中， 由此进一步增大割理、天然裂缝以及其他裂缝的尺寸，特别是近井的割理、 天然裂缝以及其他裂缝。该反应的目的是通过移除关键地区的煤炭改善从 煤层到井筒的连通性和流动通道来增产煤层天然气。
在本发明的一个方法(表示为射孔增强)中，通过改进射孔弹使之包括足 以形成在此所述的局部暂时性氧化环境的组合物，扩大了从钢-下套管井筒 或其它井筒到煤层的射孔流体路径(有时称为孔道)，通常最初通过成形射孔 弹形成该射孔流体路径，所述成形射孔弹发射并形成穿过下套管和胶结剂 隔离套的孔而进入煤层。或者，经应用产生过量自由氧的共同射孔或者后 射孔推进剂处理，可通过快速氧化从射孔孔道中移除额外的煤炭来提高射 孔尺寸和在煤层中的穿透度。通过共同射孔的意思是在射孔的过程中使用 氧化剂，例如通过穿过先前安装的含有氧化剂的预先填充进行射孔。
在本发明的另一个方法(表示为快速氧化侵蚀的水力压裂)中，以高于煤 层割理基体可接受的速度将压裂处理流体注入煤层。这种快速注入产生井 筒压力聚集，直到其大到足以克服地应力(compressive earth stress)和煤层的 拉伸强度。在这种压力下煤层破裂，形成裂缝(或裂缝)。连续注入增大了裂 缝的长度和宽度。这种方法打开的割理取向与煤层中的应力方向一致。将 能够产生局部暂时性氧化条件的组合物添加到压裂液中，从而在邻近诱导 裂缝的煤层中引起快速氧化反应。这种快速氧化反应将除去一部分煤炭， 并形成深入扩展到地层中的流体通道，并且当该井被放回投产时该流体通 道仍保持开放。可应用快速氧化侵蚀水力压裂处理作为独立增产措施，或 用作常规支撑剂压裂的预处理来消除近井扭曲阻塞物，由于近井支撑剂桥 堵作用该阻塞物常导致支撑压裂处理过早终止。
下式表示基本的煤炭燃烧反应：
CH(H/C)f+O2CO2+CO+H2O+不可燃的灰烬(典型地5-12％)
(H/C)f下标称为等量H与O的比率，该比率因煤炭不同而不同。表1 中提供了典型的煤炭组成和热值。用于形成局部暂时性氧化环境的氧化剂 将消耗煤炭和少量CBM，直到氧化剂完全耗尽，在此之后局部环境恢复成 还原气氛状态。在不限于任何特殊理论的情况下，热反应气体燃烧和膨胀 的组合效应导致至少最接近井筒的含煤地层中的那些天然裂缝扩张，或者 导致射孔操作中的初始射孔扩张。将从井筒中得到燃烧反应的产物并且使 用气体和液体处理设备对其进行处理，不认为这是本发明的部分。如果井 筒的温度足够低，作为燃烧产物而形成的任何水将冷凝并被泵抽出，该泵 已处于适当的位置用于泵送采出水。采用上述煤炭反应化学计量，以及存 在于含煤地层的预期或测得的甲烷、乙烷以及其他气体燃烧的平衡反应等 式，可计算可能使用给定氧化剂消除的煤炭的理论量。这些计算是众所周 知的，在此无需进一步说明。
表1.典型的煤炭组成和热值1
  燃料 化学式(状态)   密度   kg/m3 理论空气/燃料 比率 高热值 MJ/kg 最大绝热 燃烧温度. K 闪点&自 燃温度 K 煤炭 (干的， 平均)     85％C     5％H     5％O     5％M(s)     1400       10kg/kg     28     2200     600
1Harju，J.B.，″Coal Combustion Chemistry，″Pollution Engineering，May 1980 pp.54-60.
用于本发明的组合物包含至少一种氧化剂化学品。氧化剂的作用是与 含碳材料反应(燃烧含碳材料)而在含煤地层中形成割理、天然裂缝和人工裂 缝壁(walls)。氧化剂可以是有机物、无机物或它们的组合，可以为固体、液 体、气体或它们的任意组合，例如料浆。“氧化剂”不必仅仅包括氧化剂或单 一氧化剂化学品、或任意一种氧化剂的单相。例如，臭氧可以作为气体存 在，并溶于液体中，例如水。不是用于本发明的所有氧化剂化学品都必须 具有同样的氧化电势。
有机氧化剂的实例包括烷基三碳硼烷基烷基盐(alkyltricarboranylalkyl perchlorates)，例如甲基三碳硼烷基甲基高氯酸盐(methyltricarboranylmethyl perchlorate)，如美国专利3,986,906中所述。如本发明中所说明的，甲基三 碳硼烷基甲基高氯酸盐可用作推进剂组合物的组合催化剂-氧化剂，该推进 剂组合物还包括端羟基聚丁二烯、二异氰酸酯(盐)交联剂、界面粘合剂、高 氯酸铵氧化剂和金属燃料。这种性质的推进剂组合物具有改善的燃烧速度 和机械性能。由于甲基三碳硼烷基甲基高氯酸盐为每分子含有三个碳硼烷 基官能团和一个高氯酸盐官能团的固体盐，所以获得催化剂作用和氧化剂 作用。通常使用的液体碳硼烷基催化剂可以被固体盐替代。可以使用额外 的粘合剂，由此在不牺牲机械性能的情况下允许使用更多的氧化剂和金属 燃料。所述推进剂是具有超高燃烧速度的高固相含量推进剂。
其它的有效氧化剂可以包括次氯酸盐(hypochlorite)、次氯酸金属盐、过 氧化氢、臭氧、氧气和它们的组合。合适的氧化剂可以包括二氧化氯；高 氯酸、氯酸、过硫酸、过硼酸、过碳酸、高锰酸、硝酸的金属盐和它们的 组合。合适的氧化剂可以包括过氧化物、次氯酸钠；次氯酸(hypochlorous acid)、高氯酸(perchlorate)、氯酸(chlorate)、过硫酸(persulfate)、过硼酸 (perborate)、过碳酸(percarbonate)、高锰酸(permanganate)、硝酸(nitrate)的水 溶性盐和它们的组合。氧化剂可以掺入射孔弹，例如成形射孔弹，只要采 取预防措施防止不必要的爆炸。或者，氧化剂可以用作对先前形成的射孔 或者对含煤地层中的割理的后射孔处理。另一种选择是在射孔穿过预先填 充的过程中应用氧化剂。可以使用本领域已知的标准射孔弹。在具体实施 方案中，可以使用所谓的不灵敏烈性炸药，其中在该具体实施方案中，通 过在射孔操作(作为射孔弹的一部分或者在预先填充中)中使用射孔弹而将 氧化剂用于含煤地层。在一种已知类型的不灵敏烈性炸药中，对爆炸的发 生相对不敏感的主要炸药可与对爆炸的发生相对敏感的炸药、临界直径添 加剂和粘合剂组合使用，如美国专利5,034,073中所述。更具体地，敏感炸 药可以包括两种筛分粒度级的敏感炸药，这种组合赋予整个组合物对于偶 然爆炸的发生所需的不敏感度。在此所用的术语“筛分粒度级”指的是具有特 定平均粒度的敏感炸药分离部分。通过调整敏感炸药第一筛分粒度级和第 二筛分粒度级平均粒度的比例，获得了组合物对于爆炸偶然发生的不敏感 性。通常使用约50∶1至约30∶1的粒度比例或者约45∶1至约35∶1的粒度比 例，将获得最好的结果。敏感炸药的第一筛分粒度级可以具有直径约为140～ 约160微米的平均粒度。敏感炸药的第二筛分粒度级可以具有约1至约10 微米的平均粒度。第一筛分粒度级敏感炸药和第二筛分粒度级敏感炸药的 质量比可以为约1∶1～约1∶30，或约1∶3～约1∶10。氧化剂的用量取决于CBM 的应用和含煤来源，其组成可以不同，但是当在射孔操作过程中使用时， 氧化剂与敏感炸药的重量比可为约1∶1～约1∶10。甲烷通常是CBM的主要组 分，但是二氧化碳、乙烷和高级油气也是一些煤层的重要组分。在‘073专 利中使用的术语“临界直径”指的是熔铸炸药立柱的最小直径，在该直径下可 维持爆炸--例如，获得稳定的爆炸。术语“临界直径添加剂”指的是特定平均 粒度成分，其起到降低熔铸不灵敏烈性炸药临界直径的作用，使得它们可 慎重地引爆或使用。为了使用临界直径添加剂调节组分的临界直径，可以 使用平均粒度为直径约10～约150微米的添加剂，平均粒度为直径约25～约 35微米时获得最佳结果。
在上述定义的基团中，提到许多具体实例。主要(相对不灵敏)炸药的实 例为硝基胍、硝酸胍、苦味酸铵、2，4-二氨基-1，3，5-三硝基苯(DATB)、高氯 酸钾、硝酸钾和硝酸铅。敏感炸药的实例包括：环-1，3，5-三亚甲基-2，4，6-三 硝胺(RDX)、环四亚甲基四硝胺(HMX)、2，4，6-三硝基甲苯(TNT)、季戊四醇 四硝酸酯(PETN)和肼。临界直径添加剂可以选自硝酸胺和氨基-硝基苯。已 发现的作为有效临界直径添加剂的硝酸胺包括乙二胺二硝酸(EDDN)和丁二 胺二硝酸(BDDN)。已发现的有效氨基-硝基苯包括1，3，5-三氨基-2，4，6-三硝基 苯(TATB)。
本发明使用的粘合剂材料的实例包括具有端羧基和端羟基的聚丁二 烯、聚乙二醇、聚醚、聚酯(特别是具有端羟基的)、多氟代烃 (polyfluorocarbons)、环氧化物和硅橡胶(特别是具有端羧基和端羟基)。合适 的粘合剂包括在低温下(例如低至-100(-73℃))在固化状态下仍保持弹性 的粘合剂。粘合剂可以通过任何常规方法固化，包括加热、辐射和催化作 用。
作为任选的变化，在组合物中可包括例如铝等金属粉末以增大爆炸冲 击波压力。为了得到最佳结果，粒度将为100目或更细小，优选为约2～约 100微米。组合物中一般含有约5～约35重量％的粉末，在其它应用中，要 求更高百分含量的水下炸药。
组合物中这些组分的相对比例如下所示，基于整个炸药组合物的重量 百分比：主要炸药为约30％～约60％，第一筛分粒度级敏感炸药为约1％～ 约10％；第二筛分粒度级敏感炸药为约10％～约25％；以及临界直径添加剂 为约2％～约20％。组合物的剩余部分为粘合剂或者粘合剂组合物，包括能 够固化为固态的任一种液体或液体混合物，任选地还包括已知可与粘合剂 共同使用的成分，例如催化剂和稳定剂。包括足量的粘合剂以使未固化的 成分可浇注或可泵送，使得可通过泵送在井筒中浇注或加样所述粘合剂。 因而，粘合剂的量为整个炸药组合物的约10重量％～约20重量％。
本发明中使用的标准射孔弹可以具有可与例如2，4，6-三硝基甲苯 (TNT)、TNT类镀铝炸药和D型炸药(苦味酸铵)相当的炸药输出量。性能的 特征在于例如爆炸速度、爆燃压力和临界直径等参数。可以使用光学纤维 导线和专用计算机进行临界直径试验。将方钢目击板放在木块支撑体上。 然后将圆柱形样品固定在钢板中心，将起爆器和助爆剂紧紧地固定在样品 顶端。在距离助爆剂已知距离处将光学纤维导线嵌到样品中。引爆样品， 并从专用计算机上读出爆炸速度。当跨越样品长度的起爆速度为常数时， 实现“起爆(go)”。如果速度随着与助爆剂的距离远近而衰减，或者如果样品 根本不发生爆炸，那么认为其“起爆不成功(no-go)”。本发明的优选实施方案 中，对爆炸组分进行选择以提供以下组合物，其在密闭试验中具有最大为 约4.0英寸(10.2厘米)，更优选最大为约2.0英寸(5.08厘米)临界直径；至少 约6.5公里/秒，更优选至少约7.0公里/秒的爆炸速度；至少约170千巴， 更优选至少约200千巴的爆燃压力。可以通过本领域技术人员已知的多种 方法测定或者表示炸药对起爆的敏感度。最便利地，以助爆剂的最低量或 类型来表示该参数，当以例如物理冲击或电击等某种方法引爆时，所述助 爆剂将导致主要射孔弹炸药爆炸。对于此处的主要炸药和敏感炸药，两者 对于起爆的敏感度可以叠氮化铅助爆剂来表示。特别是，主要炸药的特征 在于不能被仅含有叠氮化铅的助爆剂引爆，而取而代之地需要包括具有较 高爆炸输出的额外组分(例如TetrylTM(三硝基苯基甲基硝胺))作为引爆的助 爆剂。同样地，敏感炸药的特征在于能够被由叠氮化铅单独组成的助爆剂 引爆。优选的实施方案中，当由叠氮化铅和Tetryl的组合物组成的助爆剂用 作主要炸药时，在组合物中要求至少约0.10g的TetrylTM；并且对于敏感炸 药，要求少于约0.5g的叠氮化铅。
在成形炸药的独立隔间中可包括用于形成局部暂时性氧化环境的氧化 剂，在此参考图4和5作进一步说明。在空的射孔器中也可包含氧化剂， 或者作为放置射孔器和点火前加样到井筒中或者压入煤层中的材料。例如， 在第一步中，可将氧源(氧化材料)泵送到(或者加样)井筒中或者煤层中(或穿 过煤层)，然后在第二步中，可使用射孔器或推进剂枪作为点火源来促进或 提供燃烧增强。在放置氧化剂后，可将射孔器或增产器降到井筒中，并使 其发射而在煤层中起爆。该方法可以用于新的(未穿孔的)井筒，或者作为补 救增产措施，其中在起爆前将氧化剂材料压入煤层。在未射孔的井筒中， 可以将组合物放置在邻近煤层的下套管内，或者可将组合物泵送到下套管 和煤层之间的环带中，然后可沿环带泵送胶结剂并将该组合物移到邻近煤 层的下套管底部中。
现参考附图，图1为其中具有下套管井筒2的典型含煤地层的截面示 意图，所述下套管井筒2中具有胶结剂4、以及由标准射孔弹形成的下套管 射孔6和煤层射孔20。示例水10(通常称为采出水)充满井筒2，并且通常称 为煤层甲烷或煤层甲烷的天然气，在12即接近井筒2顶端处聚集。采出水 泵14和用于移除采出水10的任选地表增压泵16一起可置于井筒2的底部。 导管18用于将煤层甲烷12输送至气体处理设备。
图2为其中具有下套管井筒2的典型含煤地层的更详细地局部截面示 意图，所述下套管井筒2具有由标准射孔弹形成的射孔6。在各附图中，相 同的标号表示相同的特征。图2所示是典型的扩展到煤层8的煤层射孔20。 煤层甲烷和水在射孔20中聚集并被煤层8中的压力压入到用于生产的井筒 2中。
图3为其中具有图2所示的下套管井筒2的含煤地层局部截面示意图， 所述下套管井筒具有根据本发明的第一个和第二个方法形成的扩大的射孔 22。以虚线表示初始射孔20的尺寸。显然射孔22中的流动通道的尺寸更 大，由此增产煤层甲烷。
在对井筒进行了钻孔以及在井筒中固定了下套管之后，形成射孔以允 许流体在地层中的油藏和井筒之间流体相通。通常使用成形射孔弹射孔， 其中将成形射孔弹装入射孔器，在滑线、钢缆、管状材料或其它类型的载 体上将射孔器送入井筒中。然后射孔器点火而在下套管中形成缺口并使射 孔延伸渗透到地层中。如前所述，套管井或裸眼井可以包括含有氧化剂成 分的预先填充，并可通过预先填充进行射孔。这些技术可以分别使用或者 与自身包含氧化剂的成型射孔弹组合使用。这些方法可以包括在燃烧步骤 后和注入压裂液前陡降井筒压力，这是已知的增产CBM的方法。
可以使用任何类型的射孔器。作为实例，第一种类型为包括带状传送 管的带状枪，在带状传送管上可以放置封壳成形射孔弹(capsule shaped charges)。封壳成形射孔弹包含在密封壳中，从而保护成形射孔弹使之不受 井筒环境损害。另一种类型的枪为密封中空传送管枪(sealed hollow carrier gun)，其包括其中可安装未封壳成形射孔弹的中空传送管。可将成形射孔弹 安装在填充管或者中空传送管内的带状物上。可以在中空传送管套的壁中 形成稀疏地带(称为凹槽)，从而通过使射流从引爆的成形射孔弹射出而更易 渗透。另一种类型的枪为密封中空传送管连发枪(shot-by-shot gun)，其包括 有多个中孔传送段，在每一段中可安装一个未封壳成形射孔弹。
在图4A中示例了典型弹丸推进装置或发射器100的纵向截面图，其可 用于使弹丸112加速穿过井筒下套管并进入含煤地层。发射器100主要包 括枪口部分116、枪管部分118和后膛部分120。在图4A所示的具体实施 方案中，后膛部分120包括推进剂弹腔122，其直径大于发射器枪管118的 内径124的直径。通过带螺纹的枪管塞126进入弹腔122，在弹腔126中可 配备点火塞128。图4B是典型弹丸的纵向局部截面图200，所述弹丸可在 图4A的弹丸推进装置中使用。图4A和4B所示的装置的尺寸不是按比例 的并且稍进行了夸大，这是为了示例在实施本发明第一个方法中在成型射 孔弹中如何以及在何处装入氧化剂。在图4B中，将较小的弹丸112放置在 包含组合物的空心弹188前面，所述组合物包括氧化剂186。组合物可以为 固体、液体、气体、或例如料浆等它们的任意组合、或例如聚合粘合剂等 分散在粘合剂中的固体颗粒的复合物、或凝胶。当主推进剂射孔弹134(图 4A)被激发时，其气体推进弹丸112和186穿过枪管部分118。当部件达到 高速时，延迟点火装置190可定时激活组合物186。气压驱动轻的引导弹丸 112以较高的加速度向前，同时其后的空心弹188继续压缩组合物186气体， 从而保障第二次发射的升高的平均压力。这导致引导弹丸112具有相当高 的速度，而不没有过高的膛压。可通过组合使用来自后膛中主要推进射孔 弹134的热气和导热仓壁(未显示)，来实现起爆包括氧化剂186的组合物。 可使具有低点火温度的热敏材料(例如氯酸钾)与导热仓壁和组合物186接 触。导热仓壁的质量和厚度将决定起爆热敏材料和组合物186的延时。
图5A为射孔器300的示意图，其可用于实施本发明第二个方法，以利 用成形或其它射孔弹对煤层进行射孔，其后使用含有氧化剂的组合物进行 处理。射孔器300包括中空传送管312。中空传送管312装有附着于带状物 322的成形射孔弹320。或者，成形射孔弹可以附着于中空传送管312内部 的填充管。在图示的结构中，成形射孔弹320是以定向图案安装的。还可 以提供非定向结构。目前存在多种成形射孔弹。可以使用任何一种按照本 发明所述进行改进的成形炸药。
如图5A所示，中空传送管312具有一个包括凹槽314的壳体，凹槽 314一般为圆形。将凹槽314设计成与相应的成形射孔弹320排成一行，以 便射孔射流穿过凹槽射出，从而为射孔射流提供低阻力路径。由此提高了 射流的性能从而在周围的套管中形成缺口，并使射孔延伸到套管后的地层 中。
参考图5B-5C，通常圆锥形成形射孔弹320包括充当保护壳的外套332， 将所述外套332设计为能够承载起爆炸药的爆炸力足够长的时间以形成射 孔射流。通常圆锥形成形射孔弹320为提供相对较深穿透的深井射孔弹。 另一种类型的成形射孔弹包括基本上非圆锥形的成形射孔弹(例如类半球 形、抛物线形或者郁金香形成形射孔弹(tulip-shaped charges)。基本上非圆锥 形的成形射孔弹为设计用来在套管中形成大进孔的大孔径射孔弹。
图5B所示的圆锥形成形射孔弹320包括主要炸药336，如上文所述 的那些，其包含在外套管332的内部并夹在外套管332内壁和衬管340的 外表面之间，衬管340通常为锥形。能够在射孔或裂缝中形成局部暂时性 氧化气氛的氧化剂可包括在独立隔间内的成形射孔弹中，使得该氧化剂随 射流一起被传送，或在初始射孔后将该氧化剂输送至射孔。雷管334提供 在爆炸引线(未显示)和主要炸药336之间的引爆连接。通过爆炸引线引爆 雷管334，所述雷管顺次引爆主要炸药336而形成掠过成形射孔弹320的 爆炸波。如图5C所示，爆炸发生之后，衬管340(用虚线340表示原始衬管 340)在主要炸药36爆炸力的影响下立即坍塌。坍塌衬管340中的材料顺流 (例如149所示的那些)流动，而形成沿J轴的射孔射流146。
射孔射流顶端以大约25,000英尺/秒(大约760米/秒)的速度行进，并产 生数百万磅/平方英寸(数千兆帕)的冲击压力。顶端部分最先穿透中空枪传 送管312壳体上的凹槽314。然后射孔射流顶端使井筒流体立即渗透到凹槽 314的几何形态内部。在射流顶端产生的速度和冲击压力下，井筒流体被从 射流顶端压出。然而，由于凹槽314的基本上垂直侧表面对井筒流体的限 制，井筒流体的膨胀、压缩和移动被限制并且井筒流体可以快速地被反射 回射流较后的部分(顶端后面)。随着射孔射流穿过凹槽314，位于凹槽内的 流体中的射孔射流形成压缩波前。当压缩波冲击凹槽314的侧表面时，大 部分压缩波朝着射孔射流反射回来，由此将井筒流体带回射流。
在形成凹槽的过程中，制造相对较深的凹槽以减少射孔射流路径的阻 力，但不能制得过深而使传输管壳体不能耐受枪身经受的外部井筒压力。 还对凹槽尺寸进行了优化以保证射流穿过凹槽而不是穿过凹槽周围的传送 管壳。然而，对凹槽的尺寸进行了限制，以提高传送管壳在承受外部井筒 压力和成形射孔弹爆炸形成的内力方面的结构完整性。
使用例如图5A-5C中说明的装置进行随后的含煤地层射孔，将包括氧 化剂的组合物用于射孔，可使用任何已知设备(例如图5D所示的设备)将其 实现。图5D以局部截面示例了组合物射孔弹410的简化方案400并主要 包括壳424，所述组合物包括氧化剂，用于实施本发明的第二个方法，所述 壳424的两个端口被流体封口426a和426b密封，并且壳424中装有包括氧 化剂的组合物428。接近射孔弹410底端安置引爆装置430，其通过导电体 和支撑电缆432顺次连接到电点火系统(未显示)。射孔弹410借助于扣件434 附于电缆432上。电缆头配重(cable-head weight)436可以连接在电缆432 的底部，以帮助射孔弹410在井筒中固定中心以及便于射孔弹410沿井筒 降下。典型地，壳424的外径可从小于1英寸到3英寸(小于2.54cm到7.62cm) 变化。系统的刚性容许将未受扰动的射孔弹410降至将被激发的区域，在 该区域通过向引爆装置430通电流将所述射孔弹激活，所述引爆装置接着 在一端引发包括氧化剂的组合物428的燃烧。当火焰锋穿过材料时，记录 下对壳424壁的压力增大，所述壳424可由铝制管形材料或者刚性、塑性 或弹性材料制造。如果壳由刚性材料制成，那么当内部压力达到给定水平 时发生纵向爆破。利用塑料材料，可能首先发生膨胀，接着在最薄的部分 破裂。利用足够厚的弹性材料，在内部气压下可产生异常膨胀而实际上并 没有使壳424壁断裂。在任何情况下，将存在于系统周围的井筒412中的 流体快速向外移动，使其穿过下套管上的射孔422，并将氧化剂传送到射孔 20。将套管射孔422中的任何障碍物，例如沙子、焦油和岩屑420，快速扫 入射孔20或者周围的煤层414。扣件434可以包括金属卡环、塑性或者弹 性材料，所述扣件在气体膨胀过程中拉紧，但其在壳424裂断后可回到其 初始位置，或者在气体通过脆弱点逸出之后或气体在流体封口426喷出后 从末端逸出之后恢复其原始大小。扣紧装置的用途是保证系统在由地表到 生产区域414过程中的安全，并且在气体生成期间或者气体生成之后保留 壳424的全部或者大部分。在井中特别重要的是，在井中漂浮的剩余岩屑 可严重妨碍单流阀运转的地方提供泵送装置。
本发明可替换的方法并不取决于增加射孔的尺寸，而取决于增加煤层 中割理和裂缝的尺寸。压裂或者破碎为增产措施，通常在低渗透性储层中 的油气井中采取该措施。特别是在高压下将工程流体高速泵送到将要处理 的储层层段中，由此导致裂缝开放。根据地层内的固有应力，裂缝的两翼 沿相反方向远离井筒扩展。当处理完成时，使支撑剂(例如具有特定尺寸的 沙粒)与处理液混合以使裂缝保持开放。水力压裂形成与大面积地层之间的 高传导率传递，并绕过任何可存在于近井区域的损害。可以使用封堵球， 设计成能封闭射孔的承受大部分流体的小球体，由此使储层处理转移到目 标区域的其它部分。将封堵球并入到处理液中，并与处理液一起泵送。该 类型机械转移对球定位的效果强烈依赖于跨越射孔的压差和射孔本身的几 何形态。
图6为典型的含煤地层的局部截面示意图，所述含煤地层具有裸眼井 筒32，该图显示出原始大小的裂缝40和如何使用本发明的方法扩大该裂缝 的实例。高压压裂泵30可以用来通过井筒32中的一系列孔33泵送组合物， 所述组合物能够在原始裂缝40附近形成局部暂时性氧化性环境，由此导致 燃烧并从而增大裂缝的尺寸，如图中42和44所示。这种无支撑剂的压裂 之后可接着进行支撑剂压裂阶段。在本发明的方法(表示为“快速氧化侵蚀的 水力压裂”)中，将压裂处理流体以高于煤层割理基体可接受的速率注入到煤 层中。这种快速注入产生井底压力的聚集，直到井底压力大到足以克服地 应力和煤层的拉伸强度。在该压力下煤层毁坏，由此允许形成裂缝(或者裂 缝)。连续注入增大所述裂缝的长度和宽度。可将能够产生局部暂时性氧化 条件的组合物添加到压裂液中，从而在接近诱导裂缝的煤层中引发快速氧 化反应。或者，可以在标准断裂步骤后应用能够形成局部暂时性氧化环境 的组合物。该快速氧化反应将除去一部分煤炭并形成流体通道，所述流体 通道深入扩展到地层中并且当该井重新投产时该流体通道保持开放。快速 氧化侵蚀水力压裂处理可被用作独立增产措施，或者作为常规支撑剂压裂 的预处理措施，用以消除近井扭曲收缩，所述近井扭曲收缩由于近井支撑 桥常导致支撑压裂处理过早终止。
可以使用任意一个或多个各种已知方法引发煤层8中的燃烧，包括但 不限于，使用电热器、煤气加热器、预热燃料和氧化剂(与用于形成局部暂 时性氧化区域的氧化剂相同或不同)使它们自燃，使用电线和电源形成火花 等等。在一些具体实施方案中，可将点火源放置在邻近井筒中的位置的地 方，例如在孔33上或在孔33附近，在那里将包括氧化剂的组合物注入到 煤层8中。该点火源可以是电子控制的点火源，或者电脑控制的点火源。 该点火源可与点火源导入线连接，并且该导入线还可与点火源的电源连接。 点火源可用来引发CBM的氧化而脱离射孔20。引发后，可将点火源关小 和/或关闭。
尽管以上仅详细描述了几个本发明的示范性具体实施方案，但是本领 域技术人员易于理解的是，在实质上不背离本发明的新颖教导和优势的情 况下，可对这些示范性具体实施方案进行许多改进。因此，如下述权利要 求所定义的，所有这些改进都意图包括在本发明的范围内。