CN109458166B - 一种煤层中co2制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，属于瓦斯增透与置换技术领域，解决现有煤层水力压裂效率低的问题。本发明的方法一方面是采用液体高压致裂煤层，以增加煤层透气性；另一方面是高压注入煤体中的液体为CO₂发生剂，可在煤层裂隙中生成大量CO₂气体，具有煤层增透、驱赶游离态瓦斯气体、置换吸附态瓦斯气体的作用，最终实现减少瓦斯灾害的目的。

Description

一种煤层中CO2制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法

技术领域

本发明涉及瓦斯增透与置换技术领域，尤其涉及一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法。

背景技术

煤层中一般赋存有瓦斯气体，且有相当大一部分属于高瓦斯和煤与瓦斯突出煤层，容易造成瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害。同时，瓦斯气体经抽采回收后也是一种优质的能源资源。

瓦斯气体在煤体中的赋存形式有两种：吸附态和游离态。吸附态瓦斯是指瓦斯气体分子在相互引力作用下紧密吸附在煤颗粒上；游离态瓦斯是以气体形式游离于煤颗粒间的缝隙中。在一定条件下，吸附态瓦斯可以转化为游离态瓦斯。

目前传统的瓦斯灾害防治方法主要是煤层瓦斯预抽，但是一方面由于我国煤层赋存条件大多是低透气性煤层，瓦斯抽采效果较差；另一方面由于吸附态瓦斯气体分子紧密吸附在煤颗粒上，难以将其分离并转化为游离态。因此抽采效果较差，往往需要回采前预抽半年以上，效率低、工作量大、能耗大、采掘接续困难。

近几年也发展了煤层水力压裂技术，一定程度上使得煤层裂隙发育，增加了煤层透气性，但仍然面临压裂效率较低，压裂后裂隙重新闭合使得瓦斯无法顺利抽出等问题。

同时，近期专家学者研究发现：CO₂-煤的亲和力和吸附力远大于瓦斯-煤的亲和力和吸附力。基于此，可以向煤层中注入CO₂气体，以置换出吸附态瓦斯气体，实现安全开采。但实施过程中面临着CO₂气体无法有效进入煤层并大范围扩散的难题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，用以解决现有煤层水力压裂效率低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，方法的步骤包括：

S1、在煤壁中钻孔形成压裂钻孔，并连接瓦斯增透与置换装置；

S2、将瓦斯增透与置换装置的胶囊封孔器放置在压裂钻孔中；

S3、开启瓦斯增透与置换装置的胶囊泵站，使泵入胶囊封孔器的水的水压不小于致裂压力；

S4、开启瓦斯增透与置换装置的酸液泵站和碱液泵站，分别向胶囊封孔器中泵入酸液和碱液，酸液和碱液反应产生CO₂；

S5、煤层压裂后，保持胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站压力不变，直至胶囊封孔器内的流量减小并趋于零；

S6、关闭胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站，撤出瓦斯增透与置换装置。

本发明技术方案中，瓦斯增透与置换装置还包括：酸液管路、碱液管路和高压水管路；

高压水管路通过胶囊泵站将高压水泵入胶囊封孔器中；

酸液管路通过酸液泵站将含有酸液的高压水泵入胶囊封孔器中；

碱液管路通过碱液泵站将含有碱液的高压水泵入胶囊封孔器中。

本发明技术方案中，酸液管路、碱液管路和高压水管路均设有进水管；

酸液管路设有酸液添加混合装置，酸液添加混合装置设置在酸液泵站的上游；碱液管路设有碱液添加混合装置，碱液添加混合装置设置在碱液泵站的上游；

酸液泵站和碱液泵站各通过一根高压管与胶囊封孔器连接；高压管上设有流量计和水压计；胶囊泵站通过高压胶管与胶囊封孔器连接。

本发明技术方案中，胶囊封孔器设有注水端头，注水端头能够深入压裂钻孔中；注水端头设有多个出水孔，且注水端头的内部与高压胶管和高压管连通。

本发明技术方案中，致裂压力σ满足：

其中，H为煤层深度；γ为煤层容重；E₁、μ₁、G₁、E₂、μ₂、G₂分别表示平行层理方向和垂直层理方向上的弹性模量、泊松比和剪切弹性模量；

为煤层垂直方向的单轴抗拉强度。

本发明技术方案中，酸液为无机酸溶液；碱液为无机碳酸盐溶液或无机碳酸氢盐溶液。

本发明技术方案中，碱液为碳酸盐溶液，金属离子对应的金属单质的密度不大于4.5g/cm³；

步骤S4中，单位时间泵入胶囊封孔器的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器的碱液中CO₃ ^2-离子的物质的量的比为2:1。

本发明技术方案中，碱液为碳酸氢盐溶液，金属离子对应的金属单质的密度不大于4.5g/cm³；

步骤S4中，单位时间泵入胶囊封孔器的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器的碱液中HCO₃ ^-离子的物质的量的比为1:1。

本发明技术方案中，步骤S1中，对煤层中的H₂S的含量进行测量；

步骤S4中，煤层中H₂S的含量超过最高允许浓度的10％时，增加单位时间泵入胶囊封孔器的碱液中碳酸氢盐的质量。

本发明技术方案中，增加的碳酸氢盐的质量△m满足：

其中，k为注碱储备系数，Q为回风量，C为体积分数；v为工作面回采速度；M为采高；ρ为煤的密度；L为采煤机截深。

采用上述进一步方案的有益效果是：

1、本发明将液体高压致裂和CO₂气体压裂和置换相结合，使用双重的压裂，能够保证既能够生成大裂隙也能生成小裂隙，明显的提高了水力致裂的效率；

2、本发明将酸碱分别注入胶囊封孔器中使CO₂气体在水压裂纹处大量产生，既能防止裂纹闭合，还能进一步的驱散游离态瓦斯气体，置换吸附态瓦斯气体；

3、本发明在水压裂纹处大量产生的CO₂气体能够增加煤层中的裂纹数量、提高裂纹分布的均匀性，一方面降低了煤层压裂范围的应力水平，另一方面增强了压裂区域煤层透气性，从而大大降低了煤与瓦斯突出危险性(煤与瓦斯突出影响因素为：煤的力学性质、应力、瓦斯)和冲击地压危险性，同时还可以使煤层湿润，回采时减少煤尘危害；

4、本发明严格控制了酸碱的种类和使用量，产物为中性，对煤炭资源没有破坏，不会影响回采工作，同时当煤层含有硫化氢气体时，可以适当增加碱液以中和H₂S气体，防止发生事故；

5、本发明使用的瓦斯增透与置换装置，核心部件均为现有部件，使用时需要合理的连接和布置，无需其他外加设备，节省了人力物力，降低了煤层处理的成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的原理图。

附图标记：

1-胶囊封孔器；2-高压管；3-高压胶管；4-流量计；5-水压计；6-注水端头。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在煤矿行业含瓦斯煤层的增透与瓦斯置换的技术领域中，现有技术通常采用两种方法。第一种的水压致裂法，通过向煤层钻孔中泵入高压水使煤层产生裂纹，但是由于水的物理性质，在水力致裂的过程中大多只会产生较大的裂纹，而且裂纹分布十分不均匀，结果就是煤层的局部透气性差，处理后再对瓦斯进行抽吸，对于游离态和吸附态的瓦斯都不能很好的处理。另一种，为CO₂气体置换，但是气体难以在煤层中大范围扩散，而且只能对煤层中的游离态瓦斯进行置换，处于吸附态的瓦斯依然难以处理。本发明突破性的将水力致裂和CO₂气体置换结合，不仅能够使裂纹产生的更加均匀，明显的提高了致裂的效率，降低了煤层的应力，使得更易开采，还增强了煤层的透气性，良好的处理游离态和吸附态的瓦斯气体，保证了大大降低了煤与瓦斯突出危险性，安全可靠。

具体的，本发明实施例提供了一种煤层中瓦斯增透与置换装置，包括：酸液管路、碱液管路和高压水管路；高压水管路通过胶囊泵站将高压水泵入胶囊封孔器1中；酸液管路通过酸液泵站将含有酸液的高压水泵入胶囊封孔器1中；碱液管路通过碱液泵站将含有碱液的高压水泵入胶囊封孔器1中。本发明实施例采集用三条并列的管路：高压水管路主要用来在前期利用水力致裂，产生明显的大裂纹；酸液管路、碱液管路，同时将酸液和碱液通入压裂钻孔中，反应产生大量CO₂，酸碱中和后的溶液依然具备水力致裂的能力，此外CO₂气泡迅速膨胀，能够防止裂纹产生后水压降低而导致的裂纹闭合，CO₂气泡更加容易进入煤层的微小裂隙，使微小裂隙进一步扩展为较大的裂缝，进一步提高了裂纹的均匀性和裂纹产生的效率。CO₂气泡也更容易驱散游离态的瓦斯气体，置换吸附态的瓦斯气体。

为了简化本发明实施例的装置，三条管路均使用现有设备来实现，无需其他外加设备，节省了人力物力，降低了煤层处理的成本，以方便本发明实施例的现场使用，但是本发明实施例的关键在于，三条管路的并列形式，以及每条管路的连接关系，。本发明打破了现有煤层致裂的思维壁垒，将水力致裂和CO₂气体置换结合，除了兼具两种方式的优点以外，CO₂气泡能够增加煤层中的裂纹数量、提高裂纹分布的均匀性，一方面降低了煤层压裂范围的应力水平，另一方面增强了压裂区域煤层透气性，从而大大降低了煤与瓦斯突出危险性和冲击地压危险性，同时还可以使煤层湿润，回采时减少煤尘危害。

具体的，本发明实施例中，酸液管路、碱液管路和高压水管路均设有进水管；酸液管路设有酸液添加混合装置，酸液添加混合装置设置在酸液泵站的上游；碱液管路设有碱液添加混合装置，碱液添加混合装置设置在碱液泵站的上游；酸液泵站和碱液泵站各通过一根高压管2与胶囊封孔器1连接；高压管2上设有流量计4和水压计5；胶囊泵站通过高压胶管3与胶囊封孔器1连接。流量计4和水压计5的设置，能够更加直观的得到酸液和碱液的压力和流量，方便调整酸液碱液的比例，使得酸碱中和后生成中型的溶液，防止土壤遭到破坏。

本发明实施例中，胶囊封孔器1设有注水端头6，注水端头6能够深入压裂钻孔中；注水端头6设有多个出水孔，且注水端头6的内部与高压胶管3和高压管2连通。高压水、酸液和碱液均通过出水孔进入压裂钻孔中，为了提高各个方向的裂纹均匀性，注水端头6为圆柱形，尖端为圆锥形，圆柱形侧面和圆锥形侧面上均布多个水孔，保证各个方向上的出水量一致。将酸碱分别注入胶囊封孔器1中使CO₂气体在水压裂纹处大量产生，既能防止裂纹闭合，还能进一步的驱散游离态瓦斯气体，置换吸附态瓦斯气体。

本发明实施例在使用时，酸液和碱液的种类不做限制，以能够生成 CO₂气体为准，考虑到环保的原因，酸液为无机酸溶液；碱液为无机碳酸盐溶液或无机碳酸氢盐溶液。示例性的，酸液为盐酸、硝酸等，碱液为碳酸钠或小苏打。同样出于环保的角度，酸液的酸性不宜过高，优选 PH≥4，碱液的碱性不宜过高，优选PH≤8。

为了防止土壤重金属污染，本发明实施例中，碱液中金属离子对应的金属单质的密度不大于4.5g/cm³，为了方便和环保，优选为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸氢镁、碳酸钠、碳酸钾。为了进一步提高环境的友好性，酸液碱液中和后产生中性溶液：碱液为碳酸盐溶液时，单位时间泵入胶囊封孔器1的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器1的碱液中CO₃ ^2-离子的物质的量的比为2:1；碱液为碳酸氢盐溶液时，单位时间泵入胶囊封孔器1的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器1的碱液中CO₃ ^2-离子的物质的量的比为1:1。

物质的量可以通过单位时间内溶液流量和溶液中溶质的百分比来确定。

本发明实施例还提供了一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，该方法使用了上述实施例的煤层中瓦斯增透与置换装置。

具体步骤为：

S1、在煤壁中钻孔形成压裂钻孔，并参照上述实施例连接瓦斯增透与置换装置，考虑到致裂过程中裂纹生成的均匀性，压裂钻孔的轴线平行于煤层的分层形成的参考平面；还要对煤层中的H₂S的含量进行测量，作为是否需要额外加入碱液的依据。

S2、将瓦斯增透与置换装置的胶囊封孔器1放置在压裂钻孔中。

S3、开启瓦斯增透与置换装置的胶囊泵站，使泵入胶囊封孔器1的水的水压不小于致裂压力，此时由于水压，煤层开始产生裂纹，产生裂纹后水压会降低，此时应当适当的调整胶囊泵站，保证水压不小于致裂压力。

致裂压力σ满足：

其中，H为煤层深度；γ为煤层容重；E₁、μ₁、G₁、E₂、μ₂、G₂分别表示平行层理方向和垂直层理方向上的弹性模量、泊松比和剪切弹性模量；

为煤层垂直方向的单轴抗拉强度。以上各个量均采用常用国际单位。

S4、开启瓦斯增透与置换装置的酸液泵站和碱液泵站，分别向胶囊封孔器1中泵入酸液和碱液，酸液和碱液反应产生CO₂，形成气泡，能防止裂纹闭合，同时还能进入煤层的微小裂隙，使微小裂隙进一步扩展为较大的裂缝，进一步提高了裂纹的均匀性和裂纹产生的效率。

碱液为碳酸盐溶液时，单位时间泵入胶囊封孔器1的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器1的碱液中CO₃ ^2-离子的物质的量的比为2:1；碱液为碳酸氢盐溶液时，单位时间泵入胶囊封孔器1的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器1的碱液中CO₃ ^2-离子的物质的量的比为1:1。

煤层中H₂S的含量超过最高允许浓度的10％时，增加单位时间泵入胶囊封孔器1的碱液中碳酸氢盐的质量。最高允许浓度可以根据《煤矿安全规程》来确定。

增加的碳酸氢盐的质量△m满足：

其中，k为注碱储备系数，Q为回风量，C为体积分数；v为工作面回采速度；M为采高；ρ为煤的密度；L为采煤机截深。以上各个量均采用常用国际单位。

S5、煤层压裂后水压会明显的降低，保持胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站压力不变，直至胶囊封孔器1内的流量减小并趋于零，单次煤层致裂的过程中，能够产生的裂纹已经全部产生并住满了水，因此流量减小并趋于零，即可认为裂纹已经充分生成，不再产生新的裂纹。

S6、关闭胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站，撤出瓦斯增透与置换装置，即完成一个钻工的煤层致裂的工艺流程。

综上所述，本发明实施例提供了一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，气液耦合作用实现协助高压液体压裂煤层；一定程度上防止压开的裂隙闭合；驱赶游离态瓦斯气体；置换吸附态瓦斯气体；高压液体压裂煤层，使得煤层中生成大量裂隙，一方面降低了煤层压裂范围的应力水平，另一方面增强了压裂区域煤层透气性，从而大大降低了煤与瓦斯突出危险性和冲击地压危险性，同时还可以使煤层湿润，回采时减少煤尘危害；酸液和碱液中和生成的产物为中性，对煤炭资源没有破坏，不会影响回采工作；如果煤层中含有H₂S气体，可以适当增加碱液以中和H₂S气体，防止发生事故；通过水力致裂和CO₂气体置换结合的方式，本发明能够有效地防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害，实现安全减灾的目的；涉及的装置可在现有的相对成熟的压裂系统上组装和改进，且可以通过酸液和碱液的浓度控制CO₂的生成量和生成速度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤层中CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

S1、在煤壁中钻孔形成压裂钻孔，并连接瓦斯增透与置换装置；

S2、将瓦斯增透与置换装置的胶囊封孔器(1)放置在压裂钻孔中；

S3、开启瓦斯增透与置换装置的胶囊泵站，使泵入胶囊封孔器(1)的水的压力不小于致裂压力；

S4、开启瓦斯增透与置换装置的酸液泵站和碱液泵站，分别向胶囊封孔器(1)中泵入酸液和碱液，酸液和碱液反应产生CO₂；

S5、煤层压裂后，保持胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站压力不变，直至胶囊封孔器(1)内的流量减小并趋于零；

S6、关闭胶囊泵站、酸液泵站和碱液泵站，撤出瓦斯增透与置换装置；

所述瓦斯增透与置换装置还包括：酸液管路、碱液管路和高压水管路；

所述高压水管路通过胶囊泵站将高压水泵入胶囊封孔器(1)中；

所述酸液管路通过酸液泵站将含有酸液的高压水泵入胶囊封孔器(1)中；

所述碱液管路通过碱液泵站将含有碱液的高压水泵入胶囊封孔器(1)中。

2.根据权利要求1所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述酸液管路、碱液管路和高压水管路均设有进水管；

所述酸液管路设有酸液添加混合装置，所述酸液添加混合装置设置在所述酸液泵站的上游；所述碱液管路设有碱液添加混合装置，所述碱液添加混合装置设置在所述碱液泵站的上游；

所述酸液泵站和碱液泵站分别通过一根高压管(2)与所述胶囊封孔器(1)连接；所述高压管(2)上设有流量计(4)和水压计(5)；所述胶囊泵站通过高压胶管(3)与所述胶囊封孔器(1)连接。

3.根据权利要求2所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述胶囊封孔器(1)设有注水端头(6)，所述注水端头(6)能够深入压裂钻孔中；所述注水端头(6)设有多个出水孔，且所述注水端头(6)的内部与高压胶管(3)和高压管(2)连通。

4.根据权利要求3所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述致裂压力σ满足：

其中，H为煤层深度；γ为煤层容重；E₁、μ₁、G₁、E₂、μ₂、G₂分别表示平行层理方向和垂直层理方向上的弹性模量、泊松比和剪切弹性模量；

为煤层垂直方向的单轴抗拉强度。

5.根据权利要求3-4任一所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述酸液为无机酸溶液；所述碱液为无机碳酸盐溶液或无机碳酸氢盐溶液。

6.根据权利要求5所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述碱液为碳酸盐溶液，金属离子对应的金属单质的密度不大于4.5g/cm³；

所述步骤S4中，单位时间泵入胶囊封孔器(1)的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器(1)的碱液中CO₃ ^2-离子的物质的量的比为2:1。

7.根据权利要求5所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述碱液为碳酸氢盐溶液，金属离子对应的金属单质的密度不大于4.5g/cm³；

所述步骤S4中，单位时间泵入胶囊封孔器(1)的酸液中H⁺离子的物质的量与单位时间泵入胶囊封孔器(1)的碱液中HCO₃ ^-离子的物质的量的比为1:1。

8.根据权利要求7所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，所述步骤S1中，对煤层中的H₂S的含量进行测量；

所述步骤S4中，煤层中H₂S的含量超过最高允许浓度的10％时，增加单位时间泵入胶囊封孔器(1)的碱液中碳酸氢盐的质量。

9.根据权利要求7所述的CO₂制剂高压致裂瓦斯增透与置换方法，其特征在于，增加的碳酸氢盐的质量Δm满足：

其中，k为注碱储备系数，Q为回风量，C为体积分数；v为工作面回采速度；M为采高；ρ为煤的密度；L为采煤机截深。

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