CN109488273B - 一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，包括CO2/H2O混合流体生成装置、CO2气源供应系统、H2O供应系统、压裂装置、搅拌系统、控温系统和增压系统，所述CO2/H2O混合流体生成装置输入管线分别连接CO2气源供应系统和H2O供应系统，CO2/H2O混合流体生成装置输出管线连接所述压裂装置，所述CO2/H2O混合流体生成装置内设置有搅拌系统，所述CO2/H2O混合流体生成装置设置有所述控温系统可控制CO2/H2O混合流体生成装置内的温度，所述增压系统连接所述CO2/H2O混合流体生成装置可控制混合流体生成装置内的压力。根据本发明的装置对厚硬石灰岩顶板具有较好的压裂效果，具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置。
背景技术
山西省太原组煤层顶板多为石灰岩，具有厚度大、强度高的特点，采空区悬露的石灰岩顶板不易垮落。大面积悬露的采空区石灰岩顶板发生突然垮落时，可造成工作面暴风事故，破坏工作面内的机械设备和造成人员的伤亡，影响矿井的安全高效开采。为确保矿井安全高效开采，采空区悬露的厚硬石灰岩顶板需要及时放顶处理。
目前常采用的坚硬顶板治理方法大致可以归为四类：支撑法、爆破法、注水软化法和水力压裂法。其中，支撑法是一种传统的被动的支撑坚硬顶板的方法，其不能从根本上治理坚硬顶板，只能从支撑坚硬顶板角度来避免坚硬顶板突然冒落；爆破法可使顶板破断垮落，消除应力集中，释放顶板聚积的弹性能，从而减少冲击地压发生的可能和避免坚硬顶板大面积悬空的危害，但爆破法施工工序复杂、成本高、污染井下空气，甚至可能引发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故，故不安全；注水软化法较安全，可在井下平行作业，对生产影响小，但对于组成坚硬顶板的石灰岩单纯的注水软化效果并不明显。水力压裂治理坚硬顶板的方法是通过压裂钻孔向目标层注入高压水以破坏坚硬顶板岩石的完整性，其对坚硬顶板的作用主要表现为压裂，其次还有软化的作用。压力水注入注水孔后，水对岩体的作用首先是软化，软化降低了岩体的强度，是压裂岩体的前提，也是降低岩体强度的最终目的；压裂可进一步构通岩体的空隙，使岩体的软化范围更加扩大，同时压裂也是使岩体裂解的最终目的。软化和压裂的共同作用，使岩体的强度下降，完整性变差，最终使坚硬难冒的顶板变成稳定或中等稳定的可垮落顶板，确保了厚硬石灰岩顶板地质条件下长壁开采工作面安全高效开采。
空气中二氧化碳含量过高所导致的温室效应对人类生存环境影响显著，温室效应就主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气等化石能源，这些化石能源燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成大气环境温度变化，捕集与封存CO2是解决温室效应的重要方法。二氧化碳封存的方法主要分为地质封存和海洋封存两类，卤水层、不可采煤层、废弃油气田为CO2地质封存的常见地质体类型。
考虑到厚硬石灰岩顶板压裂处理的必要性与石灰岩成分组成以碳酸钙CaCO3为主，将CO2/H2O混合流体应用于压裂石灰岩顶板。CO2压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果。压裂所用的温室气体CO2取工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体与石灰岩反应产物可被地质封存于采空区内，实现温室气体CO2减排，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，对采空区厚硬石灰岩顶板具有较好的压裂效果，同时可吸收处理一部分化石燃料废气，且装置操作方便，容易控制。
根据本发明的实施例，二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置包括CO2/H2O混合流体生成装置、CO2气源供应系统、H2O供应系统、压裂装置、搅拌系统、控温系统和增压系统，所述CO2/H2O混合流体生成装置输入管线分别连接CO2气源供应系统和H2O供应系统，CO2/H2O混合流体生成装置输出管线连接所述压裂装置，所述CO2/H2O混合流体生成装置内设置有搅拌系统，用于可控制CO2/H2O混合流体生成装置内的温度，所述CO2/H2O混合流体生成装置连接有所述增压系统，用于控制所述混合流体生成装置内的压力。
由此，将CO2/H2O混合流体应用于压裂石灰岩顶板。CO2压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果，压裂所用的温室气体CO2取工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。
具体的，所述CO2气源供应系统的CO2来源于工厂化石燃料(比如发电厂)燃烧产生的的废气。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述CO2/H2O混合流体生成装置包括反应容器、安装于所述反应容器内的活塞、分别与所述反应容器连通的气体供给管线、液体供给管线和液体排出管线，所述CO2气源供应系统连接气体供给管线，所述H2O供应系统连接所述液体供给管线，所述压裂装置连接所述液体排出管线，所述液体排出管线上设置有第六阀门，所述增压系统通过管线连接所述活塞。
由此，增压系统可以通过活塞控制反应容器和压裂装置内混合流体的压力，实现较好的压裂效果。
进一步，所述CO2/H2O混合流体生成装置还包括温度传感器、压力传感器，所述温度传感器和压力传感器设置于所述CO2/H2O混合流体生成装置内。
由此，可以时刻监测CO2/H2O混合流体生成装置的温度和压强，从而根据需要对压强和温度进行控制。
进一步，所述CO2气源供应系统包括CO2存储罐、第一阀门、第一单向阀和气体增压泵，所述CO2存储罐出气口和所述气体增压泵进气口连接且连接管线上设置有所述第一阀门，所述气体增压泵出气口连接所述第一单向阀的入口，所述第一单向阀的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置。
由此，气体增压泵与CO2存储罐连接可增加CO2压力，提高CO2在水中的溶解度，可以较好地调控CO2的供给情况。
进一步，H2O供应系统包括储水箱、第二阀门、第三阀门、过滤器、第二单向阀和液体增压泵，所述第二阀门和第三阀门分别设置在所述储水箱的进水口和出水口，所述第三阀门和液体增压泵进口连接，所述液体增压泵的出口和第二单向阀的入口连接，所述第二单向阀的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置，所述第三阀门和液体增压泵之间的连接管线上还设置有所述过滤器。
由此，液体增压泵用于增加水的压力，所述过滤器用于过滤水中的杂质，减少水中杂质积垢堵塞管线。
进一步，所述搅拌系统包括设置在所述反应容器顶部的电机，所述电机输出端设置有搅拌杆，所述搅拌杆下端穿过所述反应容器顶部深入到所述反应容器内部上方，所述搅拌杆上设置有搅拌叶片。
由此，加速CO2在水中的溶解速度以及加速CO2和H2O混合形成混合流体。
进一步，所述增压系统为液压油增压系统，包括液压油箱、进油口、第一出油口、液压油增压泵、第三单向阀，所述液压油箱上方的进油口和所述液压油箱下方的第一出油口分别安装有第四阀门和第五阀门，液压油增压泵进油口和所述第五阀门连接、液压油增压泵出油口和所述第三单向阀的入口连接，所述第三单向阀的出口通过管线连接所述CO2/H2O混合流体生成装置。
由此，液压油增压泵可以提高液压油压力，推动CO2/H2O混合流体生成装置内的活塞运动，提高CO2/H2O混合流体生成装置内的压力，增加CO2在H2O中的溶解度。
进一步，所述增压系统还包括安全阀和液压油卸载阀门，所述安全阀和液压油卸载阀门分别安装于所述液压油箱的第二出油口和第三出油口与所述活塞之间的管线上，所述第一出油口、第二出油口和第三出油口依次向上设置于所述液压油箱上。
安全阀保证管线和CO2/H2O混合流体生成装置内活塞下腔压力不超过安全压力范围，液压油卸载阀门可自动控制泵的卸荷或加载。
进一步，所述控温系统为水冷循环系统，所述控温系统的冷却水管线缠绕在所述CO2/H2O混合流体生成装置的外壁上。
由此，冷却水管线缠绕在CO2/H2O混合流体增压装置的外壁上，对CO2/H2O混合流体混合装置进行降温，提高CO2在H2O中的溶解度。
进一步，所述控温系统还包括冷却水循环泵、所述H2O供应系统包括冷却水出口和冷却水入口，所述冷却水出口、冷却水循环泵、冷却水管线和冷却水入口依次通过管线连接。
由此，可以通过冷却水循环泵利用H2O供应系统中的水对CO2/H2O混合流体进行降温。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件如下：
CO2气源供应系统1；CO2存储罐11；第一阀门12；第一单向阀13；气体增压泵14；
增压系统2；液压油箱21；进油口22；第四阀门221；第一出油口23；第五阀门231；第二出油口24；第三出油口25；液压油增压泵26；第三单向阀27；安全阀28；液压油卸载阀门29；
CO2/H2O混合流体生成装置3；反应容器31；活塞32；气体供给管线33；液体供给管线34；液体排出管线35；温度传感器36；压力传感器37；第六阀门38；
H2O供应系统4；储水箱41；第二阀门42；第三阀门43；过滤器44；第二单向阀45；液体增压泵46；冷却水出口47；冷却水入口48；
压裂装置5；压裂枪51；封隔器52；
控温系统6；冷却水管线61；冷却水循环泵62；
搅拌系统7；电机71；搅拌杆72。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1并参考具体实施例描述本发明
如图1所示，根据本发明的实施例，二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置包括CO2/H2O混合流体生成装置3、CO2气源供应系统1、H2O供应系统4、压裂装置5、搅拌系统7、控温系统6和增压系统2。
其中，CO2/H2O混合流体生成装置3输入管线分别连接CO2气源供应系统1和H2O供应系统4，CO2/H2O混合流体生成装置3输出管线连接压裂装置5，CO2/H2O混合流体生成装3内设置有搅拌系统7，所述CO2/H2O混合流体生成装置3设置有所述控温系统6，用于可控制CO2/H2O混合流体生成装置3内的温度，所述CO2/H2O混合流体生成装置3连接有所述增压系统2，用于控制所述混合流体生成装置3内的压力。
具体的，CO2气源供应系统的CO2来源于工厂化石燃料(比如发电厂)燃烧产生的的废气。
高压CO2/H2O混合流体压裂石灰岩的同时，CO2/H2O混合流体与石灰岩(CaCO3)还发生如下反应：
CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2
由此，压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果，压裂所用的温室气体CO2来自工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体与石灰岩反应产物可被地质封存于采空区内，实现温室气体CO2减排，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
如图1所示，根据本发明的实施例，CO2/H2O混合流体生成装置包括反应容器31、安装于反应容器31内的活塞32、分别与反应容器31连通的气体供给管线33、液体供给管线34和液体排出管线35；CO2气源供应系统1连接气体供给管线33，H2O供应系统4连接液体供给管线34，压裂装置5与液体排出管线35连通，所述液体排出管线35上设置有第六阀门38，增压系统2通过管线连接所述活塞32。
具体的，所述压裂装置5为压裂枪51，所述压裂枪51内设置有封隔器52。由此可对钻孔进行密封，对石灰岩顶板进行分段压裂。
由此，增压系统2可以通过活塞32控制反应容器31和压裂装置5内液混合流体的压力，从而实现较好的压裂效果。
根据本发明的实施例，CO2/H2O混合流体生成装置3还包括温度传感器36、压力传感器37，温度传感器36和压力传感器37设置于CO2/H2O混合流体生成装置31内。
由此，可以时刻监测CO2/H2O混合流体生成装置3的温度和压强，从而根据需要对压强和温度进行控制。
根据本发明的实施例，CO2气源供应系统1包括CO2存储罐11、第一阀门12、第一单向阀13和气体增压泵14，所述CO2存储罐11出气口和所述气体增压泵14进气口连接且连接管线上设置有所述第一阀门12，气体增压泵14出气口连接第一单向阀13的入口，第一单向阀13的出口连接CO2/H2O混合流体生成装置3。
由此，气体增压泵14与CO2存储罐11连接可增加CO2压力，提高CO2在水中的溶解度，可以较好地调控CO2的供给情况。
具体的，CO2存储罐11内的CO2来源于工厂化石燃料(比如发电厂)的废气。
根据本发明的实施例H2O供应系统4包括储水箱41、第二阀门42、第三阀门43、过滤器44、第二单向阀45和液体增压泵46，第二阀门42和液体增压泵46进液口连接，所述液体增压泵46的出液口和所述第二单向阀45的入口连接，所述第二单向阀45的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置3，所述第三阀门43和液体增压泵46之间的连接管线上还设置有所述过滤器44。
由此，液体增压泵46用于增加水的压力，过滤器44用于过滤水中的杂质，减少水中杂质积垢堵塞管线。
根据本发明的实施例，搅拌系统7包括设置在反应容器31顶部的电机71，所述电机71输出端设置有搅拌杆72，所述搅拌杆72下端穿过所述反应容器31顶部深入到所述反应容器31内部上方，所述搅拌杆72上设置有搅拌叶片73。
由此，加速CO2在水中的溶解速度以及加速CO2和H2O混合形成混合流体。
优选的，搅拌杆72上固定连接有螺旋叶片，螺旋叶片以沿搅拌杆轴向方向螺旋设置的方式设置。
根据本发明的实施例，增压系统2为液压油增压系统，包括液压油箱21、进油口22、第一出油口23、液压油增压泵26、第三单向阀27，液压油箱21上方的进油口22和液压油箱21下方的第一出油口23分别安装有第四阀门221和第五阀门231，液压油增压泵26进油口和所述第五阀门231连接、液压油增压泵26出油口和所述第三单向阀27的入口连接，所述第三单向阀27的出口通过管线连接所述CO2/H2O混合流体生成装置3。
由此，液压油增压泵26可以提高液压油压力，推动CO2/H2O混合流体生成装置3内的活塞运动，提高CO2/H2O混合流体生成装置3内的压力，增加CO2在H2O中的溶解度，通过液压油增压泵26控制CO2/H2O混合流体生成装置3和压裂装置5内液体的压力，实现较好的压裂效果。
增压系统还包括安全阀28和液压油卸载阀门29，安全阀28和液压油卸载阀门29分别安装于液压油箱21的第二出油口24和第三出油口25与活塞32之间的管线上，第一出油口23、第二出油口24和第三出油口25依次向上设置于液压油箱21上。
由此，安全阀28保证管线和CO2/H2O混合流体生成装置内活塞32下腔压力不超过安全压力范围，液压油卸载阀门29可自动控制液压油增压泵26的卸荷或加载。
根据本发明的实施例，控温系统6为水冷循环系统，控温系统6的冷却水管线61缠绕在CO2/H2O混合流体生成装置3的外壁。
由此，冷却水管线61缠绕在CO2/H2O混合流体生成装置3的外壁上，对CO2/H2O混合流体混合装置3进行降温，提高CO2在H2O中的溶解度。
根据本发明的实施例，控温系统6还包括冷却水循环泵62、H2O供应系统4包括冷却水出口47和冷却水入口48，冷却水出口47、冷却水循环泵62、冷却水管线61和冷却水入口48依次通过管线连接。
由此，可以通过冷却水循环泵62利用H2O供应系统4中的水对CO2/H2O混合流体进行降温。
尽管己经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情況下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，包括CO2/H2O混合流体生成装置(3)、CO2气源供应系统(1)、H2O供应系统(4)、压裂装置(5)、搅拌系统(7)、控温系统(6)和增压系统(2)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)输入管线分别连接CO2气源供应系统(1)和H2O供应系统(4)，CO2/H2O混合流体生成装置(3)输出管线连接所述压裂装置(5)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)内设置有搅拌系统(7)，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)设置有所述控温系统(6),用于可控制CO2/H2O混合流体生成装置(3)内的温度，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)连接有所述增压系统(2)，用于控制所述混合流体生成装置(3)内的压力；
所述CO2气源供应系统(1)包括CO2存储罐(11)、第一阀门(12)、第一单向阀(13)和气体增压泵(14)，所述CO2存储罐(11)出气口和所述气体增压泵(14)进气口连接且连接管线上设置有所述第一阀门(12)，所述气体增压泵(14)出气口和所述第一单向阀(13)的入口连接，所述第一单向阀(13)的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)；
所述控温系统(6)为水冷循环系统，所述控温系统(6)的冷却水管线(61)缠绕在所述二氧化碳和水混合流体生成装置(3)的外壁上。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述CO2/H2O混合流体生成装置包括反应容器(31)、安装于所述反应容器(31)内的活塞(32)、分别与所述反应容器(31)连通的气体供给管线(33)、液体供给管线(34)和液体排出管线(35)，所述CO2气源供应系统(1)连接气体供给管线(33)，所述H2O供应系统(4)连接所述液体供给管线(34)，所述压裂装置(5)与液体排出管线(35)连通，所述液体排出管线(35)上设置有第六阀门(38)，所述增压系统(2)通过管线连接所述活塞(32)。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)还包括温度传感器(36)、压力传感器(37)，所述温度传感器(36)和压力传感器(37)设置于所述CO2/H2O混合流体生成装置(31)内。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述H2O供应系统(4)包括储水箱(41)、第二阀门(42)、第三阀门(43)、过滤器(44)、第二单向阀(45)和液体增压泵(46)，所述第二阀门(42)和第三阀门(43)分别设置在所述储水箱(41)的进水口和出水口，所述第三阀门(43)和液体增压泵(46)进液口连接，所述液体增压泵(46)的出液口和所述第二单向阀(45)的入口连接，所述第二单向阀(45)的出口连接所述CO2/H2O混合流体生成装置(3)，所述第三阀门(43)和液体增压泵(46)之间的连接管线上还设置有所述过滤器(44)。
5.根据权利要求2所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述搅拌系统(7)包括设置在所述反应容器(31)顶部的电机(71)，所述电机(71)输出端设置有搅拌杆(72)，所述搅拌杆(72)下端穿过所述反应容器(31)顶部深入到所述反应容器(31)内部上方，所述搅拌杆(72)上设置有搅拌叶片(73)。
6.根据权利要求2所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述增压系统(2)为液压油增压系统，包括液压油箱(21)、进油口(22)、第一出油口(23)、液压油增压泵(26)、第三单向阀(27)，所述液压油箱(21)上方的进油口(22)和所述液压油箱(21)下方的第一出油口(23)分别安装有第四阀门(221)和第五阀门(231)，所述液压油增压泵(26)进油口和所述第五阀门(231)连接、液压油增压泵(26)出油口和所述第三单向阀(27)的入口连接，所述第三单向阀(27)的出口通过管线连接所述二氧化碳和水混合流体生成装置(3)。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述增压系统(2)还包括安全阀(28)和液压油卸载阀门(29)，所述安全阀(28)和液压油卸载阀门(29)分别安装于所述液压油箱(21)的第二出油口(24)和第三出油口(25)与所述活塞(32)之间的管线上，所述第一出油口(23)、第二出油口(24)和第三出油口(25)依次向上设置于所述液压油箱(21)上。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的装置，其特征在于，所述控温系统(6)还包括冷却水循环泵(62)、所述H2O供应系统(4)包括冷却水出口(47)和冷却水入口(48)，所述冷却水出口(47)、冷却水循环泵(62)、冷却水管线(61)和冷却水入口(48)依次通过管线连接。
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