CN110924900A - 一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力‑液氮复合均匀压裂煤体的方法，具体步骤是：在选定的采掘巷道巷帮施工水平压裂钻孔，封孔并分别连接水力压裂系统和液氮压裂系统；通过水力压裂控制操作台开启对煤体水力压裂的总控制，水力压裂过程分为两个阶段，第一阶段为常规水力压裂阶段，第二阶段为含砂水力压裂阶段；待水力压裂过程结束后，立即通过液氮压裂控制操作台开启对煤体的液氮冰冻致裂；每个压裂钻孔压裂结束48小时后，进行下一个压裂钻孔的水力压裂和液氮压裂，直到完成最后一个压裂钻孔的压裂。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，涉及煤体的压裂，具体涉及一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法。
背景技术
北美页岩气革命的成功促进了各国学者对煤岩体压裂方法的研究，目前普遍认为水力压裂技术对实现煤岩体压裂具有较高的应用效果。但受制于水力压裂对水资源的要求及压裂成本较高等原因，无水压裂技术成为了未来煤岩体压裂方法的研究热点之一。这其中液氮冰冻致裂技术作为一种新兴的的煤岩体压裂方法已在石油开采领域得到应用。该压裂技术的致裂原理为对煤岩体产生冷冲击作用及冻胀力作用。
但对煤岩体施加单一水力压裂或液氮冰冻致裂都将受到“低成本”与“充分均匀致裂”这一对矛盾需求的困扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，包括以下步骤：
(1)在选定的采掘巷道巷帮施工水平压裂钻孔，封孔并分别连接水力压裂系统和液氮压裂系统；所述水力压裂系统包括第一储砂罐、水箱、混合仓Ⅰ、高压水泵和溢流阀Ⅰ，所述混合仓Ⅰ、高压水泵、溢流阀Ⅰ三者之间通过高压胶管两两连接，所述第一储砂罐的出砂口和水箱分别通过高压胶管连接混合仓Ⅰ，所述液氮压裂系统包括第二储砂罐、液氮罐、混合仓Ⅱ、高压液氮泵和溢流阀Ⅱ，所述混合仓Ⅱ、高压液氮泵、溢流阀Ⅱ三者之间通过高压胶管两两连接，所述第二储砂罐的出砂口和液氮罐分别通过高压胶管连接混合仓Ⅱ；
所述水力压裂系统通过第一控制信号通路和第一监测信号通路连通至水力压裂控制操作台，所述液氮压裂系统通过第二控制信号通路和第二监测信号通路连通至液氮压裂控制操作台；
(2)通过水力压裂控制操作台开启对煤体水力压裂的总控制，所述水力压裂过程分为两个阶段，第一阶段为常规水力压裂阶段，打开水箱，向压裂钻孔内注入高压水，第二阶段为含砂水力压裂阶段，打开第一储砂罐和水箱，同时向混合仓Ⅰ内注入支撑剂和水，支撑剂与水混合泵送至压裂钻孔中；溢流阀Ⅰ对水力压裂液的流量进行实时调节，常规水力压裂阶段结束后立即进行含砂水力压裂阶段；
(3)待水力压裂过程结束后，立即通过液氮压裂控制操作台开启对煤体的液氮冰冻致裂，所述液氮冰冻致裂阶段为含砂液氮压裂阶段，采用液氮为压裂液，打开第二储砂罐和液氮罐，同时向混合仓Ⅱ内注入支撑剂和液氮，支撑剂与液氮混合泵送至压裂钻孔中，溢流阀Ⅱ对液氮压裂液的流量进行实时调节；
(4)每个压裂钻孔压裂结束48小时后，进行下一个压裂钻孔的水力压裂和液氮压裂，直到完成最后一个压裂钻孔的压裂。
优选的，所述含砂水力压裂阶段中，支撑剂质量占水力压裂液总量的3.5％；所述含砂液氮压裂阶段，支撑剂质量占液氮压裂液总量的3.5％。
优选的，所述支撑剂的粒径为14～25目。
优选的，所述支撑剂选用石英砂、树脂砂、陶粒中的一种。
优选的，所述压裂钻孔的直径为50～90mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，可以在一定程度上提高我国煤矿生产安全性与经济效益。这主要体现在：通过对低渗高瓦斯煤层施加这一技术手段，从而实现对其割缝增透，达到解吸瓦斯，并形成瓦斯运移通道的目的，在提高煤炭开采安全性的同时能对瓦斯进行集中利用，提高经济效益。另外本发明可以对煤体进行充分均匀致裂，从而有利于对煤炭资源的地下原位利用(如地下气化、地下电厂发电等)。
附图说明
图1为本发明的水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法示意图；
图中，1-水力压裂控制控制台，2-液氮压裂控制控制台，3-第一储砂箱，4-水箱，5-混合仓Ⅰ，6-高压水泵，7-溢流阀Ⅰ，8-第二储砂箱，9-液氮罐，10-混合仓Ⅱ，11-高压液氮泵，12-溢流阀Ⅱ。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动下获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。本发明未尽事宜为公知技术。
如图1所示，本发明实施例提出了一种可实现煤体充分均匀致裂的复合压裂方法，包括以下步骤：
(1)在选定的采掘巷道巷帮施工水平压裂钻孔，压裂钻孔的直径为50～90mm，压裂钻孔的孔口距离顶板为2.7～2.9m，距离底板为1.1～1.3m，按现场要求使用封孔装置进行高效封孔，封孔后分别连接水力压裂系统和液氮压裂系统；所述水力压裂系统包括第一储砂罐3、水箱4、混合仓Ⅰ5、高压水泵6和溢流阀Ⅰ7，所述第一储砂罐3的出砂口和水箱4分别通过高压胶管连接混合仓Ⅰ5，所述混合仓Ⅰ5、高压水泵6、溢流阀Ⅰ7三者之间通过高压胶管两两连接，所述液氮压裂系统包括第二储砂罐8、液氮罐9、混合仓Ⅱ10、高压液氮泵11和溢流阀Ⅱ12，所述第二储砂罐8的出砂口和液氮罐9分别通过高压胶管连接混合仓Ⅱ10，所述混合仓Ⅱ10、高压液氮泵11、溢流阀Ⅱ12三者之间通过高压胶管两两连接；
所述水力压裂系统通过第一控制信号通路和第一监测信号通路连通至水力压裂控制操作台1，所述液氮压裂系统通过第二控制信号通路和第二监测信号通路连通至液氮压裂控制操作台2；
(2)通过水力压裂控制操作台1开启对煤体水力压裂的总控制，所述水力压裂过程分为两个阶段，第一阶段为常规水力压裂阶段，打开水箱4，向压裂钻孔内注入高压水，第二阶段为含砂水力压裂阶段，打开第一储砂罐3和水箱4，同时向混合仓Ⅰ5内注入支撑剂和水，支撑剂与水混合泵送至压裂钻孔中；溢流阀Ⅰ7对水力压裂液的流量进行实时调节，常规水力压裂阶段结束后立即进行含砂水力压裂阶段；
常规水力压裂阶段，是指用常规水力压裂对煤层进行压裂的阶段；含砂水力压裂阶段，是指在水力压裂的过程中，煤体在高压水的作用下被压裂，使煤体内的孔隙裂隙不断发育、扩展，在煤体内形成纵横交错的裂缝系统，同时砂子随高压水进入裂缝内，对裂缝产生一种支撑作用，进而阻碍裂缝闭合、增大煤体透气性的阶段；
(3)待水力压裂过程结束后，立即通过液氮压裂控制操作台2开启对煤体的液氮冰冻致裂，所述液氮冰冻致裂阶段为含砂液氮压裂阶段，打开第二储砂罐和液氮罐，同时向混合仓Ⅱ10内注入支撑剂和液氮，支撑剂与液氮混合泵送至压裂钻孔中，溢流阀Ⅱ12对液氮压裂液的流量进行实时调节；
含砂液氮压裂阶段，是指在液氮压裂的过程中，对已经过水力压裂后的煤体使用液氮进行冰冻压裂，利用液氮冰冻压裂的冷冲击和冻胀力作用，使煤体内的孔隙裂隙继续发育、扩展，并在煤体内形成更加空间化的裂缝系统，同时砂子随液氮进入裂缝内，对裂缝产生一种支撑作用，进而阻碍裂缝闭合、增大煤体孔裂隙的发育程度；
(4)每个压裂钻孔压裂结束48小时后，进行下一个压裂钻孔的水力压裂和液氮压裂，直到完成最后一个压裂钻孔的压裂。
所述支撑剂选用石英砂、树脂砂或陶粒，粒径为14～25目。压裂压力40MPa以下使用石英砂，40至70Mpa使用树脂砂，大于70Mpa则使用陶粒。
水力压裂煤体后，煤体内部天然裂缝扩展及发育大量压力裂缝，由于不进行压裂液返排处理，故天然裂缝及压力裂缝内将含有大量流体，液氮冰冻致裂对煤体产生常规冷冲击作用及较强的冻胀力作用，从而实现对煤体的充分致裂。
单一液氮冰冻致裂原理主要为冷冲击作用及冻胀力作用，且由于天然煤体内部水分较少，导致冻胀力作用效果较弱，本发明提出的复合压裂方法，液氮冰冻压裂时，煤体内部孔、裂隙已较为发育，且内部含水量较高，将会在不影响其它压裂作用效果的同时，充分发挥冻胀力作用的致裂效果。
通过声发射测试、3D三维扫描等手段，对经水力压裂后的煤体内部含水量进行分析评价，从而对液氮冰冻致裂液流量、致裂时间进行合理设计，实现在保证目标煤体得到充分致裂的同时，围岩不受裂缝侵蚀影响。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在选定的采掘巷道巷帮施工水平压裂钻孔，封孔并分别连接水力压裂系统和液氮压裂系统；所述水力压裂系统包括第一储砂罐(3)、水箱(4)、混合仓Ⅰ(5)、高压水泵(6)和溢流阀Ⅰ(7)，所述第一储砂罐(3)的出砂口和水箱(4)分别通过高压胶管连接所述混合仓Ⅰ(5)，所述混合仓Ⅰ(5)、高压水泵(6)、溢流阀Ⅰ(7)三者之间通过高压胶管两两连接，所述液氮压裂系统包括第二储砂罐(8)、液氮罐(9)、混合仓Ⅱ(10)、高压液氮泵(11)和溢流阀Ⅱ(12)，所述第二储砂罐(8)的出砂口和液氮罐(9)分别通过高压胶管连接所述混合仓Ⅱ(10)，所述混合仓Ⅱ(10)、高压液氮泵(11)、溢流阀Ⅱ(12)三者之间通过高压胶管两两连接；
所述水力压裂系统通过第一控制信号通路和第一监测信号通路连通至水力压裂控制操作台(1)，所述液氮压裂系统通过第二控制信号通路和第二监测信号通路连通至液氮压裂控制操作台(2)；
(2)通过水力压裂控制操作台(1)开启对煤体水力压裂的总控制，所述水力压裂过程分为两个阶段，第一阶段为常规水力压裂阶段，打开水箱(4)，向压裂钻孔内注入高压水，第二阶段为含砂水力压裂阶段，打开第一储砂罐(3)和水箱(4)，同时向混合仓Ⅰ(5)内注入支撑剂和水，支撑剂与水混合泵送至压裂钻孔中；溢流阀Ⅰ(7)对水力压裂液的流量进行实时调节，常规水力压裂阶段结束后立即进行含砂水力压裂阶段；
(3)待水力压裂过程结束后，立即通过液氮压裂控制操作台(2)开启对煤体的液氮冰冻致裂，所述液氮冰冻致裂阶段为含砂液氮压裂阶段，打开第二储砂罐和液氮罐，同时向混合仓Ⅱ(10)内注入支撑剂和液氮，支撑剂与液氮混合泵送至压裂钻孔中，溢流阀Ⅱ(12)对液氮压裂液的流量进行实时调节；
(4)每个压裂钻孔压裂结束48小时后，进行下一个压裂钻孔的水力压裂和液氮压裂，直到完成最后一个压裂钻孔的压裂。
2.根据权利要求1所述的一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，其特征在于，所述含砂水力压裂阶段中，支撑剂质量占水力压裂液总量的3.5％；所述含砂液氮压裂阶段，支撑剂质量占液氮压裂液总量的3.5％。
3.根据权利要求1所述的一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，其特征在于，所述支撑剂的粒径为14～25目。
4.根据权利要求1所述的一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，其特征在于，所述支撑剂选用石英砂、树脂砂、陶粒中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种水力-液氮复合均匀压裂煤体的方法，其特征在于，所述压裂钻孔的直径为50～90mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200327 |