CN113447416A - 一种基于不同地质条件下液态co2致裂增透方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，该方法从解决现场实际应用问题思路出发，可以根据工况不同确定最优的钻孔间距、布孔方式和致裂器装液量等，进而完成液态CO2致裂增透工序，通过致裂半径影响范围评价其致裂增透的效果，进一步为技术人员在不同地质条件下开展CO2致裂增透应用，提出了一套行之有效的使用方法，本发明的致裂增透方法更加客观、科学且具有很好的操作性。
Description
技术领域
本发明涉及煤层致裂增透技术领域，具体为一种基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法。
背景技术
液态CO2致裂增透技术是解决我国低渗透煤层瓦斯抽采效率的关键手段之一。然而在不同的地质条件下，液态CO2致裂增透的各个参数选择和其效果的评价都非常具有主观性，尚无一套统一的标准和使用方法，使得在不同地质条件下的试验区应用时，技术人员往往存在盲目套用固定参数进行方案布置，无法因地制宜的选择参数、布孔方式等，因此取得的应用效果并不理想，进而影响了井下抽采达标作业。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，解决背景技术中提出的问题，克服现有技术的不足。
本发明通过采用如下技术方案克服以上技术问题，具体为：
一种基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，该方法从解决现场实际应用问题思路出发，可以根据工况不同确定最优的钻孔间距、布孔方式和致裂器装液量等，进而完成液态CO2致裂增透工序，并最终通过致裂半径影响范围评价其致裂增透的效果。
作为本发明的进一步方案，所述钻孔间距(以两孔为例)确定的方法是：通过破煤面积S、最小抵抗线Wd、钻孔半径R与钻孔间距a之间关系进行确定。
为减少两孔之间的大面积致裂空白区域及减弱两孔之间的应力叠加强度，则钻孔间距a的范围应为(R，2R)，最小抵抗线Wd的范围为(0，R)，单孔破煤面积S＝aWd；破煤面积大小将影响致裂增透效果，获得破煤面积的最大值能够为致裂增透效果及节约钻孔工程量提供支撑，破煤面积S的表达式为：
式中，a为致裂孔与普通孔间距，Wd为钻孔中心线到最小抵抗线的最短直接距离，R为钻孔半径；
又
可知，当其一阶导数为0时，S可到最大值，联立式(1)、(2)得a＝1.23R，Wd＝0.789R。
作为本发明的进一步方案：所述布孔方式是指当对应地质条件中煤层瓦斯压力不超过0.6MPa，煤层瓦斯含量不超过6m3/t，煤的坚固性系数大于0.5且煤的破坏类型为I、II的情况选择用矩形布孔方式，其余采用菱形布孔方式
作为本发明的进一步方案，所述致裂器装液量的计算过程如下：
一、确定致裂压力，根据公式
式中，μ为煤体泊松比，P0为致裂压力，σt为抗拉强度，n为裂纹数；
二、确定储液管相变致裂释放能量，根据公式
式中，P0致裂压力，P1表示大气压力，V表示储液管体积，K表示CO2的绝热指数，W为二氧化碳相变致裂释放的能量；
其次储液管的相变致裂能量转化标准炸药TNT当量，根据公式：
式中，QTNT表示1kg标准TNT炸药释放能量；
综上，在得到致裂压力基础上，确定储液管相变致裂能量，又得到Ws数值大小，即可确定致裂器内装液量。
作为本发明的进一步方案，所述致裂半径影响范围为：
式中，r为致裂半径影响范围。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明以致裂半径影响范围评价致裂增透效果，从解决现场实际应用问题思路出发，以定量的方式确定钻孔间距、布孔方式和致裂器装液量等，进而完成液态CO2致裂增透工序；本发明是将所有计算模型集成在一个系统内，形成专家推荐最优参数知识库，当更换其它任一种工况时，技术人员只需要将地质参数输入进系统中，最优参数知识库将立即给出现场施工方案。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中CO2致裂应力叠加示意图；
图2是本发明中布孔方式选择示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本发明提供一种具体的实施例，请参阅图1～2；
一、基于不同地质条件下液态CO2致裂增透的影响因素
需要考虑的地质因素：地应力、顶底板条件、煤的坚固性系数、煤的破坏类型、渗透性系数、瓦斯含量、瓦斯压力、透气性系数、地质构造、煤层厚度、灰分、水分、挥发分等。
二、基于不同地质条件下液态CO2致裂增透的一般操作流程
工况选择→穿层钻孔/顺层钻孔→增透区域面积→坚固性系数(包含其它地质因素)→菱形布孔/矩形布孔→钻孔间距→钻孔内致裂器装液量；
上述致裂器安装在钻孔中，一个钻孔可容纳多个致裂器。
致裂钻孔参数计算方案
2.1、布孔方式选择
根据矿井煤层瓦斯压力、瓦斯含量、坚固性系数等地质参数选择矩形布孔、还是梅花形布孔。
依据为：
2.2、钻孔间距
当钻孔间距过大时应力叠加强度将变弱，钻孔之间煤体粉碎程度减弱，从而形成空白区域。当间距过小时应力叠加强度极大增强，煤体过于粉碎，易造成过度变形，影响成孔质量，进而影响抽采效果。因此，为减少两孔之间的大面积致裂空白区域及减弱两孔之间的应力叠加强度，则钻孔间距a的范围应为(R，2R)，最小抵抗线Wd的范围为(0，R)，单孔破煤面积S＝aWd。
破煤面积大小将影响致裂增透效果，获得破煤面积的最大值能够为致裂增透效果及节约钻孔工程量提供支撑，为了获得破煤面积S的最大值，根据图1得出S的表达式为：
由图1可知
可知，当其一阶导数为0时，S可到最大值，联立式(1)、(2)得a＝1.23R，Wd＝0.789R；R为钻孔半径，根据钻机型号可以确定。
2.3、致裂器装液量
一、确定致裂压力，根据公式
式中，μ为煤体泊松比，P0为致裂压力，σt为抗拉强度，n为裂纹数；
二、确定储液管相变致裂释放能量，根据公式
式中，W表示相变致裂释放的能量J；P0为致裂压力，为270×106Pa；P1表示大气压力，为101.3×103Pa；V表示储液管体积，为1.27×10-3m3；K表示CO2的绝热指数，为1.295；计算可得，W＝969637.574J＝969.638kJ，W则为二氧化碳相变致裂释放能量；
其次储液管的相变致裂能量转化标准炸药TNT当量，根据公式：
式中，QTNT表示1kg标准TNT炸药释放能量，为4520kJ/kg，因此得出：Ws＝0.215kg。即，液态二氧化碳相变致裂能量相当于0.215kgTNT炸药释放的能量。
2.4、评价致裂增透效果
致裂半径r影响范围
致裂半径r的影响范围作为评价增透效果指标之一，评价标准如下：
| 范围 | [R,5R] | (5R,10R] | (10R,15R] | (15R,20R] |
| 效果 | 差 | 一般 | 较好 | 好 |
三、本实施例的具体实施方案思路：
3.1、根据矿井煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤的坚固性系数及煤的破坏类型等选择矩形布孔、还是菱形布孔；
3.2、确定钻孔间距：根据钻孔半径大小确定合理的距离，计算方法见上述计算方案2.2；
3.2、确定储液管相变致裂能量：根据上述计算方案2.3；
3.3、评价致裂增透效果：操作时先根据工况和设计要求进行实施，具体评价方法见方案2.4；
3.4、将所有计算模型集成在计算程序中，形成专家推荐最优参数知识库。当更换其它工况时，技术人员只需要将地质参数输入进这个计算程序中，最优参数知识库立即给出现场施工方案(布孔间距、布孔方式、装液量等)；所述计算程序或者知识库等相关硬件设备直接购买，里面相关软件部分采用现有技术编程即可。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，其特征在于：该方法从解决现场实际应用问题思路出发，根据工况不同确定最优的钻孔间距、布孔方式和致裂器装液量，进而完成液态CO2致裂增透工序，并最终通过致裂半径影响范围评价其致裂增透的效果。
2.根据权利要求1所述的基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，其特征在于所述钻孔间距确定的方法是：通过破煤面积S、最小抵抗线Wd、钻孔半径R与钻孔间距a之间关系进行确定；
为减少两孔之间的大面积致裂空白区域及减弱两孔之间的应力叠加强度，则钻孔间距a的范围应为(R，2R)，进而最小抵抗线Wd的范围为(0，R)；破煤面积大小将影响致裂增透效果，获得破煤面积的最大值能够为致裂增透效果及节约钻孔工程量提供支撑，破煤面积S的表达式为：
式中，a为致裂孔与普通孔间距，Wd为钻孔中心线到最小抵抗线的最短直接距离，R为钻孔半径；
又
可知，当其一阶导数为0时，S可到最大值。
3.根据权利要求1所述的基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，其特征在于：所述布孔方式是指当对应地质条件中煤层瓦斯压力不超过0.6MPa，煤层瓦斯含量不超过6m3/t，煤的坚固性系数大于0.5且煤的破坏类型为I、II的情况选择用矩形布孔方式，其余采用菱形布孔方式。
4.根据权利要求1所述的基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，其特征在于所述致裂器装液量的计算过程如下：
一、确定致裂压力，根据公式
式中，μ为煤体泊松比，P0为致裂压力，σt为抗拉强度，n为裂纹数；
二、确定储液管相变致裂释放能量，根据公式
式中，P0致裂压力，P1表示大气压力，V表示储液管体积，K表示CO2的绝热指数，W为二氧化碳相变致裂释放的能量；
其次储液管的相变致裂能量转化标准炸药TNT当量，根据公式：
式中，QTNT表示1kg标准TNT炸药释放能量；
综上，在得到致裂压力基础上，确定储液管相变致裂能量，又得到Ws数值大小，即可确定致裂器内装液量。
5.根据权利要求1所述的基于不同地质条件下液态CO2致裂增透方法，其特征在于所述致裂半径影响范围为：
式中，r为致裂半径影响范围。
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| CN107035366A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-08-11 | 中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 | 一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法 |
| CN109801682A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-24 | 河南理工大学 | 一种基于液态二氧化碳相变致裂半径等效的炸药模型构造方法 |
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