CN113847082A - 一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，包括如下步骤：在水力压裂施工完毕后，对目标煤层保持水压，在保压阶段，使超声波产生多种效应叠加促进压裂液与煤层充分产生化学作用，增加煤层透气性，增强压裂效果。在抽采阶段利用超声波的热效应和机械作用加速瓦斯从煤体的剥离，促进瓦斯的解吸，确保煤层瓦斯的抽采效果，解决了目前水力压裂造缝增透效果有限、导致瓦斯解吸效率低、难以确保煤层瓦斯的抽采效果的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，属于煤层开采技术领域。
背景技术
煤炭在未来一段时间仍是我国的主体能源。煤层中赋存的瓦斯(煤层气)极易诱发安全事故，制约着煤炭的安全高效回采。此外，煤层气在我国储量极为丰富，是国家重点关注的非常规天然气，有望成为主力清洁能源。开采煤层瓦斯可一举多得。但我国的煤层多为低透气性难抽煤层，直接抽采效果较差。因此，提出了如水力冲孔技术、导向压裂技术、树状压裂技术、水平井压裂技术等来增加煤层透气性，提升煤层气开采效率。但上述技术均存在如增透范围小、增透效果差等不足之处。为了更进一步增加煤层透气性，有学者将新型压裂液用于煤层水力压裂技术，利用压裂液与煤的化学反应来强化煤层增透效果。但压裂后保压时间有限，压裂液与煤基质矿物不能充分反应，煤层孔隙、裂隙增加效果有限。同时，受我国煤层瓦斯赋存条件的影响，吸附瓦斯(占瓦斯总量的80～90％)的解吸、渗透较为困难，在抽采阶段瓦斯抽采流量和浓度均衰减较快，有效抽采时间较短。上述原因共同导致煤矿瓦斯抽采效果的不理想，不能满足煤矿安全高效回采的需求。
超声波是一种机械波，穿透能力很强。超声波场会给作用对象施加机械作用、空化作用、热效应和化学效应等，能够加速瓦斯分子从煤基质上分离和扩散。例如在中国专利公开号为CN109707435A一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统及方法，公开的技术提出在压裂后施加超声波场来促进瓦斯抽采。但水力压裂造缝增透效果有限、且裂缝容易闭合，单提升煤层导致瓦斯解吸效率低、难以确保煤层瓦斯的抽采效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，包括如下步骤：
在水力压裂施工完毕后，对目标煤层保持水压，在保压阶段，利用超声波产生多种效应叠加促进使压裂液与煤层充分产生化学作用，增加煤层透气性，增强压裂效果。
所述水力压裂施工完毕后，对目标煤层保持水压，保压期间将超声波发生器从定向模式转变为全面模式构成步骤六，超声波发生器从定向模式转变为全面模式，可使超声波产生多种效应叠加促进压裂液与煤层充分产生化学作用，增加煤层透气性，增强压裂效果；在所述步骤六之前包括依次进行的步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤五。
步骤一：钻头从底板向煤层钻孔贯穿煤层接触至顶板截止，实现水力压裂孔和超声波发生器放置钻孔施工成型，并对水力压裂孔进行水力割缝导向。
在所述步骤一中，水力压裂孔与超声波发生器放置孔数量比为1：6，超声波发生器放置孔以十至二十米的距离周向分布在水力压裂孔周边；当水力压裂孔为两个以上时，彼此之间的间距为五十至七十米。
步骤二：将超声波发生器固定安装在煤层段的放置孔中部，并使用封孔装置对放置孔口进行封孔，超声波发生器经超声波控制管路连通超声波控制系统。
步骤三：将压裂无缝钢管伸入放置在底板段的压裂孔，而后使用封孔装置对压裂孔孔口进行封孔，压裂无缝钢管外端依次连通压力表、阀门而后经高压管路与高压泵出口连通，高压泵进口与存贮VES清洁压裂液的水箱连通。
步骤四：操作超声波控制系统，开启超声波发生器的定向模式，定向方向为水力压裂目标增透区，一般为最小水平地应力侧。
步骤五：启动高压泵将高压压裂液经高压管路和压裂无缝钢管压入煤层内，实现对目标煤层实施水力压裂技术，在压裂阶段超声波产生的定向裂纹损伤区对水力裂缝进行导向，诱导水力裂缝向最小地应力侧扩展，消除或减少压裂空白区域。
步骤七：水力压裂完成后，通过高压泵和高压管路以及压裂无缝钢管对煤层进行放水，同时经底板向煤层施工穿层抽采钻孔，使得抽采孔在煤层和底板上成型，在抽采孔的孔口经封孔装置安装检测瓦斯的流量计和浓度计。
步骤八：根据抽采孔的流量计和浓度计抽采效果，调整超声波发生器的功率及频率，重复步骤四到步骤六，当流量计和浓度计抽采达标后，关闭超声波发生器，结束。
本发明的有益效果在于：在保压阶段，使超声波产生多种效应叠加促进压裂液与煤层充分产生化学作用，增加煤层透气性，增强压裂效果。在抽采阶段能促进煤层瓦斯的解吸，超声波的热效应和机械作用能够加速瓦斯从煤体的剥离，促进瓦斯的解吸确保煤层瓦斯的抽采效果，解决了目前水力压裂造缝增透效果有限、导致瓦斯解吸效率低、难以确保煤层瓦斯的抽采效果的问题。
附图说明
图1是本发明水力压裂孔和超声波发生器放置钻孔成型施工的结构示意图；
图2是本发明超声波发生器安装后的结构示意图；
图3是本发明超声波发生器定向模式超声波传播的示意图；
图4是本发明超声波发生器全面模式超声波传播的示意图；
图中：1-水箱；2-高压泵；3-高压管路；4-钻机；5-钻杆；6-水力压裂孔；7-超声波发生器放置钻孔；8-钻头；9-超声波控制管路；10-超声波控制系统；11-超声波发生器；12-底板；13-煤层；14-顶板；15-封孔装置；16-水力裂缝；17-超声波。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图4所示。
本发明的一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，包括如下步骤：
步骤一：利用钻机4上钻杆5末端钻头8对煤层13施工成型水力压裂孔6和超声波发生器放置钻孔7，钻头8从底板12向煤层13钻孔贯穿煤层13接触至顶板14截止，并对水力压裂孔6进行水力割缝导向，如图1所示，水力压裂孔6与超声波发生器放置孔7数量比为1：6，超声波发生器放置孔7数量为六个时，水力压裂孔6数量为一个，六个超声波发生器放置孔7以十五米的距离周向分布在水力压裂孔6周边；当水力压裂孔6为两个以上时，彼此之间的间距为五十至七十米，具体间距根据煤层地质条件进行调整，如图3所示。
步骤二：将超声波发生器11固定安装在煤层13段的放置孔7中部，并使用封孔装置15(中国专利公开号为CN205743982U一种煤层瓦斯抽采钻孔封孔装置)对放置孔7口进行封孔，超声波发生器11经超声波控制管路9连通超声波控制系统10，如图2所示。
步骤三：将压裂无缝钢管伸入放置在底板12段的压裂孔6，而后使用封孔装置15对压裂孔6孔口进行封孔，压裂无缝钢管外端依次连通压力表、阀门而后经高压管路3与高压泵2出口连通，高压泵2进口与存贮VES清洁压裂液的水箱1连通，如图2所示。
步骤四：操作超声波控制系统10，开启超声波发生器11的定向模式，定向方向为水力压裂目标增透区，一般为最小水平地应力侧，如图2所示。
步骤五：启动高压泵2将高压压裂液经高压管路3和压裂无缝钢管压入煤层13内，实现对目标煤层13实施水力压裂技术，在压裂阶段超声波产生的定向裂纹损伤区对水力裂缝16进行导向，诱导水力裂缝16向最小地应力侧扩展，消除或减少压裂空白区域，如图2所示。
步骤六：水力压裂施工完毕后，对目标煤层13保持水压，保压期间将超声波发生器11从定向模式转变为全面模式，如从图3所示的超声波17转向如图4所示的超声波17；在保压阶段，利用超声波发生器11产生全面的超声波产生全面裂纹促使压裂液对煤层13产生全面水力裂缝16进行侵蚀，可使超声波的多种效应叠加促进压裂液与煤层13充分产生化学作用，增加煤层13透气性，增强压裂效果；在抽采阶段能促进煤层13瓦斯的解吸，超声波的热效应和机械作用能够加速瓦斯从煤体的剥离，促进瓦斯的解吸确保煤层13瓦斯的抽采效果，解决了目前水力压裂造缝增透效果有限、导致瓦斯解吸效率低、难以确保煤层瓦斯的抽采效果的问题。
步骤七：水力压裂完成后，通过高压泵2和高压管路3以及压裂无缝钢管对煤层13进行放水，同时经底板12向煤层13施工穿层抽采钻孔，使得抽采孔在煤层13和底板12上成型(图中未示出)，在抽采孔的孔口经封孔装置15安装检测瓦斯的流量计和浓度计。
步骤八：根据抽采孔的流量计和浓度计抽采效果，调整超声波发生器11的功率及频率，重复步骤四到步骤六，当流量计和浓度计抽采达标后，关闭超声波发生器11，结束。
Claims (10)
1.一种超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在水力压裂施工完毕后，对目标煤层(13)保持水压，在保压阶段，利用超声波产生多种效应叠加促使压裂液与煤层(13)充分产生化学作用，增加煤层(13)透气性，增强压裂效果。
2.如权利要求1所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：所述水力压裂施工完毕后，对目标煤层(13)保持水压，保压期间将超声波发生器(11)从定向模式转变为全面模式构成步骤六，超声波发生器(11)从定向模式转变为全面模式，可使超声波产生多种效应叠加促进压裂液与煤层(13)充分产生化学作用，增加煤层(13)透气性，增强压裂效果；在所述步骤六之前包括依次进行的步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤五。
3.如权利要求1所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：所述步骤一为：钻头(8)从底板(12)向煤层(13)钻孔贯穿煤层(13)接触至顶板(14)截止，实现水力压裂孔(6)和超声波发生器放置钻孔(7)施工成型，并对水力压裂孔(6)进行水力割缝导向。
4.如权利要求3所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：在所述步骤一中，水力压裂孔(6)与超声波发生器放置孔(7)数量比为1：6，超声波发生器放置孔(7)以十至二十米的距离周向分布在水力压裂孔(6)周边；当水力压裂孔(6)为两个以上时，彼此之间的间距为五十至七十米。
5.如权利要求3所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：所述步骤二为：将超声波发生器(11)固定安装在煤层(13)段的放置孔(7)中部，并使用封孔装置(15)对放置孔(7)口进行封孔，超声波发生器(11)经超声波控制管路(9)连通超声波控制系统(10)。
6.如权利要求5所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：所述步骤三为：将压裂无缝钢管伸入放置在底板(12)段的压裂孔(6)，而后使用封孔装置(15)对压裂孔(6)孔口进行封孔，压裂无缝钢管外端依次连通压力表、阀门而后经高压管路(3)与高压泵(2)出口连通，高压泵(2)进口与存贮VES清洁压裂液的水箱(1)连通。
7.如权利要求6所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：所述步骤四为：操作超声波控制系统(10)，开启超声波发生器(11)的定向模式，定向方向为水力压裂目标增透区，一般为最小水平地应力侧。
8.如权利要求7所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：所述步骤五为：启动高压泵(2)将高压压裂液经高压管路(3)和压裂无缝钢管压入煤层(13)内，实现对目标煤层(13)实施水力压裂技术，在压裂阶段超声波产生的定向裂纹损伤区对水力裂缝(16)进行导向，诱导水力裂缝(16)向最小地应力侧扩展，消除或减少压裂空白区域。
9.如权利要求8所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：在所述步骤六之后还包括步骤七，所述步骤七为：水力压裂完成后，通过高压泵(2)和高压管路(3)以及压裂无缝钢管对煤层(13)进行放水，同时经底板(12)向煤层(13)施工穿层抽采钻孔，使得抽采孔在煤层(13)和底板(12)上成型，在抽采孔的孔口经封孔装置(15)安装检测瓦斯的流量计和浓度计。
10.如权利要求9所述的超声波场强化煤层压裂及抽采效果的方法，其特征在于：在所述步骤七之后还包括步骤八，所述步骤八为：根据抽采孔的流量计和浓度计抽采效果，调整超声波发生器(11)的功率及频率，重复步骤四到步骤六，当流量计和浓度计抽采达标后，关闭超声波发生器(11)，结束。
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