CN115637953B - 深地煤层co2固化溶液堵孔增透强润系统及应用方法 - Google Patents

深地煤层co2固化溶液堵孔增透强润系统及应用方法 Download PDF

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Abstract

一种深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润系统，其特征在于，包括管路系统和封孔装置；管路系统包括与煤体孔插装连接的注入管，以及固定在煤体孔端口处的封孔装置；注入管插入所述封孔装置中；注入管与多个支管连通，支管包括向煤体中注入气体的CO2注入管，以及向煤体中注入液体的液体注入管路。本发明将碱性溶液高压注入煤层，大气中的二氧化碳作为响应气体，反应生成的沉淀颗粒在压裂过程中实现部分大孔隙封堵。利用封堵的大孔隙提高煤层内注水压力，增加煤体透性，增强压裂效果。大气中的二氧化碳，参与上述治理过程，可实现二氧化碳的地下封存，最终形成矿产绿色资源利用与环境保护技术体系。

Description

深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润系统及应用方法
技术领域
本发明涉及一种煤层增透润湿方法，具体的说是一种深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润的系统及应用这种系统进行深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润的方法。
背景技术
煤层注水压裂技术的目的不仅要促使煤岩原生孔裂隙贯通、提高煤体透性、为瓦斯渗流提供高速通道，同时还需要提高煤体含水率、增大煤颗粒重量、减小煤体脆性，从而降低煤体开采过程中粉尘迸溅以及削弱粉尘颗粒的飞扬能力。煤层注水压裂过程中，通常致裂效果好的高粘度压裂液的滤失效果较差，对煤层的润湿效果不佳；当压裂液滤失效果较好（如清水）时，煤体达到好的润湿效果，此时注入的液体多渗入煤体内，不容易在压裂过程中保持压力，裂隙发育慢，致裂效果较差。
目前，学者们对于煤与煤层气的开发利用、矿井粉尘的防治、大气二氧化碳的封存分别进行了研究，但很少从资源的整合及合理利用的角度出发构建矿山资源治理与利用新体系，更少有在矿山资源治理与利用体系中发挥矿山治理封存二氧化碳的环保效能，将矿山由污染源转变为大气环境治理的核心站。因此非常有必要研究一种将大气中二氧化碳气体进行整理利用，应用到深地煤层堵孔增透强润技术中的方法。
发明内容
针对背景技术中提出的现有技术的缺陷，本发明申请在克服技术背景问题情况下，一是提供了一种深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润的系统，二是提供了应用这种系统进行深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润的应用方法。
本发明所采用的技术方案是：一种深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润系统，包括管路系统和封孔装置；
所述管路系统包括与煤体孔插装连接的注入管，以及固定在煤体孔端口处的封孔装置；注入管插入所述封孔装置中；
注入管与多个支管连通，所述支管包括向煤体中注入气体的CO2注入管，以及向煤体中注入液体的液体注入管路。
液体注入管路包括清水注入管和碱液注入管。CO2注入管上配设有用于控制气体流量的第一气体阀门、气体流量计、对CO2气体进行加压的气体增压泵、压力表以及第二气体阀门；清水注入管上配设清水阀门，碱液注入管上配设有碱液阀门；清水注入管和碱液注入管共通并经液体流量计连接到压裂泵，之后通过安装有液体压力表和混合液阀门的管路与注入管相连。
应用上述系统进行深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润，包括以下步骤：
a.设备的安装与材料的准备工作；
b.向煤体中注入充足的CO2；
c.待CO2充满煤体孔裂隙后进行注碱，在煤孔裂隙内制备沉淀；
d.待煤体孔裂隙内的CO2与碱液反应生成与煤体孔隙匹配的沉淀颗粒后，改变注入压力，注入清水，实现沉淀颗粒对煤体孔裂隙的封堵；
e.对压裂效果进行评估；
f.开展分析实验确定最佳堵孔孔径范围；
g.根据实验结果对工艺参数进行优化，得到的数据用以投入实际压裂施工；
h.实际压裂施工中重复步骤b-d，直到达到预计的压裂范围。
煤体中注入的CO2气体为大气中捕集的CO2气体；注入的碱液为澄清石灰水。
步骤d中，注入碱液与清水的选择，根据在满足实现最佳堵孔效果沉淀颗粒时沉淀物的浓度进行选择，在沉淀颗粒浓稠需要稀释时，注入清水，改变的注入压力根据步骤f的分析实验确定。
步骤f分析实验包括沉淀颗粒粒度分布实验、煤体孔径分布实验、COMSOL多物理场数值模拟、真三轴水力压裂实验。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：将碱性溶液高压注入煤层，大气中的二氧化碳作为响应气体，反应生成的沉淀颗粒在压裂过程中实现部分大孔隙封堵。利用封堵的大孔隙提高煤层内注水压力，增加煤体透性，增强压裂效果。通过未封堵的小孔隙实现缓慢润湿煤体，降低排入大气中以及矿井空气内的含尘量，满足煤层开采的压裂需要。与此同时，大气中的二氧化碳，参与上述治理过程，可实现二氧化碳的地下封存，最终形成矿产绿色资源利用与环境保护技术体系。
附图说明
图1是本发明的系统总图。
图2是本发明的工艺流程图。
其中：煤体1；CO2注入管2；第一气体阀门3；气体流量计4；气体增压泵5；气体压力表6；第二气体阀门7；混合液阀门8；液体压力表9；液体流量计10；清水阀门11；清水注入管12；碱液注入管13；碱液阀门14；压裂泵15；封孔装置16；注入管17。
具体实施方式
下面结合附图1-2及实施例详述本发明。
本发明公开的技术方案是对深地煤层的孔裂隙进行封堵且增透强润的系统，并公开了应用这套系统的方法。
这种深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润系统包括管路系统和封孔装置。见图1，管路系统包括与煤体孔插装连接的注入管17，以及固定在煤体孔端口处的封孔装置16；注入管17插入所述封孔装置16中；注入管17与多个支管连通，支管包括向煤体中注入气体的CO2注入管2，以及向煤体中注入液体的液体注入管路。
作为优选的技术方案：液体注入管路包括清水注入管12和碱液注入管13。煤体中注入的CO2气体为大气中捕集的CO2气体；本实施例中，注入的碱液为澄清石灰水。
CO2注入管2上配设有用于控制气体流量的第一气体阀门3、气体流量计4、对CO2气体进行加压的气体增压泵5、压力表6以及第二气体阀门7；清水注入管12上配设清水阀门11，碱液注入管13上配设有碱液阀门14；清水注入管12和碱液注入管13共通并经液体流量计10连接到压裂泵15，之后通过安装有液体压力表9和混合液阀门8的管路与注入管相连。
这种深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润系统，工艺流程参见附图2。
a.设备的安装与材料的准备：
封孔装置16设置在煤层孔裂隙端口处，通过封孔装置16将注入管17固定完成，注入管17的端口通过封孔装置16插入到煤层孔内；
b.注入CO2气体：
打开第一气体阀门3、第二气体阀门7，通过CO2注入管2向煤体中注入充足的CO2，过程中通过气体增压泵5加压注入，通过压力表6以及气体流量计4的读数显示注入压力以及注入量。
c.注入碱液：
待其充满煤体孔裂隙后，关闭第一气体阀门3、第二气体阀门7；打开混合液阀门8、碱液阀门14，通过碱液注入管13进行注碱，过程中通过压裂泵15加压注入，通过压力表9以及液体流量计10的读数显示注入压力以及注入量。碱液与CO2发生化学反应，在煤体1的孔裂隙内制备沉淀。
静压注水的压力为2MPa，造缝增透压力为50MPa。
d.实现封堵：
待煤体孔裂隙内的CO2与碱液反应生成与煤体孔隙匹配的沉淀颗粒后，通过压裂泵15改变注入压力，向煤体注入清水，实现沉淀颗粒对煤体孔裂隙的封堵。当孔隙中沉淀浓度过高，则打开混合液阀门8、清水阀门11，通过清水注入管12注入清水进行调节。
e.对压裂效果进行评估：
初步压裂完成后，对压裂效果进行评估，主要从造缝效果及煤体的润湿效果两方面对压裂效果进行评估。
f.开展分析实验确定最佳堵孔孔径范围:
达到堵塞大孔和裂隙，防止水压卸压，从而保证小孔润湿效果。同时憋压过程，可实现局部应力集中，从而达到造缝增透煤体的目的。
以实际施工压裂煤体为研究对象，在采煤工作面采集30 cm*30 cm*20 cm的长方体原煤试样，用立式钻床钻取直径 25 mm、高50 mm 的煤心，将煤心在75 ℃条件下干燥 24h。对煤样进行CT扫描，并进行三维重建，获得煤样的孔隙半径及喉道半径的分布情况。
选取不同体积量的CO2通入到相同体积的澄清石灰水中，其化学反应方程式为：
Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O
反应完全后，进行沉淀颗粒粒度分布实验，通过电子扫描显微镜（SEM）对碳酸钙沉淀的形态进行观察分析；通过激光粒度仪测量碳酸钙样品的粒径以及粒度分布。记录不同体积量的CO2生成沉淀的颗粒形态及粒径分布情况。
统计煤样的孔隙半径及喉道半径，以及沉淀颗粒的粒径分布情况，完成煤体孔径分布实验。
应用COMSOL多物理场仿真软件，进行COMSOL多物理场数值模拟实验，对压裂过程中沉淀颗粒封堵煤孔裂隙情况进行仿真模拟。COMSOL仿真软件中对于颗粒的研究多选用通过粒子追踪模块，以及研究分散型多相流的混合模型，由于颗粒追踪将粒子看为质点，不考虑颗粒体积，以及多相流模块适用于研究连续相与分散相体积分布，因此优选流固耦合模型体现沉淀颗粒对煤体孔裂隙的封堵情况以及颗粒粒径与孔隙直径的封堵匹配关系，并且能得到颗粒与煤体接触面的受力情况，以及颗粒对流体速度与压力的影响。
依据沉淀颗粒实验粒径分布结果以及CT扫描及三维重建达到的煤体孔径分布结果进行几何建模，在建模时考虑运算量根据实际情况选取适当数量的颗粒并简化孔裂隙结构。应用动网格对沉淀颗粒、煤孔隙内的流体、煤体进行流固耦合。将孔隙外部煤体材料设置为多孔材料，加入渗流模型以考虑实际注入时液体滤失对沉淀颗粒封堵孔隙的影响。真三轴水力压裂实验，设置不同沉淀颗粒的粒径以及不同注入压力进行计算，数值模拟结果用以选择合适的沉淀颗粒范围以及注入压力，并对应到相应的CO2注入量，用以制定真三轴实验CO2与澄清石灰水的用量范围，以及注入压力范围的选取。
g.据实验结果进行优化：
沉淀颗粒的存在改变流体的流动方向以及泵注压力，使得裂缝起裂、扩展以及煤体的润湿情况更为复杂，真三轴水力压裂是模拟水力压裂的重要手段。以实际施工压裂煤体为研究对象，施加围压后，泵注压裂液，能够模拟整个水力压裂过程：注入的流体由管线流入井筒，在井筒处由于压裂增加开启裂缝，随着流体流入煤体的缝内，裂缝向前扩展，压裂完成后停泵，压力降落。依据数值模拟结果设计方案，对煤样进行真三轴水力压裂实验，根据压裂实验的造缝效果以及润湿效果，对数值模拟结果进行验证与修正，对压裂工艺进行优化，用以实际压裂施工中。
h. 本发明在对煤体进行压裂时采用CO2固化溶液生成沉淀颗粒封堵煤岩孔隙的方法增强压裂造缝以及煤体润湿效果，同时实现大气中的CO2的固化。在实际施工当中，注入压裂完成后进行压裂效果评估，针对评估结果中存在的问题，对实际施工的煤体进行分析实验，根据煤体孔隙分布情况，确定生成颗粒沉淀的CO2与碱液最佳配比以及注入压力，确定最佳堵孔孔径范围，制定最优流体注入方案以达到最佳致裂、润湿效果。

Claims (3)

1. 一种深地煤层 CO2 固化溶液堵孔增透强润的应用方法，其应用深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润系统，包括管路系统和封孔装置；
所述管路系统包括与煤体孔插装连接的注入管（17），以及固定在煤体孔端口处的封孔装置（16）；注入管（17）插入所述封孔装置（16）中；注入管（17）与多个支管连通，所述支管包括向煤体中注入气体的CO2注入管（2），以及向煤体中注入液体的液体注入管路；
所述液体注入管路包括清水注入管（12）和碱液注入管（13）；CO2注入管（2）上配设有用于控制气体流量的第一气体阀门（3）、气体流量计（4）、对CO2气体进行加压的气体增压泵（5）、压力表（6）以及第二气体阀门（7）；
清水注入管（12）上配设清水阀门（11），碱液注入管（13）上配设有碱液阀门（14）；清水注入管（12）和碱液注入管（13）共通并经液体流量计（10）连接到压裂泵（15），之后通过安装有液体压力表（9）和混合液阀门（8）的管路与注入管相连；
其特征在于：
用上述系统进行深地煤层 CO2 固化溶液堵孔增透强润包括以下步骤：
a.设备的安装与材料的准备工作；
b.向煤体中注入充足的CO2；
c.待CO2充满煤体孔裂隙后进行注碱，在煤孔裂隙内制备沉淀；
d.待煤体孔裂隙内的CO2与碱液反应生成与煤体孔隙匹配的沉淀颗粒后，改变注入压力，注入清水，实现沉淀颗粒对煤体孔裂隙的封堵；注入碱液与清水的选择，根据在满足实现最佳堵孔效果沉淀颗粒时沉淀物的浓度进行选择，在沉淀颗粒浓稠需要稀释时，注入清水，改变的注入压力根据步骤f的分析实验确定；
e.对压裂效果进行评估；
f.开展分析实验确定最佳堵孔孔径范围；
g.根据实验结果对工艺参数进行优化，得到的数据用以投入实际压裂施工；
h.实际压裂施工中重复步骤b-d，直到达到预计的压裂范围。
2.根据权利要求1所述的深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润的应用方法，其特征在于：所述煤体中注入的CO2气体为大气中捕集的CO2气体；注入的碱液为澄清石灰水。
3.根据权利要求1所述的深地煤层CO2固化溶液堵孔增透强润的应用方法，其特征在于：步骤f分析实验包括沉淀颗粒粒度分布实验、煤体孔径分布实验、COMSOL多物理场数值模拟、真三轴水力压裂实验。
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