[發明專利]超聲波空化與水力壓裂聯合激勵煤層氣抽采方法

有效

• 申請號: 201610292288.3
• 申請日: 2016-05-05
• 公開（公告）號: CN105971660B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 翟成;湯宗情;秦雷;徐吉釗;武世亮;仲超;孫勇;于國卿
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21F7/00
• 分類號: E21F7/00;E21B43/26;E21B43/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 朱亮淞

技術領域

本發明涉及一種超聲波空化與水力壓裂聯合激勵煤層氣抽采方法，屬于煤礦井下區域煤層氣治理領域，尤其適用于中、高硬度低透氣性煤層的增透措施。

背景技術

近年來，隨著我國煤炭產量的劇增和煤礦開采深度的增加，煤層氣涌出量不斷增加，煤與瓦斯突出危險性不斷加大，我國煤礦瓦斯事故頻發。煤層氣抽采是治理煤礦瓦斯災害最有效的措施之一。煤層透氣性差是制約我國煤層氣抽采重要的因素之一。

超聲波技術作為一種無污染、危害小、見效快、效果好的優點廣泛應用于工業電鍍、民用清洗等領域，其中波場采油作為一種新型技術已在國內外廣泛推廣應用，并取得了良好的經濟效益。

實驗研究表明，如果煤層強度或塑性較強，那么水力化措施的效果往往會很差，而煤巖體在超聲波的激勵下其強度和塑性均有明顯降低，大大提高了水力壓裂和水力割縫的影響半徑和效果。同時，水力壓裂措施雖然會擴張煤體原聲裂隙并孕育許多新生裂隙，煤層透氣性會有一定的提高，但由于壓裂壓力和煤層應力的影響，單純依靠水力壓裂措施往往達不到預期的增透效果。這時，再將超聲波技術引入水力壓裂過程，裂隙中水滴在超聲波激勵下受迫運動，產生空化現象，局部壓力劇增，溫度也隨之升高，同時，伴有強烈的沖擊波和時速達400km的微射流。在高溫高壓的作用下煤體會產生許多新生裂隙，原有的微裂隙會進一步發育、擴展、延伸，煤體透氣性進一步提升。水力壓裂結束后，裂隙中殘存的水分會阻塞煤層氣流動的通道，影響煤層氣抽采效率和質量，這種現象被稱為水鎖效應。而此時第三次使用超聲波技術，通過超聲波激勵水分空化，裂隙中的大水滴分解成小水滴，小水滴氣化成水蒸氣從裂隙中飄散出來，解除了水力化措施后常見的阻礙煤層氣流動的水鎖效應，再一次提高了煤層透氣性。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種超聲波空化與水力壓裂聯合激勵煤層氣抽采方法，提供一種無污染、成本低、效果好的超聲波激勵水力壓裂煤層增透方法。

技術方案：為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

超聲波空化與水力壓裂聯合激勵煤層氣抽采方法，在煤層巷道內沿增透抽采煤層順層方向依次分組實施若干增透致裂單元，包括如下步驟：

a、在增透抽采煤層施工一個主鉆孔，在距離主鉆孔長度間距為20-25m處施工有與主鉆孔平行的監測鉆孔，所述主鉆孔和監測鉆孔共同組成一個增透致裂單元；

b、向主鉆孔內送入h形耐壓鋼管，所述h形耐壓鋼管與主鉆孔前端保持距離2～5m，在所述h形耐壓鋼管內放入超聲波換能器，所述超聲波換能器通過耐壓防水電纜與超聲波聯合水力壓裂機組的超聲波發生裝置連接，所述耐壓防水電纜與h形耐壓鋼管之間通過耐壓鋼質塞密封；

c、在所述主鉆孔與h形耐壓鋼管之間采用兩堵一注的常規注漿方法進行耐高壓封孔，形成長度為15～20m的注漿封孔段；

d、通過超聲波換能器向煤層內發射20～25kHz的超聲波；

e、間隔一段時間，超聲波聯合水力壓裂機組的水力壓裂裝置向h形耐壓鋼管內進行水力壓裂，同時將超聲波換能器向煤層內發射的超聲波頻率調節至30～35kHz；

f、待監測鉆孔內有水流出或者水力壓裂裝置壓力突然下降時，關閉水力壓裂裝置，通過h形耐壓鋼管排出主鉆孔內的水，此時保持超聲波發生裝置超聲的頻率和功率不變，待h形耐壓鋼管不再流水后關閉超聲波發生裝置；

g、將監測鉆孔接入煤層氣抽采管路，進行常規煤層氣抽采。

進一步的技術方案，所述超聲波換能器為圓柱形，所述超聲波換能器的外徑比h形耐壓鋼管主路的內徑小0.1m，所述超聲波換能器與h形耐壓鋼管之間采用鏤空鋼環連接。

進一步的技術方案，所述主鉆孔的孔徑為110-150mm，孔長為增透抽采煤層寬度H的0.75～0.8；所述監測鉆孔的孔徑為80-110mm，孔長為增透抽采煤層寬度H的0.7～0.8。

進一步的技術方案，所述水力壓裂裝置出來的水的水溫50～60℃。

有益效果：本發明超聲波空化與水力壓裂聯合激勵煤層氣抽采方法，其中：1)1947年在美國進行了首次水力壓裂增產作業之后，由于致裂效果突出，在以后的幾十年受到了廣泛關注，具有操作簡單、施工速度快、致裂效果好等優點，是目前最為常用的致裂措施；2)超聲波作為新型的綠色無污染技術，以其方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能、在水中傳播距離遠等優點廣泛應用于各個領域；本發明創新性的將水力壓裂技術和超聲波致裂技術有機結合在一起，使得致裂效果和影響半徑都達到最大化。并具有以下優點：