超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法

摘要

本发明公开了一种超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，首先在工作面进风巷或回风巷施工一个主钻孔和一个监测钻孔，主钻孔内的钻头到达煤层预定目标位置后，将内置超声波换能器的钢管送入主钻孔，并采用常规注浆方法对主钻孔进行耐高压封孔，封孔完成后打开超声波发生器，向煤层持续发射频率为20～25kHz的低频率超声波；1～2h后启动水力压裂设备对主钻孔进行水力压裂作业；进行煤层水力压裂的同时保持超声波的功率不变，将超声波频率调节至30～35kHz；待监测钻孔有水流出或者注水泵压力突然下降时停止水力压裂，此时保持超声波的频率和功率不变，继续向煤层发射超声波，30min后关闭超声波发生器。本发明煤层增透方法无污染、成本低、效果好。

权利要求

1.超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，其特征在于：在煤层巷道内沿增透抽采煤层(10)顺层方向依次分组实施若干增透致裂单元，包括如下步骤：a、在增透抽采煤层(10)施工一个孔径为110-150mm的主钻孔(1)，主钻孔(1)孔长为增透抽采煤层(10)宽度H的0.75～0.8，在距离主钻孔(1)长度间距为20-25m处施工有与主钻孔(1)平行的孔径为80-110mm的监测钻孔(9)，监测钻孔(9)孔长为增透抽采煤层(10)宽度H的0.7～0.8，所述主钻孔(1)和监测钻孔(9)共同组成一个增透致裂单元；

b、向主钻孔(1)内送入h形耐压钢管(2)，所述h形耐压钢管(2)与主钻孔(1)前端保持距离2～5m，在所述h形耐压钢管(2)内放入超声波换能器(5)，所述超声波换能器(5)通过耐压防水电缆(6)与超声波联合水力压裂机组(7)的超声波发生装置(7-1)连接，所述耐压防水电缆(6)与h形耐压钢管(2)之间通过耐压钢质塞(3)密封；

c、在所述主钻孔(1)与h形耐压钢管(2)之间采用两堵一注的常规注浆方法进行耐高压封孔，形成长度为15～20m的注浆封孔段(4)；

d、通过超声波换能器(5)向煤层(10)内发射20～25kHz的超声波；

e、1～2h后，开启超声波联合水力压裂机组(7)的水力压裂装置(7-2)向h形耐压钢管(2)内进行水力压裂，同时将超声波换能器(5)向煤层(10)内发射的超声波频率调节至30～

35kHz；

f、待监测钻孔(9)内有水流出或者水力压裂装置(7-2)压力突然下降时，关闭水力压裂装置(7-2)，通过h形耐压钢管(2)排出主钻孔(1)内的水，此时保持超声波发生装置(7-1)超声的频率和功率不变，待h形耐压钢管(2)不再流水后关闭超声波发生装置(7-1)；

g、将监测钻孔(9)接入煤层气抽采管路，进行常规煤层气抽采。

2.根据权利要求1所述超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，其特征在于：所述超声波换能器(5)为圆柱形，所述超声波换能器(5)的外径比h形耐压钢管(2)主路的内径小0.1m，所述超声波换能器(5)与h形耐压钢管(2)之间采用镂空钢环连接。

3.根据权利要求1所述超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，其特征在于：所述水力压裂装置(7-2)出来的水的水温50～60℃。

说明书

超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，属于煤矿井下区域煤层气治理领域，尤其适用于中、高硬度低透气性煤层的增透措施。

背景技术

[0002] 近年来，随着我国煤炭产量的剧增和煤矿开采深度的增加，煤层气涌出量不断增加，煤与瓦斯突出危险性不断加大，我国煤矿瓦斯事故频发。煤层气抽采是治理煤矿瓦斯灾害最有效的措施之一。煤层透气性差是制约我国煤层气抽采重要的因素之一。

[0003] 超声波技术作为一种无污染、危害小、见效快、效果好的优点广泛应用于工业电镀、民用清洗等领域，其中波场采油作为一种新型技术已在国内外广泛推广应用，并取得了良好的经济效益。

[0004] 实验研究表明，如果煤层强度或塑性较强，那么水力化措施的效果往往会很差，而煤岩体在超声波的激励下其强度和塑性均有明显降低，大大提高了水力压裂和水力割缝的影响半径和效果。同时，水力压裂措施虽然会扩张煤体原声裂隙并孕育许多新生裂隙，煤层透气性会有一定的提高，但由于压裂压力和煤层应力的影响，单纯依靠水力压裂措施往往达不到预期的增透效果。这时，再将超声波技术引入水力压裂过程，裂隙中水滴在超声波激励下受迫运动，产生空化现象，局部压力剧增，温度也随之升高，同时，伴有强烈的冲击波和时速达400km的微射流。在高温高压的作用下煤体会产生许多新生裂隙，原有的微裂隙会进一步发育、扩展、延伸，煤体透气性进一步提升。水力压裂结束后，裂隙中残存的水分会阻塞煤层气流动的通道，影响煤层气抽采效率和质量，这种现象被称为水锁效应。而此时第三次使用超声波技术，通过超声波激励水分空化，裂隙中的大水滴分解成小水滴，小水滴气化成水蒸气从裂隙中飘散出来，解除了水力化措施后常见的阻碍煤层气流动的水锁效应，再一次提高了煤层透气性。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，提供一种无污染、成本低、效果好的超声波激励水力压裂煤层增透方法。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，在煤层巷道内沿增透抽采煤层顺层方向依次分组实施若干增透致裂单元，包括如下步骤：

[0008] a、在增透抽采煤层施工一个主钻孔，在距离主钻孔长度间距为20-25m处施工有与主钻孔平行的监测钻孔，所述主钻孔和监测钻孔共同组成一个增透致裂单元；

[0009] b、向主钻孔内送入h形耐压钢管，所述h形耐压钢管与主钻孔前端保持距离2～5m，在所述h形耐压钢管内放入超声波换能器，所述超声波换能器通过耐压防水电缆与超声波联合水力压裂机组的超声波发生装置连接，所述耐压防水电缆与h形耐压钢管之间通过耐压钢质塞密封；

[0010] c、在所述主钻孔与h形耐压钢管之间采用两堵一注的常规注浆方法进行耐高压封孔，形成长度为15～20m的注浆封孔段；

[0011] d、通过超声波换能器向煤层内发射20～25kHz的超声波；

[0012] e、间隔一段时间，超声波联合水力压裂机组的水力压裂装置向h形耐压钢管内进行水力压裂，同时将超声波换能器向煤层内发射的超声波频率调节至30～35kHz；

[0013] f、待监测钻孔内有水流出或者水力压裂装置压力突然下降时，关闭水力压裂装置，通过h形耐压钢管排出主钻孔内的水，此时保持超声波发生装置超声的频率和功率不变，待h形耐压钢管不再流水后关闭超声波发生装置；

[0014] g、将监测钻孔接入煤层气抽采管路，进行常规煤层气抽采。

[0015] 进一步的技术方案，所述超声波换能器为圆柱形，所述超声波换能器的外径比h形耐压钢管主路的内径小0.1m，所述超声波换能器与h形耐压钢管之间采用镂空钢环连接。

[0016] 进一步的技术方案，所述主钻孔的孔径为110-150mm，孔长为增透抽采煤层宽度H的0.75～0.8；所述监测钻孔的孔径为80-110mm，孔长为增透抽采煤层宽度H的0.7～0.8。

[0017] 进一步的技术方案，所述水力压裂装置出来的水的水温50～60℃。

[0018] 有益效果：本发明超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，其中：1)1947年在美国进行了首次水力压裂增产作业之后，由于致裂效果突出，在以后的几十年受到了广泛关注，具有操作简单、施工速度快、致裂效果好等优点，是目前最为常用的致裂措施；2)超声波作为新型的绿色无污染技术，以其方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能、在水中传播距离远等优点广泛应用于各个领域；本发明创新性的将水力压裂技术和超声波致裂技术有机结合在一起，使得致裂效果和影响半径都达到最大化。并具有以下优点：

[0019] 水力压裂之前对煤体进行超声波激励会降低煤岩体的强度和塑性，并产生大量细微裂隙，有利于提高水力化措施的效果和影响半径；水力压裂过程中对煤体进行超声波激励，超声波会激励水受迫振动，尤其是存在于微裂隙中的小水滴在超声波的作用下会产生空化现象，瞬时产生高温高压的气流，并伴有冲击波，导致煤体裂隙进一步发育，同时产生大量新生裂隙，煤层透气性得到大幅度提升；水力压裂完成以后对煤体进行超声波激励，超声波激励煤体裂隙中残存的水分空化，从而使得大水滴分解成小水滴，小水滴气化成水蒸气从裂隙中飘散出来，解除了水力化措施后常见的阻碍煤层气流动的水锁效应，再次提高了煤层透气性；

[0020] 超声波激励煤层致裂会产生大量细微裂隙，水力压裂会撑开微裂隙使之发育成大裂隙，提高了煤层透气性；

[0021] 超声波在水中的传播距离大于在空气中传播，水力压裂将水充满钻孔和裂隙内部，提高了超声波致裂影响半径和空化效果，同时水力压裂结束后超声波将残存在裂隙中的水分祛除，贯通了煤层气解析通道，提高了煤层气抽采效果；

[0022] 超声波作用后煤体的强度和塑性都会降低，使得本发明不仅适用于中、低硬度的煤层致裂，还对高硬度煤层具有良好的致裂效果，应用范围更为广泛；

[0023] 煤层气抽采钻孔可以兼做检测孔，实现一孔两用，节约了工程成本和施工时间，提高了经济效益。

[0024] 本发明方法有效解决了高煤层气低透气煤层煤层气抽采效率低、抽采周期长、抽采钻孔影响范围小的问题，具有广泛的实用性。

附图说明

[0025] 附图1为本发明超声波激励水力压裂煤层增透方法的示意图；

[0026] 附图2为主钻孔的具体设置结构示意图；

[0027] 附图3为钢质塞的横向剖面图；

[0028] 附图4为图4是施工顺序示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0030] 如附图1和4所示，在煤层巷道内沿煤层顺层方向分组依次实施增透致裂单元。

[0031] a.首先施工一个主钻孔，孔径110～150mm，孔长h是增透抽采煤层宽度H的0.75～0.8，在距离主钻孔为20～25m，施工一个水平长度为0.7～0.8H，孔径为80～110mm的监测钻孔9；

[0032] b.钻孔施工完毕后向主钻孔1内送入内部含有圆柱形的超声波换能器5的h形耐压钢管2，h形耐压钢管2前端距主钻孔1前端距离为2～5m，超声波换能器5的外径比h形耐压钢管2主路的内径小0.1m，所述超声波换能器与h形耐压钢管之间采用镂空钢环连接，超声波换能器5通过耐压防水电缆6与超声波发生装置7-1连接，耐压防水电缆6与h形耐压钢管7-1通过耐压钢质塞3来密封；

[0033] c.主钻孔1与h形耐压钢管2之间通过两堵一注的封孔方法进行耐高压封孔，注浆封孔段的长度为15～20m；

[0034] d.通过布置在进风巷或回风巷11的超声波发生装置7-1和超声波换能器5向煤层10内发射20～25kHz的超声波，煤体在超声波激励作用下强度和塑性都降低，而较低频率的超声波能够传播的更远，有利于扩大煤层强度降低的范围；

[0035] e.依据煤层硬度，1～2h后打开水阀8，启动水力压裂装置7-2，通过h形耐压钢管2对主钻孔1进行水力压裂，水力压裂的同时调节超声波发生装置7-1将超声波频率调节至30～35kHz，较高频率的超声波有利于引发空化作用，致裂煤体的效果更为突出；

[0036] f.待煤层气抽采兼监测钻孔9内有水流出或者水力压裂装置7-2水泵压力突然下降时，关闭水力压裂装置7-2，通过h形耐压钢管2排出主钻孔1内的水，此时保持超声波的频率和功率不变，超声波激励煤层微裂隙中的水发生空化，有助于解除水锁效应，待h形耐压钢管2不再流水30min后关闭超声波发生装置；

[0037] g.将煤层气抽采兼监测钻孔9接入煤层气抽采管路，进行煤层气抽采。

[0038] 钻孔施工顺序如图4所示，沿煤层采掘方向依次为“1#—1c—2#—2c—……”，致裂孔与煤层气抽采兼检测孔之间距离为d，d为20～25m，两个煤层气抽采兼检测孔之间的区域为致裂区。

[0039] 水力压裂之前采用频率为20～25kHz的低频超声波，水力压裂过程中及水力压裂之后采用频率为30～35kHz的高频超声波。所述的水力压裂的水温应在50～60℃，较高的水温有利于超声波空化现象的产生和提高空化作用的效果，综合现场使用和实验数据，水力压裂水温在50～60℃时综合效果最佳。

[0040] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。