CN109707435A

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

Info

Publication number: CN109707435A
Application number: CN201910023573.9A
Authority: CN
Inventors: 王苏健; 姜永东; 宋超; 王鹏; 黄克军; 黄欣; 康智鹏; 宋晓; 牟俊慧; 周军平; 刘浩; 李栋; 周凤
Original assignee: Chongqing University; Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co Ltd
Current assignee: Chongqing University; Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co Ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明属于煤层瓦斯高效开采技术领域，涉及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，包括声场系统、水力压裂系统以及瓦斯抽采管路系统；其中瓦斯抽采管路系统包括煤层瓦斯抽采钻场、钻孔和瓦斯管；所述声场系统包括超声波发生器以及与其相连的换能器，所述换能器放置于煤层钻孔内；所述水力压裂系统包括压裂泵以及水箱，所述压裂泵的进水端与所述水箱相连，所述压裂泵的出水端与抽采钻孔相连；本发明利用了声场、水力压裂各自的优点强化煤层瓦斯抽采，具有广泛的应用前景。

Description

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

技术领域

本发明属于煤层瓦斯高效开采技术领域，涉及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。

背景技术

煤层气是我国战略性接替的新能源，在埋深2000m以浅储量约36.8万亿立方米，它是一笔可支配的较洁净的能矿资源和化工原料，其次煤层气是煤矿重大瓦斯事故的有害源。据统计，瓦斯灾害事故约占煤矿重大灾害事故的70％。同时，其主要组分CH₄是一种比CO₂高21倍的强温室效应气体。所以从资源的利用、安全生产和保护环境角度来看，开发煤层气势在必行。

我国煤矿95％以上为井工开采，国有重点煤矿70％以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，且80％煤矿是低透气性煤层。煤层气赋存特点为：一是煤层气含量高(10～30m³/t)，吸附态占90％，煤层气难解吸，二是煤层渗透率极低(透气性系数10^-5～10^-3mD)，煤层气难抽采，抽采时间长，三是瓦斯压力大(3～12MPa)，瓦斯治理困难，四是抽采效率低。当前国内外高效抽采煤层气主要有松动爆破、水力压裂、水力割缝、注气、水平井技术、物理场激励等。

目前采用的煤层增渗技术具有一定的适用条件，还需探索新的技术实现煤层瓦斯的高效开发。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供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，能够结合声场激励和水力压裂两种抽采形式的优势，充分发挥在抽采过程中的声场效应，强化煤层瓦斯的高效抽采。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，包括声场系统、水力压裂系统以及瓦斯抽采管路系统；其中瓦斯抽采管路系统包括煤层瓦斯抽采钻场、钻孔和瓦斯管；所述声场系统包括超声波发生器以及与其相连的换能器，所述换能器放置于煤层钻孔内；所述水力压裂系统包括压裂泵以及水箱，所述压裂泵的进水端与所述水箱相连，所述压裂泵的出水端与抽采钻孔相连。

可选地，还包括用于整合声场系统以及水力压裂系统能量的声震孔，所述声震孔在煤层内钻孔设置，在回采工作面机巷或回风巷向煤层中钻孔，所述换能器放置在声震孔的孔底；所述压裂泵的出水端与声震孔连接。

可选地，所述声震孔的入口端密封，密封长度为4～6m。

可选地，所述声震孔可放置若干个换能器。

可选地，所述超声波发生器设有多台，且其输出功率均独立调节。

可选地，所述换能器的频率为15～30kHz，单台超声波发生器最大功率为3kw，总功率9kw。

可选地，所述抽采孔的直径为75～120mm，封孔长度3～5m。

一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采方法，利用超声波的空化效应、振动效应、热效应促进瓦斯解吸、扩散、流动；同时利用水力压裂致煤层形成主裂缝和大量微裂缝网络促进瓦斯渗流。

可选地，该抽采方法包括以下步骤，使用矿用钻机钻取抽采孔、声震孔；在声震孔中放入换能器，在煤层机巷放置超声波发生器，换能器导线与超声波发生器连接；在煤层机巷中安装水箱和压裂泵，压裂泵的出水端高压管放入声震孔中；密封抽采孔、声震孔；对煤层实施水力压裂致裂煤层；在水力压裂保压和卸压后实施声场激励煤层瓦斯。

可选地，在抽采期间，保持声震孔处于饱水状态并连续性的对煤层实施声场激励。

本发明的有益效果在于：

声场系统可以对煤矿进行声场激励，声场的空化效应可以使含水煤层产生大量的空化气泡，瞬间破裂产生强大的压力使煤体破裂；声场的热效应可以使水温升高，降低水的粘度，可以提高水力压裂的影响范围，同时水温升高，瓦斯的运动速度加快，有利于瓦斯脱附；声场的振动效应利于瓦斯扩散，而水温升高使得振动效应更加明显，衰减更慢，影响范围更大。而水压裂系统可以压裂煤层，使煤层产生主裂缝和大量微裂缝，有利于瓦斯渗流。声场系统和水压裂系统的复合技术可以有效强化瓦斯的高效抽采，具备广泛的应用前景。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中实施例一的结构示意图。

图2为本发明中实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1、图2，附图中的元件标号分别表示：工作面1、抽采孔2、换能器3、瓦斯管4、机巷5、水箱6、压裂泵7、超声波发生器8、马丽散9、声震孔10，抽采钻场11。

实施例一

本发明涉及一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，包括声场系统、水力压裂系统以及瓦斯抽采管路系统；其中瓦斯抽采管路系统包括煤层内的抽采钻孔2以及瓦斯管4；所述声场系统包括超声波发生器8以及与其相连的换能器3，所述换能器3放置在声震孔的孔底；所述水力压裂系统包括压裂泵7以及水箱6，所述压裂泵7的进水端与所述水箱6相连，所述压裂泵7的出水端伸入声震孔内。

可选地，还包括用于整合声场系统以及水力压裂系统能量的声震孔10，所述声震孔10在煤层内钻取设置，所述换能器3设置在声震孔10的孔底；所述压裂泵7的出水端连接声震孔10并用马丽散9进行密封底；所述声震孔10的入口端需密封，密封长度为4～6m；所述声震孔10可放置若干个换能器3；所述超声波发生器8设有多台，且其输出功率均独立调节；所述换能器3的频率为15～30kHz，单台超声波发生器8最大功率为3kw，总功率9kw；所述抽采孔2的直径为75～120mm，封孔长度3～5m。

在本实施例中，每台超声波发生器8连接1个换能器3；声震孔10孔径为100～120mm，孔间距80～100m，孔长为工作面1长度的0.3倍，封孔长度4～6m；煤层水压力范围为15～25MPa，压入水量15～30m³/h。抽采孔2直径一般为75～120mm，封孔长度3～5m，薄煤层钻孔量0.05～0.1m/t，中厚煤层钻孔量0.03～0.05m/t，厚煤层钻孔量0.01～0.03m/t，瓦斯管4按经济流速5m/s～15m/s和最大通过流量来设计管径。在具体的实施过程中，可以将瓦斯管4对称地布置在煤层两侧的机巷和回风巷，抽采钻场11中抽采孔2的长度占工作面1长度的0.5倍。

一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采方法，利用超声波的空化效应、振动效应、热效应促进瓦斯解吸、扩散、流动；同时利用水力压裂致煤层形成主裂缝和大量微裂缝网络促进瓦斯渗流；该抽采方法包括以下步骤，使用矿用钻机钻取抽采孔2、声震孔10；在声震孔10中放入换能器3，在煤层机巷5中放置超声波发生器8，换能器3导线与超声波发生器8连接；在煤层机巷5中安装水箱6和压裂泵7，压裂泵7的出水端高压管放入声震孔10中；密封抽采孔2、声震孔10；对煤层实施水力压裂致裂煤层；在水力压裂保压和卸压后实施声场激励煤层瓦斯；在抽采期间，保持声震孔10处于饱水状态并连续性的对煤层实施声场激励。

实施例二

本实施例与实施例一不同的是，本实施例中的瓦斯管4分布在煤矿单侧，抽采孔2布置在煤层内，其孔的长度为工作面1长度的0.7—0.8倍。且实施例一中的抽采孔2呈扇形布置在煤层内；而实施例二中的抽采孔2平行并列地布置在煤层内。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：包括声场系统、水力压裂系统以及瓦斯抽采管路系统；

其中瓦斯抽采管路系统包括煤层瓦斯抽采钻场、钻孔和瓦斯管；

所述声场系统包括超声波发生器以及与其相连的换能器，所述换能器放置于煤层钻孔内；

所述水力压裂系统包括压裂泵以及水箱，所述压裂泵的进水端与所述水箱相连，所述压裂泵的出水端与抽采钻孔相连。

2.如权利要求1中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：还包括用于整合声场系统以及水力压裂系统能量的声震孔，所述声震孔在煤矿内钻取设置，由煤矿边缘延伸至煤矿内，所述换能器设置在声震孔伸入煤矿内的一端上；所述压裂泵的出水端连通至声震孔设置在煤矿外侧的一端上。

3.如权利要求2中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述声震孔直径为100～120mm，孔长为工作面长度的0.3倍，孔的入口端需密封，密封长度为4～6m。

4.如权利要求2中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述声震孔内放置若干个换能器。

5.如权利要求1中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述超声波发生器设有多台，且其输出功率均独立调节。

6.如权利要求5中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述换能器的频率为15～30kHz，单台超声波发生器最大功率为3kw，总功率9kw。

7.如权利要求1中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述抽采孔的直径为75～120mm，孔长为工作面长度的0.5倍，封孔长度3～5m。

8.一种声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采方法，其特征在于：利用超声波的空化效应、振动效应、热效应促进瓦斯解吸、扩散、流动；同时利用水力压裂致煤层形成主裂缝和大量微裂缝网络促进瓦斯渗流。

9.如权利要求8中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用矿用钻机钻取抽采孔、声震孔；

在声震孔中放入若干个换能器，在煤层机巷中放置超声波发生器，换能器导线与超声波发生器连接；

在煤层机巷中安装水箱和压裂泵，压裂泵的出水端高压管放入声震孔中；

密封煤层气瓦斯抽采孔、声震孔；

对煤层实施水力压裂致裂煤层；

在水力压裂保压和卸压后长时间实施声场激励煤层瓦斯。

10.如权利要求9中所述的声场与水力压裂复合技术提高煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，在抽采期间，保持声震孔处于饱水状态并连续性的对煤层瓦斯实施声场激励。