CN104632174A - 煤层液态二氧化碳压裂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层液态二氧化碳压裂装置及方法，该装置包括用于提供液态CO₂的供应单元、压裂泵、封孔器、第一管道和第二管道；所述封孔器是用于放置在待压裂煤层钻孔内的封孔器，包括注浆管、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊和压裂管，注浆管的一端和压裂管的一端均穿过第一封孔胶囊并固定在第一封孔胶囊上，压裂管的另一端穿过第二封孔胶囊并固定在第二封孔胶囊上，注浆管的另一端位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间。本发明可使矿井增产，提高煤层渗透率和块煤产出率。

Description

煤层液态二氧化碳压裂装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，属于煤矿井下安全开采，尤其是煤层液态二氧化碳压裂装置及方法。

背景技术

我国煤矿主要采用井工开采，开采条件复杂，作业环境恶劣、致灾因子多，特别是低透气性和含硬夹矸(结核)煤层的机械化开采、瓦斯抽采、粉尘防治等难以取得收效。煤体渗透率主要取决于介质的的孔隙率、内部裂纹几何性质、裂隙分形维数、内部的应力-应变状态和孔隙压力等，这些被认为是影响煤体渗透率的主要因素，其中前三个为直接因素，应力-应变状态和孔隙压力通过改变岩石内部孔隙和裂隙而影响渗透率。综合以往煤体压缩与渗透率研究成果，可得到图1。图1a为煤体应力-应变曲线(OA，AB，BC，CD，DE，EF分别表示压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂、宏观破坏、残余强度阶段)，图1b为对应的煤体应力-渗透率曲线。

经过多年研究和实践，水力压裂和***致裂技术是煤层增透或预润的有效途径，虽能整体卸压增透，一定程度的提高煤层的透气性和破碎率，但是其适用性差、工艺复杂、保护距离不足，工作量大，更重要的是这些措施在煤层的卸压影响半径不大。具体体现在：水力压裂技术通过加压泵把压裂液压入钻孔来压裂煤(岩)层，此种方式由于泵的排量和其工艺特点的限制，其压力上升时间太长，加载速度慢，峰值压力低，所以只能形成一条垂直最小主应力方向的裂纹，此裂纹易于沿着原生软弱面扩展，不易生成垂直于层面的新裂纹，使裂纹不易相互沟通，故不能显著增加煤的透气性。即使高压水能够压裂煤体，随着裂隙体积的增加，压裂液的压力也不断降低，快速丧失压裂作用效力。另外压裂支撑剂比例也难以控制，分布也不均匀，煤的亲水性等也会影响煤层的透气性，其压裂设备复杂，成本费用也高，故不适应于提高瓦斯排放。***致裂技术是将煤矿需用安全***或高能***置于钻孔，用炮泥封堵实施***，此方式压力上升时间短，峰值压力高，可产生无数短缝，但由于其***压力远高于围岩的屈服强度，导致钻孔壁严重破碎垮塌，形成残余压力区“应力笼”，从而降低了渗透率。其它水力挤压措施，包括：水力挤出，位于应力集中带以外的卸压带，适用于软煤，通过松动煤体卸压增透，不能用水力压裂原理解释；水力割缝，通过高压水射流在煤体中割缝卸压增透；高压注水，类似于水力压裂，但注水压力与注水量有限，不能开启大的裂缝或使裂缝有效延伸、沟通。

迄今为止公开关于液态CO₂压裂方面的发明(CN 102011574 A、CN102031106 A、CN 102168550 A、CN 102852508 A)都是针对石油开采或者页岩气开采，并且在一些企业已经得到了应用，但是并未见到关于煤矿开采领域应用及相关工艺。

发明内容

本发明提供一种煤层液态二氧化碳压裂装置及方法，可使矿井增产，提高煤层渗透率和块煤产出率。

本发明的技术方案如下：

煤层液态二氧化碳压裂装置，其特殊之处在于：包括用于提供液态CO₂的供应单元、压裂泵、封孔器、第一管道和第二管道；

所述封孔器是用于放置在待压裂煤层钻孔内的封孔器，包括注浆管、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊和压裂管，注浆管的一端和压裂管的一端均穿过第一封孔胶囊并固定在第一封孔胶囊上，压裂管的另一端穿过第二封孔胶囊并固定在第二封孔胶囊上，注浆管的另一端位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间；

所述压裂泵包括压裂液入口和压裂液出口，所述供应单元通过第一管道与压裂液入口连通，压裂液出口通过第二管道与固定在第一封孔胶囊处的压裂管连通；

所述第二管道上设有单向阀和三通，单向阀位于压裂液出口和三通之间；

固定在第一封孔胶囊处的注浆管端头设有注/排浆口。

靠近第二封孔胶囊的压裂管的延伸段上设有CO₂释放孔。

上述CO₂释放孔有5个，相邻CO₂释放孔的间距均为1m。

上述第一管道上设有流量计。

上述压裂泵是压力和流量能够调节的防爆型液态CO₂压裂泵。

上述供应单元上设有液体进出阀、放空阀、气体进出阀、安全阀、测满阀、压力表、加压阀和液位计。

上述供应单元是槽车或罐体，第一管道和第二管道均为软管。

煤层液态二氧化碳压裂装置的煤层液态CO₂压裂方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、钻孔：采用钻具在煤层压裂位置处进行打钻得到钻孔，每个钻孔的两侧还钻有一个或多个检验孔；

步骤2、封孔：将第一封孔胶囊和第二封孔胶囊推进至钻孔内，第二封孔胶囊与钻孔的底部存在空隙，同时按照权利要求1的连接关系将注浆管和压裂管分别固定，并且各管路之间密闭连接，通过注浆管在两个封孔胶囊之间的空隙内注入封孔用浆液；

步骤3、压裂：由供应单元通过压裂管向步骤1的钻孔内通入CO₂，在通入CO2的过程中，将压裂泵的压力逐步升高对煤层实施压裂。

还包括步骤4、监测：监测钻孔两侧的检验孔中的CO₂浓度；

步骤5、泄压：压裂结束后，将各管路中的压力放空，排出封孔浆液，回收压裂装置。

上述步骤1中的钻孔和检验孔位于同一水平高度；

所述步骤3中试压时，压裂泵的试压压力大于或等于泵的额定压力，在试压过程中，运行煤层液态二氧化碳压裂装置的运行时间不少于10min；

步骤3中压裂时，当压裂泵的泵压升高至压裂泵的额定压力时停止压注，保压时间不少于1小时。

本发明具有以下技术效果：

CO2气液两相循环转化持续增加压裂能量，实现良好的压裂效果。液态CO₂注入煤层钻孔，压裂过程中一部分受热膨胀汽化，使压裂压力继续增加，压裂裂隙得以不断延伸；随着CO₂汽化吸热量的增加，部分液态CO₂转变为固态干冰，进入裂隙起到支撑剂作用，防止压裂裂隙的闭合，且压裂液的三态循环转化促进压裂压力持续增加使压裂裂隙范围不断得到扩展，直至压裂液多数转化为气态，或游离态存在与煤层裂隙或竞争吸附于煤层。

更进一步的，CO₂作为压裂液进入煤储层，CO₂溶解于水，并与水反应生成弱酸性的碳酸，该反应可以降低压裂液的pH值，有效防止了煤层中粘土矿物的膨胀，减少了压裂液对地层的伤害，进而提高煤储层的渗透性。

同时，煤层液态CO₂煤层压裂工艺相对于水力压裂简单，同时对煤层具有较好的降温效果，并促进煤层CH₄解吸等优势。该技术及工艺不仅可用于硬度系数大或者存在硬结核或者夹矸煤层的压裂，而且还可用于石门揭煤防突，提高煤层瓦斯的抽放率等效果。

检验孔CO₂浓度监测：对压裂两侧的检验孔进行CO₂浓度监测，主要是为了对压裂效果进行监测(当发现距离一定长度的检验孔内出现CO₂时，就可以判定压裂裂隙已经达到施工的深度要求，可以结束压裂)。

封孔的目的：采用双封孔胶囊+封孔浆液的形式进行封孔，目的在于对压裂孔内的CO₂进行保压(使压裂孔内的压力可以持续升高)，不至于压力升高时候CO₂从孔内溢出，对周围的作业人员造成伤害。

附图说明

图1a为煤体应力-应变曲线图；

图1b为与图1a对应的煤体应力-渗透率曲线；

图2是本发明煤层液态CO₂钻孔的布置示意图；

图3是本发明煤层液态CO₂压裂装置***布置示意图；

图4是本发明钻孔的封孔结构示意图；

图5是本发明检验孔布置结构示意图。

1-采空区；2-回采工作面；3-备采工作面；4-钻孔；5-相邻采空区；6-护巷煤柱；7-供应单元(液态CO₂槽车)；8-流量计；9-第一管道；10-压力表；11-压裂泵；12-单向阀；13-三通；14-排气开关；15-注/排浆口；16-快速接头；18-压裂煤层；19-第一封孔胶囊；20-第二封孔胶囊；21-注浆管；22-压裂管；23-封孔浆液；24-CO₂释放孔；26-检验孔；a-封孔段；b-压裂段。

具体实施方式

本发明提供一种煤层液态二氧化碳压裂装置，包括用于提供液态CO₂的供应单元7、压裂泵11、封孔器、第一管道9和第二管道；

封孔器是用于放置在待压裂煤层钻孔内的封孔器，包括注浆管21、第一封孔胶囊19、第二封孔胶囊20和压裂管22，注浆管的一端和压裂管的一端均穿过第一封孔胶囊并固定在第一封孔胶囊上，压裂管的另一端穿过第二封孔胶囊并固定在第二封孔胶囊上，注浆管的另一端位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间；

压裂泵包括压裂液入口和压裂液出口，供应单元通过第一管道与压裂液入口连通，压裂液出口通过第二管道与固定在第一封孔胶囊处的压裂管连通；

第一管道上设有流量计8；第二管道上设有单向阀12和三通13，单向阀位于压裂液出口和三通之间；

固定在第一封孔胶囊处的注浆管端头设有注/排浆口15。钻孔内压裂管可采用壁厚5mm的优质无缝钢管。

靠近第二封孔胶囊的压裂管的延伸段上设有CO₂释放孔，CO₂释放孔有5个，相邻CO₂释放孔的间距均为1m。

压裂泵是压力和流量能够调节的防爆型液态CO₂压裂泵。

供应单元上设有液体进出阀、放空阀、气体进出阀、安全阀、测满阀、压力表10、加压阀和液位计。

供应单元可选用是槽车或罐体，第一管道和第二管道均为软管，第一管道也可选用内径1寸的耐高压低温软管。

基于本发明的煤层液态二氧化碳压裂装置的煤层液态CO₂压裂方法，包括以下步骤：

步骤1、钻孔：采用钻具在煤层压裂位置处进行打钻得到钻孔4，每个钻孔的两侧还钻有一个或多个检验孔26；

步骤2、封孔：将第一封孔胶囊和第二封孔胶囊推进至钻孔内，第二封孔胶囊与钻孔的底部存在空隙，同时本发明煤层液态二氧化碳压裂装置的连接关系将注浆管和压裂管分别固定，并且各管路之间密闭连接，通过注浆管在两个封孔胶囊之间的空隙内注入封孔用浆液；

步骤3、压裂：由供应单元通过压裂管向步骤1的钻孔内通入CO₂，在通入CO₂的过程中，将压裂泵的压力逐步升高对煤层实施压裂；

步骤4、监测：监测钻孔两侧的检验孔中的CO₂浓度，可监测CO₂对煤层的压裂半径影响范围，进而对压裂效果进行监测，同时对作业区域环境进行实时监测；

步骤5、泄压：压裂结束后，将各管路中的压力放空，排出封孔浆液，回收压裂装置。

其中，步骤1中的钻孔和检验孔位于同一水平高度；

步骤3中试压时，压裂泵的试压压力大于或等于泵的额定压力，在试压过程中，运行煤层液态二氧化碳压裂装置的运行时间不少于10min；

步骤3中压裂时，当压裂泵的泵压升高至压裂泵的额定压力时停止压注，保压时间不少于1小时。

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

以液态CO₂作为压裂媒质，采用中压储罐将液态CO₂运输至井下，应用二氧化碳增压泵注入钻孔，钻孔中气化后的CO₂体积膨胀升压，实现煤层的安全压裂。具体实施方式如下：

煤层液态CO₂压裂装置由液态CO₂槽车、压裂泵、压裂管、封孔器、监测仪器\第一管道和第二管道与配件等组成。液态CO₂槽车为整个压裂过程提供压裂液，压裂泵作为压裂过程的动力设施对液态CO₂进行升压，通过耐高压低温管路进入压裂管将其输送至用专用封孔器封堵的钻孔对煤层进行压裂作业，压裂过程对煤层及作业区域环境进行实时监测。

液态CO₂槽车可选择CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳储罐，选用有效容积为1.2L或者2.0L的卧式储罐，储罐设有液体进出阀、放空阀、气体进出阀、安全阀、测满阀、压力表、加压阀、液位计等。

压裂泵选用压力、流量可调节的液态CO₂压裂泵，流量范围5-6000L/h，出口压力范围在5～30MPa的矿用防爆型高压低温增压泵。

第一管道和第二管道，可选用内径1寸的耐高压低温软管，其抗压能力大于40Mpa，端头连接快速接头。

如图2，顺煤层走向在回采工作面两道煤层的中心线位置，向煤层内部分别施工钻孔深度H、钻孔间距L、孔径为D的钻孔，其参数由煤层结构类型、煤层厚度和工作面长度参数确定。

如图5，在与钻孔两侧的等高位置分别施工两个检验孔，两个检验孔距离钻孔的位置分别为L1和L2，两个检验孔的深度均等于钻孔深度。

如图4，封孔器采用双胶囊封孔器，将封孔胶囊推进至封孔段，同时将注浆管和压裂管置于封孔中，孔口同样用封孔胶囊封堵，将注浆泵与注浆管口相连，对封孔段(两个封孔胶囊之间)注入封孔浆液23。钻孔内压裂管采用壁厚5mm优质无缝钢管。

封孔器封孔强度必须大于压裂过程中产生的最大反冲力。最大反冲力按下式计算：

F_max＝0.25πD²p×10^-3

式中：F_max——最大反冲力，kN；

D——钻孔直径，mm；

p——CO2压裂泵的额定压力，MPa；

如图3，将载有CPW-2.0矿用移动式液态二氧化碳储罐的液态CO₂槽车出液口通过用内径1寸的耐高压低温软管与压裂泵车的压裂液入口相连接，压裂泵出口通过第二管道连接至压裂管的快速接头上。设置在第二管道上的三通的一个出口处安装排气开关14。在使用本发明装置时，使用矿用便携式二氧化碳超限报警仪，用来检测环境二氧化碳浓度。

开始实施压裂操作时候必须先进行试压，试压压力必须达到泵的额定压力，且保持该压力运行时间不少于10min。然后打开液态CO2槽车出液口阀门，启动压裂泵开始进行煤层压裂操作，泵压逐渐升高至泵的额定压力10MPa时停止压注，保压时间不少于1小时。压裂过程严格按照压裂设计进行，实时监测泵组运行情况，记录压力和流量数据。同时对钻孔两侧的两个检验孔中的CO2浓度进行检测，监测CO2对煤层的压裂半径影响范围。

压裂操作完成后打开三通上的排气开关，对钻孔泄压，同时将各高压管路放空，排出封孔浆液，回收压裂装置，对下一个钻孔进行上述操作。

步本发明中的钻孔分布于煤层回采工作面前方的长度方向上。

压裂法的钻孔及压裂作业可均在回采巷道中或者掘进头处进行。

本发明的工作原理：

本发明以液态CO₂作为压裂媒质，采用中压储罐将液态CO₂运输至井下，应用二氧化碳增压泵注入钻孔，钻孔中气化后的CO₂体积膨胀升压，在裂隙弱面内对壁面产生内压作用下导致裂隙弱面发生扩展、延伸、以至相互之间发生联接贯通，形成相互交织的贯通裂隙网络，实现对煤层硬度系数大且含硬夹矸(结核)煤层的安全压裂，增加煤层的裂隙发育，达到提高煤层渗透率、矿井增产和提高块煤产出率的目的。

本发明的保护范围不限于本发明的具体实施方式，在不脱离发明构思的前提下，对本发明所做的任何推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：包括用于提供液态CO₂的供应单元、压裂泵、封孔器、第一管道和第二管道；

所述封孔器是用于放置在待压裂煤层钻孔内的封孔器，包括注浆管、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊和压裂管，注浆管的一端和压裂管的一端均穿过第一封孔胶囊并固定在第一封孔胶囊上，压裂管的另一端穿过第二封孔胶囊并固定在第二封孔胶囊上，注浆管的另一端位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间；

所述压裂泵包括压裂液入口和压裂液出口，所述供应单元通过第一管道与压裂液入口连通，压裂液出口通过第二管道与固定在第一封孔胶囊处的压裂管连通；

所述第二管道上设有单向阀和三通，单向阀位于压裂液出口和三通之间；

固定在第一封孔胶囊处的注浆管端头设有注/排浆口。

2.根据权利要求1所述的煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：靠近第二封孔胶囊的压裂管的延伸段上设有CO₂释放孔。

3.根据权利要求2所述的煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：所述CO₂释放孔有5个，相邻CO₂释放孔的间距均为1m。

4.根据权利要求3所述的煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：所述第一管道上设有流量计。

5.根据权利要求4所述的煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：所述压裂泵是压力和流量能够调节的防爆型液态CO₂压裂泵。

6.根据权利要求5所述的煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：所述供应单元上设有液体进出阀、放空阀、气体进出阀、安全阀、测满阀、压力表、加压阀和液位计。

7.根据权利要求6所述的煤层液态二氧化碳压裂装置，其特征在于：所述供应单元是槽车或罐体，第一管道和第二管道均为软管。

8.基于权利要求1至7任一权利要求所述的煤层液态二氧化碳压裂装置的煤层液态CO₂压裂方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、钻孔：采用钻具在煤层压裂位置处进行打钻得到钻孔，每个钻孔的两侧还钻有一个或多个检验孔；

步骤2、封孔：将第一封孔胶囊和第二封孔胶囊推进至钻孔内，第二封孔胶囊与钻孔的底部存在空隙，同时按照权利要求1的连接关系将注浆管和压裂管分别固定，并且各管路之间密闭连接，通过注浆管在两个封孔胶囊之间的空隙内注入封孔用浆液；

步骤3、压裂：

由供应单元通过压裂管向步骤1的钻孔内通入CO₂，在通入CO₂的过程中，将压裂泵的压力逐步升高对煤层实施压裂。

9.根据权利要求8所述的煤层液态CO₂压裂方法，其特征在于：还包括以下步骤：

步骤4、监测：监测钻孔两侧的检验孔中的CO₂浓度；

步骤5、泄压：压裂结束后，将各管路中的压力放空，排出封孔浆液，回收压裂装置。

10.根据权利要求9所述的煤层液态CO₂压裂工艺，其特征在于：所述步骤1中的钻孔和检验孔位于同一水平高度；

所述步骤3中试压时，压裂泵的试压压力大于或等于泵的额定压力，在试压过程中，运行煤层液态二氧化碳压裂装置的运行时间不少于10min；

步骤3中压裂时，当压裂泵的泵压升高至压裂泵的额定压力时停止压注，保压时间不少于1小时。