CN112943210A - 一种电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利涉及本发明公开了一种电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，适用于煤层气井高效开采。该方法是从地面向煤层施工正电极井筒和负电极井筒，利用超声波发生器产生的弹性效应，扰动正电极井筒和负电极井筒之间的煤层，在煤层内催生出孔裂隙，同时向煤层注满导电离子溶液，利用高压电脉冲放电击穿正电极和负电极之间的煤层，巨大的能量形成冲击波作用于煤层，有效地增加煤层内的裂缝数量并改善裂缝连通性。煤层气在微波和超声波和高压脉冲波的协同作用下向地面井运移，最后抽采煤层气。本发明对改进煤层气的抽采，提高煤矿开采的安全性具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，属于煤矿井下瓦斯解吸相关技术领域，尤其适用于高瓦斯煤层。
背景技术
目前，我国大部分煤层为高瓦斯压力、高地应力和低渗透性煤层，煤层开采过程中瓦斯动力现象严重，地质条件复杂，煤层透气性差，导致大部分煤层抽采利用率较低。现有技术中，常规的水力压裂技术无法控制煤体裂纹的起裂位置和扩展方向，同时在煤层内形成的裂缝数量较少，且裂缝延伸范围较小，不能对试验煤层实施有效压裂。现阶段下电脉冲煤层增透技术存在电压过高，安全系数低，能量消耗大等问题。
随着学者的研究，通过高压脉冲措施进行煤层的增透增渗，提高煤层瓦斯抽采率。同时超声波振动可促使煤体内的裂隙发育发展，降低煤体的抗压强度和弹性模量。因此，亟需研发一种电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，以解决该项技术的应用瓶颈。
发明内容
本发明为了克服已有技术中的不足之处，提供了一种简单高效的电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法。
为实现上述技术目的，本发明的电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，首先从地面向煤层中布置成对的钻孔，在两个钻孔中的同一水平煤层相对贴合煤壁设置超声波换能器，并利用平行套管将超声波换能器及其线路覆盖包裹，利用超声波换能器产生的弹性效应，扰动煤层在煤层内催生出孔裂隙，将两个钻孔之间的煤层注满导电离子溶液，再在两个钻孔之间的煤壁上分别布置正负电极，利用正负电极向煤层进行电极直至击穿，煤层气在微波和超声波和高压脉冲波的协同作用下向地面井运移，最后使用瓦斯抽采***从两个钻孔中抽采瓦斯。
其具体步骤如下
a从地面向煤层分别施工等深的正电极钻井和负电极钻井，在负电极钻井附近设置水分分析仪，并将在通过导线与水分分析仪连接的传感器放入负电极钻井底部；在正电极钻井筒和负电极钻井中分别下平行套管，根据前期施工深度使平行套管的前端到达煤层的中部，并保证正电极钻井筒和负电极钻井中的平行套管前端位于同一水平线上；
b在两个平行套管内部分别放入超声波换能器，并将超声波换能器相对固定在同一水平位置处，利用电缆与设置在地表的超声波发射器相连接，打开超声波发射器，通过两个超声波换能器向正电极钻井和负电极钻井之间的煤层辐射超声振动，利用超声震动扰动煤层，使得煤层松动，进行达到煤层泄压，瓦斯释放；
c在正电极钻井的井口附近设置储存右导电离子溶液的储液泵，储液泵在正电极钻井中设有输液管路，所述输液管路与平行套管两者隔离，通过打开阀门利用储液泵将导电离子溶液通过输液管路注入正电极钻井中；
d利用水分分析仪通过传感器检测周围煤层有导电离子溶液时，关闭储液泵的阀门，停止向正电极钻井中注入导电离子溶液，此时正电极钻井和负电极钻井之间的煤层中有充足的导电离子溶液，进而改善两个钻井之间煤体的导电性；
e在正电极钻井和负电极钻井中间的地表设置平衡架，平衡架两侧分别设有可伸入正电极钻井和负电极钻井的两支同步伸缩的伸缩式滑杆，两支伸缩式滑杆的端部分别设有绝缘固定台，其中放入正电极钻井的绝缘固定台上分别设有正电极和高压脉冲发射装置，放入负电极钻井的绝缘固定台上设有负电极，使正电极与负电极处在同一水平上并紧贴筒壁；
f开启高压电源，通过电缆向高压脉冲发射装置充电，当充电达到设定放电电压时，开启高压脉冲发射装置，向正电极与负电极之间的煤层放电，高压脉冲发射装置产生的高压电脉冲冲击煤层；
g放电20-100次后击穿正电极与负电极之间之间煤层，此时正电极与负电极之间的煤层上产生大量裂隙，并出现不同程度的破碎状态，之后关闭高压电源，在负电极钻井中安装抽采装置和抽采管路，对正电极钻井和负电极钻井的煤层气进行抽采；当煤层气抽产量下降时，重复以上a-g步骤，多次进行超声波振动，电脉冲放电和煤层气抽采。
进一步，所述高压脉冲发射装置通过正电极与负电极产生的高压电脉冲发生频率为10Hz-80Hz，电压范围为20Kv-500Kv。
进一步，所述储液泵输出的导电离子压裂溶液的压力范围为50MPa-500MPa。
进一步，：所述正正电极钻井（19）和负电极钻井之间的间距为150m--1500m，正电极钻井（19）和负电极钻井的施工深度根据需要为15m-100m。
进一步，超声波发射器输出的可控振动频率为60～250Hz，最大功率为1.5KW。
进一步，所述负电极钻井内还设有温度传感器，用以实时检测煤层温度，通过煤层温度的变化判断超声波辐射范围和强度，当温度不再改变时结束超声振动辐射。
有益效果：本本装置结合高压电脉冲和声波的优点，通过超声波发射器对煤层产生的超声振动辐射从而，扰动煤层，使得煤层松动，有利于煤层中瓦斯的解吸和运移，在超声波发射器发射的声波传播过程中能量转化为热能以及超声波换能器的产生振幅效应会产生散热效应，使瓦斯气体和煤层之间产生相对运动，降低煤体对瓦斯气体的吸附力，进而扩大煤体孔裂隙；同时煤体温度升高，增强瓦斯分子的脱附能力，进而促进瓦斯解吸。高压电脉冲产生的能量波对煤岩体结构进行冲击，使煤岩体中已闭合的裂缝再次张开并扩展，对煤层孔隙介质产生剪切作用，使煤层中已闭合的裂缝再次张开并扩展，形成多个主裂缝和致裂裂缝带，超声震动对煤层产生剪切作用，振落煤体颗粒表面的黏土胶结物，大幅度促进了瓦斯向煤体外的空间运移。
附图说明
附图1本发明电脉冲协同超声波的煤层气强化开采的施工示意图；
图中：1-煤层，2-抽采装置，3-抽采管路，4-水分分析仪，5-伸缩式滑杆，6-超声波发射器，7-平衡架，8-高压电源，9-平行套管，10-阀门，11-储液泵，12-感应器，13-负电极钻井，14-温度传感器，15-绝缘固定台，16-超声波换能器，17-1-正电极，17-2-负电极，18-高压脉冲发射装置，19-正电极钻井，20-电缆，21-输液管路。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明专利作进一步的详细说明。
如附图1所示的电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，首先从地面向煤层中布置成对的钻孔，在两个钻孔中的同一水平煤层相对贴合煤壁设置超声波换能器（16），并利用平行套管（9）将超声波换能器（16）及其线路覆盖包裹，利用超声波换能器（16）产生的弹性效应，扰动煤层在煤层内催生出孔裂隙，将两个钻孔之间的煤层注满导电离子溶液，再在两个钻孔之间的煤壁上分别布置正负电极，利用正负电极向煤层进行电极直至击穿，煤层气在微波和超声波和高压脉冲波的协同作用下向地面井运移，最后使用瓦斯抽采***从两个钻孔中抽采瓦斯。
其具体步骤如下：
a从地面向煤层1分别施工等深的正电极钻井19和负电极钻井13，正电极钻井19和负电极钻井13之间的间距为150m--1500m，正电极钻井19和负电极钻井13的施工深度根据需要为15m-100m；在负电极钻井13附近设置水分分析仪4，并将在通过导线与水分分析仪4连接的传感器12放入负电极钻井13底部；在正电极钻井筒19和负电极钻井13中分别下平行套管9，根据前期施工深度使平行套管9的前端到达煤层1的中部，并保证正电极钻井筒19和负电极钻井13中的平行套管9前端位于同一水平线上；
b在两个平行套管9内部分别放入超声波换能器16，并将超声波换能器16相对固定在同一水平位置处，利用电缆与设置在地表的超声波发射器6相连接，打开超声波发射器6，通过两个超声波换能器16向正电极钻井19和负电极钻井13之间的煤层辐射超声振动，利用超声震动扰动煤层，使得煤层松动，进行达到煤层泄压，瓦斯释放，超声波发射器6输出的可控振动频率为60～250Hz，最大功率为1.5KW；负电极钻井16内还设有温度传感器14，用以实时检测煤层温度，通过煤层温度的变化判断超声波辐射范围和强度，当温度不再改变时结束超声振动辐射；
c在正电极钻井19的井口附近设置储存右导电离子溶液的储液泵11，储液泵11在正电极钻井19中设有输液管路20，储液泵11输出的导电离子压裂溶液的压力范围为50MPa-500MPa；所述输液管路20与平行套管9两者隔离，通过打开阀门10利用储液泵11将导电离子溶液通过输液管20路注入正电极钻井19中，平行套管9保证其内部的超声波换能16和线路与导电离子溶液隔离；
d利用水分分析仪4通过传感器12检测周围煤层有导电离子溶液时，关闭储液泵11的阀门10，停止向正电极钻井19中注入导电离子溶液，此时正电极钻井19和负电极钻井13之间的煤层中有充足的导电离子溶液，进而改善两个钻井之间煤体的导电性；
e在正电极钻井19和负电极钻井13中间的地表设置平衡架7，平衡架7两侧分别设有可伸入正电极钻井19和负电极钻井13的两支同步伸缩的伸缩式滑杆5，两支伸缩式滑杆5的端部分别设有绝缘固定台15，其中放入正电极钻井19的绝缘固定台15上分别设有正电极17-1和高压脉冲发射装置18，放入负电极钻井13的绝缘固定台15上设有负电极17-2，使正电极17-1与负电极17-2处在同一水平上并紧贴筒壁；高压脉冲发射装置18通过正电极17-1与负电极17-2产生的高压电脉冲发生频率为10Hz-80Hz，电压范围为20Kv-500Kv。
f开启高压电源8，通过电缆向高压脉冲发射装置18充电，当充电达到设定放电电压时，开启高压脉冲发射装置18，向正电极17-1与负电极17-2之间的煤层1放电，高压脉冲发射装置18产生的高压电脉冲冲击煤层1；
g放电20-100次后击穿正电极17-1与负电极17-2之间之间煤层，此时正电极17-1与负电极17-2之间的煤层上产生大量裂隙，并出现不同程度的破碎状态，之后关闭高压电源8，在负电极钻井13中安装抽采装置2和抽采管路3，对正电极钻井19和负电极钻井13的煤层气进行抽采；当煤层气抽产量下降时，重复以上a-g步骤，多次进行超声波振动，电脉冲放电和煤层气抽采。
Claims (7)
1.一种电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于：首先从地面向煤层中布置成对的钻孔，在两个钻孔中的同一水平煤层相对贴合煤壁设置超声波换能器（16），并利用平行套管（9）将超声波换能器（16）及其线路覆盖包裹，利用超声波换能器（16）产生的弹性效应，扰动煤层在煤层内催生出孔裂隙，将两个钻孔之间的煤层注满导电离子溶液，再在两个钻孔之间的煤壁上分别布置正负电极，利用正负电极向煤层进行电极直至击穿，煤层气在微波和超声波和高压脉冲波的协同作用下向地面井运移，最后使用瓦斯抽采***从两个钻孔中抽采瓦斯。
2.根据权利要求1所述的电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于具体步骤如下：
a 从地面向煤层（1）分别施工等深的正电极钻井（19）和负电极钻井（13），在负电极钻井（13）附近设置水分分析仪（4），并将在通过导线与水分分析仪（4）连接的传感器（12）放入负电极钻井（13）底部；在正电极钻井筒（19）和负电极钻井（13）中分别下平行套管（9），根据前期施工深度使平行套管（9）的前端到达煤层（1）的中部，并保证正电极钻井筒（19）和负电极钻井（13）中的平行套管（9）前端位于同一水平线上；
b 在两个平行套管（9）内部分别放入超声波换能器（16），并将超声波换能器（16）相对固定在同一水平位置处，利用电缆与设置在地表的超声波发射器（6）相连接，打开超声波发射器（6），通过两个超声波换能器（16）向正电极钻井（19）和负电极钻井（13）之间的煤层辐射超声振动，利用超声震动扰动煤层，使得煤层松动，进行达到煤层泄压，瓦斯释放；
c 在正电极钻井（19）的井口附近设置储存右导电离子溶液的储液泵（11），储液泵（11）在正电极钻井（19）中设有输液管路（20），所述输液管路（20）与平行套管（9）两者隔离，通过打开阀门（10）利用储液泵（11）将导电离子溶液通过输液管（20）路注入正电极钻井（19）中；
d 利用水分分析仪（4）通过传感器（12）检测周围煤层有导电离子溶液时，关闭储液泵（11）的阀门（10），停止向正电极钻井（19）中注入导电离子溶液，此时正电极钻井（19）和负电极钻井（13）之间的煤层中有充足的导电离子溶液，进而改善两个钻井之间煤体的导电性；
e 在正电极钻井（19）和负电极钻井（13）中间的地表设置平衡架（7），平衡架（7）两侧分别设有可伸入正电极钻井（19）和负电极钻井（13）的两支同步伸缩的伸缩式滑杆（5），两支伸缩式滑杆（5）的端部分别设有绝缘固定台（15），其中放入正电极钻井（19）的绝缘固定台（15）上分别设有正电极（17-1）和高压脉冲发射装置（18），放入负电极钻井（13）的绝缘固定台（15）上设有负电极（17-2），使正电极（17-1））与负电极（17-2）处在同一水平上并紧贴筒壁；
f开启高压电源（8），通过电缆向高压脉冲发射装置（18）充电，当充电达到设定放电电压时，开启高压脉冲发射装置（18），向正电极（17-1））与负电极（17-2）之间的煤层（1）放电，高压脉冲发射装置（18）产生的高压电脉冲冲击煤层（1）；
g放电20-100次后击穿正电极（17-1））与负电极（17-2）之间之间煤层，此时正电极（17-1））与负电极（17-2）之间的煤层上产生大量裂隙，并出现不同程度的破碎状态，之后关闭高压电源（8），在负电极钻井（13）中安装抽采装置（2）和抽采管路（3），对正电极钻井（19）和负电极钻井（13）的煤层气进行抽采；当煤层气抽产量下降时，重复以上a-g步骤，多次进行超声波振动，电脉冲放电和煤层气抽采。
3.根据权利要求1所述电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于：所述高压脉冲发射装置（18）通过正电极（17-1）与负电极（17-2）产生的高压电脉冲发生频率为10Hz-80Hz，电压范围为20Kv-500Kv。
4.根据权利要求2所述电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于：所述储液泵（11）输出的导电离子压裂溶液的压力范围为50MPa-500MPa。
5.根据权利要求2所述电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于：所述正正电极钻井（19）和负电极钻井（13）之间的间距为150m--1500m，正电极钻井（19）和负电极钻井（13）的施工深度根据需要为15m-100m。
6.根据权利要求2所述电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于：超声波发射器（6）输出的可控振动频率为60～250Hz，最大功率为1.5KW。
7.根据权利要求2所述电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法，其特征在于：所述负电极钻井（16）内水平套管（9）中还设有温度传感器（14），用以实时检测煤层温度，通过煤层温度的变化判断超声波辐射范围和强度，当温度不再改变时结束超声振动辐射。
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