煤層液態(tài)二氧化碳壓裂裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及煤礦開采技術(shù)領(lǐng)域，屬于煤礦井下安全開采，尤其是煤層液態(tài)二氧化碳壓裂裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國煤礦主要采用井工開采，開采條件復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣、致災(zāi)因子多，特別是低透氣性和含硬夾矸(結(jié)核)煤層的機(jī)械化開采、瓦斯抽采、粉塵防治等難以取得收效。煤體滲透率主要取決于介質(zhì)的的孔隙率、內(nèi)部裂紋幾何性質(zhì)、裂隙分形維數(shù)、內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和孔隙壓力等，這些被認(rèn)為是影響煤體滲透率的主要因素，其中前三個為直接因素，應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和孔隙壓力通過改變巖石內(nèi)部孔隙和裂隙而影響滲透率。綜合以往煤體壓縮與滲透率研究成果，可得到圖1a圖lb。圖1a為煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線(0A，AB，BC，CD，DE，EF分別表示壓密、彈性、穩(wěn)定破裂、非穩(wěn)定破裂、宏觀破壞、殘余強(qiáng)度階段)，圖1b為對應(yīng)的煤體應(yīng)力-滲透率曲線。
[0003]經(jīng)過多年研究和實(shí)踐，水力壓裂和爆破致裂技術(shù)是煤層增透或預(yù)潤的有效途徑，雖能整體卸壓增透，一定程度的提高煤層的透氣性和破碎率，但是其適用性差、工藝復(fù)雜、保護(hù)距離不足，工作量大，更重要的是這些措施在煤層的卸壓影響半徑不大。具體體現(xiàn)在:水力壓裂技術(shù)通過加壓泵把壓裂液壓入鉆孔來壓裂煤(巖)層，此種方式由于泵的排量和其工藝特點(diǎn)的限制，其壓力上升時間太長，加載速度慢，峰值壓力低，所以只能形成一條垂直最小主應(yīng)力方向的裂紋，此裂紋易于沿著原生軟弱面擴(kuò)展，不易生成垂直于層面的新裂紋，使裂紋不易相互溝通，故不能顯著增加煤的透氣性。即使高壓水能夠壓裂煤體，隨著裂隙體積的增加，壓裂液的壓力也不斷降低，快速喪失壓裂作用效力。另外壓裂支撐劑比例也難以控制，分布也不均勻，煤的親水性等也會影響煤層的透氣性，其壓裂設(shè)備復(fù)雜，成本費(fèi)用也高，故不適應(yīng)于提高瓦斯排放。爆破致裂技術(shù)是將煤礦需用安全炸藥或高能炸藥置于鉆孔，用炮泥封堵實(shí)施爆破，此方式壓力上升時間短，峰值壓力高，可產(chǎn)生無數(shù)短縫，但由于其爆炸壓力遠(yuǎn)高于圍巖的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致鉆孔壁嚴(yán)重破碎垮塌，形成殘余壓力區(qū)“應(yīng)力籠”，從而降低了滲透率。其它水力擠壓措施，包括:水力擠出，位于應(yīng)力集中帶以外的卸壓帶，適用于軟煤，通過松動煤體卸壓增透，不能用水力壓裂原理解釋；水力割縫，通過高壓水射流在煤體中割縫卸壓增透；高壓注水，類似于水力壓裂，但注水壓力與注水量有限，不能開啟大的裂縫或使裂縫有效延伸、溝通。
[0004]迄今為止公開關(guān)于液態(tài)CO2壓裂方面的實(shí)用新型(CN 102011574 AXN 102031106AXN 102168550 AXN 102852508 A)都是針對石油開采或者頁巖氣開采，并且在一些企業(yè)已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是并未見到關(guān)于煤礦開采領(lǐng)域應(yīng)用及相關(guān)工藝。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型提供一種煤層液態(tài)二氧化碳壓裂裝置，可使礦井增產(chǎn)，提高煤層滲透率和塊煤產(chǎn)出率。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0007]煤層液態(tài)二氧化碳壓裂裝置，其特殊之處在于:包括用于提供液態(tài)0)2的供應(yīng)單元、壓裂泵、封孔器、第一管道和第二管道；
[0008]所述封孔器是用于放置在待壓裂煤層鉆孔內(nèi)的封孔器，包括注漿管、第一封孔膠囊、第二封孔膠囊和壓裂管，注漿管的一端和壓裂管的一端均穿過第一封孔膠囊并固定在第一封孔膠囊上，壓裂管的另一端穿過第二封孔膠囊并固定在第二封孔膠囊上，注漿管的另一端位于第一封孔膠囊和第二封孔膠囊之間；
[0009]所述壓裂泵包括壓裂液入口和壓裂液出口，所述供應(yīng)單元通過第一管道與壓裂液入口連通，壓裂液出口通過第二管道與固定在第一封孔膠囊處的壓裂管連通；
[0010]所述第二管道上設(shè)有單向閥和三通，單向閥位于壓裂液出口和三通之間；
[0011]固定在第一封孔膠囊處的注漿管端頭設(shè)有注/排漿口。
[0012]靠近第二封孔膠囊的壓裂管的延伸段上設(shè)有0)2釋放孔。
[0013]上述0)2釋放孔有5個，相鄰CO 2釋放孔的間距均為lm。
[0014]上述第一管道上設(shè)有流量計(jì)。
[0015]上述壓裂泵是壓力和流量能夠調(diào)節(jié)的防爆型液態(tài)0)2壓裂泵。
[0016]上述供應(yīng)單元上設(shè)有液體進(jìn)出閥、放空閥、氣體進(jìn)出閥、安全閥、測滿閥、壓力表、加壓閥和液位計(jì)。
[0017]上述供應(yīng)單元是槽車或罐體，第一管道和第二管道均為軟管。
[0018]本實(shí)用新型具有以下技術(shù)效果:
[0019]C02氣液兩相循環(huán)轉(zhuǎn)化持續(xù)增加壓裂能量，實(shí)現(xiàn)良好的壓裂效果。液態(tài)CO2注入煤層鉆孔，壓裂過程中一部分受熱膨脹汽化，使壓裂壓力繼續(xù)增加，壓裂裂隙得以不斷延伸；隨著CO2汽化吸熱量的增加，部分液態(tài)0)2轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)干冰，進(jìn)入裂隙起到支撐劑作用，防止壓裂裂隙的閉合，且壓裂液的三態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)化促進(jìn)壓裂壓力持續(xù)增加使壓裂裂隙范圍不斷得到擴(kuò)展，直至壓裂液多數(shù)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，或游離態(tài)存在與煤層裂隙或競爭吸附于煤層。
[0020]更進(jìn)一步的，CO2作為壓裂液進(jìn)入煤儲層，CO 2溶解于水，并與水反應(yīng)生成弱酸性的碳酸，該反應(yīng)可以降低壓裂液的PH值，有效防止了煤層中粘土礦物的膨脹，減少了壓裂液對地層的傷害，進(jìn)而提高煤儲層的滲透性。
[0021]同時，煤層液態(tài)CO2煤層壓裂工藝相對于水力壓裂簡單，同時對煤層具有較好的降溫效果，并促進(jìn)煤層CH4解吸等優(yōu)勢。該技術(shù)及工藝不僅可用于硬度系數(shù)大或者存在硬結(jié)核或者夾矸煤層的壓裂，而且還可用于石門揭煤防突，提高煤層瓦斯的抽放率等效果。
[0022]檢驗(yàn)孔0)2濃度監(jiān)測:對壓裂兩側(cè)的檢驗(yàn)孔進(jìn)行CO 2濃度監(jiān)測，主要是為了對壓裂效果進(jìn)行監(jiān)測(當(dāng)發(fā)現(xiàn)距離一定長度的檢驗(yàn)孔內(nèi)出現(xiàn)0)2時，就可以判定壓裂裂隙已經(jīng)達(dá)到施工的深度要求，可以結(jié)束壓裂)。
[0023]封孔的目的:采用雙封孔膠囊+封孔漿液的形式進(jìn)行封孔，目的在于對壓裂孔內(nèi)的0)2進(jìn)行保壓(使壓裂孔內(nèi)的壓力可以持續(xù)升高)，不至于壓力升高時候CO2從孔內(nèi)溢出，對周圍的作業(yè)人員造成傷害。
【附圖說明】
[0024]圖1a為煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；
[0025]圖1b為與圖1a對應(yīng)的煤體應(yīng)力-滲透率曲線；
[0026]圖2是本實(shí)用新型煤層液態(tài)CO2鉆孔的布置示意圖；
[0027]圖3是本實(shí)用新型煤層液態(tài)CO2壓裂裝置系統(tǒng)布置示意圖；
[0028]圖4是本實(shí)用新型鉆孔的封孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5是本實(shí)用新型檢驗(yàn)孔布置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]1-采空區(qū)；2_回采工作面；3_備采工作面；4_鉆孔；5_相鄰采空區(qū)；6_護(hù)巷煤柱；7-供應(yīng)單元(液態(tài)CO2槽車)；8_流量計(jì)；9_第一管道；10-壓力表；11-壓裂泵；12_單向閥；13_三通；14-排氣開關(guān)；15-注/排漿口 ； 16-快速接頭；18-壓裂煤層；19-第一封孔膠囊；20_第二封孔膠囊；21_注漿管；22_壓裂管；23_封孔漿液；24_C02釋放孔；26_檢驗(yàn)孔；a-封孔段；b-壓裂段。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本實(shí)用新型提供一種煤層液態(tài)二氧化碳壓裂裝置，包括用于提供液態(tài)CO2的供應(yīng)單元7、壓裂泵11、封孔器、第一管道9和第二管道；
[0032]封孔器是用于放置在待壓裂煤層鉆孔內(nèi)的封孔器，包括注漿管21、第一封孔膠囊19、第二封孔膠囊20和壓裂管22，注漿管的一端和壓裂管的一端均穿過第一封孔膠囊并固定在第一封孔膠囊上，壓裂管的另一端穿過第二封孔膠囊并固定在第二封孔膠囊上，注漿管的另一端位于第一封孔膠囊和第二封孔膠囊之間；
[0033]壓裂泵包括壓裂液入口和壓裂液出口，供應(yīng)單元通過第一管道與壓裂液入口連通，壓裂液出口通過第二管道與固定在第一封孔膠囊處的壓裂管連通；
[0034]第一管道上設(shè)有流量計(jì)8 ;第二管道上設(shè)有單向閥12和三通13，單向閥位于壓裂液出口和三通之間；
[0035]固定在第一封孔膠囊處的注漿管端頭設(shè)有注/排漿口 15。鉆孔內(nèi)壓裂管可采用壁厚5mm的優(yōu)質(zhì)無縫鋼管。
[0036]靠近第二封孔膠囊的壓裂管的延伸段上設(shè)有0)2釋放孔，CO 2釋放孔有5個，相鄰CO2釋放孔的間距均為lm。
[0037]壓裂泵是壓力和流量能夠調(diào)節(jié)的防爆型液態(tài)0)2壓裂泵。
[0038]供應(yīng)單元上設(shè)有液體進(jìn)出閥、放空閥、氣體進(jìn)出閥、安全閥、測滿閥、壓力表10、力口壓閥和液位計(jì)。
[0039]供應(yīng)單元可選用是槽車或罐體，第一管道和第二管道均為