[发明专利]一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用外加的震动声场有效提高煤层气地面采收率的方法，具体为一种非侵入式且低成本增加煤层气采收率的技术。

背景技术

煤层气是新型洁净的能源，其主要成分为甲烷(CH₄)。而对煤矿开采来说，它则是安全生产的主要威胁与负担；且随矿井通风排入大气中时，是温室效应比CO₂大约21倍的温室气体。因此预先开采煤层气既是煤矿安全开采和环境保护的客观要求，也提供了清洁高效的能源。相比美国等国家的情况，我国的煤层气储藏条件基本呈“三低”(低压、低渗透率、低饱和度)的特点，开采难度大，国外的先进技术并不能满足我国大多数煤层气储藏区煤层气开采的要求。

目前的煤层气地面抽采方式，主要有常规垂直(竖直)井加水力压裂或有机溶剂压裂技术，或采用丛式井开采，多分支水平井(羽状水平井)，以及注气开采技术等。

其中水力或有机溶剂压裂法尚不成熟，其压裂技术及压裂效果评价仍有许多需要研究完善的地方，且所用压裂液易对煤层造成伤害，系统比较复杂，成本高。丛式井开采方法虽然可以提高采收率，但存在工程量大，成本高，且占地面积大的不足。多分支水平井技术是一种先进的煤层气开采方法，具有单井产气量高、采收率高、生产周期短、井场占地面积少等优势，但受地质条件的限制，一般适合于中高煤阶煤层，要求煤层的机械强度较高，力学性质稳定；且须煤层埋深及渗透性适中，构造稳定等。注气开采是煤层气是向煤层中注入氮气、二氧化碳，或烟道气等气体，通过吸附置换达到提高煤层气采收率的效果，同样存在成本高等的局限。

超声波场作用于煤体能改善煤的渗透率已有一定的理论和实验研究，其机理在于超声波所施加的空化作用、热效应和机械作用等使煤层内质点发生振动，从而在微尺度上扩大原始裂隙并产生新的裂隙，同时促进吸附态甲烷的解吸。主要的相关研究有：任伟杰等(辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2001，20(6)：773-776)，聂百胜等(煤田地质与勘探，2004，32(6)：23-26)，及易俊等(岩土力学，2009，30(10)：2945-2949，2960)。另外，任伟杰等(辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，1998，17(6)：565-568)还实验研究了低频振动(5～60Hz)可在煤体产生宏尺度裂隙的规律。

发明内容

为了解决上述问题，提高地面抽采煤层气的采收率，本发明提出了一种低成本，简单易行且有效的方法，利用特制重物从地面井口落下撞击井底产生宽频带声波场，其施加于煤层可增加煤层的裂隙度，从而提高其渗透性。声场中超声频率成分可增加煤层中的微裂隙，并直接促进甲烷从煤孔隙表面的解吸；低频振动声波增加宏尺度的裂隙。本发明给出了一种非侵入式煤层气增产技术。它可望替代现有增进煤层气采收率的技术，或可作为一项有效的辅助增产技术。

本发明采用如下技术方案实现：

首先，采用不同材料(分别如下第一、二阶段部分所述)制作出各一定数量的球形或近似球形的重物，其当量直径比垂直(竖直)井直径小0.1～0.2m，具有较大的质量，又可顺利落下而尽量少与井壁接触。

具体分两个阶段向垂直井底投下上述重物。

第一阶段，在垂直井钻至待采气的煤层(目标煤层)顶部上方(沿竖直方向)5～1m(井底与煤层间岩层越完整则该值越小)的距离时，停止钻井，如图1。将井底做成一水平面，或者与水平面夹角不大于煤层倾角。井深需同时满足渗入井内的甲烷浓度在整个井内空间不超过1.0％。

然后，在地面井口中央采用自由落体方式向井内连续抛下3～5个制作好的重物。该阶段所用重物为密度大、凿成近似球体的石头，或将其用球形橡胶袋(图3)装起来。所用重物也可以是球形橡胶袋(图4)装起来的砂子或卵石，且装入后的缝隙中充满水。重物撞击井底产生的前向(朝下的半球空间)的声场经过煤层时，其声波使煤体产生新的裂隙，并使原有裂隙具有扩大的趋势。

第二阶段，继续钻井至深入目标煤层约1.0m左右，井底面为一倒圆锥面。其中圆锥的高为底直径的1.2倍左右。如图2。

在地面井口中央投下重物球，冲击到井底倒锥底面时，所产生的震动声场具有较大的横向分量，即可产生较多沿煤层传播的声横波与纵波，在声场作用的煤层范围内进一步产生出新的裂隙并在一定程度上扩大煤体内已有裂隙。

该阶段由于垂直井已深入煤层中，井中甲烷浓度可能＞5％，所以要避免重物摩擦井壁或撞击井底产生火花而发生燃烧或爆炸。因此所用重物如为硬度高的石头或卵石等必须用橡胶袋封装，或者重物为草泥球。