[发明专利]超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，属于煤矿井下区域煤层气治理领域，尤其适用于中、高硬度低透气性煤层的增透措施。

背景技术

近年来，随着我国煤炭产量的剧增和煤矿开采深度的增加，煤层气涌出量不断增加，煤与瓦斯突出危险性不断加大，我国煤矿瓦斯事故频发。煤层气抽采是治理煤矿瓦斯灾害最有效的措施之一。煤层透气性差是制约我国煤层气抽采重要的因素之一。

超声波技术作为一种无污染、危害小、见效快、效果好的优点广泛应用于工业电镀、民用清洗等领域，其中波场采油作为一种新型技术已在国内外广泛推广应用，并取得了良好的经济效益。

实验研究表明，如果煤层强度或塑性较强，那么水力化措施的效果往往会很差，而煤岩体在超声波的激励下其强度和塑性均有明显降低，大大提高了水力压裂和水力割缝的影响半径和效果。同时，水力压裂措施虽然会扩张煤体原声裂隙并孕育许多新生裂隙，煤层透气性会有一定的提高，但由于压裂压力和煤层应力的影响，单纯依靠水力压裂措施往往达不到预期的增透效果。这时，再将超声波技术引入水力压裂过程，裂隙中水滴在超声波激励下受迫运动，产生空化现象，局部压力剧增，温度也随之升高，同时，伴有强烈的冲击波和时速达400km的微射流。在高温高压的作用下煤体会产生许多新生裂隙，原有的微裂隙会进一步发育、扩展、延伸，煤体透气性进一步提升。水力压裂结束后，裂隙中残存的水分会阻塞煤层气流动的通道，影响煤层气抽采效率和质量，这种现象被称为水锁效应。而此时第三次使用超声波技术，通过超声波激励水分空化，裂隙中的大水滴分解成小水滴，小水滴气化成水蒸气从裂隙中飘散出来，解除了水力化措施后常见的阻碍煤层气流动的水锁效应，再一次提高了煤层透气性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，提供一种无污染、成本低、效果好的超声波激励水力压裂煤层增透方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，在煤层巷道内沿增透抽采煤层顺层方向依次分组实施若干增透致裂单元，包括如下步骤：

a、在增透抽采煤层施工一个主钻孔，在距离主钻孔长度间距为20-25m处施工有与主钻孔平行的监测钻孔，所述主钻孔和监测钻孔共同组成一个增透致裂单元；

b、向主钻孔内送入h形耐压钢管，所述h形耐压钢管与主钻孔前端保持距离2～5m，在所述h形耐压钢管内放入超声波换能器，所述超声波换能器通过耐压防水电缆与超声波联合水力压裂机组的超声波发生装置连接，所述耐压防水电缆与h形耐压钢管之间通过耐压钢质塞密封；

c、在所述主钻孔与h形耐压钢管之间采用两堵一注的常规注浆方法进行耐高压封孔，形成长度为15～20m的注浆封孔段；

d、通过超声波换能器向煤层内发射20～25kHz的超声波；

e、间隔一段时间，超声波联合水力压裂机组的水力压裂装置向h形耐压钢管内进行水力压裂，同时将超声波换能器向煤层内发射的超声波频率调节至30～35kHz；

f、待监测钻孔内有水流出或者水力压裂装置压力突然下降时，关闭水力压裂装置，通过h形耐压钢管排出主钻孔内的水，此时保持超声波发生装置超声的频率和功率不变，待h形耐压钢管不再流水后关闭超声波发生装置；

g、将监测钻孔接入煤层气抽采管路，进行常规煤层气抽采。

进一步的技术方案，所述超声波换能器为圆柱形，所述超声波换能器的外径比h形耐压钢管主路的内径小0.1m，所述超声波换能器与h形耐压钢管之间采用镂空钢环连接。

进一步的技术方案，所述主钻孔的孔径为110-150mm，孔长为增透抽采煤层宽度H的0.75～0.8；所述监测钻孔的孔径为80-110mm，孔长为增透抽采煤层宽度H的0.7～0.8。

进一步的技术方案，所述水力压裂装置出来的水的水温50～60℃。

有益效果：本发明超声波空化与水力压裂联合激励煤层气抽采方法，其中：1)1947年在美国进行了首次水力压裂增产作业之后，由于致裂效果突出，在以后的几十年受到了广泛关注，具有操作简单、施工速度快、致裂效果好等优点，是目前最为常用的致裂措施；2)超声波作为新型的绿色无污染技术，以其方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能、在水中传播距离远等优点广泛应用于各个领域；本发明创新性的将水力压裂技术和超声波致裂技术有机结合在一起，使得致裂效果和影响半径都达到最大化。并具有以下优点：