[发明专利]CO2定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法,主要用于对煤层进行增透瓦斯抽采。

背景技术

目前，矿井瓦斯是影响我国煤矿安全生产的主要因素，在我国导致人员死亡的煤矿事故中，瓦斯事故所占比重较大，重特大事故尤其突出。同时，煤层气又是一种潜在的洁净的能源，在当前能源紧张的局势下，加快煤层气开发利用，对改善我国能源结构、能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。研究表明，我国50％以上的煤层为高瓦斯煤层，埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.81万亿立方米，居世界第三位，瓦斯储量相对丰富，因此有效开采和利用煤层瓦斯对保障我国能源安全和煤炭企业安全生产都具有重要意义。

为了划分煤层瓦斯抽采难易程度，相关学者提出了“煤层透气性系数”的概念，它是表征煤层对瓦斯流动的阻力、反映瓦斯沿煤层流动难易程度的系数。《GB50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范》按照煤层透气性系数对煤层瓦斯抽采难易程度进行划分，规定煤层透气性系数小于0.1(m²/MPa²·d)即为较难抽采煤层。中国矿业大学周世宁院士研究指出“我国埋深2000米以内煤层气地质资源量约36.81万亿m³，由于我国煤层气赋存条件复杂，煤层渗透率一般在 (0.1～0.001)×10^-3μm²范围内，比美国低2～3个数量级，造成我国煤层瓦斯含量高、煤矿安全生产形势严峻。”因此需要对煤层进行人工强化增透。有关学者提出了采用水力压裂、深孔预裂增透等措施取得了一定的效果，但在应用过程中还存在种种不足，因此，迫切需要提出一种新的煤层增透瓦斯抽采方法及其设备。

近年来，一些学者提出了采用液态二氧化碳相变致裂技术进行低渗煤层增透的方法，其增透原理有两方面：第一，利用相变瞬间释放的压力使得岩体产生张拉裂隙，致使煤体破碎，增加煤岩体内瓦斯运移通道；第二，致裂瞬间大量二氧化碳气体，煤体对二氧化碳的吸附能力远大于甲烷，游离状态的二氧化碳被煤体吸附，占据一定的吸附位，致使煤体内吸附状态的甲烷转化为游离状态，从而增加煤层裂隙内的游离瓦斯含量。在以上两方面作用下，由负压抽采系统将裂隙内游离瓦斯汇集到抽采管路，实现低渗煤层瓦斯高效抽采。申请号为“201510425633.1”和“201510668034.2”的专利申请文件公开了目前国内较为前沿的液态二氧化碳相变致裂增透方法，但均为单一的二氧化碳相变致裂增透，增透影响范围小，瓦斯抽采效率仍然有待提高；并且均没有考虑定向致裂问题，所用装置不能对方位角进行调整，不能根据三维地应力大小及方向进行定向致裂；致裂设备释放管单一，不能满足不同力学性质的煤体致裂；并且，不能进行封孔，在一定程度上影响了致裂效果，不利于瓦斯抽采效率的进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，用于提高瓦斯抽采效率。

本发明的技术方案如下：一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，包括以下步骤，

步骤一、获取最大主应力的方位角，对将进行煤层瓦斯抽采的工作面钻孔取样并制备试样，对所述试样进行单轴加载条件下的声发射测试，并根据测试结果绘制应力-累计声发射振铃计数-时间曲线，根据上述曲线计算主应力的方位角，获取最大主应力方位角；

步骤二、CO₂定向爆破起裂，沿最大主应力方位角对预定致裂点进行CO₂爆破起裂形成致裂孔；

步骤三、水力压裂致裂增透，对致裂孔进行水力压裂，形成压裂区域；

步骤四、水力压裂效果探测，对压裂区域煤层含水情况进行探测，判断煤层水力压裂影响范围；

步骤五、瓦斯抽采，在水力压裂影响范围内布置至少一个瓦斯抽采钻孔，连接瓦斯抽采管路，进行煤层瓦斯抽采。

本发明通过先计算预定致裂点的最大主应力方向，然后沿最大主应力方向对致裂点进行CO₂爆破致裂形成致裂孔，再对致裂孔进行水力压裂致裂增透，并对水力压裂的效果进行探测获得水力压裂影响范围，最后在水力压裂影响范围内进行煤层瓦斯抽采，具有如下优点：

一、CO₂沿最大主应力方向释放，显著地提高了CO₂相变爆破致裂裂隙的影响范围；

二、与单一的二氧化碳定向爆破致裂增透方法相比，显著地提高了增透影响范围；