一种利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，主要解决现有技术污染煤层、无法彻底提高煤层透气性及不能提高煤层瓦斯解吸-渗流等问题。该技术通过将高压电脉冲和声波两种技术结合起来，通过产生冲击波、机械振动等作用，使煤层产生新的裂隙，并扩展原有裂隙，从而增加煤层瓦斯运移通道。同时产生的高温效应、空化效应等促进煤层瓦斯解吸，提高瓦斯的渗流能力。该方法分为地面抽放钻井方法和顺煤层抽放钻孔方法两种，实施过程如下：（1）起出钻孔内所有设备；（2）采用井规等通井，向钻孔、钻井中注水，将声电复合作用器放置到指定位置，将煤层分为不同的区段，每个区段厚度为30cm；（3）作用器在煤层各个区段反复作用；（4）起出声电复合作用器等设备；（5）对煤层钻孔进行抽采。
【专利说明】一种利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，可用于地面煤层瓦斯抽放钻井和井下顺煤层抽放钻孔，属于能源领域。
【背景技术】
[0002]我国是世界上煤炭产量最多、消耗量最大的国家，其在我国能源结构比例中占据着重要的地位。目前，煤炭在我国一次能源消费生产和消费结构中的比重为76%和68.9%，未来20年煤炭占一次能源比重仍在50%以上。
[0003]在我国煤矿生产中，瓦斯已成为制约煤炭行业发展的重要因素。而且我国瓦斯矿井众多，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井约占矿井总数的45%左右，同时瓦斯引起的事故总数约占煤矿事故的30%-40%左右，在2012年煤矿事故共造成约1300人死亡，百万吨死亡率为0.374，造成了严重的社会影响和经济损失。同时，煤层气对大气污染较严重，是造成温室效应、破坏大气臭氧层的主要物质，其温室效应是等体积二氧化碳的22倍左右，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。
[0004]瓦斯虽然是影响煤矿安全开采的重要原因，但同时也是一种清洁能源。据统计，我国埋深在2000m以浅的煤层气资源达36万亿立方米，与常规天然气资源相当，能够为我国能源结构调整提供基础。
[0005]在煤层中，煤层气以游离和吸附两种方式赋存于煤储层中，其中吸附态约占90%以上，当游离煤层气压强低于吸附煤层气压强时，吸附态可转变为游离态。而我国煤层普遍属于低渗透煤层，因此设法提高煤层透气性、疏通煤层瓦斯运移通道，使游离态瓦斯排出，降低游离态煤层气压强，是提高煤层气抽采的关键环节。
[0006]目前，我国煤层增透多采用压裂的方法，同时也实验了密集钻孔、定向羽状钻井、大直径长钻孔抽放、水力冲孔、交叉钻孔、卸压区抽放、采空区抽放、酸化抽放和加热抽放等多种方法，也提出施加外加场改善瓦斯在煤储层中的运移条件。但由于我国煤层的条件具有较大差异，因此上述方法虽然具有一定的效果，但煤矿事故依然频发。
[0007]该发明将高压电脉冲技术和声波增透技术结合起来，克服了传统增透方法对煤层污染、煤层局部压实等特点，同时其产生的热效应、空化效应等促进煤层瓦斯解吸、抑制煤层瓦斯吸附。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种新型的、高压电脉冲技术和超声波相复合的煤层增透方法，克服传统煤层增透方法的缺点，在不污染煤层的条件下，产生、扩展煤体新生裂隙和原有裂隙，同时该技术产生的其他效应能够提高煤层瓦斯的解吸-渗流能力、抑制煤层瓦斯的吸附能力，从而提高煤层瓦斯的抽放量。
[0009]该发明的技术方案是:利用水作为介质，将电极与声波探头放置其中，通过储能系统向电极和探头提供能量，电极和探头通过液电效应、空化效应等将电能转化为机械能、热能等，通过射孔炮眼等作用于煤体，同时为加强效果，可在同一位置重复作用，如此可在煤层中产生新的裂隙、扩展原有裂隙，且冲击波的机械振动作用可解除煤层裂隙中的堵塞物、热效应能够促进煤层瓦斯解吸、抑制瓦斯吸附，从而提高煤层透气性，达到改造煤层、提高煤层瓦斯抽放的效果。
[0010]该技术实施步骤如下:(1)在地面或井下施工钻井或顺煤层钻孔，完成后起出钻孔内所有设备，其中地面抽放深度为距煤层底板50-100cm，井下顺煤层钻孔长度与常规煤层抽放钻孔长度相同；(2)采用相关设备贯通抽放钻井或钻孔，使声电作用设备能够顺利达到指定位置；(3)向钻孔中注入水等液体介质，当采用地面抽放钻井时水平面的位置应高于煤层顶板2-3m，顺煤层钻孔时水介质位置为钻孔长度，然后将声电复合作用器放入钻孔中；(4)将高压电脉冲电极和声波探头复合器放入钻孔中至煤层位置，若煤层较厚，将煤层分为不同的区段，每个区段厚度为30cm-50cm，当为顺煤层钻孔时，作用区段可适当调整，作用参数为20-50次；(6)作业完成后，起出声电复合作用器等设备；(7)对煤层钻孔进行抽采。
[0011]该技术的优点主要有:(1)该技术以水作为作用介质，不添加支撑剂、酸化剂等，不污染煤层；(2)在作业过程中，该技术不会在煤层中形成应力集中区，保证了后续工作的进展；(3)该技术能量集中，其释放的压强等远远大于煤层的抗压强度，产生新的裂隙，提高瓦斯的渗流通道；(4)该技术形成的振动作用、空化作用等可剥离煤层裂隙、孔隙中堵塞物，起到解除煤层堵塞作用，提高煤层瓦斯的渗流能力；(5)该技术受地质环境、作业环境影响较小，且所用时间短；(6)该技术对煤层进行区段处理，可根据煤层的性质调整作用参数、频率和时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为该发明使用的声电作用复合装备原理图。
[0013]图2为本发明对地面钻井作业示意图。
[0014]图3为本发明对井下顺煤层钻孔作业示意图。
【具体实施方式】
[0015]在该技术实施之前，应充分考察实施煤层的地质构造情况、煤层物理力学性质、历史增采方法，同时调整高压电脉冲参数和声波探头的作用参数以适应煤层条件。
[0016]参照图1，该发明使用的高功率声电复合作用器主要由升压单元、储能单元、放电器和能量转换器等，其中升压单元由变压器等组成，储能单元由多个电容器并联组成，放电器主要为电极和声波探头提供其所需的电能，能量转换器主要有电极和声波探头组成。同时该作用器还配备位置测定仪等以确定作用器位置。
[0017]该技术的实施步骤如下:(I)在地面施工钻井或井下顺煤层钻孔，完成后起出钻孔内所有设备；(2)采用相关设备贯通抽放钻井或钻孔，由于该作用器直径约为115mm、长度约为5.5m，为防止煤层气井由于变形等原因阻碍作用器下放需要用直径120_、长度6.5m左右的钢管作为通井规，确保声电复合作用器达到指定位置；(3)由于该技术需要采用介质作为传递，因此向钻孔中注入水等液体介质，当采用地面抽放钻井时，水的位置高出煤层位置2-3m，顺煤层钻孔时水介质位置为钻孔长度，然后将声电复合作用器放入钻孔中；(4)将高压电脉冲电极和声波探头复合器放入钻孔中至煤层位置，若煤层较厚，将煤层分为不同的区段，每个区段厚度为30cm-50cm，当为顺煤层钻孔时，作用区段可适当调整，作用参数为20-50次；(6)作业完成后，起出声电复合作用器等设备，组装水泵、水管和抽水管等对钻井(孔)的水进行抽排，然后按照常规抽放方法进行抽放。
[0018]图2为本发明在地面钻井的使用方法。在完成钻井后，需起出井内所有设备、通井及往钻井内注水，水的位置是距煤层顶板3m左右。在该方法中，仪器监测仪和设备调节装置在地面，其中仪器监测仪监测井下各仪器的运行参数、设备调节装置调节电极和声波探头作用参数并通过同轴高压电缆控制该设备的作用参数。作业时，通过电缆绞车和滑轮等工具将声电复合作用器送至指定位置，利用地面220V常规电路对该装置进行初步供电，通过仪器自带的升压单元将电压升到放电电压，经整流后为储能单元充电，当充电到放电器的工作阈值时，放电器将储存的电能传递给能量转换器，即电极和声波探头，能量转换器以液电效应、空化效应等将电能转化为机械能、热能等，实现对煤层的造缝、促进煤层瓦斯解吸、扩散和渗流。第一次作业时，将声电复合作用器放置距煤层底板处，开始作用，次数为20-50次，然后将仪器向上提30-50cm再进行作用20-50次，依次作用直至该复合作用器达到煤层顶板处。
[0019]图3为该方法在井下顺煤层钻孔中的应用示意图，与地面钻井的使用方法相类似。只是在作业完成后应对钻孔进行封孔抽放。
【权利要求】
1.一种利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其特征在于:该方法将高压电脉冲电极和声波探头有机结合一起，通过储能系统向电极和声波探头提供能量，从而使电能转化为机械能、热能等，使电极和声波探头在煤层产生高强度的冲击波，使煤层裂隙相互贯通，促进瓦斯在煤层中的运移，提高钻孔瓦斯抽放量。
2.按照权利要求1所述的利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其实施步骤如下:(I)起出钻孔内所有设备；(2)采用井规等通井，使声电作用设备能够顺利达到煤层位置；(3)向钻孔中注入水等液体介质，位置与瓦斯抽采井持平，将声电复合作用器放入钻孔中；(4)将作用器放入钻孔中至煤层位置，若煤层较厚，将煤层分为不同的区段，每个区段厚度为30cm-50cm ; (5)作用器在煤层各个区段反复作用；(6)起出声电复合作用器等设备；(7)对煤层钻孔进行抽采。
3.按照权利要求1所述的利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其特征在于:高压电脉冲技术通过液电效应、空化效应等将电能转化为机械能等，具有能量大、转化效率高等特点，能够使煤层原有裂隙和新生裂隙相互贯通，为瓦斯运移提供通道。
4.按照权利要求1所述的利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其特征在于:超声波能够诱发热效应，促进煤层瓦斯脱附、提高解吸率，同时产生的空化效应、机械作用向外辐射的冲击波能够剪切煤体，产生新的裂隙、扩展原有裂隙，提高煤层瓦斯抽放效果O
5.按照权利要求1所述的利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其特征在于:高压电脉冲电极和声波探头所需放电电压为几万伏，放电能量巨大，其作用压力达到几十兆帕。
6.按照权利要求2所述的利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其特征在于:该方法其纵向作用范围为30-50cm，能够对煤层区段进行多次重复作用，且实施方法简单。
7.按照权利要求1和2所述的利用高能声电复合技术提高煤层透气性的方法，其特征在于:该技术结合高压电脉冲技术和声波增透方法相互结合，其能量大、对煤层无污染，同时能够在煤层中产生裂缝、促进煤层瓦斯解吸，提高煤层透气性。
【文档编号】E21B43/267GK104481574SQ201410511073
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】聂百胜, 李祥春, 孟筠青, 卢红奇, 杨龙龙 申请人:中国矿业大学(北京)