煤层液态二氧化碳压裂装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿开采技术领域，属于煤矿井下安全开采，尤其是煤层液态二氧化碳压裂装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国煤矿主要采用井工开采，开采条件复杂，作业环境恶劣、致灾因子多，特别是低透气性和含硬夹矸(结核)煤层的机械化开采、瓦斯抽采、粉尘防治等难以取得收效。煤体渗透率主要取决于介质的的孔隙率、内部裂纹几何性质、裂隙分形维数、内部的应力-应变状态和孔隙压力等，这些被认为是影响煤体渗透率的主要因素，其中前三个为直接因素，应力-应变状态和孔隙压力通过改变岩石内部孔隙和裂隙而影响渗透率。综合以往煤体压缩与渗透率研宄成果，可得到图1。图1a为煤体应力-应变曲线(OA，AB，BC，⑶，DE，EF分别表示压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂、宏观破坏、残余强度阶段)，图1b为对应的煤体应力-渗透率曲线。
[0003]经过多年研宄和实践，水力压裂和爆破致裂技术是煤层增透或预润的有效途径，虽能整体卸压增透，一定程度的提高煤层的透气性和破碎率，但是其适用性差、工艺复杂、保护距离不足，工作量大，更重要的是这些措施在煤层的卸压影响半径不大。具体体现在:水力压裂技术通过加压泵把压裂液压入钻孔来压裂煤(岩)层，此种方式由于泵的排量和其工艺特点的限制，其压力上升时间太长，加载速度慢，峰值压力低，所以只能形成一条垂直最小主应力方向的裂纹，此裂纹易于沿着原生软弱面扩展，不易生成垂直于层面的新裂纹，使裂纹不易相互沟通，故不能显著增加煤的透气性。即使高压水能够压裂煤体，随着裂隙体积的增加，压裂液的压力也不断降低，快速丧失压裂作用效力。另外压裂支撑剂比例也难以控制，分布也不均匀，煤的亲水性等也会影响煤层的透气性，其压裂设备复杂，成本费用也高，故不适应于提高瓦斯排放。爆破致裂技术是将煤矿需用安全炸药或高能炸药置于钻孔，用炮泥封堵实施爆破，此方式压力上升时间短，峰值压力高，可产生无数短缝，但由于其爆炸压力远高于围岩的屈服强度，导致钻孔壁严重破碎垮塌，形成残余压力区“应力笼”，从而降低了渗透率。其它水力挤压措施，包括:水力挤出，位于应力集中带以外的卸压带，适用于软煤，通过松动煤体卸压增透，不能用水力压裂原理解释；水力割缝，通过高压水射流在煤体中割缝卸压增透；高压注水，类似于水力压裂，但注水压力与注水量有限，不能开启大的裂缝或使裂缝有效延伸、沟通。
[0004]迄今为止公开关于液态0)2压裂方面的发明(CN 102011574 A、CN 102031106 A、CN 102168550 AXN 102852508 A)都是针对石油开采或者页岩气开采，并且在一些企业已经得到了应用，但是并未见到关于煤矿开采领域应用及相关工艺。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种煤层液态二氧化碳压裂装置及方法，可使矿井增产，提高煤层渗透率和块煤产出率。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]煤层液态二氧化碳压裂装置，其特殊之处在于:包括用于提供液态0)2的供应单元、压裂泵、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压裂煤层钻孔内的封孔器，包括注浆管、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊和压裂管，注浆管的一端和压裂管的一端均穿过第一封孔胶囊并固定在第一封孔胶囊上，压裂管的另一端穿过第二封孔胶囊并固定在第二封孔胶囊上，注浆管的另一端位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间；
[0009]所述压裂泵包括压裂液入口和压裂液出口，所述供应单元通过第一管道与压裂液入口连通，压裂液出口通过第二管道与固定在第一封孔胶囊处的压裂管连通；
[0010]所述第二管道上设有单向阀和三通，单向阀位于压裂液出口和三通之间；
[0011]固定在第一封孔胶囊处的注浆管端头设有注/排浆口。
[0012]靠近第二封孔胶囊的压裂管的延伸段上设有0)2释放孔。
[0013]上述0)2释放孔有5个，相邻0)2释放孔的间距均为lm。
[0014]上述第一管道上设有流量计。
[0015]上述压裂泵是压力和流量能够调节的防爆型液态0)2压裂泵。
[0016]上述供应单元上设有液体进出阀、放空阀、气体进出阀、安全阀、测满阀、压力表、加压阀和液位计。
[0017]上述供应单元是槽车或罐体，第一管道和第二管道均为软管。
[0018]煤层液态二氧化碳压裂装置的煤层液态0)2压裂方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0019]步骤1、钻孔:采用钻具在煤层压裂位置处进行打钻得到钻孔，每个钻孔的两侧还钻有一个或多个检验孔；
[0020]步骤2、封孔:将第一封孔胶囊和第二封孔胶囊推进至钻孔内，第二封孔胶囊与钻孔的底部存在空隙，同时按照权利要求1的连接关系将注浆管和压裂管分别固定，并且各管路之间密闭连接，通过注浆管在两个封孔胶囊之间的空隙内注入封孔用浆液；
[0021]步骤3、压裂:由供应单元通过压裂管向步骤I的钻孔内通入CO2，在通入C02的过程中，将压裂泵的压力逐步升高对煤层实施压裂。
[0022]还包括步骤4、监测:监测钻孔两侧的检验孔中的CO2浓度；
[0023]步骤5、泄压:压裂结束后，将各管路中的压力放空，排出封孔浆液，回收压裂装置。
[0024]上述步骤I中的钻孔和检验孔位于同一水平高度；
[0025]所述步骤3中试压时，压裂泵的试压压力大于或等于泵的额定压力，在试压过程中，运行煤层液态二氧化碳压裂装置的运行时间不少于1min ;
[0026]步骤3中压裂时，当压裂泵的泵压升高至压裂泵的额定压力时停止压注，保压时间不少于I小时。
[0027]本发明具有以下技术效果:
[0028]C02气液两相循环转化持续增加压裂能量，实现良好的压裂效果。液态CO2注入煤层钻孔，压裂过程中一部分受热膨胀汽化，使压裂压力继续增加，压裂裂隙得以不断延伸；随着CO2汽化吸热量的增加，部分液态CO2转变为固态干冰，进入裂隙起到支撑剂作用，防止压裂裂隙的闭合，且压裂液的三态循环转化促进压裂压力持续增加使压裂裂隙范围不断得到扩展，直至压裂液多数转化为气态，或游离态存在与煤层裂隙或竞争吸附于煤层。
[0029]更进一步的，CO2作为压裂液进入煤储层，CO 2溶解于水，并与水反应生成弱酸性的碳酸，该反应可以降低压裂液的PH值，有效防止了煤层中粘土矿物的膨胀，减少了压裂液对地层的伤害，进而提高煤储层的渗透性。
[0030]同时，煤层液态0)2煤层压裂工艺相对于水力压裂简单，同时对煤层具有较好的降温效果，并促进煤层CH4解吸等优势。该技术及工艺不仅可用于硬度系数大或者存在硬结核或者夹矸煤层的压裂，而且还可用于石门揭煤防突，提高煤层瓦斯的抽放率等效果。
[0031]检验孔0)2浓度监测:对压裂两侧的检验孔进行CO 2浓度监测，主要是为了对压裂效果进行监测(当发现距离一定长度的检验孔内出现0)2时，就可以判定压裂裂隙已经达到施工的深度要求，可以结束压裂)。
[0032]封孔的目的:采用双封孔胶囊+封孔浆液的形式进行封孔，目的在于对压裂孔内的0)2进行保压(使压裂孔内的压力可以持续升高)，不至于压力升高时候CO2从孔内溢出，对周围的作业人员造成伤害。
【附图说明】
[0033]图1a为煤体应力-应变曲线图；
[0034]图1b为与图1a对应的煤体应力-渗透率曲线；
[0035]图2是本发明煤层液态CO2钻孔的布置示意图；
[0036]图3是本发明煤层液态CO2压裂装置系统布置示意图；
[0037]图4是本发明钻孔的封孔结构示意图；
[0038]图5是本发明检验孔布置结构示意图。
[0039]1-采空区；2_回采工作面；3_备采工作面；4_钻孔；5_相邻采空区；6_护巷煤柱；
7-供应单元(液态CO2槽车)；8_流量计；9_第一管道；10-压力表；11-压裂泵；12_单向阀；13_三通；14-排气开关；15-注/排浆口 ； 16-快速接头；18-压裂煤层；19-第一封孔胶囊；20_第二封孔胶囊；21_注浆管；22_压裂管；23_封孔浆液；24_C02释放孔；26_检验孔；a_封孔段；b-压裂段。
【具体实施方式】
[0040]本发明提供一种煤层液态二氧化碳压裂装置，包括用于提供液态CO2的供应单元7、压裂泵11、封孔器、第一管道9和第二管道；
[0041]封孔器是用于放置在待压裂煤层钻孔内的封孔器，包括注浆管21、第一封孔胶囊19、第二封孔胶囊20和压裂管22，注浆管的一端和压裂管的一端均穿过第一封孔胶囊并固定在第一封孔胶囊上，压裂管的另一端穿过第二封孔胶囊并固定在第二封孔胶囊上，注浆管的另一端位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间；
[0042]压裂泵包括压裂液入口和压裂液出口，供应单元通过第一管道与压裂液入口连通，压裂液出口通过第二管道与固定在第一封孔胶囊处的压裂管连通；
[0043]第一管道上设有流量计8 ;第二管道上设有单向阀12和三通13，单向阀位于压裂液出口和三通之间；
[0044]固定在第一封孔胶囊处的注浆管端头设有注/排浆口 15。钻孔内压裂管可采用壁厚5mm的优质无缝钢管。
[0045]靠近第二封孔胶囊的压裂管的延伸段上设有0)2释放孔，CO 2释放孔有5个，相邻CO2释放孔的间距均为lm。
[0046]压裂泵是压力和流量能够调节的防爆型液态0)2压裂泵。
[0047]供应单元上设有液体进出阀、放空阀、气体进出阀、安全阀、测满阀、压力表10、加压阀和液位计。
[0048]供应单元可选用是槽车或罐体，第一管道和第二管道均为软管，第一管道也可选用内径I寸的耐高压