水力压裂液、瓦斯抽采系统及瓦斯抽采方法与流程

本发明涉及采煤技术领域，尤其涉及煤储层增透及瓦斯抽采技术。

背景技术：

煤矿瓦斯既是煤矿灾害的罪魁祸首，也是一种不可再生的清洁能源，煤与瓦斯共采是实现瓦斯突出防治与资源利用的根本技术。

我国煤层普遍具有瓦斯含量大、吸附性强以及渗透率低等特点，煤层气大部分以吸附态储存于煤基质孔隙的内表面，只有少量煤层气游离于割理和裂隙中。而对瓦斯抽采则主要采用钻孔抽采，抽采效率主要取决于煤体的透气性，因此，对煤储层进行增透，增大煤体的透气性成为实现煤与瓦斯共采的有效途径。

随着矿井深度的不断加大，煤体透气性对瓦斯抽采的制约越来越严重，高效的煤储层增透技术已成为煤矿安全生产和煤层气抽采的必备技术。为增加煤储层渗透性，众多学者开展了诸如水力压裂、高压气体致裂、微波致裂、化学增透等研究，但现有的水力压裂、高压气体以及微波致裂等物理增透技术主要应用于较硬煤质和透气性较好的煤层增透，现有的化学作用增透存在增透效率低、环境污染大、增透剂稳定性差以及毒性大等问题。

基于以上原因，有必要开发一种高效、安全、稳定的化学增透方法，以提高煤体透气性，同时有利于瓦斯抽采。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够提高瓦斯抽采效率的水力压裂液。

为实现上述目的，本发明的水力压裂液用于煤层压裂增透，包括第一组分和第二组分，第一组分为过硫酸盐的水溶液，第二组分为含过渡金属离子的多孔炭与水的混合液，第一组分和第二组分的体积份数为：第一组分0.9－1.1份，第二组分0.9－1.1份。

第一组分和第二组分的体积份数为：第一组分1份，第二组分1份。

第一组分中的过硫酸盐为过硫酸铵和/或过硫酸钠和/或过硫酸钙和/或过硫酸钾，第一组分中过硫酸盐与水的质量份数为：过硫酸盐1－25份，水100份。

第二组分中含过渡金属离子的多孔炭按以下方法制备：

利用球磨机将过渡金属盐与芳香类羧酸相混合，所得混合物置于惰性气氛下高温煅烧，即可制得含过渡金属离子的多孔炭；

过渡金属盐为硝酸镍和/或氯化锰和/或硝酸钴和/或硫酸铜和/或硝酸锌，芳香类羧酸为间苯三甲酸和/或对苯二甲酸及其衍生物和/或对羟基苯甲酸和/或对氨基苯甲酸，惰性气氛为氮气或氩气氛围，煅烧温度为500~1000 ℃；过渡金属盐与芳香类羧酸的质量份数为：过渡金属盐0.8－1.2份，芳香类羧酸0.8－1.2份；

第二组分中含过渡金属离子的多孔炭与水的质量份数为：含过渡金属离子的多孔炭小于等于25份，水100份。

本发明还公开了使用上述水力压裂液的瓦斯抽采系统，包括在煤层顶板与煤层底板之间设置的压裂钻孔和抽采钻孔，压裂钻孔在煤层中具有压裂影响区域，一个压裂钻孔左右两侧的压裂影响区域内分别设有所述抽采钻孔；

压裂钻孔中插设有压裂管，各抽采钻孔中分别插设有抽采管，压裂钻孔中的压裂管上设有用于流入液体的开口，抽采钻孔中的抽采管上设有用于流出气体的开口；压裂管向下伸出煤层底板并连接有混合容器，混合容器具有第一进口、第二进口和一个出口，混合容器的出口与压裂管相连接，混合容器的第一进口与第一组分供液装置相连接，混合容器的第二进口与第二组分供液装置相连接；

混合容器与压裂钻孔之间的压裂管连接有压力表和排放管，排放管上设有排放阀；

各抽采管分别向下伸出煤层底板并均与抽采总管相连接，抽采总管连接有瓦斯抽采装置，抽采总管上设有抽采总阀门，各抽采管上分别设有抽采分阀门。

第一组分供液装置包括第一组分供液箱，第一组分供液箱通过第一组分出液管与第一组分供液泵相连接，第一组分供液泵的出口通过第一组分供液管与混合容器的第一进口相连接，第一组分供液管上设有第一组分供液阀；

第二组分供液装置包括第二组分供液箱，第二组分供液箱通过第二组分出液管与第二组分供液泵相连接，第二组分供液泵的出口通过第二组分供液管与混合容器的第二进口相连接，第二组分供液管上设有第二组分供液阀。

所述第二组分供液箱的底壁上设有超声波振板，超声波振板上设有超声波发生器。

本发明还公开了使用上述瓦斯抽采系统进行的瓦斯抽采方法，按以下步骤进行：

第一步骤是准备步骤；准备步骤包括顺序执行的第一子步骤和第二子步骤；

第一子步骤是钻孔并准备水力压裂液，具体包括不分先后顺序进行钻孔作业和准备水力压裂液作业；

钻孔作业是使用钻机由煤层底板向煤层顶板施工一个压裂钻孔和两个抽采钻孔，使两个抽采钻孔分别位于压裂钻孔两侧并均位于压裂影响区域内；

准备水力压裂液作业是分别准备第一组分和第二组分；

准备第一组分是：将1－25质量份的过硫酸盐溶解于100质量份的清水中并储存在第一组分供液箱中；

准备第二组分是：将过渡金属盐与芳香类羧酸相混合，所得混合物置于惰性气氛下高温煅烧，制得含过渡金属离子的多孔炭；将含过渡金属离子的多孔炭置于清水中并储存在第二组分供液箱中；开启超声波振板上的超声波发生器，使含过渡金属离子的多孔炭均匀分散于第二组分供液箱中的清水中；

第二子步骤是进行布置压裂设备和布置抽采设备，布置压裂设备和布置抽采设备不分先后顺序；预先在压裂管位于压裂钻孔外的部分安装压力表和排放管，并在排放管上安装排放阀；预先在抽采总管上安装抽采总阀门，并在各抽采管上安装抽采分阀门；

布置压裂设备是：将压裂管伸入压裂钻孔中，使压裂管的端部伸至煤层顶板处；使压裂管位于压裂钻孔外的一端与混合容器的出口相连接；

连接第一组分供液装置各部件，将第一组分供液管与混合容器的第一进口相连接；

连接第二组分供液装置各部件，将第二组分供液管与混合容器的第二进口相连接；

布置抽采设备是：将抽采管伸入抽采钻孔中，使抽采管的端部伸至煤层顶板处；使压裂管位于压裂钻孔外的一端与抽采总管相连接，将抽采总管与瓦斯抽采装置相连接；

第二步骤是封孔步骤，使用封孔器对压裂钻孔的孔口和抽采钻孔的孔口进行密封，然后进入第三步骤；

第三步骤是水力压裂步骤；

关闭排放阀，打开第一组分供液阀、第二组分供液阀第一组分供液泵和第二组分供液泵，将第一组分和第二组分同时加压后送入压裂钻孔中并对煤层进行压裂增透；第一组分供液泵和第二组分供液泵启动后5分钟内观察压力表的示数，此时压裂管内的压力值为初始压力值，初始压力值大于等于25MPa并小于等于30MPa；持续观察压力表的示数，当压裂管内的压力值跌落至15±3MPa且连续5分钟小于等于18MPa时，关闭第一组分供液泵、第二组分供液泵、第一组分供液阀和第二组分供液阀，打开排放阀释放压裂管内的压力，当压力表的示数恢复常压时关闭排放阀，结束第三步骤，开始进行第四步骤；

第四步骤是瓦斯抽采步骤；瓦斯抽采步骤是：打开抽采总阀门和各抽采分阀门，启动瓦斯抽采装置，将瓦斯抽采孔处的瓦斯抽出并储存；

通过瓦斯抽采装置观察单位时间内的瓦斯抽采量，当单位时间内的瓦斯抽采量小于等于10升/分钟时，停止进行第四步骤。

准备第一组分中，过硫酸盐采用过硫酸铵；

准备第二组分中，含过渡金属离子的多孔炭采用含铜离子的多孔炭，利用球磨机将硫酸铜与间苯三甲酸按照质量比6:4混合，将所得混合物置于氮气氛围下600 ℃煅烧，制得含铜离子的多孔炭。

第一组分采用质量浓度为5%－10%的过硫酸铵水溶液；第二组分采用含铜离子的多孔炭与水的混合液，第二组分中多孔炭的质量浓度为6%。

本发明具有如下的优点：

采用本发明的技术方案，在对煤体进行水力压裂的同时，利用水力压裂液与煤中不同分子量的有机物在较宽的温度范围内持续进行氧化、原位改性反应，进而将低分子量的有机物部分溶解，疏通煤储层裂隙及孔隙，也降低煤层吸附甲烷能力，从而促进煤层吸附的瓦斯向游离瓦斯转换，与以往单纯的水力压裂相比大幅提高煤体增透效果。

超声波振板能够通过向水中传递超声波，促进含过渡金属离子的多孔炭与水充分均匀混合，提高水力压裂液与煤层中的有机物的反应效率。

本发明的瓦斯抽采系统结构简单，操作方便，能够方便地利用水力压裂液对煤层进行水力压裂。纯水或单独过硫酸盐溶液作为水力压裂液，能够提高增透效果但提高效果较差，使用过硫酸盐溶液与含过渡金属离子的多孔炭混合液混合后作为水力压裂液，提高增透效果的作用十分明显。

本发明的瓦斯抽采方法利用水力压裂液和瓦斯抽采系统进行，相较现有的瓦斯抽采方法，能够大幅提高瓦斯抽采效率，既迅速解决煤层瓦斯给采煤带来的安全问题，又提高了瓦斯抽采效率，增加了瓦斯产量。

最后，本发明的水力压裂液、瓦斯抽采系统及瓦斯抽采方法具有安全、稳定和高效的特点。

附图说明

图1是本发明中瓦斯抽采系统的结构示意图；

图2是采用不同压裂溶液时单个抽采钻孔的瓦斯抽采速度图。

具体实施方式

本发明提供了一种水力压裂液，用于煤层压裂增透，包括第一组分和第二组分，第一组分为过硫酸盐的水溶液，第二组分为含过渡金属离子的多孔炭与水的混合液，第一组分和第二组分的体积份数为：第一组分0.9－1.1份（包括两端值，下同），第二组分0.9－1.1份。进一步，第一组分和第二组分的优选体积份数为：第一组分1份，第二组分1份。

第一组分中的过硫酸盐为过硫酸铵和/或过硫酸钠和/或过硫酸钙和/或过硫酸钾，即，过硫酸盐可以采用过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钙和过硫酸钾中的任一种、任两种、任三种或全部。第一组分中过硫酸盐与水的质量份数为：过硫酸盐1－25份，水100份。

第二组分中含过渡金属离子的多孔炭按以下方法制备：

利用球磨机将过渡金属盐与芳香类羧酸相混合，所得混合物置于惰性气氛下高温煅烧，即可制得含过渡金属离子的多孔炭；其中，球磨机为常规设备，具体结构不再详述。

过渡金属盐为硝酸镍和/或氯化锰和/或硝酸钴和/或硫酸铜和/或硝酸锌（即硝酸镍、氯化锰、硝酸钴、硫酸铜和硝酸锌中的一种或多种），芳香类羧酸为间苯三甲酸和/或对苯二甲酸及其衍生物和/或对羟基苯甲酸和/或对氨基苯甲酸（即间苯三甲酸、对苯二甲酸及其衍生物、对羟基苯甲酸和对氨基苯甲酸中的一种或多种），惰性气氛为氮气或氩气氛围，煅烧温度为500~1000 ℃；过渡金属盐与芳香类羧酸的质量份数为：过渡金属盐0.8－1.2份，优选1.2份；芳香类羧酸0.8－1.2份，优选0.8份。

第二组分中含过渡金属离子的多孔炭与水的质量份数为：含过渡金属离子的多孔炭小于等于25份，水100份。

如图1所示，本发明还公开了使用上述水力压裂液的瓦斯抽采系统，包括在煤层顶板1与煤层底板2之间设置的压裂钻孔3和抽采钻孔4，压裂钻孔3在煤层中具有压裂影响区域（该区域内的煤体均受到压裂增透影响），一个压裂钻孔3左右两侧的压裂影响区域内分别设有所述抽采钻孔4；

压裂钻孔3中插设有压裂管5，各抽采钻孔4中分别插设有抽采管6，压裂钻孔3中的压裂管5上设有用于流入液体的开口（液体由压裂管5经压裂钻孔3流入煤层），抽采钻孔4中的抽采管6上设有用于流出气体的开口（气体由煤层经抽采钻孔4流出至抽采管6）；在管路上设置开口是常规技术，图未示压裂管5和抽采管6上的开口。压裂管5向下伸出煤层底板2并连接有混合容器7，混合容器7具有第一进口8、第二进口9和一个出口10，混合容器7的出口10与压裂管5相连接，混合容器7的第一进口8与第一组分供液装置相连接，混合容器7的第二进口9与第二组分供液装置相连接；

混合容器7与压裂钻孔3之间的压裂管5连接有压力表11和排放管12，排放管12上设有排放阀13；

各抽采管6分别向下伸出煤层底板2并均与抽采总管14相连接，抽采总管14连接有瓦斯抽采装置15，抽采总管14上设有抽采总阀门16，各抽采管6上分别设有抽采分阀门17。

瓦斯抽采装置15为现有技术，能够产生负压（具有抽风机等负压抽风的装置），具体结构不再详述。

第一组分供液装置包括第一组分供液箱18，第一组分供液箱18通过第一组分出液管19与第一组分供液泵20相连接，第一组分供液泵20的出口通过第一组分供液管21与混合容器7的第一进口8相连接，第一组分供液管21上设有第一组分供液阀22；

第二组分供液装置包括第二组分供液箱23，第二组分供液箱23通过第二组分出液管24与第二组分供液泵25相连接，第二组分供液泵25的出口10通过第二组分供液管26与混合容器7的第二进口9相连接，第二组分供液管26上设有第二组分供液阀27。

第一组分供液泵20和第二组分供液泵25的型号相同，因而供液量相同，从而自然将第一组分与第二组分的体积比保持在1：1左右。

本发明的瓦斯抽采系统结构简单，操作方便，能够方便地将第一组分和第二组分混合在一起后送入压裂钻孔3，对压裂钻孔3周边的煤层产生压裂作用。瓦斯抽采装置15产生负压，将压裂影响区域内的瓦斯气体通过抽采钻孔4以及抽采管6和抽采总管14抽出，利用本发明的水力压裂液实现压裂抽采综合作业，相比普通的瓦斯抽采系统显著提高了瓦斯抽采效率。

所述第二组分供液箱23的底壁上设有超声波振板28，超声波振板28上设有超声波发生器。超声波发生器为常规装置，图未示。

超声波振板28能够通过向水中传递超声波，促进含过渡金属离子的多孔炭与水充分均匀混合。

本发明还公开了使用上述瓦斯抽采系统进行的瓦斯抽采方法，按以下步骤进行：

第一步骤是准备步骤；准备步骤包括顺序执行的第一子步骤和第二子步骤；

第一子步骤是钻孔并准备水力压裂液，具体包括不分先后顺序进行钻孔作业和准备水力压裂液作业；

钻孔作业是使用钻机由煤层底板2向煤层顶板1施工一个压裂钻孔和两个抽采钻孔4，使两个抽采钻孔4分别位于压裂钻孔3两侧并均位于压裂影响区域内；

准备水力压裂液作业是分别准备第一组分和第二组分；

准备第一组分是：将1－25质量份的过硫酸盐溶解于100质量份的清水中并储存在第一组分供液箱18中；

准备第二组分是：将过渡金属盐与芳香类羧酸相混合，所得混合物置于惰性气氛下高温煅烧，制得含过渡金属离子的多孔炭；将含过渡金属离子的多孔炭置于清水中并储存在第二组分供液箱23中；开启超声波振板28上的超声波发生器，使含过渡金属离子的多孔炭均匀分散于第二组分供液箱23中的清水中；

第二子步骤是进行布置压裂设备和布置抽采设备，布置压裂设备和布置抽采设备不分先后顺序；预先在压裂管5位于压裂钻孔3外的部分安装压力表11和排放管12，并在排放管12上安装排放阀13；预先在抽采总管14上安装抽采总阀门16，并在各抽采管6上安装抽采分阀门17；

布置压裂设备是：将压裂管5伸入压裂钻孔3中，使压裂管5的端部伸至煤层顶板1处；使压裂管5位于压裂钻孔3外的一端与混合容器7的出口10相连接；

连接第一组分供液装置各部件，将第一组分供液管21与混合容器7的第一进口8相连接；

连接第二组分供液装置各部件，将第二组分供液管26与混合容器7的第二进口9相连接；

布置抽采设备是：将抽采管6伸入抽采钻孔4中，使抽采管6的端部伸至煤层顶板1处；使压裂管5位于压裂钻孔3外的一端与抽采总管14相连接，将抽采总管14与瓦斯抽采装置15相连接；

第二步骤是封孔步骤，使用封孔器对压裂钻孔3的孔口和抽采钻孔4的孔口进行密封，然后进入第三步骤；

第三步骤是水力压裂步骤；

关闭排放阀13，打开第一组分供液阀22、第二组分供液阀27第一组分供液泵20和第二组分供液泵25，将第一组分和第二组分同时加压后送入压裂钻孔3中并对煤层进行压裂增透；第一组分供液泵20和第二组分供液泵25启动后5分钟内观察压力表11的示数，此时压裂管5内的压力值为初始压力值，初始压力值大于等于25MPa并小于等于30MPa；持续观察压力表11的示数，当压裂管5内的压力值跌落至15±3MPa且连续5分钟小于等于18MPa时，关闭第一组分供液泵20、第二组分供液泵25、第一组分供液阀22和第二组分供液阀27，打开排放阀13释放压裂管5内的压力，当压力表11的示数恢复常压时关闭排放阀13；结束第三步骤，开始进行第四步骤；

第四步骤是瓦斯抽采步骤；瓦斯抽采步骤是：打开抽采总阀门16和各抽采分阀门17，启动瓦斯抽采装置15，将瓦斯抽采孔处的瓦斯抽出并储存；

通过瓦斯抽采装置15观察单位时间内的瓦斯抽采量（升/分钟），当单位时间内的瓦斯抽采量小于等于10升/分钟时，停止进行第四步骤。

准备第一组分中，过硫酸盐采用过硫酸铵；

准备第二组分中，含过渡金属离子的多孔炭采用含铜离子的多孔炭，利用球磨机将硫酸铜与间苯三甲酸按照质量比6:4混合，将所得混合物置于氮气氛围下600 ℃煅烧，制得含铜离子的多孔炭。

第一组分采用质量浓度为2%－10%（包括两端值）的过硫酸铵水溶液，优选5%－10%；第二组分采用含铜离子的多孔炭与水的混合液，第二组分中多孔炭的质量浓度为1－6%，优选6%。

本发明的水力压裂液、瓦斯抽采系统及瓦斯抽采方法，能够将煤中低分子有机物氧化、溶解，扩大、增加、疏通煤层孔隙、裂隙，使瓦斯运移产出通道更加畅通，提高了抽采效率；还能够原位氧化煤中芳香片层，降低煤层吸附甲烷能力，促进吸附态瓦斯向游离态瓦斯的转换，为持续高效瓦斯抽采提供物质基础。

申请人对单纯使用清水进行水力压裂（不使用本发明的水力压裂液）以及采用本发明的水力压裂液进行水力压裂分别进行了水力压裂及瓦斯抽采试验，其中第一组分采用过硫酸铵水溶液，并对采用不同的过硫酸铵质量浓度的第一组分分别进行了水力压裂及瓦斯抽采试验，试验结果如图2所示。图2中，A代表不采用本发明的水力压裂液而仅使用清水；B代表第一组分采用质量浓度为2%的过硫酸铵水溶液；C代表第一组分采用质量浓度为5%的过硫酸铵； D代表第一组分采用质量浓度为10%的过硫酸铵水溶液；E代表第一组分采用质量浓度为2%的过硫酸铵，同时第二组分采用含铜离子的多孔炭与水的混合液，其中多孔炭的质量浓度为1%；F代表第一组分采用质量浓度为5%的过硫酸铵水溶液，同时第二组分采用含铜离子的多孔炭与水的混合液，其中多孔炭的质量浓度为2%；G代表第一组分采用质量浓度为10%的过硫酸铵水溶液，同时第二组分采用含铜离子的多孔炭与水的混合液，其中多孔炭的质量浓度为6%。

由图2可知，瓦斯抽采效果最好的情况，是G组的情况，即第一组分采用质量浓度为10%的过硫酸铵水溶液，同时第二组分采用含铜离子的多孔炭与水的混合液，其中多孔炭的质量浓度为6%，此时每分钟的瓦斯抽采量达到95升。F组的情况虽然瓦斯抽抽采速度少一些，但78升每分钟的速度仍然远高于其他组的情况，同时相比G组又减少了一半过硫酸铵和三分之二多孔炭的用量，因而成本较低。因而，将过硫酸铵的用量控制在G组与F组之间（即5%－10%）是本发明中最优的过硫酸铵用量范围。

从图2也可看出，只要使用了本发明中的水力压裂液，就能够提高瓦斯抽采速度。使用过硫酸盐溶蚀改性煤储层的煤体增透方法对煤层实施水力压裂增透，单孔平均瓦斯抽采纯量显著增加，增透效果改善明显。纯水或单独过硫酸盐溶液作为水力压裂液，增透效果较差，使用过硫酸盐与含过渡金属离子的多孔炭混合液作为水力压裂液，增透效果明显。

本发明与酸性增透的区别：盐酸、氢氟酸及醋酸类增透方法是通过溶解煤中碳酸盐岩类矿物成分及硫化物，虽可以增加煤中孔的数量，但对增加孔隙、裂隙连通性效果不大。本发明的水力压裂液能够溶解煤中低分子量的有机物，不但增加煤中孔隙数量，也能够大幅提高煤中孔隙、裂隙的连通性，为瓦斯抽采提供更有利条件。

本发明与二氧化氯增透的区别：二氧化氯虽具有强氧化性，但其极为不稳定，具有极强的化学腐蚀性，对热、震动、撞击和摩擦相当敏感，极易分解发生爆炸，不便运输，只能依靠现场制备，难以在现场大规模应用。本发明中水力压裂液的各成份则在运输、储存以及使用的全过程中均安全稳定。

本发明与芬顿试剂增透（过氧化氢和亚铁离子组成的强氧化体系）的区别：双氧水易快速分解，尤其在高浓度下分解速度更快，以致芬顿试剂只有在刚配置完的最初几分钟具有较好的强氧化性，难以储存，必须现场配制，进入煤层后只在几分钟内具有作用，本发明的水力压裂液则无须现场配制，进入煤层中后能够持续与煤层中的有机物发生反应。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。