一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置及增透方法

摘要

本发明公开了一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置，该装置包括在煤层中钻设的超声激励钻孔、钻杆、超声波换能器、电缆、超声波控制箱、封孔铁管、水绳、封隔器、电缆防喷器。本发明同时提供了一种大功率超声波对低渗透性煤层增透方法。本发明通过在水力压裂基础上采用大功率超声波增透技术对低渗透性煤层进行增透作业，通过水力压裂产生的煤层裂隙，以水为传播介质，扩大超声波影响范围，进一步增加煤层的孔隙度与渗透率，同时打通压裂过程中被煤屑阻塞的通道。通过两种技术先后的共同作用，从而大幅度增加煤层的透气性，提高瓦斯抽采效果。

说明书

技术领域

本发明涉及煤层增透技术领域，特别涉及一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置及增透方法。

背景技术

目前，我国煤矿灾害仍然十分严重，而其中瓦斯灾害尤为严重。防治瓦斯灾害、保障煤矿安全生产，是我国煤炭生产面临的首要和迫切的任务。随着煤层开采深度的增加，地应力不断增大，煤层渗透率随之减小，瓦斯突出灾害越来越严重，不但制约了煤层瓦斯的抽放率和抽放效果，并在很大程度上影响了矿井的正常接续。低透气性煤层瓦斯抽采和突出防治成为国际公认的难题。深入研究低透气性煤层瓦斯抽采技术途径，成为一项既艰难又迫切的任务。因此，针对我国低透气性突出煤层特点，解决低渗透煤层的瓦斯抽放、防突问题，已成为确保安全生产、提高矿井生产效率、实现煤与瓦斯共采的关键环节。透气性系数低、原始瓦斯含量大的煤层，必须采用强化措施来增加煤层的透气性，才能有效地抽出瓦斯、防止煤与瓦斯突出。

经过近十几年的快速发展，水力化煤层增透技术及装备有了很大进步，但多数技术仍处于试验研究阶段，尚未达到可以大面积推广应用的程度。每种单项增透技术都有其优势，又难免存在自身的局限性。如水力压裂的控制范围大，影响半径能够达到几十米，但是以现有的技术水平，很难保证在它的控制范围内实现煤体均匀卸压、增透而不留下空白带。而且在实际抽采过程中，由于地应力作用，压裂产生的裂隙会逐渐闭合，达不到预期的抽采效果。对煤层较软，孔隙裂缝复杂的煤层，水力压裂作用十分有限。

大功率超声波增透技术多应用于石油开采领域，其机理是利用大功率超声波发射机将电功率转化成为高频电信号，通过超声波传输电缆，将电信号传输到储层相应位置的换能器上转换成超声机械振动，使附近储层受到震动，局部形成高温、高压，促进氧化-还原反应，高分子物质解聚，使胶质的沥青质分子、蜡分子产生断裂等化学效应，通过解除孔隙堵塞、产生微裂缝从而提高储层的渗透性。通过研究表明，超声激励亦可以使煤体产生微裂隙，改变煤体的孔隙结构，提供煤层中瓦斯运移通道，有效提高煤岩体渗透能力，改变煤体内吸附态瓦斯气体的吸附平衡，促使瓦斯气体运移。

目前大功率超声波增透技术的局限在于原始煤体中声强随距离增大而逐渐衰减，其影响半径有限。而对煤层较软，孔隙裂缝复杂的低渗透性煤层，水力压裂作用十分有限。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置及增透方法。本发明通过在水力压裂基础上采用大功率超声波增透技术对低渗透性煤层进行增透作业，通过水力压裂产生的煤层裂隙，以水为传播介质，扩大超声波影响范围，进一步增加煤层的孔隙度与渗透率，同时打通压裂过程中被煤屑阻塞的通道。通过两种技术先后的共同作用，从而大幅度增加煤层的透气性，提高瓦斯抽采效果。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置，该装置包括：

在煤层中钻设的超声激励钻孔；

钻杆；

超声波换能器，通过马龙头连接在所述钻杆的前端；

电缆，穿设在所述钻杆内部，且所述电缆的前端通过丝扣与所述马龙头连接；

超声波控制箱，与所述电缆的末端相连接；

封孔铁管，所述封孔铁管置于所述超声激励钻孔中且靠近超声激励钻孔孔口，且所述封孔铁管套设在所述钻杆的外部；且在所述封孔铁管外周面与所述超声激励钻孔内周面之间的空隙内通过聚氨酯和水泥砂浆封孔，形成封孔段；

水绳，前端自封孔铁管内伸出置于超声激励钻孔内，末端置于超声激励钻孔孔口外侧，且所述水绳末端通过三通与置于超声激励钻孔外部的静压水管相连接。

封隔器，设置在所述封孔铁管外周面与超声激励钻孔内周面之间的空隙，且位于所述封孔段前端；

电缆防喷器，通过丝扣与所述钻杆的末端相连接，所述电缆自电缆防喷器内部穿过后与超声波控制箱相连接。

进一步地，所述利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置还包括油管，所述油管轴向置于钻杆中，且油管的前端通过丝扣与马龙头相连接，油管内充满液压油，油管末端通过堵头封堵。

进一步地，在所述油管上安装有液压阀。

进一步地，所述静压水管与高压水泵连接。

进一步地，所述封孔段的长度L为4～6m。

进一步地，所述超声激励钻孔孔底穿过煤层进入煤层顶板0.5m。

本发明同时提供一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透方法，采用上述利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置实现，包括如下步骤：

步骤1、在井下岩巷向煤层施工多个水力压裂钻孔，水力压裂钻孔间距40m，成孔后采取水力压裂措施；

步骤2、保压完成后，施工超声激励钻孔，所述超声激励钻孔孔底穿过煤层进入煤层顶板或煤层底板0.5m；

步骤3、超声激励钻孔内事先放置封孔铁管和水绳，水绳通过三通与静压水管相连接；

步骤4、利用钻机及推送架将超声波换能器和电缆通过钻杆送至煤层顶板(上向孔)或煤层底板(下向孔)，自孔口到孔底有序处理：首先推送架就位，超声波换能器连接马龙头，电缆前端通过丝扣与马龙头连接，马龙头与钻杆相连接，用推送架向超声激励钻孔孔内推送钻杆，实现将超声波换能器推送入超声激励钻孔孔内煤层中间段，在超声激励钻孔孔内放置封隔器，将油管前端连接至马龙头，油管上安装液压阀；然后在钻杆末端安装电缆防喷器，电缆末端自电缆防喷器中穿出后接超声波控制箱；

步骤5、在所述封孔铁管外周面与所述超声激励钻孔内周面之间的空隙内通过聚氨酯和水泥砂浆封孔，形成封孔段；同时将位于孔口外侧的封孔铁管内部采用橡胶圈材料封堵严密，防止漏水；

步骤6、超声激励钻孔封孔后24小时待水泥砂浆凝固后，通过静压水管或开启高压水泵与水绳向超声激励钻孔内注静压水，静压水管水压p为1MPa，高压水泵水压p为2～3MPa，如果矿井水压低于1MPa，开启高压水泵，注满后停止注水。

步骤7、测试超声波换能器的工作状态，超声波换能器设备设定功率W为9～10KW，正常后开始超声波作业，作业时间和速度需根据具体煤层厚度进行调整；

步骤8、作业结束后，使孔内卸压，依次收回油管、液压阀、马龙头和超声波换能器，结束作业。

进一步地，所述步骤1水力压裂措施的保压压力P为17～18Mpa，保压时间T为15～20天，单孔需要水量Q为200～250m

相对于现有的技术，本发明的有益效果为：

本发明在水力压裂基础上采用大功率超声波增透技术对煤层进行增透作业，通过水力压裂产生的煤层裂隙，扩大超声波影响范围，进一步增加煤层的孔隙度与渗透率，同时打通水力压裂过程中被煤屑阻塞的通道。从而提高煤层瓦斯抽采效果，缩短预抽时间，优化抽采钻孔参数，最终实现抽采达标。根据超声波增透前后抽采参数测量结果显示，水力压裂孔控制范围内各组钻孔均受超声波增透措施影响，各组钻孔瓦斯抽采纯量提高3～5倍左右，瓦斯抽采浓度提高2倍左右。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是本发明的一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式中试验地点超声激励钻孔及九组穿层条带预抽钻孔布置平剖面示意图布置平面图；

图3是具体实施方式中试验验证的65组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图4是具体实施方式中试验验证的66组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图5是具体实施方式中试验验证的67组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图6是具体实施方式中试验验证的68组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图7是具体实施方式中试验验证的69组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图8是具体实施方式中试验验证的70组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图9是具体实施方式中试验验证的71组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图10是具体实施方式中试验验证的72组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图11是具体实施方式中试验验证的73组钻孔浓度、抽采纯量变化图；

图12是具体实施方式中试验验证的支管浓度、抽采纯量变化图；

图中：1为超声波换能器、2为马龙头、3为超声激励钻孔、4为钻杆、5为封孔段、6为水绳、7为封孔铁管、8为静压水管、9为电缆、10为超声波控制箱、11为液压阀、12为油管、13为封隔器、14为电缆防喷器、15为推送架、16为三通、17为高压水泵、18、穿层条带预抽钻孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

实施例一

参照图1，一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置，该装置包括：

在煤层中钻设的超声激励钻孔3；

钻杆4；

超声波换能器1，通过马龙头2连接在所述钻杆4的前端；本发明所用超声波换能器的功率为5-30KW，换能器频率可在18-40KHz。

电缆9，穿设在所述钻杆4内部，且所述电缆9的前端通过丝扣与所述马龙头2连接；

超声波控制箱10，与所述电缆9的末端相连接；

封孔铁管7，所述封孔铁管7置于所述超声激励钻孔3中且靠近超声激励钻孔3孔口，且所述封孔铁管7套设在所述钻杆4的外部；且在所述封孔铁管7外周面与所述超声激励钻孔3内周面之间的空隙内通过聚氨酯和水泥砂浆封孔，形成封孔段5；

水绳6，前端自封孔铁管7内伸出置于超声激励钻孔3内，末端置于超声激励钻孔3孔口外侧，且所述水绳6末端通过三通16与置于超声激励钻孔3外部的静压水管8相连接；

封隔器13，设置在所述封孔铁管7外周面与超声激励钻孔3内周面之间的空隙，且位于所述封孔段5前端，用于防止超声激励钻孔3漏水及防止封孔材料(聚氨酯和水泥砂浆)进入封孔铁管7中；

电缆防喷器14，通过丝扣与所述钻杆4的末端相连接，所述电缆9自电缆防喷器14内部穿过后与超声波控制箱10相连接。

所述利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置还包括油管12，所述油管12轴向置于钻杆4中，且油管12的前端通过丝扣与马龙头2相连接，油管12内充满液压油，油管12末端通过堵头封堵。油管12内部液压油可对超声波换能器1起到换热作用。

在所述油管12上安装有液压阀11，用于平衡超声波换能器1内部压力。

所述静压水管8与高压水泵17连接。

所述封孔段5的长度L为4～6m。

所述封隔器13为橡胶材质制成的圆环体。

本发明同时提供一种利用大功率超声波对低渗透性煤层增透方法，采用上述利用大功率超声波对低渗透性煤层增透装置实现，包括如下步骤：

步骤1、在井下岩巷向煤层施工多个水力压裂钻孔，水力压裂钻孔间距40m，成孔后采取水力压裂措施；

步骤2、保压完成后，在各水力压裂钻孔附近1～2m施工超声激励钻孔3，所述超声激励钻孔3孔底穿过煤层进入煤层顶板(上向孔)或煤层底板(下向孔)0.5m；

步骤3、超声激励钻孔3内事先放置封孔铁管7和水绳6，水绳6通过三通16与静压水管8相连接；

步骤4、利用钻机及推送架将超声波换能器1和电缆9通过钻杆4送至煤层顶板(上向孔)或煤层底板(下向孔)，自孔口到孔底有序处理：首先推送架15就位，超声波换能器1连接马龙头2，电缆9前端通过丝扣与马龙头2连接，马龙头2与钻杆4相连接，钻杆4是根据钻孔长度选择钻杆数量，多根钻杆之间相互连接至需要长度，用推送架15向超声激励钻孔3孔内推送钻杆4，实现将超声波换能器1推送入超声激励钻孔3孔内煤层中间段，在超声激励钻孔3孔内放置封隔器13，将油管12前端连接至马龙头2，油管12上安装液压阀11；然后在钻杆4末端安装电缆防喷器14，电缆9末端自电缆防喷器14中穿出后接超声波控制箱10；

步骤5、在所述封孔铁管7外周面与所述超声激励钻孔3内周面之间的空隙内通过聚氨酯和水泥砂浆封孔，形成封孔段5；同时将位于孔口外侧的封孔铁管7内部采用橡胶圈材料封堵严密，防止漏水；

步骤6、超声激励钻孔3封孔后24小时待水泥砂浆凝固后，通过静压水管8或开启高压水泵17与水绳6向超声激励钻孔3内注静压水，静压水管8水压p为1MPa，高压水泵17水压p为2～3MPa，如果矿井水压低于1MPa，开启高压水泵17，注满后停止注水；

步骤7、测试超声波换能器1的工作状态，超声波换能器1设备设定功率W为9～10KW，正常后开始超声波作业，作业时间和速度需根据具体煤层厚度进行调整；

步骤8、作业结束后，使孔内卸压，依次收回油管12、液压阀11、马龙头2和超声波换能器1，结束作业。

所述封隔器13坐封位置位于煤层底板(上向孔)或煤层顶板(下向孔)岩石开孔处4～6m位置，井壁光滑处。

所述步骤1水力压裂措施的保压压力P为17～18Mpa，保压时间T为15～20天，单孔需要水量Q为200～250m

本发明钻机的推送行程为750mm，推送架15带锁止装置。

本发明的高能超声波煤层处理机理是利用大功率超声波控制箱将电功率转化成为高频电信号，通过超声波传输电缆，将电信号传输到煤层相应位置的超声波换能器上转换成超声机械振动，使煤层受到震动，局部形成高温、高压，促进氧化-还原反应，高分子物质解聚，使胶质的沥青质分子、蜡分子产生断裂等化学效应，通过解除孔隙堵塞、产生微裂缝提高煤层透气性，从而增加煤层瓦斯抽采量，降低煤层中瓦斯含量。

利用功率超声波振动疏通煤层原有裂缝，并产生新微裂缝，增加煤岩渗透率，以便更大限度地抽采煤层中赋存的瓦斯，降低煤层中瓦斯含量，利于今后的安全开采。

试验验证：

1、试验地点：在某矿井下底板巷施工穿层条带预抽钻孔，利用超声波增透技术对钻孔采取增透措施，对超声波增透后的各组条带预抽钻孔抽采效果进行考察。

2、施工流程

步骤1、试验考察预抽时间一年左右的的九组穿层条带预抽钻孔18(组号为65-73，如图2所示)，区域预抽前采取水力压裂措施，水力压裂钻孔间距40m，成孔后采取水力压裂措施，保压压力P为17～18Mpa，保压时间T为15～20天，单孔需要水量Q为200～250m

步骤2、在底板巷施工上向穿层钻孔1个，命名为超声激励钻孔3，见煤点在69～70组钻孔之间，钻孔要求穿层12煤层进入顶板0.5m，孔径为

步骤3、超声激励钻孔3内事先放置封孔铁管7(封孔铁管7直径为Φ108mm)和水绳6(水绳直径为Φ16mm)，水绳6通过三通16与静压水管8相连接；

步骤4、利用钻机及推送架将超声波换能器1和电缆9通过钻杆4送至煤层顶板(上向孔)或煤层底板(下向孔)，自孔口到孔底有序处理，本次试验处理速度为1m/h：首先推送架15就位，超声波换能器1连接马龙头2，电缆9前端通过丝扣与马龙头2连接，马龙头2与钻杆4相连接，用推送架15向超声激励钻孔3孔内推送钻杆4，实现将超声波换能器1推送入超声激励钻孔3孔内煤层中间段，在超声激励钻孔3孔内放置封隔器13，将油管12前端连接至马龙头2，油管12上安装液压阀11；然后在钻杆4末端安装电缆防喷器14，电缆9末端自电缆防喷器14中穿出后接超声波控制箱10；

步骤5、在所述封孔铁管7外周面与所述超声激励钻孔3内周面之间的空隙内通过聚氨酯和水泥砂浆封孔，形成封孔段5；同时将位于孔口外侧的封孔铁管7内部采用橡胶圈材料封堵严密，防止漏水；

步骤6、超声激励钻孔3封孔后24小时待水泥砂浆凝固后，通过静压水管8或开启高压水泵与水绳6向超声激励钻孔3内注静压水，静压水管8水压p为1MPa，高压水泵17水压p为2～3MPa，如果矿井水压低于1MPa，开启高压水泵17，注满后停止注水。

步骤7、测试超声波换能器1的工作状态，设备设定功率W为9～10KW，正常后开始超声波作业，作业时间需根据具体煤层厚度进行调整，速度为0.75m/5h。

步骤8、作业结束后，使孔内卸压，依次收回油管12、封隔器13、液压阀11、马龙头2和超声波换能器1，结束作业。

预先将超声激励钻孔3两侧65～73组范围内所有已施工的穿层条带预抽钻孔18(共九组)，以组为单位分别接2寸孔板流量计，支管路接

4、增透效果分析

2020年4月29管路连接完成，在2020年5月3日11时～5月4日7时，共20小时进行超声波增透。本次效果考察采用瓦斯浓度及瓦斯抽采纯量作为基本指标。将各地点在采取增透措施前、中、后不同时间的抽采参数观测记录并进行对比分析，具体数据见图3～图12和表1。

表1超声波增透措施前后考察区域抽采浓度、抽采纯量数据表

从图3～图12及表1数据可以得出以下结论：

①根据超声波增透前后抽采参数测量结果显示：65～73组穿层条带预抽钻孔18总的抽采浓度由增透前的3.8％提高至6.16％，比值为1.62倍；在增透后0～24h、增透后24～50h内浓度基本稳定在6％左右。瓦斯抽采纯量由增透前0.0773m

②九组穿层条带预抽钻孔18中，抽采浓度增加的有4组，分别为66、68、69、70组，比值在1.24～2.01倍之间，最大比值为66组的2.01倍；抽采纯量增加的有6组，分别为66、68、69、70、71、72组，比值在1.03～4.34倍之间，最大比值为70组的4.34倍。

③在增透时间为3h情况下穿层条带预抽钻孔18抽采浓度及流量衰减较快，12h后抽采浓度及流量衰减完，稳定在增透前水平。本次增透时间为20h，在增透后0～24h、增透后24～50h内抽采浓度、纯量增加量基本一致。可以看出，延长增透时间可相应提高抽采效果，降低钻孔流量衰减速度。

本发明对于低渗透性煤层，特别是在采取穿层钻孔预抽及水力压裂等增透措施后抽采仍不达标的区域尤为适用。

本发明在水力压裂基础上采用大功率超声波增透技术对低渗透性煤层进行增透作业，通过水力压裂产生的煤层裂隙，以水为传播介质，扩大超声波影响范围，进一步增加煤层的孔隙度与渗透率，同时打通压裂过程中被煤屑阻塞的通道。两种技术先后共同作用，从而大幅度增加煤层的透气性，提高瓦斯抽采效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。