一种CO2与高压水联动致裂低渗煤层方法与流程

本发明涉及一种co2与高压水联动致裂低渗煤层方法，属于高瓦斯低渗煤层瓦斯抽采。

背景技术：

1、随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭资源开发向深部进军。深部煤层赋存特征主要以高地应力、高瓦斯压力、低孔渗性为主。在煤炭资源开采之前，通常需要对煤层内的瓦斯进行超前预抽。目前瓦斯预抽方式有密集钻孔抽采、定向长钻孔抽采等，但由于地应力和煤层结构的协同影响，钻孔附近煤体瓦斯解吸后导致孔隙压力降低，增大的有效应力致使煤体变形，孔裂隙结构被压缩致使孔渗性变差，无法实现煤层瓦斯的持续高效抽采。

2、为提高煤层瓦斯抽采效率，主要采用的技术手段是对煤层结构进行体积改造，即借助外来能量破坏煤体结构，如水力压裂技术、深孔爆破技术、酸化压裂等。水力压裂技术主要是采用高压水作为工质来破坏煤体整体结构，衍生出来的孔裂隙结构可能会与煤体原生孔裂隙结构发生贯通。受地应力影响，水力裂缝主要沿垂直于最小主应力方向扩展，且裂缝形态呈单一分布，存在的应力阴影可能会产生相应的应力集中区和瓦斯抽采空白带。同时压裂钻孔内的水压降低可能会造成水力裂缝发生闭合，且裂缝内残留的水分会抑制瓦斯解吸，较大程度地影响后续瓦斯抽采效率。

3、酸化压裂技术主要是向煤层内注入筛选好的酸性工质，利用其与煤岩体的物理化学反应溶蚀过程来扩大煤体孔裂隙结构分布，增加瓦斯气体的优势运移通道，但大多数情况下筛选的酸性工质多对煤层储层有伤害负效应，有的甚至影响工作面环境。因此，针对水力压裂产生裂缝有限、强酸性压裂伤害储层等技术局限性，如何提供一种新的致裂低渗煤层方法，使其不仅能有效实现对煤层的增透效果，而且不会对煤层工作面环境造成损害，最终在不增加较多能源消耗前提下，最大化实现煤体孔隙结构体积的有效改造，提高瓦斯抽采效率，是本发明所需研究的方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种co2与高压水联动致裂低渗煤层方法，采用水力压裂、co2酸化溶蚀和co2竞争吸附驱替瓦斯相互协同的方式，不仅能有效实现对煤层的增透效果，而且不会对煤层工作面环境造成损害，最终在不消耗较多能源前提下，最大化实现煤体孔隙结构体积的有效改造，提高瓦斯抽采效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种co2与高压水联动致裂低渗煤层方法，具体步骤为：

3、步骤一、在底板岩巷向目标煤层施工多个穿层钻孔至煤岩边界以内0.5m范围。

4、步骤二、从步骤一中选择一个穿层钻孔，将压裂管一端送入穿层钻孔内，利用耐高压封孔器对穿层钻孔进行封孔，压裂管内设有高压挡板，用于将压裂管分隔成内部段和外部段，内部段与穿层钻孔连通，接着将高压水分管一端和高压注气分管一端伸入压裂管并穿过高压挡板进入内部段。

5、步骤三、将高压注水泵与高压水分管另一端进行连接，同时将co2气体注入泵与高压注气分管另一端连接，先启动高压注水泵将高压水通过高压水分管注入至穿层钻孔内，直至高压水分管内的注入水压值达到设定的压裂压力p1值时保持当前注水压力值；观察高压水分管的注入水压值，当注入水压值低于当压力数值时，说明水力压裂使周围煤层产生裂隙，部分高压水进入裂隙内导致注入水压值降低，此时通过高压注水泵持续注水保证注入水压值达到p1值。

6、步骤四、启动co2气体注入泵以设定的压力p2值将大量co2介质通过高压注气分管注入至穿层钻孔内，注气时间持续30min后停止，并保持注入水压值达到p1值的持续时间为24h；此时注入的co2介质会溶解在穿层钻孔内的高压水中，并且高压注气分管另一端周围的高压水中co2溶解浓度最高，在浓度梯度驱使下，溶解后的co2离子向浓度低的区域快速扩散，直至到水力压裂产生的裂隙内，并与裂隙表面的矿物组分发生化学反应酸化其表面，且裂隙同时受高压水施压，从而实现高压致裂与co2酸化增透协同工作。

7、步骤五、待煤层其他任一穿层钻孔内出现流水现象时，卸载当前穿层钻孔内气水混合压力，此时溶解高压水中的co2恢复成气态，并通过压裂产生的裂隙扩散至煤层内部，被煤层吸附并驱替煤层快速解吸瓦斯气体，此时将该穿层钻孔连接至瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采。

8、步骤六、步骤一其余各个穿层钻孔，分别重复步骤二至五，从而实现对煤层整体的增透及瓦斯抽采工作。

9、进一步，所述穿层钻孔的直径为90mm，相邻穿层钻孔的间距为3m～3.5m，钻孔长度为50～60m。

10、进一步，所述压裂管、高压水分管和高压注气分管所采用的材质均为不锈钢，最大耐受极限张拉应力不低于20mpa；所述压裂管内部设置多个球形腔体，球形腔体上布置若干个通孔，用于co2气体与高压水混合后排至穿层钻孔内。

11、进一步，所述步骤二中封孔长度为从穿层钻孔孔口向内10m范围，采用一个或多个耐高压封孔器进行封孔，单个耐高压封孔器的最大承受膨胀压力为30mpa。

12、进一步，所述p1值根据目标煤层的地应力及煤层强度确定，p2值为0.5～0.8倍的p1值。

13、进一步，所述高压水注入流量控制在5～6m3/min。保持这种流量能实现稳定的注入及水力压裂过程。

14、进一步，所述co2介质为气态或超临界状态；若为气态则注入压力控制在4～7mpa，若为超临界状态则注入压力控制在8～10mpa。

15、进一步，所述高压注气分管另一端装有单向阀，用于使co2介质通过高压注气分管单向注入穿层钻孔内，并防止未注气时穿层钻孔内的高压水流入高压注气分管内。

16、进一步，在瓦斯抽采过程中任一穿层钻孔抽采的瓦斯浓度低于设定值，则对该穿层钻孔重复步骤二至五，并继续进行瓦斯抽采，如此重复，直至某次重复后抽采出的瓦斯仍然低于设定值，此时停止该穿层钻孔的瓦斯抽采并封堵。

17、与现有技术相比，本发明采用水力压裂、co2酸化溶蚀和co2竞争吸附驱替瓦斯相互协同的方式，具有如下优点：

18、1、本发明先通过高压水进行水力压裂形成部分裂隙，并通过进一步注入co2介质弥补水力压裂压力因裂隙扩展而导致的应力衰减，并且通过水气混合物的方式维持孔隙压力来降低水力裂缝的闭合情况。

19、2、本发明利用高压co2介质在高压环境中易溶于高压水中形成弱酸性环境，并在浓度梯度(即溶于水中的co2离子会从浓度高的位置向浓度低的位置扩散)及高压注入的驱使下促进酸性水与裂隙表面的矿物组分发生化学反应，脱落的矿物颗粒堆积在裂隙内起到支撑剂的效果进一步防止裂隙闭合；且裂隙同时受高压水施压，从而实现高压致裂与co2酸化增透协同工作，在煤层内形成复杂的裂隙网络。

20、3、本发明在增透后将高压环境卸压恢复正常大气压力环境，此时穿层钻孔内溶解高压水中的co2介质部分恢复成气态，并通过压裂产生的裂隙扩散至煤层内部，co2气体与瓦斯气体会形成竞争吸附，且煤层对co2气体吸附性大于瓦斯气体的吸附性，从而导致瓦斯被驱替从煤层内部大量解吸，最终有效提高增透后的瓦斯抽采效率

21、4、本发明集合水侵弱化、co2酸蚀、co2吸附驱替等多种效应，不仅能有效实现对煤层的增透及瓦斯解吸效果，而且不会对煤层工作面环境造成损害，最终在不增加较多能源消耗前提下，最大化实现煤体孔隙结构体积的有效改造，提高瓦斯抽采效率。