CN106285604A - 一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统及方法，系统包括：液态二氧化碳储罐、加热器、增压泵、压裂管及回收管、三相分离器、空压机、冷却器形成一个回路实现超临界二氧化碳循环压裂，在煤层内形成裂隙网；方法：利用微波加热煤层和二氧化碳以保证二氧化碳长期处于超临界状态，同时其热效应也能够致裂煤体、疏通孔隙、促进瓦斯解吸。超临界二氧化碳扩散性强，极易深入煤体孔、裂隙，同时能够驱替瓦斯；循环压裂有效降低了作业成本并简化了施工工艺。本发明将微波辐射与超临界二氧化碳循环压裂相结合，大大提高了煤层孔隙率、渗透率，促进了瓦斯解吸，从而大幅度提高了瓦斯抽采效果，在本技术领域内具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统及方法，属于煤矿井下压裂相关技术领域，尤其适用于松软高瓦斯煤层。
背景技术
我国煤层高吸附、微孔隙、低渗透的特点导致瓦斯抽采困难，瓦斯事故频发。作为一项成熟的技术，水力压裂能够有效提高煤层瓦斯抽采效果，但是现有的水力压裂技术造缝形式单一、难以形成裂隙网、促解吸效果差、压裂液回收性差。微波能够作用于煤体中的水等极性分子产生热效应，撕裂煤体、疏通孔隙并促进瓦斯解吸。超临界二氧化碳是指将二氧化碳加温加压至临界点以上(Tc＝31.1℃，Pc＝7.38MPa)的状态，具有接近于气体的低黏度和高扩散性、接近于液体的高密度以及零表面张力等特性。相对于常规压裂液，超临界二氧化碳压裂流体渗透能力强，极易进入煤中的孔、裂隙，从而产生裂缝网，然而，在煤矿井下保持二氧化碳的超临界状态并有效回收成为其应用的技术瓶颈。因此，亟需研究一种新型技术，能够将微波辐射与超临界二氧化碳循环压裂结合起来，达到煤体快速致裂、扩孔、促解吸的效果。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中存在的不足之处，提供一种方法简单、能够大幅提高煤层压裂效率的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统及方法。
技术方案：本发明的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统，包括与回收管相连的三相分离器、与三相分离器相连的空压机、与空压机相连的冷却器和与冷却器相连的液态二氧化碳储罐，液态二氧化碳储罐下侧管线连接有加热器，加热器经管线一路连接有与压裂管相连的增压泵，另一路连接有与同轴波导相连的波导转换器，形成一个实现超临界二氧化碳循环压裂，在煤层内形成裂隙网的回路；所述的同轴波导上连有微波天线，所述的波导转换器经矩形波导连接有微波发生器。
使用上述系统的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，包括以下步骤：
a、在巷道内向煤层施工一个压裂钻孔，并在压裂钻孔两侧施工两个瓦斯抽采钻孔，压裂钻孔和瓦斯抽采钻孔的两端分别位于顶板和底板内；
b、向瓦斯抽采钻孔内送入抽采管，向压裂钻孔内送入压裂管、回收管和连有微波天线的同轴波导，之后利用封孔器对压裂钻孔和瓦斯抽采钻孔进行密封；
c、将同轴波导的外端部连接到波导转换器上，波导转换器一端经矩形波导与微波发生器连接，波导转换器另一端通过波导与加热器相连接；
d、将压裂管的外端部连接到增压泵上，增压泵经管线与加热器相连接，加热器经管线与液态二氧化碳储罐相连接；
e、将回收管的外端部连接三相分离器，三相分离器与空压机连接，空压机与冷却器连接，冷却器与液态二氧化碳储罐相连接；
f、管路连接完成后，打开液态二氧化碳储罐，使液态二氧化碳进入加热器；
g、打开微波发生器，产生的微波通过矩形波导进入波导转换器，波导转换器将微波分为两路，一路通过同轴波导到达微波天线并由微波天线向压裂钻孔内辐射，另一路通过波导到达加热器，对液态二氧化碳加热；
h、启动增压泵对加热后的二氧化碳加压，形成超临界二氧化碳，超临界二氧化碳通过压裂管进入压裂钻孔内，对煤层实施压裂；
i、微波天线辐射出的微波对煤层和二氧化碳持续加热，使二氧化碳长时间处于超临界状态，煤层在高温下解吸出大量瓦斯，瓦斯通过压裂产生的裂隙涌向瓦斯抽采钻孔，将瓦斯抽采管与井下瓦斯管网连接，进行瓦斯抽采；
j、压裂钻孔内的残余气体通过回收管进入三相分离器，三相分离器将气体中的煤渣、水及瓦斯过滤出来，剩余的二氧化碳通过空压机压缩并通过冷却器冷却，最后返回液态二氧化碳储罐。
所述的微波发生器的工作频率为2.45GHz，功率为2kW。
所述的液态二氧化碳加热温度为34℃以上。
所述对加热后的二氧化碳加压的压力为8MPa以上。
当所述的液态二氧化碳储罐液位低于罐的三分之一高度时应补充二氧化碳。
所述压裂钻孔与瓦斯抽采钻孔的距离为3.5-4.5m。
有益效果：本发明的超临界二氧化碳扩散性强，作为压裂流体极易深入煤体孔、裂隙，能够有效降低起裂压力；超临界二氧化碳吸附能力强于瓦斯，能够形成竞争吸附从而驱替煤中的瓦斯；微波孔内辐射能够保证二氧化碳长期处于超临界状态，同时其热效应也能够致裂煤体、疏通孔隙、促进瓦斯解吸；将微波导入加热器加热二氧化碳，孔内残余二氧化碳通过空压机、冷却器返回储罐从而形成循环压裂，有效降低了作业成本并简化了施工工艺。本发明将微波辐射与超临界二氧化碳循环压裂相结合，大大提高了煤层孔隙率、渗透率，促进了瓦斯解吸，从而大幅度提高了瓦斯抽采效果，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
附图1是本发明的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统结构示意图。
图中：1-煤层，2-压裂钻孔，3-瓦斯抽采钻孔，4-顶板，5-底板，6-抽采管，7-微波天线，8-同轴波导，9-压裂管，10-回收管，11-封孔器，12-波导转换器，13-矩形波导，14-微波发生器，15-波导，16-加热器，17-增压泵，18-液态二氧化碳储罐，19-三相分离器，20-空压机，21-冷却器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统，包括与回收管10相连的三相分离器19、与三相分离器19相连的空压机20、与空压机20相连的冷却器21和与冷却器21相连的液态二氧化碳储罐18，液态二氧化碳储罐18下侧管线连接有加热器16，加热器16经管线一路连接有与压裂管9相连的增压泵17，另一路连接有与同轴波导8相连的波导转换器12，形成一个实现超临界二氧化碳循环压裂，在煤层内形成裂隙网的回路；所述的同轴波导8上连有微波天线7，所述的波导转换器12经矩形波导13连接有微波发生器14。
使用上述系统的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法：首先，在巷道内向煤层1施工一个压裂钻孔2，并在压裂钻孔2两侧4米施工两个瓦斯抽采钻孔3，压裂钻孔2和瓦斯抽采钻孔3的两端分别位于顶板4和底板5内；将抽采管6一端送入瓦斯抽采钻孔3，将微波天线7与同轴波导8连接，并将微波天线7、同轴波导8、压裂管9和回收管10一起送入压裂钻孔2内，利用封孔器11对压裂钻孔2和瓦斯抽采钻孔3进行密封；同时，将同轴波导8的外端部连接波导转换器12，波导转换器12与矩形波导13连接，矩形波导13与微波发生器14连接，所述微波发生器10的工作频率为2.45GHz，功率为2kW。另外，波导转换器12通过波导15与加热器16连接。之后，将压裂管9的外端部连接增压泵17，增压泵17与加热器16连接，加热器16与液态二氧化碳储罐18连接；将回收管10的外端部连接三相分离器19，三相分离器19与空压机20连接，空压机20与冷却器21连接，冷却器21与液态二氧化碳储罐18连接。
管路连接完成后，打开液态二氧化碳储罐18，使液态二氧化碳进入加热器16；然后，打开微波发生器14，所产生的微波通过矩形波导13进入波导转换器12，波导转换器12将微波分为两路，一路通过同轴波导8到达微波天线7并由微波天线7向压裂钻孔2辐射，另一路通过波导15到达加热器16，对液态二氧化碳加热至34℃以上；进而，启动增压泵17对二氧化碳加压至8MPa以上，形成超临界二氧化碳，即温度超过34℃，压力超过8MPa的状态，超临界二氧化碳通过压裂管9进入压裂钻孔2，对煤层1实施压裂；同时，微波天线7辐射出的微波对煤层1和二氧化碳持续加热，使二氧化碳长时间处于超临界状态(温度超过34℃，压力超过8MPa的状态)，煤层1在高温下解吸出大量瓦斯，瓦斯气体通过压裂产生的裂隙涌向瓦斯抽采钻孔3，此时，将瓦斯抽采管6与井下瓦斯管网连接，进行瓦斯抽采；压裂钻孔2内的残余气体通过回收管10进入三相分离器19，三相分离器19将气体中的煤渣、水及瓦斯过滤出来，剩余的二氧化碳通过空压机20压缩并通过冷却器21冷却，最后返回液态二氧化碳储罐18。由于部分进入压裂钻孔2内的二氧化碳会通过煤体裂隙扩散到周围钻孔甚至巷道空间内，因此，当所述的液态二氧化碳储罐液位低于罐的三分之一高度时应补充二氧化碳。
Claims (7)
1.一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂系统，其特征在于：它包括与回收管（10）相连的三相分离器（19）、与三相分离器（19）相连的空压机（20）、与空压机（20）相连的冷却器（21）和与冷却器（21）相连的液态二氧化碳储罐（18），液态二氧化碳储罐（18）下侧管线连接有加热器（16），加热器（16）经管线一路连接有与压裂管（9）相连的增压泵（17），另一路连接有与同轴波导（8）相连的波导转换器（12），形成一个实现超临界二氧化碳循环压裂，在煤层内形成裂隙网的回路；所述的同轴波导（8）上连有微波天线（7），所述的波导转换器（12）经矩形波导（13）连接有微波发生器（14）。
2.一种使用权利要求1所述系统的微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在巷道内向煤层（1）施工一个压裂钻孔（2），并在压裂钻孔（2）两侧施工两个瓦斯抽采钻孔（3），压裂钻孔（2）和瓦斯抽采钻孔（3）的两端分别位于顶板（4）和底板（5）内；
b、向瓦斯抽采钻孔（3）内送入抽采管（6），向压裂钻孔（2）内送入压裂管（9）、回收管（10）和连有微波天线（7）的同轴波导（8），之后利用封孔器（11）对压裂钻孔（2）和瓦斯抽采钻孔（3）进行密封；
c、将同轴波导（8）的外端部连接到波导转换器（12）上，波导转换器（12）一端经矩形波导（13）与微波发生器（14）连接，波导转换器（12）另一端通过波导（15）与加热器（16）相连接；
d、将压裂管（9）的外端部连接到增压泵（17）上，增压泵（17）经管线与加热器（16）相连接，加热器（16）经管线与液态二氧化碳储罐（18）相连接；
e、将回收管（10）的外端部连接三相分离器（19），三相分离器（19）与空压机（20）连接，空压机（20）与冷却器（21）连接，冷却器（21）与液态二氧化碳储罐（18）相连接；
f、管路连接完成后，打开液态二氧化碳储罐（18），使液态二氧化碳进入加热器（16）；
g、打开微波发生器（14），产生的微波通过矩形波导（13）进入波导转换器（12），波导转换器（12）将微波分为两路，一路通过同轴波导（8）到达微波天线（7）并由微波天线（7）向压裂钻孔（2）内辐射，另一路通过波导（15）到达加热器（16），对液态二氧化碳加热；
h、启动增压泵（17）对加热后的二氧化碳加压，形成超临界二氧化碳，超临界二氧化碳通过压裂管（9）进入压裂钻孔（2）内，对煤层（1）实施压裂；
i、微波天线（7）辐射出的微波对煤层（1）和二氧化碳持续加热，使二氧化碳长时间处于超临界状态，煤层（1）在高温下解吸出大量瓦斯，瓦斯通过压裂产生的裂隙涌向瓦斯抽采钻孔（3），将瓦斯抽采管（6）与井下瓦斯管网连接，进行瓦斯抽采；
j、压裂钻孔（2）内的残余气体通过回收管（10）进入三相分离器（19），三相分离器（19）将气体中的煤渣、水及瓦斯过滤出来，剩余的二氧化碳通过空压机（20）压缩并通过冷却器（21）冷却，最后返回液态二氧化碳储罐（18）。
3.根据权利要求2所述的一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，其特征在于：所述的微波发生器（10）的工作频率为2.45 GHz，功率为2 kW。
4.根据权利要求2所述的一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，其特征在于：所述的液态二氧化碳加热温度为34℃以上。
5.根据权利要求2所述的一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，其特征在于：所述对加热后的二氧化碳加压的压力为8MPa以上。
6.根据权利要求2所述的一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，其特征在于：当所述的液态二氧化碳储罐（18）液位低于罐的三分之一高度时应补充二氧化碳。
7.根据权利要求2所述的一种微波辅助超临界二氧化碳循环压裂方法，其特征在于：所这压裂钻孔（2）与瓦斯抽采钻孔（3）的距离为3.5-4.5m。
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