從煤層回收甲烷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過(guò)以等離子體能周期激勵(lì)從煤層和可滲透圍巖回收甲烷的方法，所述等離子體能通過(guò)槽穿孔施加到產(chǎn)煤層并施加到可滲透圍巖，所述槽穿孔以由校準(zhǔn)的金屬導(dǎo)體爆炸引起的主應(yīng)力的向量方向的修正值定向，導(dǎo)致設(shè)置在由槽穿孔打開(kāi)的豎井孔的操作間隔中的等離子體脈沖發(fā)生器產(chǎn)生定向短間隔寬帶高壓脈沖，用于啟動(dòng)煤層中的拉壓應(yīng)力，出現(xiàn)聲和水動(dòng)力空化，其促進(jìn)異常微斷裂的巨大樣式的形成，并產(chǎn)生從煤炭、裂紋、微裂紋、微孔、毛細(xì)管和微毛細(xì)管以及從可滲透圍巖最大程度地解吸甲烷的條件。
【背景技術(shù)】
[0002]用于回收甲烷的所有現(xiàn)有技術(shù)的方法主要在于僅從煤層回收瓦斯，而不提供從可滲透圍巖回收甲烷，并且其在未來(lái)未能提供礦工的最大職業(yè)安全。已知所采用的方法為:
[0003]-通過(guò)利用自然煤與瓦斯爆發(fā)在井周?chē)鷽_刷煤層；
[0004]-通過(guò)流體動(dòng)力阻力，在儲(chǔ)煤區(qū)的地層引入和維持自動(dòng)毀壞；
[0005]-將水和空氣(以及二氧化碳)注入煤層；
[0006]-從單直徑井和多分支井回收甲烷氣體；
[0007]-在井周?chē)纬煽斩矗?br>[0008]-通過(guò)瓦斯排放孔回收甲烷氣體；
[0009]-水力壓裂煤層。
[0010]但是，如由不產(chǎn)生甲烷的大量豎井和水平井的事實(shí)所證實(shí)的，所述方法昂貴、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、環(huán)境不安全、能源消化大和效率低。
[0011]還已知在美國(guó)專(zhuān)利2005/009831A1和美國(guó)專(zhuān)利2006/0108111A1中公開(kāi)的方法，這些專(zhuān)利提出，煤層應(yīng)該從日照表面并通過(guò)設(shè)置在豎井中的發(fā)聲裝置受到物理和聲學(xué)激勵(lì)。
[0012]但是，從日照表面(US2005/009831A1)受到激勵(lì)是耗能的，并且寬帶振動(dòng)能量隨著煤層深度減弱。此外，這種激勵(lì)是環(huán)境不安全的，并且可能對(duì)斷裂區(qū)域附近有不可預(yù)測(cè)的影響。
[0013]為了增加可滲透性，設(shè)置在豎井中的發(fā)聲裝置(美國(guó)專(zhuān)利2005/009831A1和美國(guó)專(zhuān)利2006/0108111A1)發(fā)出一個(gè)頻率，而含甲烷的煤床是多因子的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其持續(xù)自我維持不穩(wěn)定的多頻振蕩，它似乎不可能分離主頻率，因此不能解決在離激勵(lì)源相當(dāng)大距離處增加可滲透的問(wèn)題。
[0014]已知在專(zhuān)利RU2254451、IPCE21/B43/112以及專(zhuān)利RU2369728中公開(kāi)了用于井槽穿孔的方法。但是，槽漏只發(fā)生在井孔區(qū)內(nèi)，并不擴(kuò)散到整個(gè)煤層。
[0015]已知在專(zhuān)利RU2248591、RU2373386、RU2373387中以及在美國(guó)專(zhuān)利2014/0027110A1中公開(kāi)了等離子體脈沖激勵(lì)碳?xì)浠衔锷a(chǎn)層的方法。但是，所有所述方法都提供了通過(guò)累積穿孔或在開(kāi)放井孔中刺激碳?xì)浠衔锷a(chǎn)層。累積穿孔損害了啟動(dòng)等離子體脈沖的有效性，并且當(dāng)在開(kāi)放井孔中時(shí)，由于煤炭塑性和脆性，可引起井底區(qū)的塌陷和等離子體脈沖設(shè)備的粘結(jié)。此外，所有所述方法不提供從可滲透圍巖回收甲烷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明方法的技術(shù)效果是增加煤床甲烷的產(chǎn)量，減少能量消耗，并提高過(guò)程的安全性和環(huán)境友好性。
[0017]該技術(shù)效果是通過(guò)從煤層回收甲烷的所述方法實(shí)現(xiàn)的，所述方法在于通過(guò)使用重復(fù)短間隔脈沖激勵(lì)來(lái)產(chǎn)生聲、電、機(jī)械以及水動(dòng)力拉壓應(yīng)力，所述重復(fù)短間隔脈沖由設(shè)置在井的操作間隔中的振動(dòng)源的校準(zhǔn)導(dǎo)體的爆炸產(chǎn)生，爆炸的能量施加到煤層。在此情況下，在井中形成槽穿孔，其沿煤層中的主應(yīng)力的方向取向，在可滲透煤層圍巖中形成額外的槽穿孔，并且額外的槽穿孔的方向是沿煤層圍巖中的主應(yīng)力的方向取向，所述煤層圍巖增強(qiáng)了從煤層的煤炭、裂紋、微裂紋、孔隙、微孔、毛細(xì)管、微毛細(xì)管以及在可滲透煤層圍巖中產(chǎn)生的裂紋和微裂紋發(fā)出的氣泡的聲和水動(dòng)力空化，這促進(jìn)了煤層中的異常微斷裂的樣式的發(fā)展和可滲透煤層圍巖中的更多裂紋和微裂紋，并使甲烷的解吸和擴(kuò)散最大化。
【附圖說(shuō)明】
[0018]現(xiàn)在將由圖1至5示出所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
[0019]圖1是煤床上的等離子能的周期性作用結(jié)果的示意圖。
[0020]圖2是通過(guò)本發(fā)明要求保護(hù)的方法激勵(lì)之前和之后的煤層(樣品)的一部分。
[0021]圖3是通過(guò)本發(fā)明要求保護(hù)的方法激勵(lì)之后的煤層(樣品)的斷層圖像。
[0022]圖4是通過(guò)本發(fā)明要求保護(hù)的方法激勵(lì)之前和之后的井的性能參數(shù)。
[0023]圖5是重復(fù)脈沖對(duì)煤層中的應(yīng)力狀態(tài)的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0024]穿過(guò)任何變形的產(chǎn)煤層并且同時(shí)穿過(guò)更多可滲透圍巖的井(見(jiàn)圖1)的操作間隔中的槽穿孔的組合能夠使由等離子體啟動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊波在沒(méi)有障礙的情況下徑向滲透到煤層和圍巖中，并經(jīng)受周期性的脈沖重復(fù)，以產(chǎn)生重復(fù)拉壓應(yīng)力，并且其允許(由于協(xié)同作用:微斷裂、空化、熱和質(zhì)量傳遞、毛細(xì)管中表面張力的釋放、由外部能量累積的力的集中擴(kuò)散的出現(xiàn))在不采取其他額外提高產(chǎn)量操作的情況下在最大可能范圍內(nèi)回收甲烷。
[0025]所述方法使得通過(guò)槽穿孔直接接觸煤層和可滲透圍巖，考慮煤層和可滲透圍巖的物理、機(jī)械和地質(zhì)特性，并且，作為根據(jù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃和數(shù)學(xué)模型的定向周期性寬帶脈沖激勵(lì)的結(jié)果，產(chǎn)生伴隨著活躍的甲烷解吸和擴(kuò)散的煤層自然調(diào)節(jié)的效果。
[0026]通過(guò)槽穿孔施加到煤層的周期性寬帶等離子體脈沖激勵(lì)的程序通過(guò)順利地使用以下自然細(xì)節(jié)使得甲烷的產(chǎn)出最大化:
[0027]-由圍巖約束的煤床在過(guò)載下本質(zhì)上是多孔的系統(tǒng)，通常沒(méi)有巖體固結(jié)；
[0028]-通過(guò)煤床滲透的流體(水)的豎直侵入受毛細(xì)管和重力控制；
[0029]-煤層具有更低的滲透特性更高的毛細(xì)管壓力；替代地，煤層和巖石具有更高的滲透特性更低的毛細(xì)管壓力；
[0030]-毛細(xì)管壓力在煤層含水飽和度降低時(shí)升高，并促進(jìn)氣體解吸和擴(kuò)散過(guò)程；
[0031]-煤炭的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其他巖石的機(jī)械強(qiáng)度，并且它不能承受更陡峭的激勵(lì)梯度而不破裂。有一個(gè)悖論稱(chēng)為布里奇曼效應(yīng)，即當(dāng)應(yīng)力解除并且不施加時(shí)，發(fā)生煤炭中的斷鍵。在這種條件下，煤炭斷裂成晶片狀的薄層；
[0032]-當(dāng)受到應(yīng)力并具有比平時(shí)高的聲傳導(dǎo)率時(shí)，煤層呈現(xiàn)出非平衡、耗散傳輸介質(zhì)的性質(zhì)，其中，由外部能量(潮汐、遠(yuǎn)震、在開(kāi)發(fā)的邊遠(yuǎn)地區(qū)處的爆破操作)維持自然頻率混舌L ；
[0033]-根據(jù)電性質(zhì)，大部分的煤炭屬于半導(dǎo)體和導(dǎo)體。煤層或可滲透圍巖的等離子體脈沖激勵(lì)產(chǎn)生與多孔的流體飽和介質(zhì)中的帶電流體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的機(jī)械和濃度擴(kuò)散力。外部力呈現(xiàn)出具有動(dòng)電來(lái)源，并每個(gè)脈沖產(chǎn)生電場(chǎng)；該場(chǎng)發(fā)展成不同場(chǎng)的能量；并且隨著脈沖激勵(lì)的停止，累積的外部能量以其原來(lái)的形式恢復(fù)，其有一些損失。
[0034]含甲烷的煤層的氣體飽和度由四個(gè)組分組成:
[0035]—填充孔和裂紋的非伴生氣體-5-6%；
[0036]-吸附在微孔、毛細(xì)管和裂紋的壁上的氣體(氣體吸附和體積填充)_28至35%;
[0037]—以溶解形式包含在煤體中的氣體-40至50%;
[0038]-部分溶解在水膜中的氣體，在此情