一種液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法

本發明涉及一種液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，屬于煤層氣開采。

背景技術：

1、隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭，煤層氣開采逐步向深部進發。我國煤層氣資源普遍具有低孔隙率、低滲透率等特點，極差的孔滲特性阻礙了煤層氣的有效滲流，嚴重制約了煤層氣產業的快速發展。

2、為了開采煤層氣需要對煤層進行致裂，目前主要采用水力致裂的方式，但是壓裂技術存在效率低、成本高等問題，限制了煤層氣的有效開采。液氮因常壓下溫度為-196℃，與固體接觸時可迅速降低固體的溫度，使固體收縮且沿內部徑向形成熱應力；同時，液氮汽化膨脹為21℃純氮氣時具有696倍的膨脹率，在有限空間內可產生巨大氣壓；若固體內部孔隙中有水，還會導致水冰相變產生約9％的體積膨脹，理論上能夠產生高達207mpa的凍脹力，所以液氮也開始應用于煤層壓裂過程，且其增透效果較好。雖然液氮壓裂技術可以提高壓裂效率及效果，但其壓裂后缺乏有效的裂隙支撐手段，導致壓裂形成的裂隙受地應力影響閉合，最終導致煤層氣開采效率較低。

3、因此，如何提供一種新的方法，不僅能實現對煤層高效壓裂，而且能有效對形成的裂隙進行支撐，從而降低其后續閉合的情況，最終有效提高煤層氣的開采效率，是本發明所需研究的方向。

技術實現思路

1、針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，不僅能實現對煤層高效壓裂，而且能有效對形成的裂隙進行支撐，從而降低其后續閉合的情況，最終有效提高煤層氣的開采效率。

2、為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，具體步驟為：

3、步驟一、制備凍結靜態破碎劑顆粒：在保溫罐中倒入一定量的液氮，在保溫罐內安裝具有多個篩孔的篩板，且篩板處于液氮液面上方；將靜態破碎劑和水所需配比制成靜態破碎劑溶液，并將靜態破碎劑溶液倒入保溫罐中，此時靜態破碎劑溶液先流經篩板，通過各個篩孔形成靜態破碎劑液滴，靜態破碎劑液滴滴入液氮中快速冷凍形成凍結靜態破碎劑顆粒；

4、步驟二、煤層打鉆孔：通過鉆機向煤層中施工鉆孔，完成后在鉆孔中安裝封孔裝置對鉆孔進行密封；所述封孔裝置上裝有注氮管和通氣管，注氮管一端和通氣管一端均處于鉆孔內，注氮管另一端和通氣管另一端均處于鉆孔外、且分別裝有注氮截止閥和通氣截止閥；

5、步驟三、設備安裝：將混合器通過連接管與高壓注氮泵的進口連接，高壓注氮泵的出口經過耐壓管及連接頭與注氮管另一端連接；所述高壓注氮泵的出口處于安裝壓力表用于監測注氮壓力；

6、步驟四、煤層液氮壓裂：首先打開注氮截止閥和通氣截止閥，在混合器倒入液氮，啟動高壓注氮泵，此時混合器中的液氮受高壓注氮泵的泵送作用，使液氮經過耐壓管及注氮管注入鉆孔；由于鉆孔內部溫度較高，進入鉆孔的液氮持續氣化降低鉆孔溫度并產生氮氣，氮氣經過通氣管排出鉆孔，隨著鉆孔溫度持續降低后液氮逐漸在鉆孔中累積，并使液氮逐漸充滿鉆孔；當觀察到通氣管另一端有液氮流出時，此時關閉通氣截止閥使得鉆孔內保持密閉空間，同時向混合器中加入步驟一制備的凍結靜態破碎劑顆粒，凍結靜態破碎劑顆粒隨著液氮注入鉆孔內，隨著液氮持續施壓注入鉆孔，鉆孔內液氮由于低溫將煤體凍結，導致煤體脆性增加，同時鉆孔內液氮壓力逐漸增加驅動煤體產生裂縫并不斷擴展發育，凍結靜態破碎劑顆粒隨液氮流進煤層產生的裂縫內；凍結靜態破碎劑顆粒在裂縫內起到支撐劑的作用，促進液氮在裂縫中的流動，進一步提高裂縫擴展長度；

7、步驟五、靜態破碎劑二次壓裂：液氮壓裂工作完成后，關閉高壓注氮泵及注氮截止閥，凍結靜態破碎劑顆粒滯留于裂縫內，隨著煤層受地溫影響溫度逐漸恢復，鉆孔內的剩余液氮持續氣化完成后，使得鉆孔內的溫度持續升高，當達到凍結靜態破碎劑顆粒的溶解點時開始溶解，此時靜態破碎劑與水開始發生化學反應體積膨脹，進而在裂縫內膨脹形成靜態破碎劑膨脹區對裂縫進行二次膨脹壓裂，使裂縫周圍產生二次壓裂裂隙，同時靜態破碎劑膨脹區對裂縫起支撐作用，防止裂縫受地應力作用閉合，完成煤層壓裂過程。

8、進一步，所述篩板上的篩孔均勻分布，且篩孔的孔徑根據所需制備凍結靜態破碎劑顆粒的粒徑確定。

9、進一步，所述通氣管一端處于鉆孔內靠近孔底的位置，注氮管一端處于鉆孔內靠近封孔裝置的位置。這種設置，能保證液氮基本注滿鉆孔后才能進入通氣管，便于通過觀察通氣管是否排出液氮確定鉆孔內液氮累積量。

10、進一步，所述靜態破碎劑內含有氧化鈣。氧化鈣遇水會進行化學反應生成氫氧化鈣，其體積膨脹約1倍，利用該特性實現靜態破碎劑的二次膨脹壓裂。

11、進一步，所述鉆孔為向上鉆孔。這樣便于液氮注入及判斷注入情況。

12、與現有技術相比，本發明先利用液氮制備凍結靜態破碎劑顆粒，在該狀態下，水以冰的形態將靜態破碎劑包裹，由于無水使得靜態破碎劑無法進行化學反應，便于后續注入鉆孔；接著先向所需壓裂煤層的位置鉆孔并注入液氮，并將凍結靜態破碎劑顆粒隨液氮注入，液氮由于低溫將鉆孔周圍煤體凍結，導致煤體脆性增加，同時鉆孔內液氮壓力逐漸增加驅動煤體產生裂縫并不斷擴展發育，凍結靜態破碎劑顆粒隨液氮流進煤層產生的裂縫內，在裂縫內起到支撐劑的作用，促進液氮在裂縫中的流動，進一步提高裂縫擴展長度；完成液氮壓裂后，凍結靜態破碎劑顆粒滯留于裂縫內，隨著煤層受地溫影響溫度逐漸恢復，凍結靜態破碎劑顆粒開始溶解，此時靜態破碎劑與水開始發生化學反應體積膨脹，進而在裂縫內膨脹形成靜態破碎劑膨脹區對裂縫進行二次膨脹壓裂，使裂縫周圍產生二次壓裂裂隙，同時靜態破碎劑膨脹區對裂縫起支撐作用，防止裂縫受地應力作用閉合，最終完成煤層壓裂過程。通過這種方式不僅能實現對煤層高效壓裂，而且能有效對形成的裂縫進行支撐，從而降低其后續閉合的情況，最終有效提高煤層氣的開采效率。

技術特征：

1.一種液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，其特征在于，具體步驟為：

2.根據權利要求1所述液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，其特征在于，所述篩板上的篩孔均勻分布，且篩孔的孔徑根據所需制備凍結靜態破碎劑顆粒的粒徑確定。

3.根據權利要求1所述液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，其特征在于，所述通氣管一端處于鉆孔內靠近孔底的位置，注氮管一端處于鉆孔內靠近封孔裝置的位置。

4.根據權利要求1所述液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，其特征在于，所述靜態破碎劑內含有氧化鈣。

5.根據權利要求1所述液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，其特征在于，所述鉆孔為向上鉆孔。

技術總結
本發明公開了一種液氮與靜態破碎劑耦合的煤層壓裂方法，先利用液氮制備凍結靜態破碎劑顆粒；將凍結靜態破碎劑顆粒隨液氮注入鉆孔，液氮由于低溫及液氮壓力逐漸增加驅動煤體產生裂縫并不斷擴展發育，凍結靜態破碎劑顆粒隨液氮流進煤層產生的裂縫內；完成液氮壓裂后，隨著煤層受地溫影響溫度逐漸恢復，凍結靜態破碎劑顆粒開始溶解，此時靜態破碎劑與水開始發生化學反應體積膨脹，進而在裂縫內膨脹形成靜態破碎劑膨脹區對裂縫進行二次膨脹壓裂，同時靜態破碎劑膨脹區對裂縫起支撐作用，防止裂縫受地應力作用閉合，完成煤層壓裂。其不僅能實現對煤層高效壓裂，而且能有效對裂縫進行支撐，從而降低其后續閉合的情況，最終有效提高煤層氣的開采效率。

技術研發人員：唐偉,翟成,徐吉釗,余旭,孫勇,叢鈺洲,鄭仰峰,朱薪宇,陳愛坤,來永帥,徐鶴翔,王宇
受保護的技術使用者：中國礦業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13