一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法技术

本发明专利技术涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，选取钻孔位置及钻孔参数在采空区的石灰岩顶板施工设置压裂钻孔，将压裂装置插入钻孔；在CO2/H2O混合流体生成装置通入H2O和CO2制备CO2/H2O混合流体；接通压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置，对石灰岩顶板顶板进行压裂。根据本发明专利技术的方法将高压物理作用，水软化以及化学腐蚀协同作用于石灰岩顶板，可得到较好的压裂效果，同时利用工厂化石燃料的废气作为CO2气体来源，合理利用资源的同时还能保护环境。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法
本专利技术涉及煤矿开采
，尤其是本专利技术公开一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法。
技术介绍
山西省太原组煤层顶板多为石灰岩，具有厚度大、强度高的特点，采空区悬露的石灰岩顶板不易垮落。大面积悬露的采空区石灰岩顶板发生突然垮落时，可造成工作面暴风事故，破坏工作面内的机械设备和造成人员的伤亡，影响矿井的安全高效开采。为确保矿井安全高效开采，采空区悬露的厚硬石灰岩顶板需要及时放顶处理。目前常采用的坚硬顶板治理方法大致可以归为四类：支撑法、爆破法、注水软化法和水力压裂法。其中，支撑法是一种传统的被动的支撑坚硬顶板的方法，其不能从根本上治理坚硬顶板，只能从支撑坚硬顶板角度来避免坚硬顶板突然冒落；爆破法可使顶板破断垮落，消除应力集中，释放顶板聚积的弹性能，从而减少冲击地压发生的可能和避免坚硬顶板大面积悬空的危害，但爆破法施工工序复杂、成本高、污染井下空气，甚至可能引发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故，故不安全；注水软化法较安全，可在井下平行作业，对生产影响小，但对于组成坚硬顶板的石灰岩单纯的注水软化效果并不明显。水力压裂治理坚硬顶板的方法是通过压裂钻孔向目标层注入高压水以破坏坚硬顶板岩石的完整性，其对坚硬顶板的作用主要表现为压裂，其次还有软化的作用。压力水注入注水孔后，水对岩体的作用首先是软化，软化降低了岩体的强度，是压裂岩体的前提，也是降低岩体强度的最终目的；压裂可进一步构通岩体的空隙，使岩体的软化范围更加扩大，同时压裂也是使岩体裂解的最终目的。软化和压裂的共同作用，使岩体的强度下降。空气中二氧化碳含量过高所导致的温室效应对人类生存环境影响显著，温室效应就主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气等化石能源，这些化石能源燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成大气环境温度变化，捕集与封存CO2是解决温室效应的重要方法。二氧化碳封存的方法主要分为地质封存和海洋封存两类，卤水层、不可采煤层、废弃油气田为CO2地质封存的常见地质体类型。考虑到厚硬石灰岩顶板压裂处理的必要性与石灰岩成分组成以碳酸钙CaCO3为主，将CO2/H2O混合流体应用于压裂石灰岩顶板。CO2压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果，压裂所用的温室气体CO2取工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板对防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义，利用化石燃料燃烧产生的废气生成CO2/H2O混合流体压裂液对压裂处理采空区内坚硬顶板具有很好的指导作用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，利用高压CO2/H2O混合流体作为压裂液压裂石灰岩，这一过程中，将高压物理作用、水软化以及化学腐蚀协同作用于石灰岩顶板，可得到较好的压裂效果，同时利用工厂化石燃料的废气作为CO2气体来源，合理利用废气资源的同时还能保护环境。为解决上述问题，本专利技术提供了一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，包括如下步骤：1)选取钻孔位置及钻孔参数在采空区的石灰岩顶板施工设置压裂钻孔，将压裂装置插入钻孔；2)在CO2/H2O混合流体生成装置通入H2O和CO2制备CO2/H2O混合流体；3)接通压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置，对石灰岩顶板顶板进行压裂。由此，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩的同时，CO2/H2O混合流体与石灰岩(CaCO3)还发生如下反应：CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2CO2压裂过程中，碳酸钙CaCO3在二氧化碳CO2和水H2O环境下反应生成碳酸氢钙Ca(HCO3)2，可使石灰岩顶板形成孔洞，降低石灰岩顶板的强度，提高石灰岩顶板的压裂效果，压裂所用的温室气体CO2取工厂化石燃料燃烧产生的废气，CO2/H2O混合流体压裂石灰岩顶板具有防治矿井灾害发生与环境保护的双重意义。进一步，所述步骤2)中对CO2/H2O混合流体生成装置的压强进行调节，CO2/H2O混合流体生成装置的压强控制在0.5-1.5MPa之间，同时对混合流体进行搅拌。由此，压力越大，CO2在CO2/H2O混合流体中的溶解度越大，在该条件下，CO2在水中具有较高的溶解度，混合流体对石灰岩顶板具有较好的压裂效果。进一步，所述步骤2)中CO2/H2O混合流体生成装置的压强控制在0.8-1.2MPa之间。在该条件下，CO2具有较高的溶解度，混合流体对石灰岩顶板具有较好的压裂效果。进一步，对CO2/H2O混合流体生成装置的温度进行调节，所述CO2/H2O混合流体生成装置的温度控制在8-15℃之间。由此，通过控制温度可以控制CO2在H2O中的溶解度，随着CO2/H2O混合流体的温度的降低，CO2在水中的溶解度增加，在8-15℃条件下，CO2在水中具有较高的溶解度，混合流体对石灰岩顶板具有较好的压裂效果。进一步，所述CO2/H2O混合流体生成装置的温度控制在10-13℃之间。在该条件下，CO2在水中具有较高的溶解度，混合流体对石灰岩顶板具有较好的压裂效果。进一步，所述步骤3)中对压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置的压强进行调节，压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置的压强控制在50-150MPa。由此，在该压裂条件下，CO2在水中的溶解度进一步增加，同时，压裂流体在该高压条件下对石灰岩顶板具有较好的压裂效果。进一步，所述步骤3)中压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置的压强控制在80-120MPa。由此，在该压裂条件下，压裂流体在该高压条件下对石灰岩顶板具有较好的压裂效果。附图说明图1为本专利技术所使用的装置的结构示意图。附图中，各标号所代表的部件如下：CO2气源供应系统1；CO2存储罐11；第一阀门12；第一单向阀13；气体增压泵14；增压系统2；液压油箱21；进油口22；第四阀门221；第一出油口23；第五阀门231；第二出油口24；第三出油口25；液压油增压泵26；第三单向阀27；安全阀28；液压油卸载阀门29；CO2/H2O混合流体生成装置3；反应容器31；活塞32；气体供给管线33；液体供给管线34；液体排出管线35；温度传感器36；压力传感器37；第六阀门38；H2O供应系统4；储水箱41；第二阀门42；第三阀门43；过滤器44；第二单向阀45；液体增压泵46；冷却水出口47；冷却水入口48；压裂装置5；压裂枪51；封隔器52；控温系统6；冷却水管线61；冷却水循环泵62；搅拌系统7；电机71；搅拌杆72。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面结合图1对本专利技术作进一步的说明。如图1所示为本专利技术所使用的装置的结构示意图，装置包括：CO2/H2O混合流体生成装置3，用作配制CO2/H2O混合流体的反应装置；压裂装置5，压裂装置5连接CO2/H2O混合流体生成装置3，使用时，将压裂装置5插入预先设置的石灰岩顶板钻孔，接通压裂装置5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选取钻孔位置及钻孔参数在采空区的石灰岩顶板施工设置压裂钻孔，将压裂装置插入钻孔；2)在CO2/H2O混合流体生成装置通入H2O和CO2制备CO2/H2O混合流体；3)接通压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置，对石灰岩顶板顶板进行压裂。

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选取钻孔位置及钻孔参数在采空区的石灰岩顶板施工设置压裂钻孔，将压裂装置插入钻孔；2)在CO2/H2O混合流体生成装置通入H2O和CO2制备CO2/H2O混合流体；3)接通压裂装置和CO2/H2O混合流体生成装置，对石灰岩顶板顶板进行压裂。2.根据权利要求1所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，其特征在于，所述步骤2)中对CO2/H2O混合流体生成装置的压强进行调节，CO2/H2O混合流体生成装置的压强控制在0.5-1.5MPa之间，同时对混合流体进行搅拌。3.根据权利要求2所述的二氧化碳和水混合流体压裂石灰岩顶板的方法，其特征在于，所述步骤2)中CO2/H2O混合流体生成装置的压强控制在0.8-1.2MPa之间。...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾金龙，柴修伟，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42