本發(fā)明涉及一種微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂系統(tǒng)及方法，屬于煤礦井下壓裂相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于松軟高瓦斯煤層。

背景技術(shù)：

我國煤層高吸附、微孔隙、低滲透的特點導(dǎo)致瓦斯抽采困難，瓦斯事故頻發(fā)。作為一項成熟的技術(shù)，水力壓裂能夠有效提高煤層瓦斯抽采效果，但是現(xiàn)有的水力壓裂技術(shù)造縫形式單一、難以形成裂隙網(wǎng)、促解吸效果差、壓裂液回收性差。微波能夠作用于煤體中的水等極性分子產(chǎn)生熱效應(yīng)，撕裂煤體、疏通孔隙并促進(jìn)瓦斯解吸。超臨界二氧化碳是指將二氧化碳加溫加壓至臨界點以上(Tc＝31.1℃，Pc＝7.38MPa)的狀態(tài)，具有接近于氣體的低黏度和高擴(kuò)散性、接近于液體的高密度以及零表面張力等特性。相對于常規(guī)壓裂液，超臨界二氧化碳壓裂流體滲透能力強(qiáng)，極易進(jìn)入煤中的孔、裂隙，從而產(chǎn)生裂縫網(wǎng)，然而，在煤礦井下保持二氧化碳的超臨界狀態(tài)并有效回收成為其應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。因此，亟需研究一種新型技術(shù)，能夠?qū)⑽⒉ㄝ椛渑c超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂結(jié)合起來，達(dá)到煤體快速致裂、擴(kuò)孔、促解吸的效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種方法簡單、能夠大幅提高煤層壓裂效率的微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂系統(tǒng)及方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂系統(tǒng)，包括與回收管相連的三相分離器、與三相分離器相連的空壓機(jī)、與空壓機(jī)相連的冷卻器和與冷卻器相連的液態(tài)二氧化碳儲罐，液態(tài)二氧化碳儲罐下側(cè)管線連接有加熱器，加熱器經(jīng)管線一路連接有與壓裂管相連的增壓泵，另一路連接有與同軸波導(dǎo)相連的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，形成一個實現(xiàn)超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂，在煤層內(nèi)形成裂隙網(wǎng)的回路；所述的同軸波導(dǎo)上連有微波天線，所述的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器經(jīng)矩形波導(dǎo)連接有微波發(fā)生器。

使用上述系統(tǒng)的微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂方法，包括以下步驟：

a、在巷道內(nèi)向煤層施工一個壓裂鉆孔，并在壓裂鉆孔兩側(cè)施工兩個瓦斯抽采鉆孔，壓裂鉆孔和瓦斯抽采鉆孔的兩端分別位于頂板和底板內(nèi)；

b、向瓦斯抽采鉆孔內(nèi)送入抽采管，向壓裂鉆孔內(nèi)送入壓裂管、回收管和連有微波天線的同軸波導(dǎo)，之后利用封孔器對壓裂鉆孔和瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行密封；

c、將同軸波導(dǎo)的外端部連接到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器上，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器一端經(jīng)矩形波導(dǎo)與微波發(fā)生器連接，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器另一端通過波導(dǎo)與加熱器相連接；

d、將壓裂管的外端部連接到增壓泵上，增壓泵經(jīng)管線與加熱器相連接，加熱器經(jīng)管線與液態(tài)二氧化碳儲罐相連接；

e、將回收管的外端部連接三相分離器，三相分離器與空壓機(jī)連接，空壓機(jī)與冷卻器連接，冷卻器與液態(tài)二氧化碳儲罐相連接；

f、管路連接完成后，打開液態(tài)二氧化碳儲罐，使液態(tài)二氧化碳進(jìn)入加熱器；

g、打開微波發(fā)生器，產(chǎn)生的微波通過矩形波導(dǎo)進(jìn)入波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器將微波分為兩路，一路通過同軸波導(dǎo)到達(dá)微波天線并由微波天線向壓裂鉆孔內(nèi)輻射，另一路通過波導(dǎo)到達(dá)加熱器，對液態(tài)二氧化碳加熱；

h、啟動增壓泵對加熱后的二氧化碳加壓，形成超臨界二氧化碳，超臨界二氧化碳通過壓裂管進(jìn)入壓裂鉆孔內(nèi)，對煤層實施壓裂；

i、微波天線輻射出的微波對煤層和二氧化碳持續(xù)加熱，使二氧化碳長時間處于超臨界狀態(tài)，煤層在高溫下解吸出大量瓦斯，瓦斯通過壓裂產(chǎn)生的裂隙涌向瓦斯抽采鉆孔，將瓦斯抽采管與井下瓦斯管網(wǎng)連接，進(jìn)行瓦斯抽采；

j、壓裂鉆孔內(nèi)的殘余氣體通過回收管進(jìn)入三相分離器，三相分離器將氣體中的煤渣、水及瓦斯過濾出來，剩余的二氧化碳通過空壓機(jī)壓縮并通過冷卻器冷卻，最后返回液態(tài)二氧化碳儲罐。

所述的微波發(fā)生器的工作頻率為2.45GHz，功率為2kW。

所述的液態(tài)二氧化碳加熱溫度為34℃以上。

所述對加熱后的二氧化碳加壓的壓力為8MPa以上。

當(dāng)所述的液態(tài)二氧化碳儲罐液位低于罐的三分之一高度時應(yīng)補(bǔ)充二氧化碳。

所述壓裂鉆孔與瓦斯抽采鉆孔的距離為3.5-4.5m。

有益效果：本發(fā)明的超臨界二氧化碳擴(kuò)散性強(qiáng)，作為壓裂流體極易深入煤體孔、裂隙，能夠有效降低起裂壓力；超臨界二氧化碳吸附能力強(qiáng)于瓦斯，能夠形成競爭吸附從而驅(qū)替煤中的瓦斯；微波孔內(nèi)輻射能夠保證二氧化碳長期處于超臨界狀態(tài)，同時其熱效應(yīng)也能夠致裂煤體、疏通孔隙、促進(jìn)瓦斯解吸；將微波導(dǎo)入加熱器加熱二氧化碳，孔內(nèi)殘余二氧化碳通過空壓機(jī)、冷卻器返回儲罐從而形成循環(huán)壓裂，有效降低了作業(yè)成本并簡化了施工工藝。本發(fā)明將微波輻射與超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂相結(jié)合，大大提高了煤層孔隙率、滲透率，促進(jìn)了瓦斯解吸，從而大幅度提高了瓦斯抽采效果，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實用性。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-煤層，2-壓裂鉆孔，3-瓦斯抽采鉆孔，4-頂板，5-底板，6-抽采管，7-微波天線，8-同軸波導(dǎo)，9-壓裂管，10-回收管，11-封孔器，12-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，13-矩形波導(dǎo)，14-微波發(fā)生器，15-波導(dǎo)，16-加熱器，17-增壓泵，18-液態(tài)二氧化碳儲罐，19-三相分離器，20-空壓機(jī)，21-冷卻器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進(jìn)一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂系統(tǒng)，包括與回收管10相連的三相分離器19、與三相分離器19相連的空壓機(jī)20、與空壓機(jī)20相連的冷卻器21和與冷卻器21相連的液態(tài)二氧化碳儲罐18，液態(tài)二氧化碳儲罐18下側(cè)管線連接有加熱器16，加熱器16經(jīng)管線一路連接有與壓裂管9相連的增壓泵17，另一路連接有與同軸波導(dǎo)8相連的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12，形成一個實現(xiàn)超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂，在煤層內(nèi)形成裂隙網(wǎng)的回路；所述的同軸波導(dǎo)8上連有微波天線7，所述的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12經(jīng)矩形波導(dǎo)13連接有微波發(fā)生器14。

使用上述系統(tǒng)的微波輔助超臨界二氧化碳循環(huán)壓裂方法：首先，在巷道內(nèi)向煤層1施工一個壓裂鉆孔2，并在壓裂鉆孔2兩側(cè)4米施工兩個瓦斯抽采鉆孔3，壓裂鉆孔2和瓦斯抽采鉆孔3的兩端分別位于頂板4和底板5內(nèi)；將抽采管6一端送入瓦斯抽采鉆孔3，將微波天線7與同軸波導(dǎo)8連接，并將微波天線7、同軸波導(dǎo)8、壓裂管9和回收管10一起送入壓裂鉆孔2內(nèi)，利用封孔器11對壓裂鉆孔2和瓦斯抽采鉆孔3進(jìn)行密封；同時，將同軸波導(dǎo)8的外端部連接波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12與矩形波導(dǎo)13連接，矩形波導(dǎo)13與微波發(fā)生器14連接，所述微波發(fā)生器10的工作頻率為2.45GHz，功率為2kW。另外，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12通過波導(dǎo)15與加熱器16連接。之后，將壓裂管9的外端部連接增壓泵17，增壓泵17與加熱器16連接，加熱器16與液態(tài)二氧化碳儲罐18連接；將回收管10的外端部連接三相分離器19，三相分離器19與空壓機(jī)20連接，空壓機(jī)20與冷卻器21連接，冷卻器21與液態(tài)二氧化碳儲罐18連接。

管路連接完成后，打開液態(tài)二氧化碳儲罐18，使液態(tài)二氧化碳進(jìn)入加熱器16；然后，打開微波發(fā)生器14，所產(chǎn)生的微波通過矩形波導(dǎo)13進(jìn)入波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12將微波分為兩路，一路通過同軸波導(dǎo)8到達(dá)微波天線7并由微波天線7向壓裂鉆孔2輻射，另一路通過波導(dǎo)15到達(dá)加熱器16，對液態(tài)二氧化碳加熱至34℃以上；進(jìn)而，啟動增壓泵17對二氧化碳加壓至8MPa以上，形成超臨界二氧化碳，即溫度超過34℃，壓力超過8MPa的狀態(tài)，超臨界二氧化碳通過壓裂管9進(jìn)入壓裂鉆孔2，對煤層1實施壓裂；同時，微波天線7輻射出的微波對煤層1和二氧化碳持續(xù)加熱，使二氧化碳長時間處于超臨界狀態(tài)(溫度超過34℃，壓力超過8MPa的狀態(tài))，煤層1在高溫下解吸出大量瓦斯，瓦斯氣體通過壓裂產(chǎn)生的裂隙涌向瓦斯抽采鉆孔3，此時，將瓦斯抽采管6與井下瓦斯管網(wǎng)連接，進(jìn)行瓦斯抽采；壓裂鉆孔2內(nèi)的殘余氣體通過回收管10進(jìn)入三相分離器19，三相分離器19將氣體中的煤渣、水及瓦斯過濾出來，剩余的二氧化碳通過空壓機(jī)20壓縮并通過冷卻器21冷卻，最后返回液態(tài)二氧化碳儲罐18。由于部分進(jìn)入壓裂鉆孔2內(nèi)的二氧化碳會通過煤體裂隙擴(kuò)散到周圍鉆孔甚至巷道空間內(nèi)，因此，當(dāng)所述的液態(tài)二氧化碳儲罐液位低于罐的三分之一高度時應(yīng)補(bǔ)充二氧化碳。