一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，包括以下步驟：(1)將增殖培養(yǎng)所得的微生物培養(yǎng)液通過壓裂孔注入目標(biāo)儲(chǔ)層，然后向目標(biāo)儲(chǔ)層注入固定液，再間歇性注入膠凝液，所述間歇性注入膠凝液至少包括一次膠凝液的注入過程和每次膠凝液注入完成后的間歇過程，所述微生物為巴氏生孢八疊球菌；(2)間歇性注入膠凝液完成后，按照井下水力壓裂工序組織后續(xù)生產(chǎn)。本發(fā)明通過微生物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)注入目標(biāo)儲(chǔ)層，并提供充分活化、生存和繁殖的條件，利用微生物自身的酶化作用，在水力裂縫面及周圍煤體內(nèi)生成具有膠凝性質(zhì)的碳酸鈣結(jié)晶，從而改造松軟煤層氣儲(chǔ)層水力裂縫的力學(xué)強(qiáng)度和滲流能力。
【專利說明】
一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于煤礦井下水力壓裂領(lǐng)域，具體涉及一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水力壓裂能夠促使煤層原生裂隙的延伸和貫通，為煤層氣運(yùn)移提供通道，可有效提高煤層氣產(chǎn)量。水力壓裂法是煤層氣地面開發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)層改造技術(shù)，也是近幾年我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣井下抽采中一種快速發(fā)展的增滲、增產(chǎn)方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)較為單一、力學(xué)強(qiáng)度較高、裂縫導(dǎo)流能力較好的中硬及硬煤煤層，水力壓裂技術(shù)有較好的抽采效果，但是對(duì)于松軟煤層，由于煤質(zhì)松散、煤體顆粒小(粒徑小于1_)、力學(xué)強(qiáng)度低，造成裂縫閉合壓力低、速度快、滲流能力差，使得煤層滲透率得不到根本性提高。即使采用支撐劑對(duì)壓裂裂縫進(jìn)行支撐，煤體顆粒也極易聚集嵌入支撐劑縫隙，阻塞煤層氣運(yùn)移通道，同時(shí)受井下巷道尺寸限制，在煤礦區(qū)井下壓裂施工中，也無法采用加砂設(shè)備。因此，松軟煤層煤層氣高效抽采一直未能得到有效解決。
[0003]公開號(hào)為CN102116168A的專利文獻(xiàn)公開了一種適用于低滲透、松軟煤層抽采瓦斯的系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)既能夠用于鉆孔，彌補(bǔ)松軟煤層塌孔不便改造的難題，又能在鉆孔后及時(shí)對(duì)煤體加壓造穴后進(jìn)行瓦斯抽采。該發(fā)明將鉆孔和加壓造穴一體化，通過造穴改善透氣性，一定程度上防止了煤孔坍塌無法繼續(xù)進(jìn)行儲(chǔ)層改造的問題，但是該方法對(duì)設(shè)備要求高，對(duì)瓦斯抽采率的提高不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的主要是針對(duì)松軟煤層煤質(zhì)松散、煤體力學(xué)強(qiáng)度低，導(dǎo)致水力壓裂技術(shù)對(duì)松軟煤層煤層氣抽采效果差的問題，提供一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法。
[0005]本發(fā)明的具體技術(shù)方案為:一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，包括以下步驟:
[0006](I)將增殖培養(yǎng)所得的微生物培養(yǎng)液通過壓裂孔注入目標(biāo)儲(chǔ)層，然后向目標(biāo)儲(chǔ)層注入固定液，再間歇性注入膠凝液，所述間歇性注入膠凝液至少包括一次膠凝液的注入過程和每次膠凝液注入完成后的間歇過程，所述微生物為巴氏生孢八疊球菌；
[0007](2)間歇性注入膠凝液完成后，按照井下水力壓裂工序組織后續(xù)生產(chǎn)。
[0008]本發(fā)明將增殖培養(yǎng)后的巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)注入目標(biāo)儲(chǔ)層，并提供充分活化、生存和繁殖的條件，加速微生物的酶化作用。巴氏生孢八疊球菌通過自身的酶化作用，將代謝產(chǎn)生的高活性脲酶，作用于尿素的水解反應(yīng)，使其分解生成C032—，同時(shí)細(xì)胞壁表面的負(fù)電荷不斷吸附周圍溶液中的Ca2+，并與C032—結(jié)合生成碳酸鈣結(jié)晶，從而在細(xì)胞膜表面析出以細(xì)胞為晶核的碳酸鈣晶體。隨著結(jié)晶體的不斷生長(zhǎng)，細(xì)胞難以攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而死亡，最終結(jié)晶體停止生長(zhǎng)，根據(jù)巴氏生孢八疊球菌在儲(chǔ)層所處的位置不同，碳酸鈣結(jié)晶的作用可分為對(duì)裂縫周圍煤體的誘導(dǎo)黏合作用和對(duì)裂縫縫面的表面覆膜作用。
[0009]本發(fā)明通過微生物的作用，在水力裂縫面及周圍煤體內(nèi)生成具有膠凝性質(zhì)的碳酸鈣結(jié)晶，從而改造松軟煤層氣儲(chǔ)層水力裂縫的力學(xué)強(qiáng)度和滲流能力。一方面，在水力裂縫面形成的碳酸鈣結(jié)晶，對(duì)裂縫可以起到類似于支撐劑的支撐作用；另一方面，由于微生物自身能夠通過復(fù)制，在煤層孔隙內(nèi)大量繁殖，并且具有運(yùn)動(dòng)的特性，可以在水力裂縫周圍煤體內(nèi)生成碳酸鈣結(jié)晶，將松散結(jié)構(gòu)的煤體顆粒粘結(jié)，提高煤體力學(xué)強(qiáng)度，減緩裂縫閉合速率，同時(shí)減少煤粉對(duì)水力裂縫的堵塞。此外，由于微生物具備的微觀膠結(jié)結(jié)構(gòu)特性，其誘導(dǎo)出的膠結(jié)物質(zhì)優(yōu)先沉積在煤體顆粒接觸點(diǎn)邊角部分，不會(huì)占據(jù)大孔隙通道，因此，可以通過控制培養(yǎng)條件，調(diào)節(jié)碳酸鈣沉淀的沉淀速率、產(chǎn)量和結(jié)晶形態(tài)，以保證煤體的滲透系數(shù)不發(fā)生較大改變。
[0010]作為優(yōu)選，步驟(I)所述增殖培養(yǎng)采用的培養(yǎng)基，其組分及濃度分別為:蛋白胨4.5?5.5g/L，肉浸膏2.5?3.5g/L，尿素18?22g/L，MnS04.H2O 8?12mg/L，其中溶劑為水。配制好的增殖培養(yǎng)基可以在120?125°C高溫蒸汽滅菌20min后，放入無菌操作臺(tái)冷卻待用。[0011 ] 作為優(yōu)選，步驟(I)所述的固定液為CaCl2溶液，其濃度為0.04?0.06mol/L。
[0012]作為優(yōu)選，步驟(I)所述的膠凝液為CaCl2和尿素的混合液，混合液濃度為0.5?1.0mol/L，其中CaCl2和尿素的濃度比為1:1。經(jīng)適宜濃度的膠凝液固化后，煤體強(qiáng)度更高，滲透率變化更平緩、更均勻，固定液和膠凝液以低濃度為宜。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(I)中固定液的注入速度為單孔10?20L/min，注入固定液時(shí)，以微生物培養(yǎng)液和固定液流體前緣鋒面重合為準(zhǔn)。向目標(biāo)儲(chǔ)層低速注入固定液，利用固定液中的Ca2+的絮凝作用實(shí)現(xiàn)微生物在儲(chǔ)層中的均勻固定，注入固定液時(shí)，以微生物培養(yǎng)液和固定液液流體前緣鋒面重合為基礎(chǔ)，因?yàn)樵谇熬変h面重合的條件下，微生物固定效率最高。
[0014]作為優(yōu)選，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程，注入速度為I?6L/min，連續(xù)注入12h，所述間歇過程，間歇時(shí)間為12?24h。低速間歇性注入膠凝液過程中，間歇時(shí)間要足夠長(zhǎng)，以保證微生物的充分轉(zhuǎn)化，使得吸附在水力裂縫表面及其周圍煤體中的微生物不斷礦化生成碳酸鈣凝膠。
[0015]作為優(yōu)選，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程為I?7次。間歇過程即微生物的培養(yǎng)過程，根據(jù)目標(biāo)煤層氣儲(chǔ)層的煤層孔徑分布和級(jí)配曲線，確定微生物培養(yǎng)時(shí)間，由于微生物細(xì)胞具有一定的尺寸，一般不會(huì)在小于0.4μπι的孔隙內(nèi)運(yùn)動(dòng)，級(jí)配較差的煤層，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間，即增加間歇次數(shù)。
[0016]作為優(yōu)選，步驟(I)所述間歇性注入膠凝液的過程中，控制目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)溫度為20?37°C，目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)混合液pH為6.0?9.0，DO值為2?3mg/L。一般井下儲(chǔ)層溫度為適宜的代謝溫度，溶解氧主要采用注入H2O2方式供氧，通過向儲(chǔ)層注入H2O2使儲(chǔ)層DO值處于適宜范圍，儲(chǔ)層內(nèi)混合液的pH值采用濃度為0.lmol/L的NaOH溶液和濃度為0.lmol/L的HCl溶液進(jìn)行調(diào)整，儲(chǔ)層中微生物的活性通過測(cè)定儲(chǔ)層混合液的OD6qq值進(jìn)行衡量，微生物數(shù)量通過下式換算:
[0017]Y = S-Sgx17Z1.3627 , Z為OD6OO 值
[0018]作為優(yōu)選，在壓裂孔沿目標(biāo)儲(chǔ)層走向兩側(cè)及傾向兩側(cè)設(shè)有檢測(cè)目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化的檢驗(yàn)孔。檢驗(yàn)孔主要用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)煤層氣儲(chǔ)層的溫度、溶解氧濃度、PH值及不同區(qū)位微生物數(shù)量，實(shí)際檢驗(yàn)孔數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)效果動(dòng)態(tài)增減，通過檢測(cè)孔監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)的環(huán)境參數(shù)變化，根據(jù)檢驗(yàn)孔的監(jiān)測(cè)反饋，采用動(dòng)態(tài)施工法，實(shí)時(shí)調(diào)整施工工藝參數(shù)，維護(hù)儲(chǔ)層微生物代謝環(huán)境，保證碳酸鈣的沉積速率。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過微生物的代謝活動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)即可以生成數(shù)量可觀的膠結(jié)物質(zhì)，從而達(dá)到改造裂縫及其周圍煤體的作用，技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，而且環(huán)境友好。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的技術(shù)流程圖；
[0021]圖2是本發(fā)明在實(shí)施井下水力壓裂時(shí)壓裂孔周圍檢驗(yàn)孔布置示意圖；
[0022]圖3是微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積示意圖；
[0023]圖4是壓裂后煤層瓦斯含量對(duì)比圖；
[0024]圖5是單孔抽采純量對(duì)比圖；
[0025]圖6是抽采流量對(duì)比圖；
[0026]圖7是透氣性系數(shù)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面通過具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0028]本發(fā)明使用的巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)購(gòu)于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，本發(fā)明所采用其他原料和設(shè)備若非特指，均可從市場(chǎng)購(gòu)得或是本領(lǐng)域常用的，實(shí)施例中的方法，如無特別說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0029]實(shí)施例1
[0030]使用蒸餾水配制增殖培養(yǎng)所需的培養(yǎng)基，培養(yǎng)基的組分及濃度分別為蛋白胨5.0g/L，肉浸膏3.0g/L，尿素20.0g/L，MnS04.H2O 10mg/L，配制好的培養(yǎng)基以121°C高溫蒸汽滅菌20min后，放入無菌操作臺(tái)冷卻待用。購(gòu)買的菌種為凍干粉狀態(tài)，真空保存于安踣瓶?jī)?nèi)，破裂安踣瓶，將凍干粉接種至含有1mL培養(yǎng)基的三角瓶中培養(yǎng)，三角瓶置于培養(yǎng)箱內(nèi)，至三角瓶?jī)?nèi)有菌落生成說明活化成功，將活化后的菌液接種至含有10mL培養(yǎng)基的三角瓶?jī)?nèi)，進(jìn)行增殖培養(yǎng)。
[0031 ] 配制固定液和膠凝液，固定液為0.05mol/L的CaCl2溶液，膠凝液為0.5mol/L的CaCl2和尿素的混合液，其中CaCl2和尿素的濃度比為1:1。
[0032]如圖2所示，在施工巷道內(nèi)布置水力壓裂鉆孔，并在壓裂孔周圍沿煤層氣儲(chǔ)層走向兩側(cè)傾和向兩側(cè)布置檢驗(yàn)孔(檢1_1，檢1-2，檢2_1，檢2_2，等)，其中檢驗(yàn)孔1-1、1-2、1_3、1-4與壓裂孔的距離1^為20!11，同側(cè)檢驗(yàn)孔之間的終孔間距L2SlOm,鉆孔布置完畢后實(shí)施水力壓裂工作。
[0033]首先通過壓裂孔向儲(chǔ)層注入增殖培養(yǎng)所得的培養(yǎng)液，再注入固定液，注入固定液的速度為10L/min，注入固定液時(shí)，以培養(yǎng)液和固定液流體前緣鋒面重合為準(zhǔn)，最后注入膠凝液，膠凝液以5L/min的速率連續(xù)注入12h，間歇12h后再次以相同速率注入，膠凝液注入過程供間歇4次。
[0034]在注入膠凝液及間歇的過程中，通過檢驗(yàn)孔返回儲(chǔ)層內(nèi)的混合液，檢測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)代謝環(huán)境的DO值和pH值，整個(gè)過程中維持儲(chǔ)層混合液pH為6.0，DO值為2mg/L，其中井下儲(chǔ)層的溫度為24°C。
[0035]儲(chǔ)層改造結(jié)束后，通過煤層氣儲(chǔ)層走向和傾向的檢驗(yàn)孔考察瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數(shù)。
[0036]實(shí)施例2
[0037]實(shí)施例2與實(shí)施例1不同點(diǎn)在于:(I)固定液濃度為0.06mol/L，膠凝液濃度為
1.0mol/L； (2)儲(chǔ)層混合液pH為9.0，00值為311^/1，儲(chǔ)層溫度為351€ ; (3)注入膠凝液過程共間歇2次。
[0038]儲(chǔ)層改造結(jié)束后，通過煤層氣儲(chǔ)層走向和傾向的檢驗(yàn)孔考察瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數(shù)。
[0039]實(shí)施例3
[0040]實(shí)施例3與實(shí)施例1不同的在于:(I)培養(yǎng)基組分及濃度分別為蛋白胨5.5g/L，肉浸膏3.5g/L，尿素22g/L，MnS04.H2O 8?12mg/L; (2)固定液注入速度為18L/min，膠凝液注入速度為1.5L/min，膠凝液注入后間歇24h，整個(gè)注入過程共間歇6次。
[0041]儲(chǔ)層改造結(jié)束后，通過煤層氣儲(chǔ)層走向和傾向的檢驗(yàn)孔考察瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數(shù)。
[0042]實(shí)施例4
[0043]選擇儲(chǔ)層賦存條件與實(shí)施例1相同或差別較小的煤氣層，以相同的方式鉆進(jìn)壓力鉆孔并進(jìn)行封孔，養(yǎng)護(hù)混凝土達(dá)到壓裂要求后，連接壓裂設(shè)備及管路實(shí)施壓裂作業(yè)。壓裂作業(yè)實(shí)施后，在壓裂孔周邊布置檢驗(yàn)孔，通過檢驗(yàn)孔考察煤層氣儲(chǔ)層瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數(shù)。
[0044]對(duì)實(shí)施例1?4中瓦斯含量、抽采濃度、流量及透氣性系數(shù)的分析。
[0045]如圖4所示，儲(chǔ)層內(nèi)由于高壓水的驅(qū)替作用，游離瓦斯向壓裂范圍延伸方向運(yùn)移，越靠近壓裂孔，瓦斯含量越高。原始煤層瓦斯含量是相同的，實(shí)施例1?3改造后的煤層瓦斯含量比實(shí)施例4未改造的同等條件儲(chǔ)層的煤層瓦斯含量平均低20.8%，且壓裂影響范圍比未采取措施儲(chǔ)層大40 %。
[0046]如圖5所示，實(shí)施例1?3對(duì)儲(chǔ)層實(shí)施改造后的單孔抽采純量顯著增加，且維持在較高水平，實(shí)施改造的儲(chǔ)層單孔抽采純量平均提高1.68倍。
[0047]如圖6所示，通過對(duì)比抽采數(shù)據(jù)可知，實(shí)施例1?3中，儲(chǔ)層經(jīng)改造后，抽采流量平均增大了 2.71倍，抽采效果得到改善。
[0048]實(shí)施壓裂措施后，采用鉆孔徑向不穩(wěn)定流量法測(cè)定煤層透氣性系數(shù)，綜合分析計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)施例1?4壓裂區(qū)域煤層透氣性情況，結(jié)果如圖7所示，實(shí)施例1?3中，實(shí)施改造措施后壓裂區(qū)域的煤層透氣性系數(shù)平均增加11.56倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將增殖培養(yǎng)所得的微生物培養(yǎng)液通過壓裂孔注入目標(biāo)儲(chǔ)層，然后向目標(biāo)儲(chǔ)層注入固定液，再間歇性注入膠凝液，所述間歇性注入膠凝液至少包括一次膠凝液的注入過程和每次膠凝液注入完成后的間歇過程，所述微生物為巴氏生孢八疊球菌； (2)間歇性注入膠凝液完成后，按照井下水力壓裂工序組織后續(xù)生產(chǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，步驟(I)所述增殖培養(yǎng)采用的培養(yǎng)基，其組分及濃度分別為:蛋白胨4.5?5.5g/L，肉浸膏2.5?3.5g/L，尿素 18?22g/L，MnS04.H2O 8?12mg/L。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，步驟(I)所述的固定液為CaCl2溶液，其濃度為0.04?0.06mol/Lo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，步驟(I)所述的膠凝液為CaCl2和尿素的混合液，混合液濃度為0.5?1.0moI/L，其中CaCl2和尿素的濃度比為1:1。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，步驟(I)中固定液的注入速度為10?20L/min，注入固定液時(shí)，以微生物培養(yǎng)液和固定液流體前緣鋒面重合為準(zhǔn)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程，注入速度為I?6L/min，注入時(shí)間為12h，所述間歇過程，間歇時(shí)間為12?24h。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，步驟(I)中所述膠凝液的注入過程為I?7次。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，在間歇性注入膠凝液的過程中，控制所述目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)溫度為20?37°C，目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)混合液pH為 6.0 ?9.0，D0 值為 2 ?3mg/L。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)混合液的pH采用濃度為0.lmol/L的NaOH溶液或濃度為0.lmol/L的HCl溶液進(jìn)行調(diào)整。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化松軟煤層水力裂縫導(dǎo)流能力的方法，其特征在于，在壓裂孔沿目標(biāo)儲(chǔ)層走向兩側(cè)及傾向兩側(cè)設(shè)有檢測(cè)目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化的檢驗(yàn)孔。
【文檔編號(hào)】C12R1/01GK105927199SQ201610368863
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】宋晨鵬, 盧義玉, 張旋, 葛兆龍, 夏彬偉, 湯積仁, 賈云中
【申請(qǐng)人】重慶交通大學(xué)