[0001] 本发明涉及通过以等离子体能周期激励从煤层和可渗透围岩回收甲烷的方法，所述等离子体能通过槽穿孔施加到产煤层并施加到可渗透围岩，所述槽穿孔以由校准的金属导体爆炸引起的主应力的向量方向的修正值定向，导致设置在由槽穿孔打开的竖井孔的操作间隔中的等离子体脉冲发生器产生定向短间隔宽带高压脉冲，用于启动煤层中的拉压应力，出现声和水动力空化，其促进异常微断裂的巨大样式的形成，并产生从煤炭、裂纹、微裂纹、微孔、毛细管和微毛细管以及从可渗透围岩最大程度地解吸甲烷的条件。

[0002] 用于回收甲烷的所有现有技术的方法主要在于仅从煤层回收瓦斯，而不提供从可渗透围岩回收甲烷，并且其在未来未能提供矿工的最大职业安全。已知所采用的方法为：

[0003] -通过利用自然煤与瓦斯爆发在井周围冲刷煤层；

[0004] -通过流体动力阻力，在储煤区的地层引入和维持自动毁坏；

[0005] -将水和空气(以及二氧化碳)注入煤层；

[0006] -从单直径井和多分支井回收甲烷气体；

[0007] -在井周围形成空洞；

[0008] -通过瓦斯排放孔回收甲烷气体；

[0009] -水力压裂煤层。

[0010] 但是，如由不产生甲烷的大量竖井和水平井的事实所证实的，所述方法昂贵、费时费力、环境不安全、能源消化大和效率低。

[0011] 还已知在美国专利2005/009831A1和美国专利2006/0108111A1中公开的方法，这些专利提出，煤层应该从日照表面并通过设置在竖井中的发声装置受到物理和声学激励。

[0012] 但是，从日照表面(US2005/009831A1)受到激励是耗能的，并且宽带振动能量随着煤层深度减弱。此外，这种激励是环境不安全的，并且可能对断裂区域附近有不可预测的影响。

[0013] 为了增加可渗透性，设置在竖井中的发声装置(美国专利2005/009831A1和美国专利2006/0108111A1)发出一个频率，而含甲烷的煤床是多因子的非线性动态系统，其持续自我维持不稳定的多频振荡，它似乎不可能分离主频率，因此不能解决在离激励源相当大距离处增加可渗透的问题。

[0014] 已知在专利RU2254451、IPCЕ21/B43/112以及专利RU2369728中公开了用于井槽穿孔的方法。但是，槽漏只发生在井孔区内，并不扩散到整个煤层。

[0015] 已 知 在 专 利RU2248591、RU2373386、RU2373387 中 以 及 在 美 国 专 利2014/0027110A1中公开了等离子体脉冲激励碳氢化合物生产层的方法。但是，所有所述方法都提供了通过累积穿孔或在开放井孔中刺激碳氢化合物生产层。累积穿孔损害了启动等离子体脉冲的有效性，并且当在开放井孔中时，由于煤炭塑性和脆性，可引起井底区的塌陷和等离子体脉冲设备的粘结。此外，所有所述方法不提供从可渗透围岩回收甲烷。

[0016] 本发明方法的技术效果是增加煤床甲烷的产量，减少能量消耗，并提高过程的安全性和环境友好性。

[0017] 该技术效果是通过从煤层回收甲烷的所述方法实现的，所述方法在于通过使用重复短间隔脉冲激励来产生声、电、机械以及水动力拉压应力，所述重复短间隔脉冲由设置在井的操作间隔中的振动源的校准导体的爆炸产生，爆炸的能量施加到煤层。在此情况下，在井中形成槽穿孔，其沿煤层中的主应力的方向取向，在可渗透煤层围岩中形成额外的槽穿孔，并且额外的槽穿孔的方向是沿煤层围岩中的主应力的方向取向，所述煤层围岩增强了从煤层的煤炭、裂纹、微裂纹、孔隙、微孔、毛细管、微毛细管以及在可渗透煤层围岩中产生的裂纹和微裂纹发出的气泡的声和水动力空化，这促进了煤层中的异常微断裂的样式的发展和可渗透煤层围岩中的更多裂纹和微裂纹，并使甲烷的解吸和扩散最大化。附图说明

[0018] 现在将由图1至5示出所要求保护的技术方案。

[0019] 图1是煤床上的等离子能的周期性作用结果的示意图。

[0020] 图2是通过本发明要求保护的方法激励之前和之后的煤层(样品)的一部分。

[0021] 图3是通过本发明要求保护的方法激励之后的煤层(样品)的断层图像。

[0022] 图4是通过本发明要求保护的方法激励之前和之后的井的性能参数。

[0023] 图5是重复脉冲对煤层中的应力状态的影响。

[0024] 穿过任何变形的产煤层并且同时穿过更多可渗透围岩的井(见图1)的操作间隔中的槽穿孔的组合能够使由等离子体启动所产生的冲击波在没有障碍的情况下径向渗透到煤层和围岩中，并经受周期性的脉冲重复，以产生重复拉压应力，并且其允许(由于协同作用：微断裂、空化、热和质量传递、毛细管中表面张力的释放、由外部能量累积的力的集中扩散的出现)在不采取其他额外提高产量操作的情况下在最大可能范围内回收甲烷。

[0025] 所述方法使得通过槽穿孔直接接触煤层和可渗透围岩，考虑煤层和可渗透围岩的物理、机械和地质特性，并且，作为根据开发计划和数学模型的定向周期性宽带脉冲激励的结果，产生伴随着活跃的甲烷解吸和扩散的煤层自然调节的效果。

[0026] 通过槽穿孔施加到煤层的周期性宽带等离子体脉冲激励的程序通过顺利地使用以下自然细节使得甲烷的产出最大化：

[0027] -由围岩约束的煤床在过载下本质上是多孔的系统，通常没有岩体固结；

[0028] -通过煤床渗透的流体(水)的竖直侵入受毛细管和重力控制；

[0029] -煤层具有更低的渗透特性更高的毛细管压力；替代地，煤层和岩石具有更高的渗透特性更低的毛细管压力；

[0030] -毛细管压力在煤层含水饱和度降低时升高，并促进气体解吸和扩散过程；

[0031] -煤炭的机械强度远低于其他岩石的机械强度，并且它不能承受更陡峭的激励梯度而不破裂。有一个悖论称为布里奇曼效应，即当应力解除并且不施加时，发生煤炭中的断键。在这种条件下，煤炭断裂成晶片状的薄层；

[0032] -当受到应力并具有比平时高的声传导率时，煤层呈现出非平衡、耗散传输介质的性质，其中，由外部能量(潮汐、远震、在开发的边远地区处的爆破操作)维持自然频率混乱；

[0033] -根据电性质，大部分的煤炭属于半导体和导体。煤层或可渗透围岩的等离子体脉冲激励产生与多孔的流体饱和介质中的带电流体运动相关的机械和浓度扩散力。外部力呈现出具有动电来源，并每个脉冲产生电场；该场发展成不同场的能量；并且随着脉冲激励的停止，累积的外部能量以其原来的形式恢复，其有一些损失。

[0034] 含甲烷的煤层的气体饱和度由四个组分组成：

[0035] --填充孔和裂纹的非伴生气体-5-6％；

[0036] --吸附在微孔、毛细管和裂纹的壁上的气体(气体吸附和体积填充)-28至35％；

[0037] --以溶解形式包含在煤体中的气体-40至50％；

[0038] --部分溶解在水膜中的气体，在此情况下，根据亨利定律，气体在水溶液中的溶解度与压力和深度成正比增加-3至8％。

[0039] 含气煤床中的甲烷分子的基本物质在整个煤体中分布，所以间质固溶体的概念适用于甲烷-煤炭系统。根据煤层吸附曲线，侵入体积中的甲烷分子不占用晶格的空位，而是固体中的空位。

[0040] 气体释放的唯一方法是扩散机理。为了启动它，必须使煤炭在应力释放过程中分-6散成尺寸大约10 cm的颗粒。煤炭中的甲烷浓度将成倍降低，它将作为自由气体释放。

[0041] 可导致煤炭解胶和导致异常微断裂样式发展的唯一机制是浸入到煤层结构中的气泡爆炸，其将在周期性定向宽带等离子体脉冲激励的过程中开始积极展开，其中周期性定向宽带等离子体脉冲激励通过槽穿孔直接到达煤层，因此产生了声和水动力空化。

[0042] 渗透具有溶解气体的煤层的水是弱的，其归因于在其中存在空化的种子。它们不充分地润湿煤炭表面和具有气体填充的裂纹和微裂纹的煤炭颗粒。

[0043] 当在操作槽间隔的附近产生等离子体时，声音以超过100dB的声压辐射到流体中，导致在包含在流体中的气体包裹体的空化种子上和发声设备的振动表面上排放的半周期过程中形成空化气泡。在产生能够破坏比煤炭材料更强的高达10000kg/sq.cm的短时(以微秒为单位)压力的压缩半循环过程中，气泡破裂。

[0044] 放置在爆破区的煤炭样品的定向周期性宽带等离子体脉冲激励的台架试验证实解胶效果以及煤炭分成晶片状薄片(参见图2)。

[0045] 通过槽穿孔经受周期性宽带等离子体脉冲激励的样品的断层扫描检查显示，样品中的微断裂以及大部分微裂纹的发展正交于煤床的方向延伸。

[0046] 在Kuzbas的Taldinsk矿区，在具有槽穿孔的井UM-5.9中采用等离子体脉冲激励技术证实，六个含甲烷煤床的可渗透性的后激励增加(参见图4)。

[0047] 在中国平顶山地区，在具有0.014mD可渗透性的煤床中，采用等离子体脉冲激励技术证实，甲烷进入井中使煤床可渗透性增加，并且拉压应力传播到超过200米的距离，其伴随着积极的甲烷释放(图5)。

[0048] 通过本发明的工作实现的经济效应实际上是，以最低能量、高安全性以及过程的环境友好性从煤层并从更多可渗透围岩生产最大体积的气体。

[0049] 由包含如下步骤的本发明方法实现了上述效益：

[0050] -在预先探测的含甲烷的煤床处竖直钻探(或使用旧的开发的/未开发的井)，[0051] -沿井孔确定煤床厚度，

[0052] -确定煤炭等级成分、储层压力、温度、水文、孔隙率以及煤层和围岩的渗透率；

[0053] -煤层的气体实验，

[0054] -将重复定向宽带短间隔高压脉冲源带到含甲烷的煤床，包括通过竖直井的操作间隔中的槽穿孔直接带到煤层和可渗透围岩，

[0055] -通过由校准的金属导体的爆炸产生的等离子体能量，以重复定向压缩和拉伸短间隔高压力脉冲的形式激励煤床和可渗透围岩；在此情况下，高压脉冲的数量和含甲烷煤床的每个间隔中的激励的持续时间由沿井孔的煤床厚度、煤炭的岩石物理和等级成分、以及由可渗透围岩的岩土工程特性确定。

[0056] 由本发明所要求保护的方法生产甲烷在含甲烷的煤床处通过竖井进行，所述含甲烷的煤床处在过载负荷下，所述竖井从日照表面钻探，并以不同直径的外壳下套管，在操作间隔中具有槽穿孔，所述操作间隔卸载煤层和可渗透围岩。

[0057] 图1是煤床上的等离子能的周期性作用结果的示意图。在此情况下，采用可立即启动的(预先开孔的)井，确定沿井孔的煤层厚度，发现煤炭的等级成分和可渗透围岩特性，因此，重复定向宽带短间隔高压力脉冲源通过竖井的操作间隔中的槽穿孔被带到含甲烷的煤床，并且煤床激励以重复定向短间隔高压力脉冲的形式开始，在此情况下，高压力脉冲的数量和含甲烷的煤床的每个间隔中的激励的持续时间由沿井孔的煤床厚度、煤炭的等级成分，并由围岩的特性来确定。重复定向宽带短间隔高压力脉冲源通过由校准的金属导体的爆炸产生的等离子体的能量激发。就其本身而言，重复定向宽带短间隔高压力脉冲源本质上是等离子体脉冲发生器。通常，这种源操作如下：来自储能电容器的库的3000-5000V的高压电流施加到电极，所述电极由导致其爆炸的校准导体封闭，并限制等离子体产生。在爆炸过程中，能量释放，并变成具有非常高压力的强加热气体的状态，该高压强加热气体又产生冲击波，所述冲击波以很大的力影响环境并导致其压缩，这一直持续到冲击压力等于煤层压力，因此，煤床开始朝向具有激励源的井扩展。在具有引起压缩和拉伸应力的良好导电性和声传导率的介质中的多个重复的周期性短间隔宽带脉冲导致煤层中异常微断裂的样式、空化、热和质量交换、以及煤床的自然调节的发展，这促进了甲烷解吸的最大化。

[0058] 如果有更多的可渗透围岩，等离子体脉冲激励也在这种岩石中进行，因为甲烷扩散到更多可渗透岩石中，在这种情况下，它的量可能超过煤层中的甲烷的量。可渗透围岩类似于产生石油和天然气的储层，并且无煤尘，因此，气体回收将尽可能高。