一种低渗煤层超临界二氧化碳增透系统及方法
【专利摘要】本发明为一种低渗煤层超临界二氧化碳增透系统及方法，增透系统包括抽采管和注射管，抽采管和注射管上套设有封孔器；抽采管外端通过抽采管路连接有抽采设备，抽采管与抽采设备之间依次设有抽采截止阀和抽采总截止阀；注射管外端通过注射管路依次连接有注气截止阀、注超临界二氧化碳泵、恒温箱和二氧化碳气罐，恒温箱内设有高压缓冲罐，四通阀上连接有温度传感器和注气压力表，其结构合理，装置简单，便于实施，安全可靠，可大大提高煤层渗透性。本发明增透方法，可改变煤层的原始孔隙结构，能够大大改善煤层渗透性，可使煤层瓦斯产出效率提高，可大大提高抽采效果，并可有效地降低煤层的突出危险性，确保煤矿的安全生产。
【专利说明】
一种低渗煤层超临界二氧化碳増透系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于煤层增透系统和方法技术领域，特别涉及一种低渗煤层超临界二氧化碳增透系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着矿井开采大量向深部延伸，由于煤层受高地应力影响，其渗透率非常低，低渗透煤体可视为一种含气多孔致密的低渗透介质，其煤层的瓦斯压力梯度相对于浅部煤层更大。故而，深部低渗透煤层的高地应力和高瓦斯压力梯度引发的一系列瓦斯灾害事故也在不断增加。
[0003]目前，煤矿生产主要通过煤层增透的方法来提高煤层气的产量，增透方法主要包括水力化增透、高能气体致裂以及定向长钻孔法、开采保护层法、加密抽放钻孔法、卸压带抽放法和深孔松动爆破法等。虽然，上述部分方法对提高煤层透气性效果良好，但由于自然条件和开发成本等限制，在许多矿区还很难推广应用。
[0004]因此，随着煤层开采进入地层深部，煤层的高地应力、瓦斯的高压力梯度和煤层的低渗透性等特征的愈发显著，现有的煤层增透技术在不同的矿井存在一定的局限性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种结构合理、便于实施和能够确保矿井安全生产的低渗煤层超临界二氧化碳增透系统及方法。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种低渗煤层超临界二氧化碳增透系统，包括平行设置的抽采管和注射管，抽采管和注射管上套设有封孔器;抽采管外端通过抽采管路连接有抽采设备，抽采管与抽采设备之间依次设有抽采截止阀和抽采总截止阀；注射管外端通过注射管路依次连接有注气截止阀、注超临界二氧化碳栗、恒温箱和二氧化碳气罐，恒温箱内设有高压缓冲罐，注射管路上设有两个位于恒温箱前、后方的截止阀，注射管与注气截止阀之间的注射管路上设有四通阀，四通阀上连接有温度传感器和注气压力表。
[0007]所述二氧化碳气罐上安装有减压阀；注射管与注气截止阀之间的注射管路上设有气体稳压器。
[0008]所述抽采管为两个，其位于注射管两侧，抽采管路上设有分别与抽采管相对应的抽采截止阀。
[0009]低渗煤层超临界二氧化碳增透方法，依次包括如下步骤:
a)在矿井巷道内向低渗煤层施工一个增透钻孔和其两侧的两个抽采钻孔，两侧的抽采钻孔处在增透钻孔的影响范围内；
b)布置抽采管:将抽采管一端伸入抽采钻孔内，抽采管外端通过抽采管路与抽采设备相连，在抽采管路上安装抽采截止阀和抽采总截止阀；
c)布置注射管:将注射管一端伸入增透钻孔内，注射管外端通过注射管路依次连接四通阀、注气截止阀、气体稳压器、注超临界二氧化碳栗、截止阀、恒温箱、截止阀和二氧化碳气罐，恒温箱内设置高压缓冲罐，四通阀上连接温度传感器和注气压力表；
d)利用封孔器对增透钻孔和抽采钻孔进行密封；
e)开启和调节恒温箱，由恒温箱提供二氧化碳气体超临界状态所需要的温度，使高压缓冲罐内的二氧化碳温度达到34°C，且保证温度传感器的示数达到32°C以上；
f)在确定恒温箱前后的截止阀和注气截止阀开启、抽采截止阀关闭的情况下，启动注超临界二氧化碳栗，由注超临界二氧化碳栗提供恒温的二氧化碳超临界状态所需要的压力，将超临界二氧化碳气体通过注射管路注入到增透钻孔，并实时监测增透钻孔内的压力；
g)当注气压力表的示数达到压力初始值SMPa时，启动气体稳压器，继续监测并保证增透钻孔的压力值不低于SMPa;
h)步骤g)持续一定时间，该时间可根据实际增透效果而设定；
i)开启抽采设备和抽采截止阀、抽采总截止阀，开始抽采瓦斯作业。
[0010]所述增透钻孔和抽采钻孔的孔径为75-105mm，增透钻孔和抽采钻孔的孔深依据施工方式不同而定。
[0011]与现有技术相比，本发明的优点为:
1、本发明包括平行设置的抽采管和注射管，抽采管和注射管上套设有封孔器;抽采管外端通过抽采管路连接有抽采设备，抽采管与抽采设备之间依次设有抽采截止阀和抽采总截止阀;注射管外端通过注射管路依次连接有注气截止阀、注超临界二氧化碳栗、恒温箱和二氧化碳气罐，恒温箱内设有高压缓冲罐，注射管路上设有两个位于恒温箱前、后方的截止阀，注射管与注气截止阀之间的注射管路上设有四通阀，四通阀上连接有温度传感器和注气压力表，其结构合理，装置简单，便于实施，安全可靠，可大大提高煤层渗透性，提高煤层瓦斯产出效率和抽采效果，可有效地降低煤层的突出危险性。
[0012]2、二氧化碳气罐上安装有减压阀，可适时泄压，保证系统安全;注射管与注气截止阀之间的注射管路上设有气体稳压器，可保证系统安全稳定运行，确保煤层渗透质量和煤层瓦斯抽采效果。
[0013]3、抽采管与抽采设备之间依次设有抽采截止阀和抽采总截止阀，所述抽采管为两个，其位于注射管两侧，抽采管路上设有分别与抽采管相对应的抽采截止阀，在抽采总截止阀实现对系统整体控制的前提下，抽采截止阀可控制对应的抽采管，控制灵活简便，可控性强。
[0014]4、本发明的低渗煤层超临界二氧化碳增透方法，利用二氧化碳化学性质稳定，当二氧化碳的温度超过31.06°C、压力超过7.38MPa时即进入超临界二氧化碳状态的特性，在深部煤层很容易达到超临界状态的条件，操作成本低；由于对注入的超临界二氧化碳的压力和温度参数进行了优化，可改变煤层的原始孔隙结构，能够大大改善煤层渗透性，可使煤层瓦斯产出效率提高，可大大提高抽采效果，并可有效地降低煤层的突出危险性，确保煤矿的安全生产。
[0015]5、本发明以底板岩巷施工穿层抽采钻孔为例，但是很显然也适用于利用顺层抽采钻孔来增透煤层的施工方式，适用范围宽广，利于推广应用。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示的低渗煤层超临界二氧化碳增透系统，其包括平行设置的抽采管18和注射管19，抽采管18和注射管19上套设有封孔器20。
[0018]在抽采管18外端通过抽采管路连接有抽采设备21，抽采管18与抽采设备21之间依次设有抽采截止阀14和抽采总截止阀15。
[0019]在注射管19外端通过注射管路依次连接有注气截止阀11、气体稳压器10、注超临界二氧化碳栗9、恒温箱8和二氧化碳气罐4，恒温箱8内设有高压缓冲罐7，二氧化碳气罐4上安装有减压阀6。在注射管路上设有两个位于恒温箱8前、后方的截止阀5，注射管19与注气截止阀11之间的注射管路上设有四通阀，四通阀上连接有温度传感器12和注气压力表13。
[0020]在本实施方式中，抽采管18为两个，其位于注射管19的两侧，抽采管路上设有分别与抽采管18相对应的抽采截止阀14。
[0021]本发明的原理是:二氧化碳的超临界条件为温度31.06°C、压力7.38MPa，在煤矿井下很容易达到;超临界二氧化碳具有与液体溶剂相当的溶解能力，扩散系数远大于一般的液体，具有零表面张力，容易渗透扩散到煤体的微孔内，具有良好的溶解和传质特性，能够增加煤体内瓦斯的流动通道，从而提高煤层的渗透能力。
[0022]本发明低渗煤层超临界二氧化碳增透方法依次包括如下步骤:
a)在矿井巷道内向低渗煤层I施工一个增透钻孔16和位于增透钻孔16两侧的两个抽采钻孔17，两个抽采钻孔17处在增透钻孔16的影响范围内，增透钻孔16和抽采钻孔17的两端分别位于煤层顶板2和煤层底板3内；
b)布置抽采管18:将抽采管18—端伸入抽采钻孔17内，抽采管18外端通过抽采管路与抽采设备21相连，在抽采管路上安装抽采截止阀14和抽采总截止阀15;
c)布置注射管19:将注射管19一端伸入增透钻孔16内，注射管19外端通过注射管路依次连接四通阀、注气截止阀11、气体稳压器10、注超临界二氧化碳栗9、截止阀、恒温箱8、截止阀和二氧化碳气罐4，恒温箱8内设置高压缓冲罐7，四通阀上连接温度传感器12和注气压力表13;
d)利用封孔器20对增透钻孔16和抽采钻孔17进行密封；
e)开启和调节恒温箱8，由恒温箱8提供二氧化碳气体超临界状态所需要的温度，使高压缓冲罐7内的二氧化碳温度达到34°C，且保证温度传感器12的示数达到32°C以上；
f)在确定恒温箱8前后的截止阀和注气截止阀11开启、抽采截止阀14关闭的情况下，启动注超临界二氧化碳栗9，由注超临界二氧化碳栗9提供恒温的二氧化碳超临界状态所需要的压力，将超临界二氧化碳气体通过注射管路注入到增透钻孔16，并实时监测增透钻孔16内的压力；
g)当注气压力表13的示数达到压力初始值8MPa时，启动气体稳压器10，继续监测并保证增透钻孔16的压力值不低于8MPa;
h)步骤g)持续一定时间，该时间可根据实际增透效果而设定；
i)开启抽采设备21和抽采截止阀14、抽采总截止阀15，开始抽采瓦斯作业。
[0023]在步骤a)中，增透钻孔16和抽采钻孔17的孔径为75-105mm，增透钻孔16和抽采钻孔17的孔深依据施工方式不同而定。
[0024]本发明的附图是以底板岩巷施工穿层抽采钻孔为例，但并不是对抽采钻孔施工方式的限定，本发明显然也适用于利用顺层抽采钻孔来增透煤层的施工方式。
【主权项】
1.一种低渗煤层超临界二氧化碳增透系统，其特征在于，包括平行设置的抽采管和注射管，抽采管和注射管上套设有封孔器;抽采管外端通过抽采管路连接有抽采设备，抽采管与抽采设备之间依次设有抽采截止阀和抽采总截止阀；注射管外端通过注射管路依次连接有注气截止阀、注超临界二氧化碳栗、恒温箱和二氧化碳气罐，恒温箱内设有高压缓冲罐，注射管路上设有两个位于恒温箱前、后方的截止阀，注射管与注气截止阀之间的注射管路上设有四通阀，四通阀上连接有温度传感器和注气压力表。2.如权利要求1所述的低渗煤层超临界二氧化碳增透系统，其特征在于:所述二氧化碳气罐上安装有减压阀;注射管与注气截止阀之间的注射管路上设有气体稳压器。3.如权利要求1或2所述的低渗煤层超临界二氧化碳增透系统，其特征在于:所述抽采管为两个，其位于注射管两侧，抽采管路上设有分别与抽采管相对应的抽采截止阀。4.如权利要求1-3任一所述低渗煤层超临界二氧化碳增透方法，其特征在于，依次包括如下步骤: a)在矿井巷道内向低渗煤层施工一个增透钻孔和其两侧的两个抽采钻孔，两侧的抽采钻孔处在增透钻孔的影响范围内； b)布置抽采管:将抽采管一端伸入抽采钻孔内，抽采管外端通过抽采管路与抽采设备相连，在抽采管路上安装抽采截止阀和抽采总截止阀； c)布置注射管:将注射管一端伸入增透钻孔内，注射管外端通过注射管路依次连接四通阀、注气截止阀、气体稳压器、注超临界二氧化碳栗、截止阀、恒温箱、截止阀和二氧化碳气罐，恒温箱内设置高压缓冲罐，四通阀上连接温度传感器和注气压力表； d)利用封孔器对增透钻孔和抽采钻孔进行密封； e)开启和调节恒温箱，由恒温箱提供二氧化碳气体超临界状态所需要的温度，使高压缓冲罐内的二氧化碳温度达到34°C，且保证温度传感器的示数达到32°C以上； f)在确定恒温箱前后的截止阀和注气截止阀开启、抽采截止阀关闭的情况下，启动注超临界二氧化碳栗，由注超临界二氧化碳栗提供恒温的二氧化碳超临界状态所需要的压力，将超临界二氧化碳气体通过注射管路注入到增透钻孔，并实时监测增透钻孔内的压力； g)当注气压力表的示数达到压力初始值SMPa时，启动气体稳压器，继续监测并保证增透钻孔的压力值不低于SMPa; 步骤g)持续一定时间，该时间可根据实际增透效果而设定； 开启抽采设备和抽采截止阀、抽采总截止阀，开始抽采瓦斯作业。5.如权利要求4所述的低渗煤层超临界二氧化碳增透方法，其特征在于，所述增透钻孔和抽采钻孔的孔径为75-105mm，增透钻孔和抽采钻孔的孔深依据施工方式不同而定。
【文档编号】E21F7/00GK105822341SQ201610403470
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】魏建平, 李波, 刘华, 孙东辉, 张路路
【申请人】河南理工大学