一種低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統及方法
【專利摘要】本發明為一種低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統及方法，增透系統包括抽采管和注射管，抽采管和注射管上套設有封孔器；抽采管外端通過抽采管路連接有抽采設備，抽采管與抽采設備之間依次設有抽采截止閥和抽采總截止閥；注射管外端通過注射管路依次連接有注氣截止閥、注超臨界二氧化碳泵、恒溫箱和二氧化碳氣罐，恒溫箱內設有高壓緩沖罐，四通閥上連接有溫度傳感器和注氣壓力表，其結構合理，裝置簡單，便于實施，安全可靠，可大大提高煤層滲透性。本發明增透方法，可改變煤層的原始孔隙結構，能夠大大改善煤層滲透性，可使煤層瓦斯產出效率提高，可大大提高抽采效果，并可有效地降低煤層的突出危險性，確保煤礦的安全生產。
【專利說明】
一種低滲煤層超臨界二氧化碳増透系統及方法
技術領域
[0001]本發明屬于煤層增透系統和方法技術領域，特別涉及一種低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統及方法。
【背景技術】
[0002]隨著礦井開采大量向深部延伸，由于煤層受高地應力影響，其滲透率非常低，低滲透煤體可視為一種含氣多孔致密的低滲透介質，其煤層的瓦斯壓力梯度相對于淺部煤層更大。故而，深部低滲透煤層的高地應力和高瓦斯壓力梯度引發的一系列瓦斯災害事故也在不斷增加。
[0003]目前，煤礦生產主要通過煤層增透的方法來提高煤層氣的產量，增透方法主要包括水力化增透、高能氣體致裂以及定向長鉆孔法、開采保護層法、加密抽放鉆孔法、卸壓帶抽放法和深孔松動爆破法等。雖然，上述部分方法對提高煤層透氣性效果良好，但由于自然條件和開發成本等限制，在許多礦區還很難推廣應用。
[0004]因此，隨著煤層開采進入地層深部，煤層的高地應力、瓦斯的高壓力梯度和煤層的低滲透性等特征的愈發顯著，現有的煤層增透技術在不同的礦井存在一定的局限性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種結構合理、便于實施和能夠確保礦井安全生產的低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統及方法。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統，包括平行設置的抽采管和注射管，抽采管和注射管上套設有封孔器;抽采管外端通過抽采管路連接有抽采設備，抽采管與抽采設備之間依次設有抽采截止閥和抽采總截止閥；注射管外端通過注射管路依次連接有注氣截止閥、注超臨界二氧化碳栗、恒溫箱和二氧化碳氣罐，恒溫箱內設有高壓緩沖罐，注射管路上設有兩個位于恒溫箱前、后方的截止閥，注射管與注氣截止閥之間的注射管路上設有四通閥，四通閥上連接有溫度傳感器和注氣壓力表。
[0007]所述二氧化碳氣罐上安裝有減壓閥；注射管與注氣截止閥之間的注射管路上設有氣體穩壓器。
[0008]所述抽采管為兩個，其位于注射管兩側，抽采管路上設有分別與抽采管相對應的抽采截止閥。
[0009]低滲煤層超臨界二氧化碳增透方法，依次包括如下步驟:
a)在礦井巷道內向低滲煤層施工一個增透鉆孔和其兩側的兩個抽采鉆孔，兩側的抽采鉆孔處在增透鉆孔的影響范圍內；
b)布置抽采管:將抽采管一端伸入抽采鉆孔內，抽采管外端通過抽采管路與抽采設備相連，在抽采管路上安裝抽采截止閥和抽采總截止閥；
c)布置注射管:將注射管一端伸入增透鉆孔內，注射管外端通過注射管路依次連接四通閥、注氣截止閥、氣體穩壓器、注超臨界二氧化碳栗、截止閥、恒溫箱、截止閥和二氧化碳氣罐，恒溫箱內設置高壓緩沖罐，四通閥上連接溫度傳感器和注氣壓力表；
d)利用封孔器對增透鉆孔和抽采鉆孔進行密封；
e)開啟和調節恒溫箱，由恒溫箱提供二氧化碳氣體超臨界狀態所需要的溫度，使高壓緩沖罐內的二氧化碳溫度達到34°C，且保證溫度傳感器的示數達到32°C以上；
f)在確定恒溫箱前后的截止閥和注氣截止閥開啟、抽采截止閥關閉的情況下，啟動注超臨界二氧化碳栗，由注超臨界二氧化碳栗提供恒溫的二氧化碳超臨界狀態所需要的壓力，將超臨界二氧化碳氣體通過注射管路注入到增透鉆孔，并實時監測增透鉆孔內的壓力；
g)當注氣壓力表的示數達到壓力初始值SMPa時，啟動氣體穩壓器，繼續監測并保證增透鉆孔的壓力值不低于SMPa;
h)步驟g)持續一定時間，該時間可根據實際增透效果而設定；
i)開啟抽采設備和抽采截止閥、抽采總截止閥，開始抽采瓦斯作業。
[0010]所述增透鉆孔和抽采鉆孔的孔徑為75-105mm，增透鉆孔和抽采鉆孔的孔深依據施工方式不同而定。
[0011]與現有技術相比，本發明的優點為:
1、本發明包括平行設置的抽采管和注射管，抽采管和注射管上套設有封孔器;抽采管外端通過抽采管路連接有抽采設備，抽采管與抽采設備之間依次設有抽采截止閥和抽采總截止閥;注射管外端通過注射管路依次連接有注氣截止閥、注超臨界二氧化碳栗、恒溫箱和二氧化碳氣罐，恒溫箱內設有高壓緩沖罐，注射管路上設有兩個位于恒溫箱前、后方的截止閥，注射管與注氣截止閥之間的注射管路上設有四通閥，四通閥上連接有溫度傳感器和注氣壓力表，其結構合理，裝置簡單，便于實施，安全可靠，可大大提高煤層滲透性，提高煤層瓦斯產出效率和抽采效果，可有效地降低煤層的突出危險性。
[0012]2、二氧化碳氣罐上安裝有減壓閥，可適時泄壓，保證系統安全;注射管與注氣截止閥之間的注射管路上設有氣體穩壓器，可保證系統安全穩定運行，確保煤層滲透質量和煤層瓦斯抽采效果。
[0013]3、抽采管與抽采設備之間依次設有抽采截止閥和抽采總截止閥，所述抽采管為兩個，其位于注射管兩側，抽采管路上設有分別與抽采管相對應的抽采截止閥，在抽采總截止閥實現對系統整體控制的前提下，抽采截止閥可控制對應的抽采管，控制靈活簡便，可控性強。
[0014]4、本發明的低滲煤層超臨界二氧化碳增透方法，利用二氧化碳化學性質穩定，當二氧化碳的溫度超過31.06°C、壓力超過7.38MPa時即進入超臨界二氧化碳狀態的特性，在深部煤層很容易達到超臨界狀態的條件，操作成本低；由于對注入的超臨界二氧化碳的壓力和溫度參數進行了優化，可改變煤層的原始孔隙結構，能夠大大改善煤層滲透性，可使煤層瓦斯產出效率提高，可大大提高抽采效果，并可有效地降低煤層的突出危險性，確保煤礦的安全生產。
[0015]5、本發明以底板巖巷施工穿層抽采鉆孔為例，但是很顯然也適用于利用順層抽采鉆孔來增透煤層的施工方式，適用范圍寬廣，利于推廣應用。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示的低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統，其包括平行設置的抽采管18和注射管19，抽采管18和注射管19上套設有封孔器20。
[0018]在抽采管18外端通過抽采管路連接有抽采設備21，抽采管18與抽采設備21之間依次設有抽采截止閥14和抽采總截止閥15。
[0019]在注射管19外端通過注射管路依次連接有注氣截止閥11、氣體穩壓器10、注超臨界二氧化碳栗9、恒溫箱8和二氧化碳氣罐4，恒溫箱8內設有高壓緩沖罐7，二氧化碳氣罐4上安裝有減壓閥6。在注射管路上設有兩個位于恒溫箱8前、后方的截止閥5，注射管19與注氣截止閥11之間的注射管路上設有四通閥，四通閥上連接有溫度傳感器12和注氣壓力表13。
[0020]在本實施方式中，抽采管18為兩個，其位于注射管19的兩側，抽采管路上設有分別與抽采管18相對應的抽采截止閥14。
[0021]本發明的原理是:二氧化碳的超臨界條件為溫度31.06°C、壓力7.38MPa，在煤礦井下很容易達到;超臨界二氧化碳具有與液體溶劑相當的溶解能力，擴散系數遠大于一般的液體，具有零表面張力，容易滲透擴散到煤體的微孔內，具有良好的溶解和傳質特性，能夠增加煤體內瓦斯的流動通道，從而提高煤層的滲透能力。
[0022]本發明低滲煤層超臨界二氧化碳增透方法依次包括如下步驟:
a)在礦井巷道內向低滲煤層I施工一個增透鉆孔16和位于增透鉆孔16兩側的兩個抽采鉆孔17，兩個抽采鉆孔17處在增透鉆孔16的影響范圍內，增透鉆孔16和抽采鉆孔17的兩端分別位于煤層頂板2和煤層底板3內；
b)布置抽采管18:將抽采管18—端伸入抽采鉆孔17內，抽采管18外端通過抽采管路與抽采設備21相連，在抽采管路上安裝抽采截止閥14和抽采總截止閥15;
c)布置注射管19:將注射管19一端伸入增透鉆孔16內，注射管19外端通過注射管路依次連接四通閥、注氣截止閥11、氣體穩壓器10、注超臨界二氧化碳栗9、截止閥、恒溫箱8、截止閥和二氧化碳氣罐4，恒溫箱8內設置高壓緩沖罐7，四通閥上連接溫度傳感器12和注氣壓力表13;
d)利用封孔器20對增透鉆孔16和抽采鉆孔17進行密封；
e)開啟和調節恒溫箱8，由恒溫箱8提供二氧化碳氣體超臨界狀態所需要的溫度，使高壓緩沖罐7內的二氧化碳溫度達到34°C，且保證溫度傳感器12的示數達到32°C以上；
f)在確定恒溫箱8前后的截止閥和注氣截止閥11開啟、抽采截止閥14關閉的情況下，啟動注超臨界二氧化碳栗9，由注超臨界二氧化碳栗9提供恒溫的二氧化碳超臨界狀態所需要的壓力，將超臨界二氧化碳氣體通過注射管路注入到增透鉆孔16，并實時監測增透鉆孔16內的壓力；
g)當注氣壓力表13的示數達到壓力初始值8MPa時，啟動氣體穩壓器10，繼續監測并保證增透鉆孔16的壓力值不低于8MPa;
h)步驟g)持續一定時間，該時間可根據實際增透效果而設定；
i)開啟抽采設備21和抽采截止閥14、抽采總截止閥15，開始抽采瓦斯作業。
[0023]在步驟a)中，增透鉆孔16和抽采鉆孔17的孔徑為75-105mm，增透鉆孔16和抽采鉆孔17的孔深依據施工方式不同而定。
[0024]本發明的附圖是以底板巖巷施工穿層抽采鉆孔為例，但并不是對抽采鉆孔施工方式的限定，本發明顯然也適用于利用順層抽采鉆孔來增透煤層的施工方式。
【主權項】
1.一種低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統，其特征在于，包括平行設置的抽采管和注射管，抽采管和注射管上套設有封孔器;抽采管外端通過抽采管路連接有抽采設備，抽采管與抽采設備之間依次設有抽采截止閥和抽采總截止閥；注射管外端通過注射管路依次連接有注氣截止閥、注超臨界二氧化碳栗、恒溫箱和二氧化碳氣罐，恒溫箱內設有高壓緩沖罐，注射管路上設有兩個位于恒溫箱前、后方的截止閥，注射管與注氣截止閥之間的注射管路上設有四通閥，四通閥上連接有溫度傳感器和注氣壓力表。2.如權利要求1所述的低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統，其特征在于:所述二氧化碳氣罐上安裝有減壓閥;注射管與注氣截止閥之間的注射管路上設有氣體穩壓器。3.如權利要求1或2所述的低滲煤層超臨界二氧化碳增透系統，其特征在于:所述抽采管為兩個，其位于注射管兩側，抽采管路上設有分別與抽采管相對應的抽采截止閥。4.如權利要求1-3任一所述低滲煤層超臨界二氧化碳增透方法，其特征在于，依次包括如下步驟: a)在礦井巷道內向低滲煤層施工一個增透鉆孔和其兩側的兩個抽采鉆孔，兩側的抽采鉆孔處在增透鉆孔的影響范圍內； b)布置抽采管:將抽采管一端伸入抽采鉆孔內，抽采管外端通過抽采管路與抽采設備相連，在抽采管路上安裝抽采截止閥和抽采總截止閥； c)布置注射管:將注射管一端伸入增透鉆孔內，注射管外端通過注射管路依次連接四通閥、注氣截止閥、氣體穩壓器、注超臨界二氧化碳栗、截止閥、恒溫箱、截止閥和二氧化碳氣罐，恒溫箱內設置高壓緩沖罐，四通閥上連接溫度傳感器和注氣壓力表； d)利用封孔器對增透鉆孔和抽采鉆孔進行密封； e)開啟和調節恒溫箱，由恒溫箱提供二氧化碳氣體超臨界狀態所需要的溫度，使高壓緩沖罐內的二氧化碳溫度達到34°C，且保證溫度傳感器的示數達到32°C以上； f)在確定恒溫箱前后的截止閥和注氣截止閥開啟、抽采截止閥關閉的情況下，啟動注超臨界二氧化碳栗，由注超臨界二氧化碳栗提供恒溫的二氧化碳超臨界狀態所需要的壓力，將超臨界二氧化碳氣體通過注射管路注入到增透鉆孔，并實時監測增透鉆孔內的壓力； g)當注氣壓力表的示數達到壓力初始值SMPa時，啟動氣體穩壓器，繼續監測并保證增透鉆孔的壓力值不低于SMPa; 步驟g)持續一定時間，該時間可根據實際增透效果而設定； 開啟抽采設備和抽采截止閥、抽采總截止閥，開始抽采瓦斯作業。5.如權利要求4所述的低滲煤層超臨界二氧化碳增透方法，其特征在于，所述增透鉆孔和抽采鉆孔的孔徑為75-105mm，增透鉆孔和抽采鉆孔的孔深依據施工方式不同而定。
【文檔編號】E21F7/00GK105822341SQ201610403470
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】魏建平, 李波, 劉華, 孫東輝, 張路路
【申請人】河南理工大學