CN104314608B - 一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统 - Google Patents

一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统 Download PDF

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Abstract

本发明为一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，涉及一种扩展煤体裂隙、提高瓦斯抽采量的增产系统。一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，送入地面钻井的注流管和瓦斯抽采管Ⅰ经密封装置进入地面；瓦斯抽采管Ⅰ外端经第一三通分别连接有排水管和瓦斯抽采管Ⅱ，瓦斯抽采管Ⅱ的另一端连接有抽采泵，第一三通与排水管之间设有阀门Ⅰ，瓦斯抽采管Ⅱ上设有阀门Ⅱ和流量表Ⅲ；注流管地面端经第二三通分出注气管Ⅰ和延伸端；注流管延伸端通过第三三通分别接有注气管Ⅱ和注水管。本发明所述冷热交替系统的使用使得煤井下的裂隙合理扩大，从而能够最大限度的抽采瓦斯，适于在孔裂隙发育程度低、渗透率相对较低的煤层区域使用。

Description

一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统
技术领域
本发明为一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，涉及一种扩展煤体裂隙、提高瓦斯抽采量的增产系统。
背景技术
我国煤层的低渗透性是限制利用地面钻井预抽瓦斯效果的主要原因。为了提高煤层渗透性，一般采用水力压裂技术进行煤层增透处理，然而水力致裂产生的裂缝主要沿垂直于最小主应力方向扩展，所产生的裂隙数量少，难以形成较长裂缝，未能对煤层储存产生体破裂效果。目前该技术在我国大部分矿区的应用效果还不太理想，亟待开发新的地面钻井瓦斯增产方法及系统，丰富我国的地面钻井高效抽采煤层瓦斯的技术体系。
发明内容
针对我国煤层孔裂隙发育程度低、具有的渗透率相对较低这一瓦斯抽采劣势，本发明目的是提供了一种有效扩展煤体裂隙、提高瓦斯抽采量的增产系统。
为了实现上述目的，本发明提供一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，送入地面钻井的注流管和瓦斯抽采管Ⅰ经密封装置进入地面；瓦斯抽采管Ⅰ外端经第一三通分别连接有排水管和瓦斯抽采管Ⅱ，瓦斯抽采管Ⅱ的另一端连接有抽采泵，第一三通与排水管之间设有阀门Ⅰ，瓦斯抽采管Ⅱ上设有阀门Ⅱ和流量表Ⅲ；注流管地面端经第二三通分出注气管Ⅰ和延伸端；注流管延伸端通过第三三通分别接有注气管Ⅱ和注水管，注水管起始端置于装有水的水箱中，注水管位于水中的部分设有过滤装置，注水管位于水箱外的部分由水流方向依次连有水泵、液体增压泵、流量表Ⅰ、压力表Ⅰ和阀门Ⅲ；注气管Ⅱ一端依次连有阀门Ⅳ、流量表Ⅱ，并通过第四三通分为两路，其中一路依次连有制热装置、阀门Ⅴ，另一路依次连有制冷装置、除湿器、阀门Ⅵ；之后两路管路通过第五三通汇集成一路，并通过第五三通的第三端口连接有一个设有气体增压泵的管路；设有气体增压泵的管路经第六三通分别连接有制氮机和空气压缩机，第六三通与制氮机之间连有阀门Ⅶ,第六三通与空气压缩机之间连有阀门Ⅷ；所述注气管Ⅰ通过第七三通连接在气动增压泵与第五三通的第三端口之间，注气管Ⅰ上设有阀门Ⅸ和压力表Ⅳ。
所述制热装置包括外壳上设有进气口Ⅰ和出气口Ⅰ的储气罐Ⅰ；储气罐Ⅰ内设有加热片和温度传感器Ⅰ，储气罐Ⅰ外壳上通过管路顺次连接有泄压阀Ⅰ和压力表Ⅱ；进气口Ⅰ的另一端与阀门Ⅴ相连接，出气口Ⅰ的另一端与第四三通相连接。
所述制冷装置包括外壳上设有进气口Ⅱ和出气口Ⅱ且壳体内壁设有隔温层的储气罐Ⅱ；储气罐Ⅱ内设制冷片和温度传感器Ⅱ，外壳上还通过管路顺次连接有泄压阀Ⅱ和压力表Ⅲ；进气口Ⅱ的另一端与除湿器相连接，出气口Ⅱ的另一端与第四三通相连接。
制冷或者制热装置可以对进入罐体内的气体实现制冷或者加热，并通过压力表和泄压阀控制气体的流量及压力。
采用本发明所述系统进行工作的步骤如下：
1.关闭阀门,向水箱里注入大量清水；
2.打开阀门Ⅲ，关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅸ和阀门Ⅳ，水泵、液体增压泵运转使5~10MPa清水从水箱经过滤装置依次进入注水管、注流管流入地面钻井，在水压作用下，使水进入煤层中的裂隙中。该过程可通过流量表Ⅰ、压力表Ⅰ对流向钻井的清水进行定量定压控制；
3.排水。打开阀门Ⅰ、阀门Ⅸ和阀门Ⅷ，关闭阀门Ⅱ、阀门Ⅳ、阀门Ⅲ、阀门Ⅴ、阀门Ⅵ，使空气压缩机、气体增压泵正常运转，将1~2MPa空气依次经注气管Ⅰ、注流管压入地面钻井，将地面钻井内的清水依次经瓦斯抽采管Ⅰ、排水管排出。该过程可通过注气管Ⅰ上的压力表Ⅳ实现压力监测；
4．注冷。打开阀门Ⅶ、阀门Ⅵ、阀门Ⅳ，关闭阀门Ⅸ、阀门Ⅱ、阀门Ⅰ、阀门Ⅷ、阀门Ⅴ、阀门Ⅲ，使制氮机、气体增压泵、除湿器、制冷装置正常运转，将5~10MPa冷空气注入地面钻井中，注冷时间1~3d，使地面钻井内的温度降至-20℃~-50℃；
5．关闭阀门Ⅸ、阀门Ⅱ、阀门Ⅰ、阀门Ⅳ、阀门Ⅲ，并保持2~5d，使煤层中水充分遇冷结冰，使裂隙遇冷继续发育、扩展；
6．打开阀门Ⅶ、阀门Ⅴ、阀门Ⅳ，关闭阀门Ⅲ、阀门Ⅱ、阀门Ⅰ、阀门Ⅸ、阀门Ⅷ、阀门Ⅵ，使制氮机、气体增压泵、制热装置正常运转，向地面钻井内注入温度为100℃~200℃的5~10MPa氮气，注入时间为1~3d；
7．关闭阀门Ⅳ，保持阀门Ⅸ、阀门Ⅱ、阀门Ⅰ、阀门Ⅲ关闭状态，并保持2~5d，使裂隙中冰充分解冻;
8．打开阀门Ⅰ，关闭阀门Ⅱ、阀门Ⅸ、阀门Ⅳ、阀门Ⅲ，泄压并冷却3~5d,使地面钻井内温度降至常温；
9．打开阀门Ⅷ、阀门Ⅸ，保持阀门Ⅰ打开状态,其它阀门关闭，通过注气管Ⅰ向地面钻井内注入5~10MPa压缩空气，使钻井内水分排出；
10．关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅸ、阀门Ⅳ、阀门Ⅲ，打开阀门Ⅱ，开始经地面钻井抽采煤层中的瓦斯；
11．当瓦斯抽采管Ⅰ内流量表Ⅲ显示瓦斯流量低于5m3/min时，重复步骤1~10。
通过本系统将压缩空气注入地面钻井内，使先前进入裂隙的水更进一步深入裂隙中，为后续孔隙水结冰产生冻胀力扩张裂隙做准备；同时将留存在地面钻井内的水挤压排出，为后续的冷气、热气的进入做准备；通过本系统注入的冷空气以及冷空气的温度一方面使孔隙、裂隙水结冰产生冻胀力扩张裂隙，同时低温使煤体力学性能劣化，更利于裂隙的张开，上述效果可以使裂隙在随后的时间段内充分且快速的扩张，以保证瓦斯能够最大限度的被抽采出来；通过本系统注入的热的氮气能够促使裂隙中的冰直接升华成水蒸气排出，大大提高了工作效率，缩短了抽采前期的准备时间；冰升华或者热化后形成的局部真空也可以将煤层中的瓦斯快速的“吸出”；通过本系统注入压缩空气的操作可以使钻井内水分充分排出并为后续瓦斯抽采创造有利条件。本系统各装置设计合理，连接紧凑，操作方便，能够顺利的实现上述各步骤所述工序，达到抽采工序所用时间以及抽采效果的最优化。
采用本发明所述系统能够针对我国煤层现状实现对瓦斯的高效抽采利用。冷热交替系统的使用使得煤井下的裂隙合理扩大，从而能够最大限度的抽采瓦斯，实现对瓦斯资源的高效利用。所用装置采用了独特的设计思路，结构巧妙，特别适于在孔裂隙发育程度低、渗透率相对较低的煤层区域使用。
附图说明
图1是本发明所述系统的结构示意图。
图2是制热装置的结构示意图。
图3是制冷装置的结构示意图。
图中：1、地面钻井，2、瓦斯抽采管Ⅰ，3、注流管，4、密封装置，5、阀门Ⅱ，6、抽采泵，7、瓦斯抽采管Ⅱ，8、排水管，9-1、阀门Ⅲ，9-2、压力表Ⅰ，9-3、流量表Ⅰ，9-4、液体增压泵，9-5、水泵，9-6、注水管，9-7、过滤装置，9-8、水箱，10、阀门Ⅰ，11-1、阀门Ⅴ，11-2、制热装置,11-3、阀门Ⅶ，11-4、制氮机，11-5、进气口Ⅰ，11-6、储气罐Ⅰ，11-7、加热片，11-8、泄压阀Ⅰ，11-9、压力表Ⅱ，11-10、温度传感器Ⅰ,11-11、出气口Ⅰ，12-1、阀门Ⅵ，12-2、制冷装置，12-3、除湿器，12-4、阀门Ⅷ,12-5、空气压缩机，12-6、进气口Ⅱ，12-7、储气罐Ⅱ，12-8、制冷片，12-9、隔温层，12-10、泄压阀Ⅱ，12-11、压力表Ⅲ，12-12、温度传感器Ⅱ，12-13、出气口Ⅱ，13、注气管Ⅱ，14、阀门Ⅳ，15、流量表Ⅱ，16、气体增压泵，17、第一三通,18、注气管Ⅰ，19、阀门Ⅸ，20、压力表Ⅳ，21、煤层，22、裂隙，23、流量表Ⅲ，24、第二三通，25、第三三通，26、第四三通，27、第五三通，28、第六三通，29、第七三通。
具体实施方式
一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，送入地面钻井1的注流管3和瓦斯抽采管Ⅰ2经密封装置4进入地面；瓦斯抽采管Ⅰ2外端经第一三通17分别连接有排水管8和瓦斯抽采管Ⅱ7，瓦斯抽采管Ⅱ7的另一端连接有抽采泵6，第一三通17与排水管8之间设有阀门Ⅰ10，瓦斯抽采管Ⅱ7上设有阀门Ⅱ5和流量表Ⅲ23；注流管3地面端经第二三通24分出注气管Ⅰ18和延伸端；注流管3延伸端通过第三三通25分别接有注气管Ⅱ13和注水管9-6，注水管9-6起始端置于装有水的水箱9-8中，注水管9-6位于水中的部分设有过滤装置9-7，注水管9-6位于水箱9-8外的部分由水流方向依次连有水泵9-5、液体增压泵9-4、流量表Ⅰ9-3、压力表Ⅰ9-2和阀门Ⅲ9-1；注气管Ⅱ13一端依次连有阀门Ⅳ14、流量表Ⅱ15，并通过第四三通26分为两路，其中一路依次连有制热装置11-2、阀门Ⅴ11-1，另一路依次连有制冷装置12-2、除湿器12-3、阀门Ⅵ12-1；之后两路管路通过第五三通27汇集成一路，并通过第五三通27的第三端口连接有一个设有气体增压泵16的管路；设有气体增压泵16的管路经第六三通28分别连接有制氮机11-4和空气压缩机12-5，第六三通28与制氮机11-4之间连有阀门Ⅶ11-3,第六三通28与空气压缩机12-5之间连有阀门Ⅷ12-4；所述注气管Ⅰ18通过第七三通29连接在气动增压泵16与第五三通27的第三端口之间，注气管Ⅰ18上设有阀门Ⅸ19和压力表Ⅳ20。
所述制热装置11-2包括外壳上设有进气口Ⅰ11-5和出气口Ⅰ11-11的储气罐Ⅰ11-6；储气罐Ⅰ11-6内设有加热片11-7和温度传感器Ⅰ11-10，储气罐Ⅰ11-6外壳上通过管路顺次连接有泄压阀Ⅰ11-8和压力表Ⅱ11-9；进气口Ⅰ11-5的另一端与阀门Ⅴ11-1相连接，出气口Ⅰ11-11的另一端与第四三通26相连接。
所述制冷装置12-2包括外壳上设有进气口Ⅱ12-6和出气口Ⅱ12-13且壳体内壁设有隔温层12-9的储气罐Ⅱ12-7；储气罐Ⅱ12-7内设制冷片12-8和温度传感器Ⅱ12-12，外壳上还通过管路顺次连接有泄压阀Ⅱ12-10和压力表Ⅲ12-11；进气口Ⅱ12-6的另一端与除湿器12-3相连接，出气口Ⅱ12-13的另一端与第四三通26相连接。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明提供了一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，采用本发明所述系统进行工作的具体步骤如下：
1.关闭阀门Ⅲ9-1,向水箱9-8里注入大量清水；
2.打开阀门Ⅲ9-1，关闭阀门Ⅰ10、阀门Ⅱ5、阀门Ⅸ19和阀门Ⅳ14，水泵9-5、液体增压泵9-4运转使5~10MPa清水从水箱9-8经过滤装置9-7依次进入注水管9-6、注流管3流入地面钻井1，在水压作用下，使水进入煤层21中的裂隙22中。该过程可通过流量表Ⅰ9-3、压力表Ⅰ9-2对流向钻井的清水进行定量定压控制；
3.排水。打开阀门Ⅰ10、阀门Ⅸ19和阀门Ⅷ12-4，关闭阀门Ⅱ5、阀门Ⅳ14、阀门Ⅲ9-1、阀门Ⅴ11-1、阀门Ⅵ12-1，使空气压缩机12-5、气体增压泵16正常运转，将1~2MPa空气依次经注气管Ⅰ18、注流管3压入地面钻井1，将地面钻井1内的清水依次经瓦斯抽采管Ⅰ2、排水管8排出。该过程可通过注气管Ⅰ18上的压力表Ⅳ20实现压力监测；
4．注冷。打开阀门Ⅶ11-3、阀门Ⅵ12-1、阀门Ⅳ14，关闭阀门Ⅸ19、阀门Ⅱ5、阀门Ⅰ10、阀门Ⅷ12-4、阀门Ⅴ11-1、阀门Ⅲ9-1，使制氮机11-4、气体增压泵16、除湿器12-3、制冷装置12-2正常运转，将5~10MPa冷空气注入地面钻井1中，注冷时间1~3d，使地面钻井1内的温度降至-20℃~-50℃；
5．关闭阀门Ⅸ19、阀门Ⅱ5、阀门Ⅰ10、阀门Ⅳ14、阀门Ⅲ9-1，并保持2~5d，使煤层21中水充分遇冷结冰，使裂隙22遇冷继续发育、扩展；
6．打开阀门Ⅶ11-3、阀门Ⅴ11-1、阀门Ⅳ14，关闭阀门Ⅲ9-1、阀门Ⅱ5、阀门Ⅰ10、阀门Ⅸ19、阀门Ⅷ12-4、阀门Ⅵ12-1，使制氮机11-4、气体增压泵16、制热装置11-2正常运转，向地面钻井1内注入温度为100℃~200℃的5~10MPa氮气，注入时间为1~3d；
7．关闭阀门Ⅳ14，保持阀门Ⅸ19、阀门Ⅱ5、阀门Ⅰ10、阀门Ⅲ9-1关闭状态，并保持2~5d，使裂隙21中冰充分解冻；
8．打开阀门Ⅰ10，关闭阀门Ⅱ5、阀门Ⅸ19、阀门Ⅳ14、阀门Ⅲ9-1，泄压并冷却3~5d,使地面钻井1内温度降至常温；
9．打开阀门Ⅷ12-4、阀门Ⅸ19，保持阀门Ⅰ10打开状态,其它阀门关闭，通过注气管Ⅰ18向地面钻井1内注入5~10MPa压缩空气，使钻井内水分排出；
10．关闭阀门Ⅰ10、阀门Ⅸ19、阀门Ⅳ14、阀门Ⅲ9-1，打开阀门Ⅱ5，开始经地面钻井1抽采煤层21中的瓦斯；
11．当瓦斯抽采管Ⅰ2内流量表Ⅲ23显示瓦斯流量低于5m3/min时，重复步骤1~10。

Claims (3)

1.一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，其特征是：送入地面钻井(1)的注流管(3)和瓦斯抽采管Ⅰ(2)经密封装置(4)进入地面；瓦斯抽采管Ⅰ(2)外端经第一三通(17)分别连接有排水管(8)和瓦斯抽采管Ⅱ(7)，瓦斯抽采管Ⅱ(7)的另一端连接有抽采泵(6)，第一三通（17）与排水管(8)之间设有阀门Ⅰ(10)，瓦斯抽采管Ⅱ(7)上设有阀门Ⅱ(5)和流量表Ⅲ(23)；注流管(3)地面端经第二三通（24）分出注气管Ⅰ(18)和延伸端；注流管(3)延伸端通过第三三通（25）分别接有注气管Ⅱ(13)和注水管(9-6)，注水管(9-6)起始端置于装有水的水箱(9-8)中，注水管(9-6)位于水中的部分设有过滤装置(9-7)，注水管(9-6)位于水箱(9-8)外的部分由水流方向依次连有水泵(9-5)、液体增压泵(9-4)、流量表Ⅰ(9-3)、压力表Ⅰ(9-2)和阀门Ⅲ(9-1)；注气管Ⅱ(13)一端依次连有阀门Ⅳ(14)、流量表Ⅱ(15)，注气管Ⅱ(13)的这一端端口通过第四三通（26）分为两路，其中一路依次连有制热装置(11-2)、阀门Ⅴ(11-1)，另一路依次连有制冷装置(12-2)、除湿器(12-3)、阀门Ⅵ(12-1)；之后两路管路通过第五三通（27）汇集成一路，并通过第五三通（27）的第三端口连接有一个设有气体增压泵（16）的管路；设有气体增压泵(16)的管路经第六三通（28）分别连接有制氮机(11-4)和空气压缩机(12-5)，第六三通（28）与制氮机(11-4)之间连有阀门Ⅶ(11-3),第六三通（28）与空气压缩机(12-5)之间连有阀门Ⅷ(12-4)；所述注气管Ⅰ（18）通过第七三通（29）连接在气动增压泵(16)与第五三通（27）的第三端口之间，注气管Ⅰ(18)上设有阀门Ⅸ（19）和压力表Ⅳ（20）。
2.根据权利要求1所述一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，其特征在于，所述制热装置(11-2)包括外壳上设有进气口Ⅰ(11-5)和出气口Ⅰ(11-11)的储气罐Ⅰ(11-6)；储气罐Ⅰ(11-6)内设有加热片(11-7)和温度传感器Ⅰ(11-10)，储气罐Ⅰ(11-6)外壳上通过管路顺次连接有泄压阀Ⅰ(11-8)和压力表Ⅱ(11-9)；进气口Ⅰ(11-5)的另一端与阀门Ⅴ(11-1)相连接，出气口Ⅰ(11-11)的另一端与第四三通（26）相连接。
3.根据权利要求1或2所述一种提高煤层瓦斯抽采量的冷热交替系统，其特征在于,所述制冷装置(12-2)包括外壳上设有进气口Ⅱ(12-6)和出气口Ⅱ(12-13)且壳体内壁设有隔温层(12-9)的储气罐Ⅱ(12-7)；储气罐Ⅱ(12-7)内设制冷片(12-8)和温度传感器Ⅱ(12-12)，外壳上还通过管路顺次连接有泄压阀Ⅱ(12-10)和压力表Ⅲ(12-11)；进气口Ⅱ(12-6)的另一端与除湿器(12-3)相连接，出气口Ⅱ(12-13)的另一端与第四三通（26）相连接。
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