CN104632270A - 一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法 - Google Patents

一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，适用于微孔隙、低渗透、高吸附的煤层区域瓦斯治理。首先通过高能气体压裂技术在注热抽采孔中形成裂隙网络，再通过蒸汽发生器向注热抽采孔压入周期性变温的高压蒸汽，蒸汽通过自旋式振荡脉冲射流喷嘴形成振荡过热蒸汽，冲击加热煤体，二者交替进行。本发明克服了现有的单一增透技术的局限性，通过高能气体压裂煤体，显著增大单孔的扰动范围，形成的裂隙网络为过热蒸汽提供流动通道，而振荡变化的蒸汽温度和压力又促进了煤体裂隙的扩展和贯通，通过二者的交变协同作用，显著提高了瓦斯的解吸效率，实现瓦斯的高效抽采。

Description

一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法
技术领域
本发明涉及一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，适用于煤矿井下微孔隙、低渗透、高吸附的高瓦斯煤层区域瓦斯治理。
背景技术
我国煤层普遍具有瓦斯压力高、含量大、渗透率低、吸附性强的特点，瓦斯抽采难度极大。因此对煤层进行人工增透，增大煤层的透气性，提高瓦斯的预抽率是保障煤矿安全生产的重要途径。
目前，水力化措施以其高效的卸压增透作用在我国煤矿区域瓦斯治理过程中得到了广泛应用。但是，水力化措施仍存在射流冲击破碎能力有限、需水量大、造成巷道积水和钻孔密封要求高等问题，以致单个钻孔影响范围有限，钻孔施工量仍未得到显著的降低，无法满足高强度的煤炭开采要求。
高速流动的气体具有压缩系数大的特点，当瞬间释放高能气体时，气体膨胀，会产生巨大的能量。但当高能气体直接冲击煤体时，只有达到其抗压强度，煤体才能破碎，以致压裂效果不显著。
相关研究表明：温度每升高1℃，煤体吸附瓦斯的能力将降低约8％。近年来不少学者提出了煤层注热抽采技术，通过向煤层中注入高温蒸汽提高煤体温度，进而促进瓦斯解吸，但由于煤体的热传导系数不高，加之注热形式较为单一，工程应用效果不显著。
发明内容
技术问题：本发明目的是针对现有技术中的不足之处，提供一种实用性强、工程量小、能显著提高瓦斯抽采效率的振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法。
技术方案：本发明的振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，包括先向煤层方向呈网格式布置抽采孔的孔位；然后依次施工抽采孔、封孔、联入瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采；还包括如下步骤：
a.在施工完成后的网格式抽采孔交叉中心布置压裂注热孔，依次用钻机在压裂注热孔的孔位处钻进，直到穿过煤层顶板后退钻；
b.将头部装有自旋式振荡脉冲射流喷嘴的钢管送入压裂注热孔中，直至距煤层顶板1m处，对钢管预封孔，并通过装有抽采管道阀门的抽采管路将压裂注热孔与瓦斯抽采管网相连通；
c.利用三通将钢管的外露端连入高压气站与蒸汽发生器，先关闭阀门和蒸汽发生器的热蒸汽输送管道阀门，然后打开高压气站的高能气体管道阀门，使高压气站中的高压气经三通经钢管进入，从自旋式振荡脉冲射流喷嘴喷出，形成高能振荡脉冲射流，对压裂注热孔内的煤体进行冲击压裂；
d.紧接着关闭高能气体管道阀门，打开抽采管道的阀门，对压裂注热孔进行瓦斯抽采；
e.待压裂注热孔内的瓦斯浓度低于30％时，关闭抽采管道阀门，打开热蒸汽输送管道阀门；启动蒸汽发生器，向压裂与注热抽采孔内注入热蒸汽，持续1～2h后，关闭蒸汽发生器和热蒸汽输送管道阀门，停止注热；
f.打开抽采管道的阀门，再次对压裂注热孔进行瓦斯抽采；
g.待压裂注热孔内的瓦斯浓度又低于30％时，重复步骤c、d、e和f，直至压裂注热孔的瓦斯浓度始终低于30％时，抽拉钢管，使自旋式振荡脉冲射流喷嘴向孔口方向移动2～2.5m；
h.重复步骤c、d、e、f和g，直到自旋式振荡脉冲射流喷嘴退至距煤层底板1m处，结束压裂注热孔的高能气体压裂与注热。
所述的自旋式振荡脉冲射流喷嘴包括喷嘴入口、振荡腔体和喷嘴出口，喷嘴入口由外向内有两级孔壁倾角变换，喷嘴出口由内向外有三级孔壁倾角变换。
所述自旋式振荡脉冲射流喷嘴通过轴承与钢管相连，之间安装有防水密封圈。
所述向压裂与注入热抽采孔内的热蒸汽温度为在100～500℃。
所述钢管的外壁上附着有玻璃棉保温层。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明采用高压气经自旋式振荡脉冲射流喷嘴，形成高能振荡脉冲射流，冲击破碎煤体，促使煤体中原生裂隙扩展，同时产生新生裂隙，裂隙贯通形成裂隙网络，提高单个钻孔的扰动范围，改善单孔瓦斯抽采效果。而过热蒸汽经过自旋式振荡脉冲喷嘴形成振荡变化的蒸汽压力促进裂隙进一步扩展和贯通，能够更充分地形成裂隙网络，注入煤体的热蒸汽通过裂隙网络加热煤体，降低瓦斯在煤体中的吸附势，提高瓦斯的解吸能力，显著改善瓦斯抽采效果。本发明克服了单一增透技术的局限性，通过高能气体压裂技术显著增大单孔的扰动范围，形成裂隙网络，为过热蒸汽提供流动通道，而振荡变化的蒸汽温度和压力又促进了煤体裂隙的扩展和贯通，通过二者的协同作用，显著提高了瓦斯的解吸效率，实现瓦斯的高效抽采。该方法成实用性强，尤其对于微孔隙、低渗透、高吸附的高瓦斯煤层区域瓦斯治理具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的具体实施方法示意图；
图2是自旋式振荡脉冲射流喷嘴的结构示意图；
图3是图2中A-A方向的剖视图；
图4是自旋式振荡脉冲射流喷嘴的喷嘴入口的示意图；
图5是自旋式振荡脉冲射流喷嘴的喷嘴出口的示意图。
图中：1－煤层；2－煤层顶板；3－压裂注热孔；4－普通抽采孔；5－钢管；6－自旋式振荡脉冲射流喷嘴；；6-1－喷嘴入口；6-2－振荡腔体；6-3－喷嘴出口；7－抽采管道阀门；8－高能气体管道阀门；9－热蒸汽输送管道阀门；10－高压气站；11－三通；12－蒸汽发生器；13－轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，具体步骤如下：
a.包括先向煤层1方向呈网格式布置抽采孔4的孔位，然后依次施工抽采孔4、封孔、联入瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采；
b.在施工完成后的网格式抽采孔4交叉中心布置压裂注热孔3，依次用钻机在压裂注热孔3的孔位处钻进，直到穿过煤层顶板2后退钻；
c.将头部装有自旋式振荡脉冲射流喷嘴6的钢管5送入压裂注热孔3中，直至距煤层顶板(2)1m处，对钢管5预封孔，并通过装有抽采管道阀门7的抽采管路将压裂注热孔3与瓦斯抽采管网相连接；所述钢管5的外壁上附着有玻璃棉保温层。
d.利用三通11将钢管5的外露端连入高压气站10与蒸汽发生器12，先关闭抽采管道阀门7和蒸汽发生器12的热蒸汽输送管道阀门9，然后打开高压气站10的高能气体管道阀门8，使高压气站10中的高压气经三通11经钢管5进入，从自旋式振荡脉冲射流喷嘴6喷出，形成高能振荡脉冲射流，对压裂注热孔3内的煤体进行冲击压裂；其中自旋式振荡脉冲射流喷嘴6通过轴承13与钢管5相连，所述的自旋式振荡脉冲射流喷嘴6包括喷嘴入口6-1、振荡腔体6-2和喷嘴出口6-3，喷嘴入口6-1由外向内有两级孔壁倾角变换，喷嘴出口6-3由内向外有三级孔壁倾角变换，喷嘴出口6-3喷出的气流对自旋式振荡脉冲射流喷嘴6有一个反作用力，该反作用力的切向分力可使自旋式振荡脉冲射流喷嘴6在喷气后自动旋转；所述自旋式振荡脉冲射流喷嘴6通过轴承13与钢管5相连，之间安装有防水密封圈。
e.紧接着关闭高能气体管道阀门8，打开抽采管道的阀门7，对压裂注热孔3进行瓦斯抽采；
f.待压裂注热孔3内的瓦斯浓度低于30％时，关闭抽采管道阀门7，打开热蒸汽输送管道阀门9；启动蒸汽发生器12，向压裂与注热抽采孔3内注入100～500℃的过热蒸汽，持续1～2h后，关闭蒸汽发生器12和热蒸汽输送管道阀门9，停止注热；
g.打开抽采管道的阀门7，再次对压裂注热孔3进行瓦斯抽采；
h.待压裂注热孔3内的瓦斯浓度又低于30％时，重复步骤d、e、f和g，直至压裂注热孔3的瓦斯浓度始终低于30％时，抽拉钢管5，使自旋式振荡脉冲射流喷嘴6向孔口方向移动2～2.5m；
i.重复步骤d、e、f、g和h，直到自旋式振荡脉冲射流喷嘴6退至距煤层底板1m处，结束压裂注热孔3的高能气体压裂与注热。

Claims (5)

1.一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，包括先向煤层(1)方向呈网格式布置抽采孔(4)的孔位；然后依次施工抽采孔(4)、封孔、联入瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采；其特征在于，还包括如下步骤：
a.在施工完成后的网格式抽采孔(4)交叉中心布置压裂注热孔(3)，依次用钻机在压裂注热孔(3)的孔位处钻进，直到穿过煤层顶板(2)后退钻；
b.将头部装有自旋式振荡脉冲射流喷嘴(6)的钢管(5)送入压裂注热孔(3)中，直至距煤层顶板(2)1m处，对钢管(5)预封孔，并通过装有抽采管道阀门(7)的抽采管路将压裂注热孔(3)与瓦斯抽采管网相连通；
c.利用三通(11)将钢管(5)的外露端连入高压气站(10)与蒸汽发生器(12)，先关闭阀门(7)和蒸汽发生器(12)的热蒸汽输送管道阀门(9)，然后打开高压气站(10)的高能气体管道阀门(8)，使高压气站(10)中的高压气经三通(11)经钢管(5)进入，从自旋式振荡脉冲射流喷嘴(6)喷出，形成高能振荡脉冲射流，对压裂注热孔(3)内的煤体进行冲击压裂；
d.紧接着关闭高能气体管道阀门(8)，打开抽采管道的阀门(7)，对压裂注热孔(3)进行瓦斯抽采；
e.待压裂注热孔(3)内的瓦斯浓度低于30％时，关闭抽采管道阀门(7)，打开热蒸汽输送管道阀门(9)；启动蒸汽发生器(12)，向压裂与注热抽采孔(3)内注入热蒸汽，持续1～2h后，关闭蒸汽发生器(12)和热蒸汽输送管道阀门(9)，停止注热；
f.打开抽采管道的阀门(7)，再次对压裂注热孔(3)进行瓦斯抽采；
g.待压裂注热孔(3)内的瓦斯浓度又低于30％时，重复步骤c、d、e和f，直至压裂注热孔(3)的瓦斯浓度始终低于30％时，抽拉钢管(5)，使自旋式振荡脉冲射流喷嘴(6)向孔口方向移动2～2.5m；
i.重复步骤c、d、e、f和g，直到自旋式振荡脉冲射流喷嘴(6)退至距煤层底板1m处，结束压裂注热孔(3)的高能气体压裂与注热。
2.根据权利要求1所述的一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，其特征在于：所述的自旋式振荡脉冲射流喷嘴(6)包括喷嘴入口(6-1)、振荡腔体(6-2)和喷嘴出口(6-3)，喷嘴入口(6-1)由外向内有两级孔壁倾角变换，喷嘴出口(6-3)由内向外有三级孔壁倾角变换。
3.根据权利要求1所述的一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，其特征在于：所述自旋式振荡脉冲射流喷嘴(6)通过轴承(13)与钢管(5)相连，之间安装有防水密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，其特征在于：所述向压裂与注入热抽采孔(3)内的热蒸汽温度为在100～500℃。
5.根据权利要求1所述的一种振荡脉冲式高能气体压裂与注热交变抽采瓦斯方法，其特征在于：所述钢管(5)的外壁上附着有玻璃棉保温层。
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