CN104963674A - 低渗煤层液氮冻融裂化增透方法 - Google Patents

Abstract

低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，包括以下步骤：a)钻出冻融钻孔和监测钻孔；b)布置第一管路，一端伸入冻融钻孔内，另一端与制氮分离装置相连接，制氮分离装置与注液氮泵连接；c)在监测钻孔内安装温度监测装置，待温度监测装置监测的温度稳定后，确认此时为初始温度T₀；d)启动注液氮泵，驱动制氮分离装置向冻融钻孔内注入液氮，并实时监测钻孔温度；e)当监测钻孔内温度T相比于T0降低50％-80％时，停止注液氮，并继续监测钻孔内的温度；f)当监测钻孔内温度T升至|T-T₀|/T₀＜5％时，重复步骤d)和e)；g)重复步骤f)3-5次。本发明改造了原始煤体的孔隙结构，有效解决了低渗煤层增透效果差的问题，使低渗煤层渗透率极大的改善。

Description

低渗煤层液氮冻融裂化增透方法

技术领域

本发明涉及一种煤层增透方法，尤其是一种低渗煤层液氮冻融裂化增透方法。

背景技术

抽采煤层气不仅可以开发利用煤层气资源，更为关键的是能够保障煤层开采的生产安全。但低渗煤层由于煤层裂隙、层理发育不充分，煤层气渗透率极低，这不仅不利于煤层气的开发利用，更不利于煤层开采的生产安全。如何高效开采低渗煤层煤层气已经成为国内外科研人员和工程技术人员普遍关注的技术课题，并已经取得诸多科研成果。

目前，提高低渗煤层煤层气开采率的方法主要是通过煤层增透技术，具体而言，包括水力化增透技术，高能气体增透技术和定向长钻孔增透技术等等。其中，水力化增透技术具有工艺操作简易、技术成本低廉等优点，但通常需要现场具有保护煤岩柱的条件，并且易诱发喷孔导致巷道瓦斯超限，影响施工作业安全。高能气体增透由于技术工艺复杂，技术成本高，低渗碎软煤层施工作业时送药、下管难度大，且由于煤体的各向异性以及装药量的限制，导致爆破范围小、裂纹扩展定向性差，同时，由于煤层内瓦斯的存在，爆破过程中增加了诱发孔内瓦斯爆炸和突出的危险，因此，这种增透技术的应用受到严重限制。定向长钻孔增透技术具有钻孔施工长度大和定向钻进的优点，但在低渗碎软煤层中抽采效果难以发挥其优势。

随着煤炭进入深部开采，煤层高应力、高瓦斯和低渗透的特性愈加显著，现有煤层增透技术越来越无法满足矿井安全生产要求。

发明内容

为了解决目前低渗煤层增透技术适应性差，增透效果差，本发明提供了一种低渗煤层液氮冻融裂化增透方法。

本发明采用的技术方案如下：

低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)在井下巷道内向低渗煤层钻出冻融钻孔和监测钻孔，所述冻融钻孔孔径为75-105mm，孔深不小于20m，所述冻融钻孔中心与所述监测钻孔内壁最小距离为3-6m；

b)布置第一管路，将所述第一管路一端伸入所述冻融钻孔内，同时用封孔装置封闭所述冻融钻孔，将所述第一管路另一端与制氮分离装置相连接，所述制氮分离装置用于制出液氮，所述制氮分离装置与注液氮泵连接；

c)在所述监测钻孔内安装温度监测装置，待所述温度监测装置监测的温度稳定后，确认此时的温度即为所述监测钻孔内的初始温度T0；

d)启动注液氮泵，驱动所述制氮分离装置开始通过所述第一管路向所述冻融钻孔内注入液氮，并实时监测所述监测钻孔；

e)当所述监测钻孔内温度T相比于T₀降低50％-80％时，停止注液氮作业，并继续监测所述监测钻孔内的温度；

f)当所述监测钻孔内温度T升至|T-T₀|/T₀＜5％时，重复步骤d)和e)；

g)重复步骤f)3-5次。

上述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法在步骤c)之前，还包括步骤c1)：布置第一管路支路，将所述第一管路支路一端与所述第一管路连通，另一端与水箱连接，所述水箱与注水泵连接，在所述第一管路和所述第一管路支路上分别安装有第一控制阀和第二控制阀，用于在向所述冻融钻孔注液氮和注水之间进行切换；在步骤d)之前，还包括步骤d1)：关闭所述第一控制阀，打开所述第二控制阀，启动所述注水泵，开始通过所述第一管路支路向所述冻融钻孔注水，并实时监测所述监测钻孔内是否有水渗出，在确认有水渗出后，继续注水30-60min，然后停止注水作业，关闭所述注水泵，打开第一控制阀，关闭第二控制阀。

上述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法在步骤c)之前，还包括步骤c2)：布置第二管路，将所述第二管路一端伸入所述冻融钻孔内，另一端与所述水箱连接，所述水箱与所述注水泵连接，在所述第二管路安装有第三控制阀用于在向所述冻融钻孔注液氮和注水之间进行切换；在步骤d)之前，还包括步骤d2)：关闭所述第一控制阀，打开所述第三控制阀，启动所述注水泵，开始通过所述第二管路向所述冻融钻孔注水，并实时监测所述监测钻孔内是否有水渗出，在确认有水渗出后，继续注水30-60min，然后停止注水作业，关闭所述注水泵，打开第一控制阀，关闭第三控制阀。

在上述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法中，所述第一管路伸入所述冻融钻孔内的端头靠近孔底，所述第二管路伸入所述冻融钻孔内的端头靠近孔口。

在上述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法中，在将所述水箱与所述第一管路支路或所述第二管路连接前，先与脉冲注水控制器连接，通过所述脉冲注水控制器实现向所述冻融钻孔脉冲式注水。

在上述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法中，在步骤d1)或d2)中，在打开所述第二控制阀或第三控制阀后，调节所述脉冲注水控制器使注水压力保持在5-10MPa。

在上述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法中，关闭所述第二控制阀或所述第三控制阀之后，须等待24-36h再打开所述第一控制阀。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

①本发明提供的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，由于采用向冻融钻孔内实施液氮冻融裂化作业，改变了原始煤体的温度场使煤体孔隙水膨胀并迁移，，冻融裂化范围半径可以达到5m以上，因此，本发明能够有效破坏煤体结构，促进煤体层理和裂隙的发育，改变煤体的物理力学性能和煤层应力场的分布，煤层渗透性获得明显改善。

②本发明提供的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，由于在实施注液氮之前，先实施注水作业，并应用脉冲式注水方式，有效增大了煤体湿润范围和含水率，进而扩大液氮冻融裂化范围和煤体裂化效果，冻融裂化范围半径可以达到8m以上，因此，本发明能够使低渗煤层渗透性得到极大的改善，同时能够有效提高增效作业效率。

③本发明提供的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，由于采用了向钻孔内注入水和液氮的工艺方法，操作简单安全，适应于本煤层和穿层作业环境条件，更不会引发钻孔喷孔、巷道瓦斯超限及煤与瓦斯突出等事故，因此，有效的提高了技术方法的井下适应性和应用安全性，能够满足低渗煤层的高应力、高瓦斯及高突出危险性的特殊条件。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明低渗煤层液氮冻融裂化增透方法实施布置图。

图中标记为：1-低渗煤层，2-冻融钻孔，3-监测钻孔，4-第一管路，5-封孔装置，6-制氮分离装置，7-注液氮泵，8-温度监测装置，9-第一管路支路，10-水箱，11-注水泵，12-第一控制阀，13-第二控制阀，14-第二管路，15-第三控制阀，16-脉冲注水控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1显示的是本发明低渗煤层液氮冻融裂化增透方法的优选实施例。

实施例一

所述低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，包括以下步骤：

a)在井下巷道内向低渗煤层1钻出冻融钻孔2和监测钻孔3，所述冻融钻孔2孔径为80mm，孔深为26m，所述冻融钻孔2中心与所述监测钻孔3内壁最小距离为5m；

b)布置第一管路4，将所述第一管路4一端伸入所述冻融钻孔2内，同时用封孔装置5封闭所述冻融钻孔2，将所述第一管路4另一端与制氮分离装置6相连接，所述制氮分离装置6用于制出液氮，所述制氮分离装置6与注液氮泵7连接；

c)在所述监测钻孔3内安装温度监测装置8，待所述温度监测装置8监测的温度稳定后，确认此时的温度即为所述监测钻孔3内的初始温度T₀；

d)启动注液氮泵7，驱动所述制氮分离装置6开始通过所述第一管路4向所述冻融钻孔2内注入液氮，并实时监测所述监测钻孔3；

e)当所述监测钻孔3内温度T相比于T₀降低70％时，停止注液氮作业，并继续监测所述监测钻孔3内的温度；

f)当所述监测钻孔3内温度T升至|T-T₀|/T₀＜5％时，重复步骤d)和e)；

g)重复步骤f)5次。

实施例二

与实施例一相比，本实施例在步骤b)之后，在进行步骤c)之前，还实施步骤c1)：布置第一管路支路9，将所述第一管路支路9一端与所述第一管路4连通，另一端与水箱10连接，所述水箱10与注水泵11连接，在所述第一管路4和所述第一管路支路9上分别安装有第一控制阀12和第二控制阀13，用于在向所述冻融钻孔2注液氮和注水之间进行切换。

在步骤c1)之后，步骤d)之前，还包括步骤d1)：关闭所述第一控制阀12，打开所述第二控制阀13，启动所述注水泵11，开始通过所述第一管路支路9向所述冻融钻孔2注水，并实时监测所述监测钻孔3内是否有水渗出，在确认有水渗出后，继续注水40min，然后停止注水作业，关闭所述注水泵11，关闭第二控制阀13。

在关闭所述第二控制阀13达28h之后，打开所述第一控制阀12。

在本实施例中，在将所述水箱10与所述第一管路支路9连接前，先与脉冲注水控制器16连接，通过所述脉冲注水控制器16实现向所述冻融钻孔2脉冲式注水。

在本实施例中，在进行步骤d1)中，在打开所述第二控制阀13后，调节所述脉冲注水控制器16使注水压力保持在7MPa。

本实施例除以上特征与实施例一不同外，其他都相同。

实施例三

与实施例一相比，本实施例在步骤b)之后，进行步骤c)之前，还实施步骤c2)：布置第二管路14，将所述第二管路14一端伸入所述冻融钻孔2内，另一端与所述水箱10连接，所述水箱10与所述注水泵11连接，在所述第二管路14安装有第三控制阀15用于在向所述冻融钻孔2注液氮和注水之间进行切换。在步骤c2)之后，在进行步骤d)之前，还实施步骤d2)：关闭所述第一控制阀12，打开所述第三控制阀15，启动所述注水泵11，开始通过所述第二管路14向所述冻融钻孔2注水，并实时监测所述监测钻孔3内是否有水渗出，在确认有水渗出后，继续注水50min，然后停止注水作业，关闭所述注水泵11，打开第一控制阀12，关闭第三控制阀15。

在本实例中，在关闭所述第三控制阀15达30h之后，打开所述第一控制阀12。

在本实施例中，所述第一管路4伸入所述冻融钻孔2内的端头靠近孔底，所述第二管路14伸入所述冻融钻孔2内的端头靠近孔口。

在本实施例中，在将所述水箱10与所述第二管路14连接前，先与脉冲注水控制器16连接，通过所述脉冲注水控制器16实现向所述冻融钻孔2脉冲式注水。

在本实施例中，在步骤d2)中，在打开第三控制阀15后，调节所述脉冲注水控制器16使注水压力保持在8MPa。

本实施例除以上内容与实施例一不同，其他都相同。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)在井下巷道内向低渗煤层(1)钻出冻融钻孔(2)和监测钻孔(3)，所述冻融钻孔(2)孔径为75-105mm，孔深不小于20m，所述冻融钻孔(2)中心与所述监测钻孔(3)内壁最小距离为3-6m；

b)布置第一管路(4)，将所述第一管路(4)一端伸入所述冻融钻孔(2)内，同时用封孔装置(5)封闭所述冻融钻孔(2)，将所述第一管路(4)另一端与制氮分离装置(6)相连接，所述制氮分离装置(6)用于制出液氮，所述制氮分离装置(6)与注液氮泵(7)连接；

c)在所述监测钻孔(3)内安装温度监测装置(8)，待所述温度监测装置(8)监测的温度稳定后，确认此时的温度即为所述监测钻孔(3)内的初始温度T₀；

d)启动注液氮泵(7)，驱动所述制氮分离装置(6)开始通过所述第一管路(4)向所述冻融钻孔(2)内注入液氮，并实时监测所述监测钻孔(3)；

e)当所述监测钻孔(3)内温度T相比于T₀降低50％-80％时，停止注液氮作业，并继续监测所述监测钻孔(3)内的温度；

f)当所述监测钻孔(3)内温度T升至|T-T₀|/T₀＜5％时，重复步骤d)和e)；

g)重复步骤f)3-5次。

2.根据权利要求1所述的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：在步骤c)之前，还包括步骤c1)：布置第一管路支路(9)，将所述第一管路支路(9)一端与所述第一管路(4)连通，另一端与水箱(10)连接，所述水箱(10)与注水泵(11)连接，在所述第一管路(4)和所述第一管路支路(9)上分别安装有第一控制阀(12)和第二控制阀(13)，用于在向所述冻融钻孔(2)注液氮和注水之间进行切换；

在步骤d)之前，还包括步骤d1)：关闭所述第一控制阀(12)，打开所述第二控制阀(13)，启动所述注水泵(11)，开始通过所述第一管路支路(9)向所述冻融钻孔(2)注水，并实时监测所述监测钻孔(3)内是否有水渗出，在确认有水渗出后，继续注水30-60min，然后停止注水作业，关闭所述注水泵(11)，打开第一控制阀(12)，关闭第二控制阀(13)。

3.根据权利要求1-2任一所述的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：在步骤c)之前，还包括步骤c2)：布置第二管路(14)，将所述第二管路(14)一端伸入所述冻融钻孔(2)内，另一端与所述水箱(10)连接，所述水箱(10)与所述注水泵(11)连接，在所述第二管路(14)安装有第三控制阀(15)用于在向所述冻融钻孔(2)注液氮和注水之间进行切换；

在步骤d)之前，还包括步骤d2)：关闭所述第一控制阀(12)，打开所述第三控制阀(15)，启动所述注水泵(11)，开始通过所述第二管路(14)向所述冻融钻孔(2)注水，并实时监测所述监测钻孔(3)内是否有水渗出，在确认有水渗出后，继续注水30-60min，然后停止注水作业，关闭所述注水泵(11)，打开第一控制阀(12)，关闭第三控制阀(15)。

4.根据权利要求3所述的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：所述第一管路(4)伸入所述冻融钻孔(2)内的端头靠近孔底，所述第二管路(14)伸入所述冻融钻孔(2)内的端头靠近孔口。

5.根据权利要求2-4任一所述的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：在将所述水箱(10)与所述第一管路支路(9)或所述第二管路(14)连接前，先与脉冲注水控制器(16)连接，通过所述脉冲注水控制器(16)实现向所述冻融钻孔(2)脉冲式注水。

6.根据权利要求5所述的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：在步骤d1)或d2)中，在打开所述第二控制阀(13)或第三控制阀(15)后，调节所述脉冲注水控制器(16)使注水压力保持在5-10MPa。

7.根据权利要求2-6任一所述的低渗煤层液氮冻融裂化增透方法，其特征在于：关闭所述第二控制阀(13)或所述第三控制阀(15)之后，须等待24-36h再打开所述第一控制阀(12)。