CN107143374B - 带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法及系统，方法：获取排采区煤层的瓦斯解析压力和原始煤层压力；根据瓦斯解析压力和原始煤层压力，设定带压钻孔压力及正压排采压力；获取排采区煤层的干扰波动距离；根据排采区煤层的干扰波动距离，设定孔间距和孔深度；根据带压钻孔压力、孔间距和孔深度，通过带压钻孔设备结合正压排采自动控制装置进行水平钻孔，实现带压钻孔正压排采。本发明在带压钻孔设备旋进过程中，通过控制钻孔压力，实现带压钻孔，克服钻井过程中原始地层压力迅速释放到大气常压，导致损害瓦斯通道的压实效应；克服排采过程正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大造成速敏效应，解决污染大，抽排气量小的问题。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯开采领域，尤其涉及带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法及系统。
背景技术
为了保障煤矿生产安全，需将煤层中的瓦斯排放出来，而瓦斯被称为煤矿第一杀手,又是极为难得的清洁能源，排空的温室效应是二氧化碳的21倍，因此煤矿一直在致力于瓦斯的治理和利用。目前，煤矿瓦斯治理主要采用井下抽放方式。井下抽放在煤层的煤壁上水平钻孔，其钻孔时采用常压钻孔，排采时采用负压抽排。但由于所钻孔的封孔工艺不具备密封性，导致抽排的瓦斯浓度较低，无法利用，直接排放在大气中。
目前的抽排方式存在一是钻孔过程中，在某个深度开始把接近原始地层压力的几兆帕压力迅速释放到大气常压，导致出现损害瓦斯通道的压实效应。压实效应：瓦斯抽采打孔时，孔内压力基本与大气压力相同，孔壁附近的游离态瓦斯的初始压力基本与地层压力相同，游离态瓦斯将快速向钻孔内运移；当压力低于临界解析压力时，吸附瓦斯也急速解析成游离瓦斯排出，短时间内孔壁附近压力消失，在地层压力作用下煤体缝隙被压实，通道减少，渗透率大幅度下降。二是抽采初始，孔中的正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大易造成速敏效应。速敏效应：是指因流体流动速度变化引起储层岩石中微粒运移、堵塞喉道，导致岩石渗透率下降的现象。流速的改变引起微粒运移而造成的地层伤害是不可恢复的。
以上两个环节和隧道开挖形成的围岩松动圈，使煤粉增加，通道减小，渗透率大幅度降低，瓦斯抽采量快速衰减。降压漏斗得不到充分的扩展，只有孔壁附近很小范围内的煤层得到了有效降压使少部分瓦斯解析。从而影响抽采中的瓦斯浓度和采收率。
因此，现有技术中的缺陷是：在钻孔过程中，现有技术中对于瓦斯的排采方式均由于压实效应和速敏效应，使得瓦斯抽排气量小，从而影响抽采中的瓦斯浓度和采收率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统及开采方法，通过将带压钻孔设备与正压排采自动控制装置配合使用，在带压钻孔设备旋进过程中，通过旋转防喷器及配套设备，实现带压钻孔，克服钻井过程中原始地层压力迅速释放到大气常压，导致出现损害瓦斯通道的压实效应；通过全通径控制阀及正压排采工艺包，实现正压排采，克服排采过程正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大造成速敏效应，进而解决现有技术污染大，抽排气量小的问题。
第一方面，为了解决上述问题，本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，包括：
步骤S1，获取排采区煤层的瓦斯解析压力和原始煤层压力；
步骤S2，根据所述瓦斯解析压力和原始煤层压力，设定带压钻孔压力及正压排采压力；
步骤S3，获取所述排采区煤层的干扰波动距离；
步骤S4，根据所述排采区煤层的干扰波动距离，设定孔间距和孔深度；
步骤S5，根据带压钻孔压力、所述孔间距和孔深度，通过带压钻孔设备结合带压钻孔自动控制装置进行水平钻孔，实现带压钻孔正压排采。
本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，其技术方案为：获取排采区煤层的瓦斯解析压力和原始煤层压力；根据所述瓦斯解析压力和原始煤层压力，设定带压钻孔压力；获取所述排采区煤层的干扰波动距离；根据所述排采区煤层的干扰波动距离，设定孔间距和孔深度；根据带压钻孔压力、所述孔间距和孔深度，通过带压钻孔设备结合正压排采自动控制装置进行水平钻孔，实现带压钻孔正压排采。
本发明提供的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，通过将带压钻孔设备与带压钻孔自动控制装置配合使用，在带压钻孔设备旋进过程中，通过控制带压钻孔压力，克服钻井过程中原始地层压力迅速释放到大气常压，导致出现损害瓦斯通道的压实效应；通过全通径控制阀及正压排采工艺包，实现正压排采，克服排采过程正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大造成速敏效应，进而解决现有技术污染大，抽排气量小的问题。
进一步地，所述封孔管的孔深度大于煤层干扰波动距离。
进一步地，所述带压钻孔压力高于所述排采区煤层的瓦斯解析压力，低于所述排采区原始煤层压力。
第二方面，本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，
包括带压钻孔设备，封孔管、固井水泥环、全通径控制阀、正压排采自动控制装置和带压钻孔控制装置；
所述带压钻孔控制装置控制所述带压钻孔设备在钻孔作业面向煤层钻取至少一条水平钻孔；
所述封孔管的一端与所述至少一条水平钻孔连接，所述封孔管的另一端与所述全通径控制阀连接；
所述水平钻孔自煤壁向煤层深处沿煤层分布走向设置，并垂直于所述煤壁，所述封孔管与所述水平钻孔的设置方向一致；
所述全通径控制阀与所述正压排采自动控制装置连接，所述正压排采自动控制装置设置在所述钻孔作业面的井口处，所述钻孔作业面为自地面向煤层煤壁处开挖巷道形成的。
本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其技术方案为：带压钻孔设备，封孔管、固井水泥环、全通径控制阀、正压排采自动控制装置和带压钻孔控制装置；所述带压钻孔控制装置控制所述带压钻孔设备在钻孔作业面向煤层钻取至少一条水平钻孔；所述封孔管的一端与所述至少一条水平钻孔连接，所述封孔管的另一端与所述全通径控制阀连接；所述水平钻孔自煤壁向煤层深处沿煤层分布走向设置，并垂直于所述煤壁，所述封孔管与所述水平钻孔的设置方向一致；所述全通径控制阀与所述正压排采自动控制装置连接，所述正压排采自动控制装置设置在所述钻孔作业面的井口处，所述钻孔作业面为自地面向煤层煤壁处开挖巷道形成的。
本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，通过将带压钻孔设备与正压排采自动控制装置配合使用，在带压钻孔设备旋进过程中，通过全通径控制阀控制压力，实现带压钻孔，克服钻井过程中原始地层压力迅速释放到大气常压，导致出现损害瓦斯通道的压实效应；通过全通径控制阀及正压排采工艺包，实现正压排采，克服排采过程正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大造成速敏效应，进而解决现有技术污染大，抽排气量小的问题。
进一步地，当所述至少一条水平钻孔为多条水平钻孔时，所述多条水平钻孔包括一条主水平钻孔和多条水平分支钻孔；所述多条水平分支钻孔与所述主水平钻孔平行设置；所述一条主水平钻孔和多条水平分支钻孔分别与所述封孔管连接。
进一步地，所述封孔管的水平孔深度大于30m。
进一步地，所述水平钻孔的水平孔深度不低于300m。
进一步地，所述封孔管为PVC管和金属管组成的封孔管。
进一步地，还包括固井水泥环，所述封孔管的另一端与所述全通径控制阀的连接处通过所述固井水泥环固定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示出了本发明实施例所提供的一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法的流程图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明 技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明 的保护范围。
实施例一
参见图1，第一方面，为了解决上述问题，本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，包括：
步骤S1，获取排采区煤层的瓦斯解析压力和原始煤层压力；
步骤S2，根据瓦斯解析压力和原始煤层压力，设定带压钻孔压力及正压排采压力；
步骤S3，获取排采区煤层的干扰波动距离；
步骤S4，根据排采区煤层的干扰波动距离，设定孔间距和孔深度；
步骤S5，根据带压钻孔压力、孔间距和孔深度，通过带压钻孔设备结合正压排采自动控制装置7进行水平钻孔，实现带压钻孔正压排采。
本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，其技术方案为：获取排采区煤层的瓦斯解析压力和原始煤层压力；根据瓦斯解析压力和原始煤层压力，设定带压钻孔压力；获取排采区煤层的干扰波动距离；根据排采区煤层的干扰波动距离，设定孔间距和孔深度；根据排采钻孔压力、孔间距和孔深度，通过带压钻孔设备结合正压排采自动控制装置7进行水平钻孔，实现带压钻孔正压排采。
本发明提供的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，通过将带压钻孔设备与带压钻孔控制装置配合使用，在带压钻孔设备旋进过程中，通过控制带压钻孔压力，实现带压钻孔，克服钻井过程中原始地层压力迅速释放到大气常压，导致出现损害瓦斯通道的压实效应；通过全通径控制阀及正压排采工艺包，实现正压排采，克服排采过程正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大造成速敏效应，进而解决现有技术污染大，抽排气量小的问题。
其中，瓦斯解析压力和原始煤层压力是依据煤层埋藏深度及煤层组成，由地质部门提供。
优选地，水平钻孔的孔深度大于煤层干扰波动距离。
优选地，带压钻孔压力高于排采区煤层气的解析压力，低于排采区煤层的原始压力。
参见图2，第二方面，本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，
包括带压钻孔设备，封孔管3、固井水泥环4、全通径控制阀6、正压排采自动控制装置7和带压钻孔控制装置；
带压钻孔控制装置控制带压钻孔设备在钻孔作业面8向煤层钻取至少一条水平钻孔；
在煤层分布较好情况下，可在钻孔作业面8的井眼内，钻多条水平分支孔，便于进行更好的排采。基于此本实施例中钻取三条水平钻孔，包括一条主水平钻孔2和两条水平分支钻孔1；两条水平分支钻孔1与主水平钻孔2平行设置；一条主水平钻孔2和两条水平分支钻孔1分别与封孔管3连接。
封孔管3的另一端与全通径控制阀6连接；
水平钻孔自煤壁5向煤层深处沿煤层分布走向设置，并垂直于煤壁5，封孔管3与三条水平钻孔的设置方向一致；
全通径控制阀6与正压排采自动控制装置7连接，正压排采自动控制装置 7设置在钻孔作业面8的井口处，钻孔作业面8为自地面向煤层煤壁5处开挖巷道形成的。
本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其技术方案为：带压钻孔设备，封孔管3、固井水泥环4、全通径控制阀6、正压排采自动控制装置7和带压钻孔控制装置；带压钻孔控制装置控制带压钻孔设备在钻孔作业面 8向煤层钻取至少一条水平钻孔；封孔管3的一端与至少一条水平钻孔连接，封孔管3的另一端与全通径控制阀6连接；水平钻孔自煤壁5向煤层深处沿煤层分布走向设置，并垂直于煤壁5，封孔管3与水平钻孔的设置方向一致；全通径控制阀6与正压排采自动控制装置7连接，正压排采自动控制装置7设置在钻孔作业面8的井口处，钻孔作业面8为自地面向煤层煤壁5处开挖巷道形成的。
本发明提供一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，通过将带压钻孔设备与带压钻孔控制装置配合使用，在带压钻孔设备旋进过程中，通过控制带压钻孔压力，实现带压钻孔，克服钻井过程中原始地层压力迅速释放到大气常压，导致出现损害瓦斯通道的压实效应；通过全通径控制阀及正压排采工艺包，实现正压排采，克服排采过程正压直接转换为无节制措施的负压流体，初速过大造成速敏效应，进而解决现有技术污染大，抽排气量小的问题。
其中，主水平钻孔及水平分支钻孔是在封孔管3安装到位，并进行固井并成了固井水泥环4后，利用水平钻孔机，配套井口旋转密封装置，由水平钻孔机提供旋转钻进动力，泥浆泵提供循环动力，由井口旋转密封装置及密闭式自动控压固液分离器实现密封循环除渣，沿封孔管3的井眼，顺煤层分布走向，始终带压所钻的深孔。
优选地，水平钻孔的水平孔深度大于30m。
便于安装封孔管3，且在后期钻孔施工时所带的压力不会自该水平钻孔扩散出工作面。
优选地，水平钻孔的水平孔深度不低于300m。指的是三条水平钻孔，包括一条主水平钻孔2和两条水平分支钻孔1。据目前设备能达到实际钻孔能力为 1000m，低于300m所钻孔投入与产出效益较差，因此深度不低于300m。
优选地，封孔管3为PVC管和金属管组成的封孔管3。
其中，封孔管3为利用水平钻机(带压钻孔设备)，沿煤壁5垂直方面向煤层内钻出具有一定直径及深度的水平孔道，并安装具有一定耐压强度的PVC 管及金属管两段组合，形成具有连接接头的封孔管3。全通径控制阀6是安装在封孔管3的连接接头上，在后期钻孔及完井排采过程中截断煤层与外部的控制阀。
优选地，还包括固井水泥环4，封孔管3的另一端与全通径控制阀6的连接处通过固井水泥环4固定。
固井水泥环4是在封孔管3安装到位后，将具体一定密度及性能的水泥混合形成水泥浆，并沿封孔管3内循环至煤壁5外，在一定时间内凝固后形成的致密、稳定的固井水泥环4。其作用是将封孔管3与煤壁5紧密相连，形成一个具有较高承压能力的的密闭腔体。
下面基于上述实施例中的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，结合具体排采工作过程，做进一步的说明：
步骤一：自地面向煤层煤壁5处开挖巷道，并形成钻孔作业面8。
步骤二：在钻孔作业面8利用带压钻孔设备，本实施例中采用水平钻孔机配套井口旋转密封装置，自煤壁5向煤层深处沿煤层分布走向钻水平钻孔，水平钻孔一般深度大于30m；水平钻孔中安装封孔管3，并用水泥固井，即在导管外凝结成固井水泥环4，形成稳定密闭的一封孔管3。
步骤三：利用水平钻孔机配套井口旋转密封装置，沿封孔管3的井眼，顺煤层分布走向，带压钻孔(带压大小根据瓦斯解析压力及原始煤层压力不同而不同)。根据煤层分布及钻孔机工作性能决定水平孔深度，一般不低于300m。
若煤层分布较好，可在钻孔作业面8的井眼内，钻多条水平分支钻孔。钻孔时，由水平钻孔机提供旋转钻进动力，泥浆泵提供循环动力，由井口旋转密封装置及密闭式自动控压固液分离器实现密封循环除渣，保证钻孔过程中始终保持孔眼内压力为初始带压压力，防止钻眼过程中瓦斯的解析及污染。
步骤四：完成钻孔后，井口安装正压排采自动控制装置7，通过正压排采自动控制装置7内的自控装置及煤层的原始压力实现正压排采。
其中，本发明中的钻孔工作面可借用现有的煤矿巷道，改造成钻孔工作面，节约成本，也可专门开挖巷道，形成新的钻孔工作面，后期转为煤矿生产巷道。
其中，煤壁5是钻孔的基础面，后期的主水平钻孔及多条水平分支钻孔所需的固井水泥环4及封孔管3均垂直与煤壁5。
其中，正压排采自动控制装置7是在水平钻孔及水平分支钻孔完成后，安装在全通径控制阀6上的生产工艺包。可定期取出工艺包的监测芯片，导入计算机再输入本煤层的相关参数，结合基于排采理念的软件，综合得出一个合理的工作制度，并编程，实现自动化远程控制，合理排采。
因为排采过程基本是正压排采，所以产出的瓦斯浓度就是储层气浓度，可以直接做天然气利用，故具备三大效益：
1、社会效益：我国是一个天然气能源进口国，如果把这一块做好，可以给国家开发出一个具备长期社会效益的新能源。
2、安全环保效益：由于把原来不同浓度、不同利用比例的瓦斯气直接开发成了天然气，把原来没有得到利用的放空高污染瓦斯气利用成了清洁能源，大幅度的减少了碳排放。
通过此装置及方法开发过的煤层吨煤含气量降到了安全警戒线以内，煤层压力也得到了大幅度的释放；两个下降增加了煤炭开采过程中的安全性。
实施例二
本发明中的正压排采自动控制装置中包括调节系统和报警系统；调节系统包括瓦斯浓度传感器、流量传感器、调节信号采集电路、压力传感器、单片机、继电器驱动电路和阀门驱动电路，瓦斯浓度传感器、流量传感器均安装在封孔管3上，全通径控制阀6连接阀门驱动电路，阀门驱动电路连接继电器驱动电路，继电器驱动电路连接单片机，瓦斯浓度传感器、流量传感器连接继电器驱动电路；压力传感器设置在带压钻孔设备上，压力传感器与单片机连接；
报警系统包括报警采集电路、单片机、蜂鸣器电路、液晶显示电路和安装在每条水平钻孔上的抽采瓦斯浓度传感器，抽采瓦斯浓度传感器连接报警采集电路，报警采集电路连接单片机，蜂鸣器电路、液晶显示电路均连接单片机。
通过调节系统中的压力传感器感知钻孔的压力，通过单片机进行智能调节，通过瓦斯浓度传感器感知排采的瓦斯浓度，通过流量传感器感知瓦斯的排采流量，通过单片机智能控制全通径控制阀6，用来控制瓦斯排采的浓度和流量；并且通过报警系统进行报警，排采过程中的相关瓦斯浓度、流量和排采压力数据通过液晶显示屏显示，当大于报警预设值时，通过蜂鸣器进行报警，保证排采过程的安全和智能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取排采区煤层的瓦斯解析压力和原始煤层压力；
步骤S2，根据所述瓦斯解析压力和原始煤层压力，设定带压钻孔压力及正压排采压力；
步骤S3，获取所述排采区煤层的干扰波动距离；
步骤S4，根据所述排采区煤层的干扰波动距离，设定孔间距和孔深度；
步骤S5，根据带压钻孔压力、所述孔间距和孔深度，通过带压钻孔设备结合带压钻孔自动控制装置进行水平钻孔，实现带压钻孔正压排采。
2.根据权利要求1所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，其特征在于，
所述水平钻孔的孔深度大于煤层干扰波动距离。
3.根据权利要求1所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采方法，其特征在于，
所述带压钻孔压力高于所述排采区煤层的瓦斯解析压力，低于所述排采区原始煤层压力。
4.一种带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其特征在于，包括带压钻孔设备，封孔管、固井水泥环、全通径控制阀、正压排采自动控制装置和带压钻孔控制装置；
所述带压钻孔控制装置控制所述带压钻孔设备在钻孔作业面向煤层钻取至少一条水平钻孔；
所述封孔管的一端与所述至少一条水平钻孔连接，所述封孔管的另一端与所述全通径控制阀连接；
所述水平钻孔自煤壁向煤层深处沿煤层分布走向设置，并垂直于所述煤壁，所述封孔管与所述水平钻孔的设置方向一致；
所述全通径控制阀与所述正压排采自动控制装置连接，所述正压排采自动控制装置设置在所述钻孔作业面的井口处，所述钻孔作业面为自地面向煤层煤壁处开挖巷道形成的。
5.根据权利要求4所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其特征在于，
当所述至少一条水平钻孔为多条水平钻孔时，所述多条水平钻孔包括一条主水平钻孔和多条水平分支钻孔；所述多条水平分支钻孔与所述主水平钻孔平行设置；所述一条主水平钻孔和多条水平分支钻孔分别与所述封孔管连接。
6.根据权利要求4所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其特征在于，
所述封孔管的水平孔深度大于30m。
7.根据权利要求4所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其特征在于，
所述水平钻孔的水平孔深度不低于300m。
8.根据权利要求4所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其特征在于，
所述封孔管为PVC管和金属管组成的封孔管。
9.根据权利要求4所述的带压式钻孔正压排采的瓦斯开采系统，其特征在于，
还包括固井水泥环，所述封孔管的另一端与所述全通径控制阀的连接处通过所述固井水泥环固定。
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