CN107725102A - 一种高压水与干冰联合作用增透装置及方法 - Google Patents

一种高压水与干冰联合作用增透装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压水与干冰联合作用增透装置及方法，涉及高瓦斯低透气性煤层瓦斯的强化抽采技术领域，供水管与水箱连接，供水管上安装有供水闸阀和流量表，水箱的一侧与压裂泵连接，压裂泵的上部设置有第一压力表和卸压阀，水箱的另一侧通过三通连接有卸压软管和高压胶管，卸压软管上安装有第一卸压闸阀，高压胶管上设置有进水闸阀、第二压力表、第二卸压闸阀和孔口闸阀，高压胶管与水力压裂钻孔连接，且水力压裂钻孔设置在煤层内，水力压裂钻孔内部前端设置有封孔材料，水力压裂钻孔内部后端设置有保温封装干冰。

Description

一种高压水与干冰联合作用增透装置及方法
技术领域
本发明涉及一种高压水与干冰联合作用增透装置及方法，具体为高瓦斯低透气性煤层瓦斯的强化抽采技术领域。
背景技术
中国的煤层普遍具有瓦斯高而透气性低的特征，且随着煤矿开采深度的增加，煤层的透气性会进一步降低，不利于瓦斯的抽采和瓦斯灾害防治。对于未卸压的低透气性煤层抽采瓦斯，往往需要借助一些强化增透措施，如：“深孔预裂爆破”、“气体驱替”、“水力压裂”等。受地质和生产条件限制，各种增透技术均有其优缺点和适用条件，如“深孔预裂爆破”威力大但是有可能诱发瓦斯爆炸，“气体驱替”往往受到煤体原始透气性低的影响。目前，“水力压裂”增透在我国许多矿区应用较为广泛，其工艺也在不断完善中，如裂缝水阻塞瓦斯流动通道以及压裂过程中水压稳定性等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压水与干冰联合作用增透装置及方法，以解决上述背景技术中增透效果差、效果维持时间短和瓦斯内吸附瓦斯解吸难的难题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高压水与干冰联合作用增透装置包括供水管1、供水闸阀2、流量表3、水箱4、第一压力表5、压裂泵6、卸压阀7、进水闸阀8、第一卸压闸阀9、卸压软管10、第二压力表11、第二卸压闸阀12、孔口闸阀13、高压胶管14、煤层15、水力压裂钻孔16、封孔材料17和保温封装干冰18，供水管1与水箱4连接，供水管1上安装有供水闸阀2和流量表3，水箱4的一侧与压裂泵6连接，压裂泵6的上部设置有第一压力表5和卸压阀7，水箱4的另一侧通过三通连接有卸压软管10和高压胶管14，卸压软管10上安装有第一卸压闸阀9，高压胶管14上设置有进水闸阀8、第二压力表11、第二卸压闸阀12和孔口闸阀13，高压胶管14与水力压裂钻孔16连接，且水力压裂钻孔16设置在煤层15内，水力压裂钻孔16内部前端设置有封孔材料17，水力压裂钻孔16内部后端设置有保温封装干冰18。
作为优选，所述的保温封装干冰18包含保温材料19、护管20、棉纱21、密封材料22、干冰23、端盖24和气孔25，干冰23设置在护管20内，护管20的内侧设置有保温材料19，干冰23的外侧设置有密封材料22，且密封材料22的外侧设置有棉纱21，棉纱21外侧安装有端盖24，端盖24上均布有数个气孔25。
作为优选，所述的干冰23为碎块状，遇水即在水压控制下迅速气化和溶解，可辅助压裂泵水力压裂，又可协调补偿较大裂隙生成时压裂钻孔内水压突降，缩短压裂时间。
作为优选，所述的保温材料19为特制的管状，两端采用密封材料22和棉纱21封堵，配合安装在护管20中。
作为优选，所述的密封材料22为粉状，具有一定隔热性和遇水速溶特性，在压裂前为干冰保温，在水力压裂时迅速溶解使高压水与干冰接触。
作为优选，所述的端盖24的表面为弧面状且带有多个气孔，便于护管20在钻孔中输送，及时使高压水与密封材料和干冰接触。
本发明一种高压水与干冰联合作用增透方法包括以下步骤：
a. 根据实际测定的抽采半径，在煤层中顺煤层交替布置水力压裂钻孔16和瓦斯抽采钻孔，瓦斯抽采钻孔作为压裂孔压穿煤体的观测孔；
b. 在井下将干冰23填送于保温材料19中，干冰(23)两端内采用密封材料(22)和棉纱(21)封堵，并整体配装在护管20中，护管20两端用端盖24旋接封装，利用钻杆将保温封装的干冰18送入压裂钻孔16底位置，即按照高压水力压裂钻孔常规的封孔要求对压裂钻孔16进行封孔；
c. 压裂钻孔16封孔完毕和检查合格后，即按照高压水力压裂操作要求，利用压裂泵6对压裂钻孔16周围煤体实施水力压裂；
d. 在干冰23的辅助作用下，压裂泵6水力压裂完毕后，按常规瓦斯抽采作业规程要求，将交替布置的瓦斯抽采钻孔进行封孔，同时将压裂钻孔16也变为抽采钻孔，将各钻孔与矿井瓦斯抽采管路汇接，即进行抽采煤层瓦斯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本装置和方法，在低透气性煤层通过高压水力压裂增透时，预先在压裂钻孔中放入保温封装的干冰，然后再对其进行封孔作业。待钻孔封严后利用压裂泵对煤体进行水力压裂，干冰与钻孔注入的高压水接触，气化溶解。干冰的气化溶解行为受到钻孔内水压控制，水压低时加速气化，水压高时部分以碳酸溶解水中。干冰可辅助压裂泵水力压裂，以保障压裂效果的同时降低压裂泵设定水压；又可协调补偿较大裂隙生成时压裂孔内水压突降，解决力压裂过程中需要多次补水升压操作的问题，缩减压裂时间，提高功效。
附图说明
图1是一种高压水与干冰联合作用增透装置示意图。
图2是干冰保温封装示意图。
1-供水管；2-供水闸阀；3-流量表；4-水箱；5-压力表；6-压裂泵；7-卸压阀；8-进水闸阀；9-卸压闸阀；10-卸压软管；11-压力表；12-卸压闸阀；13-孔口闸阀；14-高压胶管；15-煤层；16-钻孔；17-封孔材料；18-保温封装干冰；19-保温材料；20-护管；21-棉纱；22-密封材料；23-干冰；24-端盖；25-气孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种高压水与干冰联合作用增透装置包括供水管1、供水闸阀2、流量表3、水箱4、第一压力表5、压裂泵6、卸压阀7、进水闸阀8、第一卸压闸阀9、卸压软管10、第二压力表11、第二压力表11、第二卸压闸阀12、孔口闸阀13、高压胶管14、煤层15、水力压裂钻孔16、封孔材料17和保温封装干冰18，供水管1与水箱4连接，供水管1上安装有供水闸阀2和流量表3，水箱4的一侧与压裂泵6连接，压裂泵6的上部设置有第一压力表5和卸压阀7，水箱4的另一侧通过三通连接有卸压软管10和高压胶管14，卸压软管10上安装有第一卸压闸阀9，高压胶管14上设置有进水闸阀8、第二压力表11、第二卸压闸阀12和孔口闸阀13，高压胶管14与水力压裂钻孔16连接，且水力压裂钻孔16设置在煤层15内，水力压裂钻孔16内部前端设置有封孔材料17，水力压裂钻孔16内部后端设置有保温封装干冰18。
作为优选，所述的保温封装干冰18包含保温材料19、护管20、棉纱21、密封材料22、干冰23、端盖24和气孔25，干冰23设置在护管20内，护管20的内侧设置有保温材料19，干冰23的外侧设置有密封材料22，且密封材料22的外侧设置有棉纱21，棉纱21外侧安装有端盖24，端盖24上均布有数个气孔25。
作为优选，所述的干冰23为碎块状，遇水即在水压控制下迅速气化和溶解，可辅助压裂泵水力压裂，又可协调补偿较大裂隙生成时压裂钻孔内水压突降，缩短压裂时间。
作为优选，所述的保温材料19为特制的管状，两端采用密封材料22和棉纱21封堵，配合安装在护管20中。
作为优选，所述的密封材料22为粉状，具有一定隔热性和遇水速溶特性，在压裂前为干冰保温，在水力压裂时迅速溶解使高压水与干冰接触。
作为优选，所述的端盖24的表面为弧面状且带有多个气孔，便于护管20在钻孔中输送，及时使高压水与密封材料和干冰接触。
本具体实施方式一种高压水与干冰联合作用增透方法包括以下步骤：
a. 根据实际测定的抽采半径，在煤层中顺煤层交替布置水力压裂钻孔16和瓦斯抽采钻孔，瓦斯抽采钻孔作为压裂孔压穿煤体的观测孔；
b. 在井下将干冰23填送于保温材料19中，干冰(23)两端内采用密封材料(22)和棉纱(21)封堵，并整体配装在护管20中，护管20两端用端盖24旋接封装，利用钻杆将保温封装的干冰18送入压裂钻孔16底位置，即按照高压水力压裂钻孔常规的封孔要求对压裂钻孔16进行封孔；
c. 压裂钻孔16封孔完毕和检查合格后，即按照高压水力压裂操作要求，利用压裂泵6对压裂钻孔16周围煤体实施水力压裂；
d. 在干冰23的辅助作用下，压裂泵6水力压裂完毕后，按常规瓦斯抽采作业规程要求，将交替布置的瓦斯抽采钻孔进行封孔，同时将压裂钻孔16也变为抽采钻孔，将各钻孔与矿井瓦斯抽采管路汇接，即进行抽采煤层瓦斯；
实施例：高压水与干冰联合作用增透方法，在煤层15中按照20m间距顺煤层交替布置压裂钻孔16和抽采钻孔，钻孔直径均为113mm，钻孔深度均为50m。
将管状保温材料19配装于护管20中。其中，管状保温材料材质为EPS泡沫塑料，外径85mm，内径40mm，单根长度1m；护管材质为PVC，外径90mm，内径87mm，单根长度1m。然后将护管20的一端利用弧状端盖24旋接，端盖24带多个气孔25。在保温材料19内先放入面纱21，然后填送密封材料22，密封材料22为粉状速溶材料，可采用砂糖或食盐，敦实厚度50mm。之后填送碎块状干冰23，敦实，再用50mm厚的密封材料22覆盖，放入面纱21后，用端盖24与护管20旋接而将其另一端封口。
利用钻杆将封装在护管和保温材料中的干冰送入压裂钻孔底位置，送入量为5根。然后即按照高压水力压裂煤层钻孔封孔常规要求，采用马丽散和水泥砂浆相结合的方式对于压裂钻孔16进行带压封孔，封孔材料17的长度为20m。
压裂钻孔16封孔结束24h后，在做好安全技术措施前提下，首先将压裂泵6压力静压调至2MPa，然后开始实施压裂。逐步将压力调至5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。压裂过程中，安排专人对压裂泵6的压力、流量变化情况、注入水量情况进行统计，直至压裂泵6压力上升到最大25MPa，压裂泵6的水箱4内水位不再下降，水不再注入，或邻近抽采钻孔大量出水时，方可停泵。
压裂水源由井下直径100m供水管1、供水闸阀2和流量表3进入水箱4，然后进入压裂泵6。压裂泵6型号为BRW200/56，额定压力56MPa，额定流量200L/min，配有0-60MPa量程的第一压力表5和卸压阀7。压裂泵6泵高压水由进水闸阀8、0-60MPa量程的第二压力表11、第二卸压闸阀12、孔口闸阀13和直径32mm的高压胶管14，通过快速接头连接到压裂钻孔孔口封孔装置，进入煤层15内的压裂钻孔16，对煤层15实施水力压裂；在准备或停止压裂后的卸压水可经由第一卸压闸阀9和卸压软管10排出。
水力压裂期间，高压水进入压裂钻孔16与保温封装干冰18相遇。高压水通过PVC护管20两端端盖24上的气孔25进入，穿过面纱21与密封材料22充分接触，密封材料22在数分钟内溶解，使得干冰与高压水接触而气化和溶解。在压裂过程中，由于干冰气化压挤水体，产生高压，可协同压裂，将原本设计压裂泵压力30MPa降低为25MPa，取得了与30MPa压力时同样的压裂范围。在压裂过程中，干冰的气化溶解行为受到钻孔内水压控制，即水压低时加速气化，水压高时以碳酸存在于水中，因此可避免普通水力压裂过程中煤体中较大裂隙生成时造成水压突降，需要多次补水升压才能使压裂继续，压裂操作时间延长的问题。此外，干冰气化后还可置换和驱替煤体中的瓦斯，提高瓦斯抽采量，缩短抽采时间。
由于压裂钻孔16与抽采孔是交替布置，水力压裂增透作业完成后，将各抽采钻孔采用聚氨酯封孔材料进行封孔，封孔深度为8m，同时将各压裂钻孔变为抽采钻孔，利用钢丝胶管将压裂钻孔和抽采钻孔均汇接入矿井瓦斯抽采管路系统，进行抽采瓦斯，抽采钻孔孔口负压不得低于13kPa。期间由专门人员对瓦斯抽采支管和总管路中的瓦斯流量、瓦斯浓度等参数进行测定、记录和统计。将统计结果与未压裂区域瓦斯抽采数据进行对比。
未采用干冰辅助时，原设计压裂泵设定压力为30MPa，压裂期间在较大裂隙生成时孔内水压陡降至17MPa，需要补水补压操作，增加了压裂操作时间。采用干冰辅助压裂后，压裂泵设定压力为25MPa，压裂期间钻孔水压保持在25MPa以上，单个钻孔压穿时间比设定压力30MPa时缩短了15min左右。压裂后，煤层透气性增加500-1000倍以上，瓦斯抽采半径达10m以上，钻孔瓦斯抽采流量增加10-20倍以上，抽采瓦斯浓度可达50%以上，瓦斯预抽时间缩短了三分之二，煤层瓦斯抽采率在60-80%以上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种高压水与干冰联合作用增透装置，其特征在于：它包括供水管(1)、供水闸阀(2)、流量表(3)、水箱(4)、第一压力表（5）、压裂泵(6)、卸压阀(7)、进水闸阀(8)、第一卸压闸阀(9)、卸压软管(10)、第二压力表(11)、第二卸压闸阀(12)、孔口闸阀(13)、高压胶管(14)、煤层(15)、水力压裂钻孔(16)、封孔材料(17)和保温封装干冰(18)，供水管(1)与水箱(4)连接，供水管(1)上安装有供水闸阀(2)和流量表(3)，水箱(4)的一侧与压裂泵(6)连接，压裂泵(6)的上部设置有第一压力表(5)和卸压阀(7)，水箱(4)的另一侧通过三通连接有卸压软管(10)和高压胶管(14)，卸压软管(10)上安装有第一卸压闸阀(9)，高压胶管(14)上设置有进水闸阀(8)、第二压力表(11)、第二卸压闸阀(12)和孔口闸阀(13)，高压胶管(14)与水力压裂钻孔(16)连接，且水力压裂钻孔(16)设置在煤层(15)内，水力压裂钻孔(16)内部前端设置有封孔材料(17)，水力压裂钻孔(16)内部后端设置有保温封装干冰(18),所述的保温封装干冰(18)包含保温材料(19)、护管(20)、棉纱(21)、密封材料(22)、干冰(23)、端盖(24)和气孔(25)，干冰(23)设置在护管(20)内，护管(20)的内侧设置有保温材料(19)，干冰(23)的外侧设置有密封材料(22)，且密封材料(22)的外侧设置有棉纱(21)，棉纱(21)外侧安装有端盖(24)，端盖(24)上均布有数个气孔(25),所述的干冰(23)为碎块状,所述的保温材料(19)为特制的管状，两端采用密封材料(22)和棉纱(21)封堵，配合安装在护管(20)中,所述的密封材料(22)为粉状,所述的端盖(24)的表面为弧面状且带有多个气孔(25)。
2.一种高压水与干冰联合作用增透方法，其特征在于包括以下步骤：
(a). 根据实际测定的抽采半径，在煤层中顺煤层交替布置水力压裂钻孔(16)和瓦斯抽采钻孔，瓦斯抽采钻孔作为压裂钻孔压穿煤体的观测孔；
(b). 在井下将干冰(23)填送于保温材料(19)中，干冰(23)两端内采用密封材料(22)和棉纱(21)封堵，并整体配装在护管(20)中，护管(20)两端用端盖(24)旋接封装，利用钻杆将保温封装的干冰(18)送入压裂钻孔(16)底位置，即按照高压水力压裂钻孔常规的封孔要求对压裂钻孔(16)进行封孔；
(c). 压裂钻孔(16)封孔完毕和检查合格后，即按照高压水力压裂操作要求，利用压裂泵(6)对压裂钻孔(16)周围煤体实施水力压裂；
(d). 在干冰(23)的辅助作用下，压裂泵(6)水力压裂完毕后，按常规瓦斯抽采作业规程要求，将交替布置的瓦斯抽采钻孔进行封孔，同时将压裂钻孔(16)也变为抽采钻孔，将各钻孔与矿井瓦斯抽采管路汇接，即进行抽采煤层瓦斯。
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