CN108278936A - 井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统及方法，该系统包括主管路、增压装置、输送管路和二氧化碳致裂增渗加载装置；该方法包括步骤：一、井下煤层钻孔及封孔；二、安装致裂增渗系统；三、管路气密性检测及预冷；四、煤层致裂增渗及高压二氧化碳储罐内液位是的实时检测；五、判断高压二氧化碳储罐内压力是否下降至低压阈值；六、判断主管路上第二压力传感器测得的压力值是否超过压力阈值；七、致裂增渗系统的放空。本发明利用二氧化碳致裂增渗加载装置持续为煤层提供液态二氧化碳致裂，防爆增压装置保持高压二氧化碳储罐压力，避免液态二氧化碳汽化，可有效克服储罐压力不稳和管路吸热造成液态二氧化碳汽化堵管及增压泵效能低的问题。
Description
技术领域
本发明属于煤层致裂增渗技术领域，具体涉及一种井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统及方法。
背景技术
随着浅部煤炭资源逐渐减少甚至枯竭，越来越多的矿井面临深部开采的问题。进入深部开采以后，不少煤矿转变为高瓦斯矿井，原来没有突出危险的煤层变为煤与瓦斯突出危险的煤层。瓦斯灾害的防治难度进一步增大，瓦斯抽采困难，特别是对于大量无保护层可采的单一突出煤层，其瓦斯治理和消突的难度将显得更为艰巨。近年来，多种水力化卸压增透强化抽采技术先后在我国诸多矿区进行了试验，包括煤层注水、水力压裂、水力割缝、水力冲孔、水力挤出及综合水力化技术等，并取得了一定的应用效果。但相关研究表明：煤层注水后短时间内瓦斯抽采浓度的升高主要是高压水的致裂增渗作用，而当水分进入到煤体微孔裂隙后，受“水锁”作用的影响，瓦斯解吸出现很快衰减，致使注水效果差；而利用二氧化碳压裂可增加煤体的孔隙率和渗透性。当前煤矿井下使用的液态二氧化碳致裂增渗系统，由于系统布置不够紧凑，二氧化碳储存装置与柱塞泵之间连接管路过长，液态二氧化碳在流动过程中吸热汽化以气液混合态进入柱塞缸中，致使柱塞泵的增压效能得不到充分发挥，泵的出口压力达不到额定压力和煤体起裂压力；压裂过程中储罐内压力降低使得液态二氧化碳极易结干冰，造成堵管问题；另外，当前液态二氧化碳致裂增渗系统无法改变增压泵的出口流量，无法实现不同压力下液态二氧化碳的脉冲压注致裂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其设计新颖合理，利用多个二氧化碳致裂增渗加载装置持续为煤层提供液态二氧化碳致裂增渗，通过防爆增压装置保持高压二氧化碳储罐压力，避免液态二氧化碳汽化，可有效克服因储罐中压力不稳和管路吸热造成液态二氧化碳汽化堵管及增压泵效能低的问题，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：包括与煤层注入管连通的主管路、向主管路提供高压输送动力的增压装置、向主管路输送气液的输送管路和多个均与所述输送管路连通的二氧化碳致裂增渗加载装置，所述输送管路包括气体输送管和液体输送管，所述增压装置包括依次连接的防爆控制装置、变频器、变频电机和柱塞泵，主管路与柱塞泵的输出端连通，气体输送管和液体输送管均与柱塞泵的输入端连通，所述二氧化碳致裂增渗加载装置包括高压二氧化碳储罐和与高压二氧化碳储罐连通的防爆增压装置，以及安装在高压二氧化碳储罐上的液位计、温压变送器、排液管、排气管、测满分析阀和安全阀，排液管上安装有液相闸阀和残液排放阀，排气管上安装有气相闸阀和储罐放空阀，高压二氧化碳储罐通过气相高压管与防爆增压装置连通，气相高压管上安装有第一电磁阀，液体输送管远离柱塞泵的一端通过第一连接管与排液管连通，气体输送管远离柱塞泵的一端通过第二连接管与排气管连通；
主管路靠近柱塞泵的一端安装有第一温度传感器和第一压力传感器，主管路远离柱塞泵的一端安装有第二温度传感器和第二压力传感器，主管路上安装有管路放空阀；
液位计、温压变送器、第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器均与防爆控制装置的输入端相接，第一电磁阀、管路放空阀、液相闸阀、储罐放空阀、气相闸阀和测满分析阀均由防爆控制装置控制。
上述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述增压装置安装在第一平板小车上，所述二氧化碳致裂增渗加载装置安装在第二平板小车上。
上述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述高压二氧化碳储罐的罐体由不锈钢内层和不锈钢外层组成，不锈钢内层和不锈钢外层之间设置有聚乙烯气泡隔热层，不锈钢内层与聚乙烯气泡隔热层之间设置有聚丙烯纤维内层，不锈钢外层与聚乙烯气泡隔热层之间设置有聚丙烯纤维外层，聚乙烯气泡隔热层的厚度为80mm～150mm。
上述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述第一连接管、液体输送管、第二连接管、气体输送管和主管路上均套装有耐高压隔热胶管，所述耐高压隔热胶管由40MPa高压胶管、设置在40MPa高压胶管内的聚氨酯复合保温层和设置在40MPa高压胶管外的芳纶阻燃层组成。
上述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述主管路通过止回阀与煤层注入管连通，煤层注入管穿过岩层伸入至煤层中。
上述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述防爆增压装置为高压氮气增压装置。
上述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述防爆增压装置为防爆自增压装置，所述防爆自增压装置包括水箱和设置在水箱内的蛇形管，所述蛇形管上缠绕有陶瓷加热丝，陶瓷加热丝的两端与加热丝电源连接，所述加热丝电源为陶瓷加热丝供电的回路中连接有继电器，所述继电器由防爆控制装置控制；蛇形管的一端与气相高压管连通，蛇形管的另一端通过液相高压管与高压二氧化碳储罐连通，液相高压管上安装有第二电磁阀。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、井下煤层钻孔及封孔：穿过岩层向煤层钻孔，将煤层注入管沿钻孔长度方向伸入至煤层中，再利用注浆管对钻孔进行封孔；
步骤二、安装致裂增渗系统：根据实际煤层液态二氧化碳需求量，将多个二氧化碳致裂增渗加载装置通过所述输送管路与增压装置连接，增压装置中的柱塞泵通过主管路与煤层注入管连通，保持所述输送管路和主管路平直；
步骤三、管路气密性检测及预冷：利用防爆控制装置打开气相闸阀，高压二氧化碳储罐内的低温气态二氧化碳经排气管、第二连接管、气体输送管、柱塞泵、主管路和煤层注入管传输至钻孔内，直至第二压力传感器检测的压力达到1.8MPa，确保所述输送管路和主管路气密性良好，同时利用低温气态二氧化碳对所述输送管路和主管路预冷；
步骤四、煤层致裂增渗及高压二氧化碳储罐内液位是的实时检测：第二压力传感器检测的压力达到1.8MPa时，防爆控制装置关闭气相闸阀，打开液相闸阀和柱塞泵，高压二氧化碳储罐内的液态二氧化碳经排液管、第一连接管、液体输送管传输至柱塞泵，柱塞泵推送液态二氧化碳经主管路和煤层注入管传输至钻孔内，对煤层进行致裂增渗；同时，液位计实时检测高压二氧化碳储罐内液位高度，当高压二氧化碳储罐内液位高度高于液位预设值时，执行步骤五；当高压二氧化碳储罐内液位高度不高于液位预设值时，停止该二氧化碳致裂增渗加载装置工作，更换新的二氧化碳致裂增渗加载装置；
步骤五、判断高压二氧化碳储罐内压力是否下降至低压阈值：预先设置高压二氧化碳储罐内压力的低压阈值，当温压变送器测量的高压二氧化碳储罐内压力大于所述低压阈值时，执行步骤六；当温压变送器测量的高压二氧化碳储罐内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置控制第一电磁阀打开，防爆增压装置经气相高压管对高压二氧化碳储罐进行增压；
步骤六、判断主管路上第二压力传感器测得的压力值是否超过压力阈值：预先设置主管路靠近煤层注入管位置处的压力阈值，利用第二压力传感器实时测量主管路靠近煤层注入管位置处的压力值，当第二压力传感器测得的压力值不大于所述压力阈值时，循环步骤四；当第二压力传感器测得的压力值大于所述压力阈值时，关闭柱塞泵，停止向煤层注入管注入液态二氧化碳，待煤层致裂增渗后钻孔压力下降，再开启柱塞泵；
步骤七、致裂增渗系统的放空：待井下煤层液态二氧化碳致裂增渗结束后，对钻孔保压；然后，开启管路放空阀以及液位高度不高于液位预设值的高压二氧化碳储罐上的残液排放阀和储罐放空阀，对液位高度不高于液位预设值的高压二氧化碳储罐及时放空。
上述的方法，其特征在于：步骤五中所述防爆增压装置为高压氮气增压装置，当温压变送器测量的高压二氧化碳储罐内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置控制第一电磁阀打开，高压氮气增压装置经气相高压管对高压二氧化碳储罐输送高压氮气，实现高压二氧化碳储罐的增压，待高压二氧化碳储罐内压力大于所述低压阈值时，防爆控制装置控制第一电磁阀关闭。
上述的方法，其特征在于：步骤五中所述防爆增压装置为防爆自增压装置，所述防爆自增压装置包括水箱和设置在水箱内的蛇形管，所述蛇形管上缠绕有陶瓷加热丝，陶瓷加热丝的两端与加热丝电源连接，所述加热丝电源为陶瓷加热丝供电的回路中连接有继电器，所述继电器由防爆控制装置控制；蛇形管的一端与气相高压管连通，蛇形管的另一端通过液相高压管与高压二氧化碳储罐连通，液相高压管上安装有第二电磁阀；
当温压变送器测量的高压二氧化碳储罐内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置控制第一电磁阀和第二电磁阀打开，并控制继电器吸合，加热丝电源为陶瓷加热丝供电加热蛇形管，高压二氧化碳储罐内的液态二氧化碳经液相高压管传输至蛇形管，液态二氧化碳在蛇形管内吸热汽化，生成高压气态二氧化碳，高压气态二氧化碳经气相高压管对高压二氧化碳储罐进行增压。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的致裂增渗系统利用多个二氧化碳致裂增渗加载装置持续为煤层提供液态二氧化碳致裂增渗，通过防爆增压装置保持高压二氧化碳储罐压力，避免液态二氧化碳汽化；同时，在主管路上安装第一温度传感器和第一压力传感器检测柱塞泵出液温压数据，在主管路上安装第二温度传感器和第二压力传感器检测煤层注入管进液温压数据，有效克服因储罐中压力不稳和管路吸热造成液态二氧化碳汽化堵管及增压泵效能低的问题，便于推广使用。
2、本发明采用的致裂增渗系统通过在高压二氧化碳储罐上设置排液管和排气管，利用排气管输出气态二氧化碳预冷系统中管路并给煤层一定的压力，避免排液管输出的液态二氧化碳汽化，采用排液管输出的液态二氧化碳对煤层致裂增渗，使用效果好。
3、本发明采用的致裂增渗系统结构紧凑，占用空间较小，便于井下移动和操作，极大地提高了钻孔内二氧化碳压力，实现了储罐中液态二氧化碳的连续泵送，充分发挥了柱塞泵的效能，可靠稳定，使用效果好。
4、本发明采用的致裂增渗方法，步骤简单，利用液位计测量高压二氧化碳储罐内液态二氧化碳量，避免液态二氧化碳供应不及时，给井下煤层致裂增渗带来影响；利用温压变送器测量的高压二氧化碳储罐内压力，当高压二氧化碳储罐内压力下降至低压阈值时，通过防爆增压装置及时为高压二氧化碳储罐增压，避免因储罐中压力不稳，增压泵效能低的问题；利用第二压力传感器实时测量主管路靠近煤层注入管位置处的压力值，使液态二氧化碳充分对井下煤层致裂增渗，提高煤层致裂增渗效率，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，利用多个二氧化碳致裂增渗加载装置持续为煤层提供液态二氧化碳致裂增渗，通过防爆增压装置保持高压二氧化碳储罐压力，避免液态二氧化碳汽化，可有效克服因储罐中压力不稳和管路吸热造成液态二氧化碳汽化堵管及增压泵效能低的问题，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的致裂增渗系统的结构连接示意图。
图2为图1中高压二氧化碳储罐的A向视图。
图3为图1中的B处放大图。
图4为本发明采用的致裂增渗系统中防爆自增压装置的结构示意图。
图5为本发明采用的致裂增渗系统的电路原理框图。
图6为本发明致裂增渗方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—煤层； 2—岩层； 3—煤层注入管；
4—注浆管； 5—止回阀； 6—防爆增压装置；
6-1—水箱； 6-2—蛇形管； 6-3—陶瓷加热丝；
7—高压二氧化碳储罐； 7-1—液位计； 7-2—温压变送器；
7-3—液相闸阀； 7-4—排液管； 7-5—残液排放阀；
7-6—储罐放空阀； 7-7—排气管； 7-8—气相闸阀；
7-9—测满分析阀； 7-10—安全阀； 7-11-1—不锈钢内层；
7-11-2—不锈钢外层； 7-11-3—聚丙烯纤维内层；
7-11-4—聚丙烯纤维外层； 7-11-5—聚乙烯气泡隔热层；
8—气相高压管； 9—液相高压管；
10—第一电磁阀； 11—第二电磁阀； 12—第二平板小车；
13—第一连接管； 14—液体输送管； 15—第二连接管；
16—气体输送管； 17—主管路； 18—第二压力传感器；
19—第二温度传感器； 20—管路放空阀； 21—第一压力传感器；
22—第一温度传感器； 23—柱塞泵； 24—变频电机；
25—变频器； 26—防爆控制装置； 27—第一平板小车。
具体实施方式
如图1、图2和图5所示，本发明所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，包括与煤层注入管3连通的主管路17、向主管路17提供高压输送动力的增压装置、向主管路17输送气液的输送管路和多个均与所述输送管路连通的二氧化碳致裂增渗加载装置，所述输送管路包括气体输送管16和液体输送管14，所述增压装置包括依次连接的防爆控制装置26、变频器25、变频电机24和柱塞泵23，主管路17与柱塞泵23的输出端连通，气体输送管16和液体输送管14均与柱塞泵23的输入端连通，所述二氧化碳致裂增渗加载装置包括高压二氧化碳储罐7和与高压二氧化碳储罐7连通的防爆增压装置6，以及安装在高压二氧化碳储罐7上的液位计7-1、温压变送器7-2、排液管7-4、排气管7-7、测满分析阀7-9和安全阀7-10，排液管7-4上安装有液相闸阀7-3和残液排放阀7-5，排气管7-7上安装有气相闸阀7-8和储罐放空阀7-6，高压二氧化碳储罐7通过气相高压管8与防爆增压装置6连通，气相高压管8上安装有第一电磁阀10，液体输送管14远离柱塞泵23的一端通过第一连接管13与排液管7-4连通，气体输送管16远离柱塞泵23的一端通过第二连接管15与排气管7-7连通；
主管路17靠近柱塞泵23的一端安装有第一温度传感器22和第一压力传感器21，主管路17远离柱塞泵23的一端安装有第二温度传感器19和第二压力传感器18，主管路17上安装有管路放空阀20；
液位计7-1、温压变送器7-2、第一温度传感器22、第一压力传感器21、第二温度传感器19和第二压力传感器18均与防爆控制装置26的输入端相接，第一电磁阀10、管路放空阀20、液相闸阀7-3、储罐放空阀7-6、气相闸阀7-8和测满分析阀7-9均由防爆控制装置26控制。
需要说明的是，采用二氧化碳致裂可使煤对二氧化碳的吸附能力高于甲烷；低温液态二氧化碳从岩层中吸热产生气体膨胀比约1:600，效果好；二氧化碳可以酸化并移出堵塞于煤岩裂隙中的一些杂物；液态二氧化碳粘性较低，可以很容易地沟通煤层中微裂隙，提高裂隙导流能力；同时钻孔中某些区域的超临界二氧化碳可萃取煤中可溶有机质，如醚、酯、内酯类、环氧化合物等，增加煤体的孔隙率和渗透性，利用多个二氧化碳致裂增渗加载装置持续为煤层1提供液态二氧化碳致裂增渗，通过每个二氧化碳致裂增渗加载装置中的防爆增压装置6保持高压二氧化碳储罐压力，避免液态二氧化碳汽化；实际使用中，与煤层注入管3连通的主管路17的数量为一个，输送管路中的气体输送管16和液体输送管14均为一个，每个二氧化碳致裂增渗加载装置中输出的气态二氧化碳均传输至气体输送管16，每个二氧化碳致裂增渗加载装置中输出的液态二氧化碳均传输至液体输送管14，保证了主管路17的供应需求，连续性好；主管路17利用增压装置中的柱塞泵23快速增压，柱塞泵23采用变频电机24带动，可根据主管路17上实时压力，调节变频电机24输出功率，进而调节柱塞泵23工作，当主管路17上压力过大时，可减小柱塞泵23的工作频率，当主管路17上压力过小时，可增加柱塞泵23的工作频率，保证液态二氧化碳充分对煤层1致裂；
实际使用中，高压二氧化碳储罐7上安装有液位计7-1、温压变送器7-2、排液管7-4、排气管7-7、测满分析阀7-9和安全阀7-10，液位计7-1的作用是实时检测当前工作的高压二氧化碳储罐7内液态二氧化碳的量，当前工作的高压二氧化碳储罐7内液态二氧化碳不足时，停止高压二氧化碳储罐7向外输送二氧化碳，更换新的高压二氧化碳储罐7，保证为煤层提供持续的液态二氧化碳；温压变送器7-2的作用是实时检测高压二氧化碳储罐7内压力，便于防爆增压装置6为高压二氧化碳储罐提供压力，避免液态二氧化碳汽化，避免因储罐中压力不稳造成液态二氧化碳汽化，增压泵效能低的问题；排气管7-7的作用是输出气态二氧化碳预冷系统中管路并给煤层一定的压力，避免排液管输出的液态二氧化碳汽化，排液管7-4的作用是输出的液态二氧化碳对煤层致裂增渗；测满分析阀7-9和安全阀7-10的作用是避免在给高压二氧化碳储罐7充入液态二氧化碳时，对过充的二氧化碳及时的排放，避免现场发生意外事故。
实际使用中，在主管路上安装第一温度传感器和第一压力传感器检测柱塞泵出液温压数据，在主管路上安装第二温度传感器和第二压力传感器检测煤层注入管进液温压数据，有效克服管路吸热造成液态二氧化碳汽化堵管及增压泵效能低的问题。
本实施例中，所述增压装置安装在第一平板小车27上，所述二氧化碳致裂增渗加载装置安装在第二平板小车12上。
需要说明的是，增压装置安装在第一平板小车27上，二氧化碳致裂增渗加载装置安装在第二平板小车12上，确保致裂增渗系统结构紧凑，占用空间较小，便于井下移动和操作，极大地提高了钻孔内二氧化碳压力，实现了储罐中液态二氧化碳的连续泵送，充分发挥了柱塞泵的效能，可靠稳定。
如图3所示，本实施例中，所述高压二氧化碳储罐7的罐体由不锈钢内层7-11-1和不锈钢外层7-11-2组成，不锈钢内层7-11-1和不锈钢外层7-11-2之间设置有聚乙烯气泡隔热层7-11-5，不锈钢内层7-11-1与聚乙烯气泡隔热层7-11-5之间设置有聚丙烯纤维内层7-11-3，不锈钢外层7-11-2与聚乙烯气泡隔热层7-11-5之间设置有聚丙烯纤维外层7-11-4，聚乙烯气泡隔热层7-11-5的厚度为80mm～150mm。
需要说明的是，高压二氧化碳储罐7中的不锈钢内层7-11-1和不锈钢外层7-11-2之间设置聚丙烯纤维内层7-11-3、聚乙烯气泡隔热层7-11-5和聚丙烯纤维外层7-11-4的目的是减少高压二氧化碳储罐7与外界的热交换，避免高压二氧化碳储罐7内液态二氧化碳的快速汽化。
本实施例中，所述第一连接管13、液体输送管14、第二连接管15、气体输送管16和主管路17上均套装有耐高压隔热胶管，所述耐高压隔热胶管由40MPa高压胶管、设置在40MPa高压胶管内的聚氨酯复合保温层和设置在40MPa高压胶管外的芳纶阻燃层组成。
需要说明的是，第一连接管13、液体输送管14、第二连接管15、气体输送管16和主管路17上均套装有耐高压隔热胶管的目的是避免长距离的液态二氧化碳在管路中汽化。
本实施例中，所述主管路17通过止回阀5与煤层注入管3连通，煤层注入管3穿过岩层2伸入至煤层1中。
本实施例中，所述防爆增压装置6为高压氮气增压装置。
需要说明的是，防爆增压装置6采用高压氮气增压装置的目的是实现高压二氧化碳储罐7不带电工作，安全可靠。
如图4所示，本实施例中，所述防爆增压装置6为防爆自增压装置，所述防爆自增压装置包括水箱6-1和设置在水箱6-1内的蛇形管6-2，所述蛇形管6-2上缠绕有陶瓷加热丝6-3，陶瓷加热丝6-3的两端与加热丝电源连接，所述加热丝电源为陶瓷加热丝6-3供电的回路中连接有继电器，所述继电器由防爆控制装置26控制；蛇形管6-2的一端与气相高压管8连通，蛇形管6-2的另一端通过液相高压管9与高压二氧化碳储罐7连通，液相高压管9上安装有第二电磁阀11。
需要说明的是，所述防爆增压装置6采用防爆自增压装置的目的是利用高压二氧化碳储罐7中原料对高压二氧化碳储罐7进行增压，不带入任何的杂质，实现获取增压气源简单，可循环利用，蛇形管6-2可增加二氧化碳的传输距离，保证液态二氧化碳的充分汽化，同时可储备大量的气态二氧化碳保证高压二氧化碳储罐7增压稳定，实际使用时，当高压二氧化碳储罐7中压降较小时，可利用液态二氧化碳在蛇形管6-2中的汽化为高压二氧化碳储罐7增压，不必开启陶瓷加热丝6-3；当高压二氧化碳储罐7中压降较大时，可通过防爆控制装置26控制继电器吸合，陶瓷加热丝6-3工作，蛇形管6-2快速的吸热，使蛇形管6-2中的液态二氧化碳快速的吸热，进而使液态二氧化碳快速汽化为高压二氧化碳储罐7增压。
如图6所示的一种井下煤层液态二氧化碳致裂增渗的方法，包括以下步骤：
步骤一、井下煤层钻孔及封孔：穿过岩层2向煤层1钻孔，将煤层注入管3沿钻孔长度方向伸入至煤层1中，再利用注浆管4对钻孔进行封孔；
步骤二、安装致裂增渗系统：根据实际煤层液态二氧化碳需求量，将多个二氧化碳致裂增渗加载装置通过所述输送管路与增压装置连接，增压装置中的柱塞泵23通过主管路17与煤层注入管3连通，保持所述输送管路和主管路17平直；
步骤三、管路气密性检测及预冷：利用防爆控制装置26打开气相闸阀7-8，高压二氧化碳储罐7内的低温气态二氧化碳经排气管7-7、第二连接管15、气体输送管16、柱塞泵23、主管路17和煤层注入管3传输至钻孔内，直至第二压力传感器18检测的压力达到1.8MPa，确保所述输送管路和主管路17气密性良好，同时利用低温气态二氧化碳对所述输送管路和主管路17预冷；
步骤四、煤层致裂增渗及高压二氧化碳储罐内液位是的实时检测：第二压力传感器18检测的压力达到1.8MPa时，防爆控制装置26关闭气相闸阀7-8，打开液相闸阀7-3和柱塞泵23，高压二氧化碳储罐7内的液态二氧化碳经排液管7-4、第一连接管13、液体输送管14传输至柱塞泵23，柱塞泵23推送液态二氧化碳经主管路17和煤层注入管3传输至钻孔内，对煤层1进行致裂增渗；同时，液位计7-1实时检测高压二氧化碳储罐7内液位高度，当高压二氧化碳储罐7内液位高度高于液位预设值时，执行步骤五；当高压二氧化碳储罐7内液位高度不高于液位预设值时，停止该二氧化碳致裂增渗加载装置工作，更换新的二氧化碳致裂增渗加载装置；
步骤五、判断高压二氧化碳储罐内压力是否下降至低压阈值：预先设置高压二氧化碳储罐7内压力的低压阈值，当温压变送器7-2测量的高压二氧化碳储罐7内压力大于所述低压阈值时，执行步骤六；当温压变送器7-2测量的高压二氧化碳储罐7内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置26控制第一电磁阀10打开，防爆增压装置6经气相高压管8对高压二氧化碳储罐7进行增压；
步骤六、判断主管路上第二压力传感器测得的压力值是否超过压力阈值：预先设置主管路17靠近煤层注入管3位置处的压力阈值，利用第二压力传感器18实时测量主管路17靠近煤层注入管3位置处的压力值，当第二压力传感器18测得的压力值不大于所述压力阈值时，循环步骤四；当第二压力传感器18测得的压力值大于所述压力阈值时，关闭柱塞泵23，停止向煤层注入管3注入液态二氧化碳，待煤层1致裂增渗后钻孔压力下降，再开启柱塞泵23；
实际使用中，优选的所述压力阈值为30MPa～40MPa。
步骤七、致裂增渗系统的放空：待井下煤层液态二氧化碳致裂增渗结束后，对钻孔保压；然后，开启管路放空阀20以及液位高度不高于液位预设值的高压二氧化碳储罐7上的残液排放阀7-5和储罐放空阀7-6，对液位高度不高于液位预设值的高压二氧化碳储罐7及时放空。
本实施例中，步骤五中所述防爆增压装置6为高压氮气增压装置，当温压变送器7-2测量的高压二氧化碳储罐7内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置26控制第一电磁阀10打开，高压氮气增压装置经气相高压管8对高压二氧化碳储罐7输送高压氮气，实现高压二氧化碳储罐7的增压，待高压二氧化碳储罐7内压力大于所述低压阈值时，防爆控制装置26控制第一电磁阀10关闭。
本实施例中，步骤五中所述防爆增压装置6为防爆自增压装置，所述防爆自增压装置包括水箱6-1和设置在水箱6-1内的蛇形管6-2，所述蛇形管6-2上缠绕有陶瓷加热丝6-3，陶瓷加热丝6-3的两端与加热丝电源连接，所述加热丝电源为陶瓷加热丝6-3供电的回路中连接有继电器，所述继电器由防爆控制装置26控制；蛇形管6-2的一端与气相高压管8连通，蛇形管6-2的另一端通过液相高压管9与高压二氧化碳储罐7连通，液相高压管9上安装有第二电磁阀11；
当温压变送器7-2测量的高压二氧化碳储罐7内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置26控制第一电磁阀10和第二电磁阀11打开，并控制继电器吸合，加热丝电源为陶瓷加热丝6-3供电加热蛇形管6-2，高压二氧化碳储罐7内的液态二氧化碳经液相高压管9传输至蛇形管6-2，液态二氧化碳在蛇形管6-2内吸热汽化，生成高压气态二氧化碳，高压气态二氧化碳经气相高压管8对高压二氧化碳储罐7进行增压。
本发明使用时，利用多个二氧化碳致裂增渗加载装置持续为煤层提供液态二氧化碳致裂增渗，通过防爆增压装置保持高压二氧化碳储罐压力，避免液态二氧化碳汽化，可有效克服因储罐中压力不稳和管路吸热造成液态二氧化碳汽化堵管及增压泵效能低的问题，使用效果好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：包括与煤层注入管(3)连通的主管路(17)、向主管路(17)提供高压输送动力的增压装置、向主管路(17)输送气液的输送管路和多个均与所述输送管路连通的二氧化碳致裂增渗加载装置，所述输送管路包括气体输送管(16)和液体输送管(14)，所述增压装置包括依次连接的防爆控制装置(26)、变频器(25)、变频电机(24)和柱塞泵(23)，主管路(17)与柱塞泵(23)的输出端连通，气体输送管(16)和液体输送管(14)均与柱塞泵(23)的输入端连通，所述二氧化碳致裂增渗加载装置包括高压二氧化碳储罐(7)和与高压二氧化碳储罐(7)连通的防爆增压装置(6)，以及安装在高压二氧化碳储罐(7)上的液位计(7-1)、温压变送器(7-2)、排液管(7-4)、排气管(7-7)、测满分析阀(7-9)和安全阀(7-10)，排液管(7-4)上安装有液相闸阀(7-3)和残液排放阀(7-5)，排气管(7-7)上安装有气相闸阀(7-8)和储罐放空阀(7-6)，高压二氧化碳储罐(7)通过气相高压管(8)与防爆增压装置(6)连通，气相高压管(8)上安装有第一电磁阀(10)，液体输送管(14)远离柱塞泵(23)的一端通过第一连接管(13)与排液管(7-4)连通，气体输送管(16)远离柱塞泵(23)的一端通过第二连接管(15)与排气管(7-7)连通；
主管路(17)靠近柱塞泵(23)的一端安装有第一温度传感器(22)和第一压力传感器(21)，主管路(17)远离柱塞泵(23)的一端安装有第二温度传感器(19)和第二压力传感器(18)，主管路(17)上安装有管路放空阀(20)；
液位计(7-1)、温压变送器(7-2)、第一温度传感器(22)、第一压力传感器(21)、第二温度传感器(19)和第二压力传感器(18)均与防爆控制装置(26)的输入端相接，第一电磁阀(10)、管路放空阀(20)、液相闸阀(7-3)、储罐放空阀(7-6)、气相闸阀(7-8)和测满分析阀(7-9)均由防爆控制装置(26)控制。
2.按照权利要求1所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述增压装置安装在第一平板小车(27)上，所述二氧化碳致裂增渗加载装置安装在第二平板小车(12)上。
3.按照权利要求1所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述高压二氧化碳储罐(7)的罐体由不锈钢内层(7-11-1)和不锈钢外层(7-11-2)组成，不锈钢内层(7-11-1)和不锈钢外层(7-11-2)之间设置有聚乙烯气泡隔热层(7-11-5)，不锈钢内层(7-11-1)与聚乙烯气泡隔热层(7-11-5)之间设置有聚丙烯纤维内层(7-11-3)，不锈钢外层(7-11-2)与聚乙烯气泡隔热层(7-11-5)之间设置有聚丙烯纤维外层(7-11-4)，聚乙烯气泡隔热层(7-11-5)的厚度为80mm～150mm。
4.按照权利要求1所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述第一连接管(13)、液体输送管(14)、第二连接管(15)、气体输送管(16)和主管路(17)上均套装有耐高压隔热胶管，所述耐高压隔热胶管由40MPa高压胶管、设置在40MPa高压胶管内的聚氨酯复合保温层和设置在40MPa高压胶管外的芳纶阻燃层组成。
5.按照权利要求1所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述主管路(17)通过止回阀(5)与煤层注入管(3)连通，煤层注入管(3)穿过岩层(2)伸入至煤层(1)中。
6.按照权利要求1所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述防爆增压装置(6)为高压氮气增压装置。
7.按照权利要求1所述的井下煤层液态二氧化碳致裂增渗系统，其特征在于：所述防爆增压装置(6)为防爆自增压装置，所述防爆自增压装置包括水箱(6-1)和设置在水箱(6-1)内的蛇形管(6-2)，所述蛇形管(6-2)上缠绕有陶瓷加热丝(6-3)，陶瓷加热丝(6-3)的两端与加热丝电源连接，所述加热丝电源为陶瓷加热丝(6-3)供电的回路中连接有继电器，所述继电器由防爆控制装置(26)控制；蛇形管(6-2)的一端与气相高压管(8)连通，蛇形管(6-2)的另一端通过液相高压管(9)与高压二氧化碳储罐(7)连通，液相高压管(9)上安装有第二电磁阀(11)。
8.一种利用如权利要求1所述系统进行井下煤层液态二氧化碳致裂增渗的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、井下煤层钻孔及封孔：穿过岩层(2)向煤层(1)钻孔，将煤层注入管(3)沿钻孔长度方向伸入至煤层(1)中，再利用注浆管(4)对钻孔进行封孔；
步骤二、安装致裂增渗系统：根据实际煤层液态二氧化碳需求量，将多个二氧化碳致裂增渗加载装置通过所述输送管路与增压装置连接，增压装置中的柱塞泵(23)通过主管路(17)与煤层注入管(3)连通，保持所述输送管路和主管路(17)平直；
步骤三、管路气密性检测及预冷：利用防爆控制装置(26)打开气相闸阀(7-8)，高压二氧化碳储罐(7)内的低温气态二氧化碳经排气管(7-7)、第二连接管(15)、气体输送管(16)、柱塞泵(23)、主管路(17)和煤层注入管(3)传输至钻孔内，直至第二压力传感器(18)检测的压力达到1.8MPa，确保所述输送管路和主管路(17)气密性良好，同时利用低温气态二氧化碳对所述输送管路和主管路(17)预冷；
步骤四、煤层致裂增渗及高压二氧化碳储罐内液位是的实时检测：第二压力传感器(18)检测的压力达到1.8MPa时，防爆控制装置(26)关闭气相闸阀(7-8)，打开液相闸阀(7-3)和柱塞泵(23)，高压二氧化碳储罐(7)内的液态二氧化碳经排液管(7-4)、第一连接管(13)、液体输送管(14)传输至柱塞泵(23)，柱塞泵(23)推送液态二氧化碳经主管路(17)和煤层注入管(3)传输至钻孔内，对煤层(1)进行致裂增渗；同时，液位计(7-1)实时检测高压二氧化碳储罐(7)内液位高度，当高压二氧化碳储罐(7)内液位高度高于液位预设值时，执行步骤五；当高压二氧化碳储罐(7)内液位高度不高于液位预设值时，停止该二氧化碳致裂增渗加载装置工作，更换新的二氧化碳致裂增渗加载装置；
步骤五、判断高压二氧化碳储罐内压力是否下降至低压阈值：预先设置高压二氧化碳储罐(7)内压力的低压阈值，当温压变送器(7-2)测量的高压二氧化碳储罐(7)内压力大于所述低压阈值时，执行步骤六；当温压变送器(7-2)测量的高压二氧化碳储罐(7)内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置(26)控制第一电磁阀(10)打开，防爆增压装置(6)经气相高压管(8)对高压二氧化碳储罐(7)进行增压；
步骤六、判断主管路上第二压力传感器测得的压力值是否超过压力阈值：预先设置主管路(17)靠近煤层注入管(3)位置处的压力阈值，利用第二压力传感器(18)实时测量主管路(17)靠近煤层注入管(3)位置处的压力值，当第二压力传感器(18)测得的压力值不大于所述压力阈值时，循环步骤四；当第二压力传感器(18)测得的压力值大于所述压力阈值时，关闭柱塞泵(23)，停止向煤层注入管(3)注入液态二氧化碳，待煤层(1)致裂增渗后钻孔压力下降，再开启柱塞泵(23)；
步骤七、致裂增渗系统的放空：待井下煤层液态二氧化碳致裂增渗结束后，对钻孔保压；然后，开启管路放空阀(20)以及液位高度不高于液位预设值的高压二氧化碳储罐(7)上的残液排放阀(7-5)和储罐放空阀(7-6)，对液位高度不高于液位预设值的高压二氧化碳储罐(7)及时放空。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤五中所述防爆增压装置(6)为高压氮气增压装置，当温压变送器(7-2)测量的高压二氧化碳储罐(7)内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置(26)控制第一电磁阀(10)打开，高压氮气增压装置经气相高压管(8)对高压二氧化碳储罐(7)输送高压氮气，实现高压二氧化碳储罐(7)的增压，待高压二氧化碳储罐(7)内压力大于所述低压阈值时，防爆控制装置(26)控制第一电磁阀(10)关闭。
10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤五中所述防爆增压装置(6)为防爆自增压装置，所述防爆自增压装置包括水箱(6-1)和设置在水箱(6-1)内的蛇形管(6-2)，所述蛇形管(6-2)上缠绕有陶瓷加热丝(6-3)，陶瓷加热丝(6-3)的两端与加热丝电源连接，所述加热丝电源为陶瓷加热丝(6-3)供电的回路中连接有继电器，所述继电器由防爆控制装置(26)控制；蛇形管(6-2)的一端与气相高压管(8)连通，蛇形管(6-2)的另一端通过液相高压管(9)与高压二氧化碳储罐(7)连通，液相高压管(9)上安装有第二电磁阀(11)；
当温压变送器(7-2)测量的高压二氧化碳储罐(7)内压力不大于所述低压阈值时，防爆控制装置(26)控制第一电磁阀(10)和第二电磁阀(11)打开，并控制继电器吸合，加热丝电源为陶瓷加热丝(6-3)供电加热蛇形管(6-2)，高压二氧化碳储罐(7)内的液态二氧化碳经液相高压管(9)传输至蛇形管(6-2)，液态二氧化碳在蛇形管(6-2)内吸热汽化，生成高压气态二氧化碳，高压气态二氧化碳经气相高压管(8)对高压二氧化碳储罐(7)进行增压。
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