CN110067548B - 一种煤矿井下高温水力压裂增透方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤矿井下高温水力压裂增透方法及其系统，本发明可通过改变周围煤体的温度来改变煤层透气性，较高温水蒸气而言，不需要太高热能，经济成本较低，在实际过程中注水泵压降低流量突然增大时，需要停止一段时间继续注热，本发明可以直接进行高温水力压裂无须等待时间。本发明经济成本较低，可实现工艺的连续进行水力压裂，本发明高温水水力压裂不仅可压裂煤体，而且使影响范围内煤层温度升高，极大提高煤层透气性，有利于瓦斯抽采。可快速连续加热水，实现高温水水力压裂工艺连续。当煤层水力压力达到泵压降低流量突然增大时，需要停止工作时，保温水箱可保存高温水，再次工作时，可直接开始注水，不需要等待热水加热时间。

Description

一种煤矿井下高温水力压裂增透方法及其系统
技术领域
本发明属于煤矿井下瓦斯抽采领域，涉及一种煤矿井下高温水力压裂增透法。
背景技术
瓦斯抽采是我国煤矿瓦斯治理的主要技术手段，由于我国高瓦斯、低透气性煤层占60％，煤层开采前抽采瓦斯难度大，很难取得理想的效果，使得瓦斯灾害成为制约煤矿安全的重要因素，因此，如何提高预抽率和缩短预抽期成为亟待解决的难题。
从20世纪60年代开始，我国先后实验研究了多种提高煤层透气性的方法。如保护层开采卸压，煤层注水，水力压裂，水力割缝，松动爆破等。水力压裂技术从石油行业引进，近年来已在煤炭行业得到了大量的应用。煤岩层水力压裂过程实际上是煤岩石在水压作用下微裂纹的萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹的产生并导致煤岩石失稳破裂的过程。
但水力压裂方法，采用常温水对煤层进行水力压裂，只是从力学方面考虑，提高煤层透气性，瓦斯释放速率虽有提高，但仍需将其继续完善。研究表明，随着煤层温度的升高，煤层瓦斯解吸速率加快，而温度降低则抑制瓦斯解吸。而水力压裂法未考虑煤层温度对瓦斯解吸速率的影响。
通过现有的发明注入高温水蒸气来提高煤层透气性，但由于常温水变为高温水蒸气需要吸收大量的热能，因而蒸汽发生器等装置就需要消耗大量的电能，经济成本较高。
通过现有的发明注入过热水提高煤层透气性，当水力压裂设备压裂泵压降低流量突然增大时，需停一段时间继续工作注热，而此设备还需重新等待加热时间。
因此，本发明提供了一种煤矿井下高温水力压裂增透方法及其系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿井下高温水力压裂增透方法及其系统，其不仅可以在原有的水力压裂下，使煤体破裂成孔，增加煤体透性，而且通过注入高温水，使孔洞周围煤体温度升高，透气性进一步增加，更加有利于瓦斯抽采工作。而且水力压裂泵压降低流量突然增大时，需停一段时间继续工作注热，本发明发明无需重新等待加热时间。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿井下高温水力压裂增透系统，包括包括依次按照顺序采用耐高温水管连接的高温水加热器、保温水箱、流量计、压裂泵、压力计和压裂管，所述高温水加热器采用控制柜进行控制连接，其特征在于，所述压裂管伸入煤层的压裂钻孔中；
还包括第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，其中，所述高温水加热器的进水口处安装设置有第一截止阀，所述保温水箱的进水口处安装有第二截止阀，所述保温水箱的出水口处安装有第三截止阀；
所述高温水加热器的进水口出还设置有温度流量传感装置，所述温度流量传感装置与所述控制柜控制连接，以便通过控制柜检测高温水加热器的进水流量以及进水温度；
所述控制柜构设为，能够根据所述进水流量以及进水温度来自动改变加热器加热功率。
进一步，作为优选，所述高温水加热器内部设置有多个加热棒，所述加热棒采用并联电路连接，且所述高温水加热器的固定所述加热棒的端部设置有防护罩，所述高温水加热器内部还设置有检测其温度的温度传感器，所述温度传感器与控制柜连接。
进一步，作为优选，所述高温水加热器的内部还设置有竖直布置的导流板，所述导流板为多个，且在水平方向上间隔布置。
进一步，作为优选，所述保温水箱的外部设置有聚氨酯泡沫保温层。
进一步，作为优选，所述压裂泵与保温水箱之间还设置有流量计。
进一步，作为优选，所述压裂泵与所述压裂管之间还设置有压力计，以便观察高温水力压裂值大小，所述压力计与所述压裂泵之间设置有卸压阀，以便调节高温水压力大小。
进一步，作为优选，所述压裂泵加压范围0～31.5MPa。
进一步，作为优选，压裂管采用耐高温高压橡胶软管，
进一步，作为优选，所述聚氨酯泡沫保温层包括保温聚氨酯板和镀锌板，其中，保温聚氨酯板采用铁丝从下往上竖着固定在保温水箱外壁上，所述保温聚氨酯板的外部还固定设置有镀锌板。
进一步，本发明还提供了一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)将该系统进行连接：将控制柜与高温水加热器之间使用电缆连接，高温水加热器、保温水箱、流量计、压裂泵、压力计之间分别用耐高温水管顺序连接，压力计与压裂管连接，并在进水口出安装截止阀，保温水箱进水口安装截止阀，保温水箱出水口安装截止阀，压力计与压力泵之间安装泄压阀；
(2)选定压裂位置，压裂孔开孔位置选在岩石或煤层完整的地段，起始压力初步设定为15MPa，每5min升压2MPa，泵压达到29MPa左右；
(3)打开截止阀，常温水从进水口流入高温水加热器，打开控制柜控制开关，温度流量传感装置将进水水温及流量传至控制柜，在控制柜上设定所需加热的温度，及每小时需加热水的体积，其中，加热温度为90℃～100℃，体积为15m3～25m3，控制柜自动调节加热功率，加热棒开始加热，水流经过导流板进行流动，并经加热棒加热至90℃～100℃后的高温水通过耐高温水管进入保温水箱，当水位升至保温水箱出水口时，高温水经高温水管通过流量计，由压裂泵加压至所需压力值，流经压力计，最终通过高压水管向煤层注入高温高压水，进行水力压裂，以便实现扩孔的同时使周围煤层透气性增加，提高瓦斯抽采率，通过压力计和泄压阀可以控制高温水力压裂的压力大小；
(4)当泵压降低流量突然增大时，需要停止注水，等待一段时间继续进行高温水力压裂，此时则需要关闭保温箱出水口截止阀，通过控制柜开关关闭加热器并关闭进水口截止阀与保温水箱进水口截止阀；
(5)需要重新注入热水时，打开所有截止阀，并打开控制柜控制开关继续加热水，利用保温水箱直接进行高温水力压裂，无需等待时间，当泵压达到29MPa左右时，若稳定1h左右后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时，即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂，此时即可停泵，关闭卸压阀，截止阀和控制柜，压裂程序结束；
压裂措施实施过程中，需连续记录注水压力和流量，根据现场实际情况，通过调节泄压阀，适时调整压力大小。
(6)反复重复上述步骤直至此压裂孔完成，并进行封孔；
(7)在下一个水力压裂位置继续进行高温水力压裂，重复以上步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明相比较现有的常温水力压裂设备而言，可以通过改变周围煤体的温度来改变煤层透气性，较高温水蒸气而言，由于不需要太高的热能，所以经济成本较低，较已有的过热水注热而言，在实际过程中注水泵压降低流量突然增大时，需要停止一段时间继续注热，本发明可以直接进行高温水力压裂无须等待时间。所以本发明经济成本较低，可以实现工艺的连续进行水力压裂，适用于瓦斯抽采领域。
(2)通过采用本发明，可以达到以下效果：高温水水力压裂不仅可以压裂煤体，而且使影响范围内煤层温度升高，极大提高了煤层透气性，有利于瓦斯抽采。而且可以快速连续加热水，实现高温水水力压裂工艺连续。当煤层水力压力达到泵压降低流量突然增大时，需要停止工作时，保温水箱可以保存高温水，再次工作时，可以直接开始注水，不需要等待热水加热时间。
附图说明
图1高温水水力压裂增透作业结构示意图
图2高温水加热器结构平面示意图
图3高温水加热器结构侧面图
图4温度流量传感装置结构示意图
图中1.控制柜，2.防护罩，3.测温点，4.接线孔，5.进水口，6.第一截止阀，7.高温水加热器，8.导流板，9.加热棒，10.第二截止阀，11.保温水箱，12.聚氨酯泡沫保温层，13.第三截止阀，14.流量计，15.压裂泵，16.泄压阀，17.压力计，18.压裂管，19.耐高温水管，20.电缆，21.温度流量传感装置，22.温度传感器，23.流量传感器。
具体实施方式
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种煤矿井下高温水力压裂增透系统，包括包括依次按照顺序采用耐高温水管连接的高温水加热器7、保温水箱11、流量计14、压裂泵15、压力计17和压裂管18，所述高温水加热器7采用控制柜1通过电缆20进行控制连接，其特征在于，所述压裂管18伸入煤层的压裂钻孔中；
还包括第一截止阀6、第二截止阀10和第三截止阀13，其中，所述高温水加热器7的进水口5处安装设置有第一截止阀6，所述保温水箱11的进水口处安装有第二截止阀10，所述保温水箱的出水口处安装有第三截止阀13；
所述高温水加热器的进水口出还设置有温度流量传感装置21，所述温度流量传感装置21与所述控制柜控制连接，以便通过控制柜检测高温水加热器的进水流量以及进水温度，具体的温度流量传感装置包括温度传感器和流量传感器；所述控制柜构设为，能够根据所述进水流量以及进水温度来自动改变加热器加热功率，控制柜内设真空电磁启动器并采用矿用一级防爆装置以及高温水加热器的控制开关；
本发明的高温水加热器进口增加温度流量传感装置，其实质是内部设置温度传感器与流量传感器，并于控制柜相连。其优点是当打开截止阀与控制柜时，通过控制柜可以测得进水口水流大小以及温度，然后控制柜设定高温水加热器所需加热的温度以及每小时加热的体积，可以自动改变加热器加热功率，从而改变加热速度，也避免了因加热器功率不够而加热速度慢或功率太大，浪费电能。
在本实施例中，所述高温水加热器内部设置有多个加热棒9，所述加热棒9采用并联电路连接，且所述高温水加热器的固定所述加热棒的端部设置有防护罩2，所述高温水加热器内部还设置有检测其温度的温度传感器3，所述温度传感器3与控制柜1连接。
对于本发明的高温水加热器，热量是由置于加热器内的电加热棒产生的，通过强迫对流的方式对介质进行加热，介质通过容器进口进入容器，通过加热时采用流体热力学原理，把高温水电加热器工作时产生的巨大热量，由此介质作为热载体通过泵强制传递出去，实现热量连续传递，达到工艺加热的要求。高温水电加热器是以水为传热介质，电加热升温，通过高温水泵强制循环供热，高温水电加热器核心加热部件采用管状集束式结构设计，设备热响应快，热效率高，高温水加热器内设导流板，加热装置使用304不锈钢材料，加热棒之间采用并联电路连接。
由于高温水加热器功率较高，本发明可以实现快速加热水温至高温水的工艺。本发明可以加热水箱内设有测温点(即设置温度传感器3)，将其与控制柜相连，可以实时监测水箱内水温，以此改变控制柜加热水箱功率大小，来调节加热速度。而且加热后的水进入保温箱，当停止压裂时，保温箱可长时间保存高温水，以便下次继续使用。高压水管与压力计、泄压阀连接，可以观察高温水力压裂值大小，并改变调节泄压阀，调节高温水压力大小。压裂泵加压范围0～31.5MPa
所述高温水加热器的内部还设置有竖直布置的导流板8，所述导流板8为多个，且在水平方向上间隔布置。
所述保温水箱的外部设置有聚氨酯泡沫保温层12，所述聚氨酯泡沫保温层包括保温聚氨酯板和镀锌板，其中，保温聚氨酯板采用铁丝从下往上竖着固定在保温水箱外壁上，所述保温聚氨酯板的外部还固定设置有镀锌板。
本发明的保温水箱，聚氨酯产品具有质量轻、强度高、绝热、阻燃、耐寒、防腐、不吸水、施工便捷、使用年限长等优点。聚氨酯保温层的适应温度为+120℃--196℃。聚氨酯泡沫的导热系数在保温材料中是最低的，因此能使物料的热损失减少到最低限度。
本发明的水箱保温工艺是将面层材料采用厚0.5m、宽1m的镀锌板，板状保温材料采用5mm厚的聚氨酯板；并在水箱铺设保温层前应先将表面清扫干净，且要求干燥、平整，不得有污迹、灰尘、油污等缺陷。
本发明的保温水箱的工艺流程：水箱表面清理→保温聚氨酯板固定→水箱壁镀锌板面层下料→水箱镀锌板面层固定、修整。具体如下为：
(a)水箱表面清理：将水箱表面的杂物、灰尘清理干净以保证后续工作的的进行。
(b)水箱保温聚氨酯板固定：把一层保温聚氨酯板(厚5cm，1m×0.6m)用铁丝从下往上竖着固定在水箱壁，保证保温聚氨酯板能够完全覆盖水箱壁，再用一层石棉横向覆盖水箱壁。
(c)水箱壁镀锌板面层下料：把保温聚氨酯板固定好以后，根据水箱周长和保温聚氨酯板的厚度确定外包镀锌板(宽度1m)的长度。水箱底部用8#槽钢加固，保证镀锌板离地面3-5cm。
(d)水箱壁镀锌板面层固定、修整：把镀锌板放在箱体上，用绳把镀锌板紧固；确保每块板的压边宽度约5cm。用Φ4.2的钻头在镀锌板压边处开孔，孔距20一40cm，用Φ4的铆钉固定。为确保镀锌板包装紧实，在凸起部分用手轻轻拍打、凹下部分添加保温聚氨酯板。
此外，在本实施例中，所述压裂泵与保温水箱之间还设置有流量计14。所述压裂泵与所述压裂管之间还设置有压力计17，以便观察高温水力压裂值大小，所述压力计与所述压裂泵之间设置有卸压阀16，以便调节高温水压力大小。压裂管采用耐高温高压橡胶软管，
本发明还提供了一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)将该系统进行连接：将控制柜与高温水加热器之间使用电缆连接，高温水加热器、保温水箱、流量计、压裂泵、压力计之间分别用耐高温水管顺序连接，压力计与压裂管连接，并在进水口出安装截止阀，保温水箱进水口安装截止阀，保温水箱出水口安装截止阀，压力计与压力泵之间安装泄压阀；
(2)选定压裂位置，压裂孔开孔位置选在岩石或煤层完整的地段，起始压力初步设定为15MPa，每5min升压2MPa，泵压达到29MPa左右；
(3)打开截止阀，常温水从进水口流入高温水加热器，打开控制柜控制开关，温度流量传感装置将进水水温及流量传至控制柜，在控制柜上设定所需加热的温度，及每小时需加热水的体积，其中，加热温度为90℃～100℃，体积为15m3～25m3，控制柜自动调节加热功率，加热棒开始加热，水流经过导流板进行流动，并经加热棒加热至90℃～100℃后的高温水通过耐高温水管进入保温水箱，当水位升至保温水箱出水口时，高温水经高温水管通过流量计，由压裂泵加压至所需压力值，流经压力计，最终通过高压水管向煤层注入高温高压水，进行水力压裂，以便实现扩孔的同时使周围煤层透气性增加，提高瓦斯抽采率，通过压力计和泄压阀可以控制高温水力压裂的压力大小；
(4)当泵压降低流量突然增大时，需要停止注水，等待一段时间继续进行高温水力压裂，此时则需要关闭保温箱出水口截止阀，通过控制柜开关关闭加热器并关闭进水口截止阀与保温水箱进水口截止阀；
(5)需要重新注入热水时，打开所有截止阀，并打开控制柜控制开关继续加热水，利用保温水箱直接进行高温水力压裂，无需等待时间，当泵压达到29MPa左右时，若稳定1h左右后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时，即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂，此时即可停泵，关闭卸压阀，截止阀和控制柜，压裂程序结束；
压裂措施实施过程中，需连续记录注水压力和流量，根据现场实际情况，通过调节泄压阀，适时调整压力大小。
(6)反复重复上述步骤直至此压裂孔完成，并进行封孔；
(7)在下一个水力压裂位置继续进行高温水力压裂，重复以上步骤。
本发明相比较现有的常温水力压裂设备而言，可以通过改变周围煤体的温度来改变煤层透气性，较高温水蒸气而言，由于不需要太高的热能，所以经济成本较低，较已有的过热水注热而言，在实际过程中注水泵压降低流量突然增大时，需要停止一段时间继续注热，本发明可以直接进行高温水力压裂无须等待时间。所以本发明经济成本较低，可以实现工艺的连续进行水力压裂，适用于瓦斯抽采领域。通过采用本发明，可以达到以下效果：高温水水力压裂不仅可以压裂煤体，而且使影响范围内煤层温度升高，极大提高了煤层透气性，有利于瓦斯抽采。而且可以快速连续加热水，实现高温水水力压裂工艺连续。当煤层水力压力达到泵压降低流量突然增大时，需要停止工作时，保温水箱可以保存高温水，再次工作时，可以直接开始注水，不需要等待热水加热时间。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，采用一种煤矿井下高温水力压裂增透系统，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)将该系统进行连接：将控制柜与高温水加热器之间使用电缆连接，高温水加热器、保温水箱、流量计、压裂泵、压力计之间分别用耐高温水管顺序连接，压力计与压裂管连接，并在进水口出安装截止阀，保温水箱进水口安装截止阀，保温水箱出水口安装截止阀，压力计与压力泵之间安装泄压阀；
(2)选定压裂位置，压裂孔开孔位置选在岩石或煤层完整的地段，起始压力初步设定为15MPa，每5min升压2MPa，泵压达到29MPa；
(3)打开截止阀，常温水从进水口流入高温水加热器，打开控制柜控制开关，温度流量传感装置将进水水温及流量传至控制柜，在控制柜上设定所需加热的温度，及每小时需加热水的体积，其中，加热温度为90℃～100℃，体积为15m3～25m3，控制柜自动调节加热功率，加热棒开始加热，水流经过导流板进行流动，并经加热棒加热至90℃～100℃后的高温水通过耐高温水管进入保温水箱，当水位升至保温水箱出水口时，高温水经高温水管通过流量计，由压裂泵加压至所需压力值，流经压力计，最终通过高压水管向煤层注入高温高压水，进行水力压裂，以便实现扩孔的同时使周围煤层透气性增加，提高瓦斯抽采率，通过压力计和泄压阀控制高温水力压裂的压力大小；
(4)当泵压降低流量突然增大时，需要停止注水，等待一段时间继续进行高温水力压裂，此时则需要关闭保温箱出水口截止阀，通过控制柜开关关闭加热器并关闭进水口截止阀与保温水箱进水口截止阀；
(5)需要重新注入热水时，打开所有截止阀，并打开控制柜控制开关继续加热水，利用保温水箱直接进行高温水力压裂，无需等待时间，当泵压达到29MPa时，若稳定1h后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时，即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂，此时即停泵，关闭卸压阀，截止阀和控制柜，压裂程序结束；
压裂措施实施过程中，需连续记录注水压力和流量，根据现场实际情况，通过调节泄压阀，适时调整压力大小；
(6)反复重复上述步骤直至此压裂孔完成，并进行封孔；
(7)在下一个水力压裂位置继续进行高温水力压裂，重复以上步骤；
所述煤矿井下高温水力压裂增透系统包括依次按照顺序采用耐高温水管连接的高温水加热器、保温水箱、流量计、压裂泵、压力计和压裂管，所述高温水加热器采用控制柜进行控制连接，其特征在于，所述压裂管伸入煤层的压裂钻孔中；
还包括第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，其中，所述高温水加热器的进水口处安装设置有第一截止阀，所述保温水箱的进水口处安装有第二截止阀，所述保温水箱的出水口处安装有第三截止阀；
所述高温水加热器的进水口处还设置有温度流量传感装置，所述温度流量传感装置与所述控制柜控制连接，以便通过控制柜检测高温水加热器的进水流量以及进水温度；
所述控制柜构设为，能够根据所述进水流量以及进水温度来自动改变加热器加热功率。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述高温水加热器内部设置有多个加热棒，所述加热棒采用并联电路连接，且所述高温水加热器的固定所述加热棒的端部设置有防护罩，所述高温水加热器内部还设置有检测其温度的温度传感器，所述温度传感器与控制柜连接。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述高温水加热器的内部还设置有竖直布置的导流板，所述导流板为多个，且在水平方向上间隔布置。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述保温水箱的外部设置有聚氨酯泡沫保温层。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述压裂泵与保温水箱之间还设置有流量计。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述压裂泵与所述压裂管之间还设置有压力计，以便观察高温水力压裂值大小，所述压力计与所述压裂泵之间设置有卸压阀，以便调节高温水压力大小。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述压裂泵加压范围0～31.5MPa。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，压裂管采用耐高温高压橡胶软管。
9.根据权利要求4所述的一种煤矿井下高温水力压裂增透方法，其特征在于，所述聚氨酯泡沫保温层包括保温聚氨酯板和镀锌板，其中，保温聚氨酯板采用铁丝从下往上竖着固定在保温水箱外壁上，所述保温聚氨酯板的外部还固定设置有镀锌板。
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