CN110578505A - 一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统及方法。在煤体钻进过程中利用亲水性纳米流体将钻头前部的煤岩体与破碎的岩块润湿，增大煤岩体流动性，保证钻进过程中排渣顺畅。之后向煤层中注入疏水性纳米流体，使其附着在煤体表面，防止高压水滤失，更好地扩张裂缝深度，从而达到相同的注水压力下高效致裂煤体，大范围促进煤层瓦斯的快速解吸，实现了纳米流体和水力压裂的良好协同作用。本发明实现了钻进高效作业、煤层高效增透与瓦斯高效抽采一体化的效果，科学高效地抽采煤层瓦斯，达到有效防治高瓦斯、低渗透性煤层瓦斯灾害的目的。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯抽采技术领域，具体是一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统及方法。
背景技术
研究表明，我国的能源需求增长量仍要以煤炭增产为主，而随着煤炭开采深度的急剧增长，对于钻进过程中的排渣要求会更高，排渣不利会导致喷孔、卡钻、埋钻等问题，无法保证施工安全，严重影响施工效率。
同时由于深部煤层的渗透率较低，瓦斯难以抽采，煤与瓦斯突出问题也日益严重。因此，常常采用水力压裂、水力冲孔等增透措施来保证瓦斯的高效开采。然而在进行水力压裂时，往往会存在高压水易滤失、多次压裂的起裂压力降低不明显等问题，导致水力压裂效果较差，无法保证瓦斯的高效抽采。所以在煤炭开采的过程中，既要解决钻进过程中所出现的喷孔、卡钻等问题，又要采取有效的抽采技术来抽采煤层中赋存的瓦斯，以降低煤层的突出危险，保证煤炭安全高效开采。
因此，亟需发明一种较高效率的瓦斯抽采系统及其方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统及方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，包括钻进排渣装置和水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置。
所述钻进排渣装置包括钻头、钻杆、钻机、加压泵Ⅰ、纳米流体储藏罐Ⅰ、气渣分离器Ⅰ和瓦斯抽采管道Ⅰ。
所述钻杆的一端设置有钻头，另一端设置有钻机。所述钻头呈圆锥状，所述钻头的尖端设置有高压喷头，所述钻头的表面间隔布置有若干高压喷头和若干锯齿，若干所述锯齿均沿钻头的母线均匀布置。所述钻杆的内部设置有贯穿其两端的纳米流体通道，所述纳米流体通道的一端与每个高压喷头贯通连接，另一端连接有管路Ⅰ。所述管路Ⅰ与加压泵Ⅰ连接，所述加压泵Ⅰ通过管路Ⅱ与纳米流体储藏罐Ⅰ连接。
所述气渣分离器Ⅰ的上端呈敞口状，所述气渣分离器Ⅰ通过管路Ⅲ与瓦斯抽采管道Ⅰ连接。
所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置包括加压泵Ⅱ、纳米流体储藏罐Ⅱ、气渣分离器Ⅱ、瓦斯抽采管道Ⅱ、水槽、压裂管和水泥砂浆搅拌槽。
所述水泥砂浆搅拌槽连接有注浆管和出浆管。
所述压裂管的一端设置有一对对称的自激式脉冲振荡喷头，另一端与加压泵Ⅱ连接。所述压裂管上连接有气渣分离器Ⅱ，所述气渣分离器Ⅱ通过管路Ⅳ与瓦斯抽采管道Ⅱ连接。
所述加压泵Ⅱ与三通管的一个管口连接，所述三通管的另外两个管口分别连接有管路Ⅴ和管路Ⅵ，所述管路Ⅴ和管路Ⅵ分别连接有纳米流体储藏罐Ⅱ和水槽。
使用时，首先使用所述钻进排渣装置的钻头在煤层上钻出瓦斯抽采孔，所述钻头和钻杆随着开钻进度伸入瓦斯抽采孔内，所述气渣分离器Ⅰ的上端敞口与瓦斯抽采孔密封连接。当所述钻头穿透煤层且伸入煤层顶板0.5～1.0m时，退出所述钻进排渣装置。
使用封堵板将所述瓦斯抽采孔的孔口封严，所述封堵板上设置有通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，所述注浆管和出浆管分别穿过通孔Ⅰ和通孔Ⅱ后伸入瓦斯抽采孔的内部。所述压裂管设置有自激式脉冲振荡喷头的一端穿过通孔Ⅲ后伸入瓦斯抽采孔的内部。
进一步，所述管路Ⅱ上设置有阀门Ⅰ，所述管路Ⅲ上设置有阀门Ⅱ。
进一步，所述注浆管的外露端连接有注浆泵，所述注浆泵通过管路Ⅶ与水泥砂浆搅拌槽连接。所述注浆管上设置有阀门Ⅲ。
进一步，所述管路Ⅳ靠近气渣分离器Ⅱ的管段上设置有瓦斯浓度检测器，所述管路Ⅳ靠近瓦斯抽采管道Ⅱ的管段上设置有阀门Ⅳ。
进一步，所述管路Ⅴ上设置有阀门Ⅴ，所述管路Ⅵ上设置有阀门Ⅵ。所述加压泵Ⅱ和气渣分离器Ⅱ之间的压裂管上设置有阀门Ⅶ。
一种基于纳米流体的钻进排渣系统和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统的使用方法，基于上述的一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，包括以下步骤：
1)在所述煤层的表面布置瓦斯抽采孔的孔位，所述气渣分离器Ⅰ的上端敞口密闭罩设在瓦斯抽采孔的孔位周围。将亲水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅰ，打开所述阀门Ⅰ，启动所述钻机带动钻杆与钻头转动。启动所述加压泵Ⅰ，使所述钻头中的若干高压喷头喷出高压亲水性纳米流体，冲击破碎煤岩体。在所述钻头前方形成中间带孔的圆台，利用若干所述锯齿破碎圆台，向前钻进。钻进过程中，亲水性纳米流体润湿煤岩屑，并与煤岩屑、瓦斯一同沿所述钻杆和瓦斯抽采孔孔壁之间的间隙流入气渣分离器Ⅰ中，打开所述阀门Ⅱ，将分离出的瓦斯气体通入所述瓦斯抽采管道Ⅰ中。
2)当所述钻头穿过煤层顶板0.5～1.0m处时，退出所述钻头，即停止使用所述钻进排渣装置。
启用所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置，用所述封堵板对瓦斯抽采孔进行封堵，所述注浆管、出浆管和压裂管分别穿过通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ均伸入瓦斯抽采孔的内部。
3)将疏水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅱ，关闭所述阀门Ⅳ和阀门Ⅶ，打开所述阀门Ⅲ。启动所述注浆泵，使所述水泥砂浆搅拌槽中的水泥砂浆通过注浆管注入瓦斯抽采孔中，直至所述出浆管有水泥砂浆流入到水泥砂浆搅拌槽中，停止注浆，关闭所述注浆泵和阀门Ⅲ，静置一段时间使水泥凝固，完成封孔作业。
4)打开所述阀门Ⅵ和阀门Ⅶ，关闭所述阀门Ⅴ，启动所述加压泵Ⅱ，使所述水槽中的水经过三通管和压裂管，水流在所述自激式脉冲振荡喷头处形成脉冲振荡高压水，压裂所述煤层。
5)压裂2～3h后，关闭所述加压泵Ⅱ、阀门Ⅵ和阀门Ⅶ，使瓦斯气体与废水经过所述自激式脉冲振荡喷头和压裂管收集在气渣分离器Ⅱ中。同时打开所述阀门Ⅳ抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器通入到瓦斯抽采管道Ⅱ中，直到所述瓦斯浓度检测器显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ，停止抽采瓦斯。
6)打开所述加压泵Ⅱ、阀门Ⅴ和阀门Ⅶ，使所述纳米流体储藏罐Ⅱ中的疏水性纳米流体经过三通管和压裂管，疏水性纳米流体在所述自激式脉冲振荡喷头处注入到煤层中，疏水性纳米流体附着在煤体表面。
7)注入1～2h后，关闭所述加压泵Ⅱ、阀门Ⅴ和阀门Ⅶ，使瓦斯气体与废液经过所述自激式脉冲振荡喷头和压裂管收集在气渣分离器Ⅱ中。同时打开所述阀门Ⅳ抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器通入到瓦斯抽采管道Ⅱ中，直到所述瓦斯浓度检测器显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ，停止抽采瓦斯。
8)依次重复步骤4)至步骤7)若干次，直至所述瓦斯浓度检测器在压裂前后始终显示瓦斯浓度低于30％，停止压裂。
9)关闭所述加压泵Ⅱ、阀门Ⅴ、阀门Ⅵ和阀门Ⅶ，打开所述阀门Ⅳ抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述压裂管、气渣分离器Ⅱ和瓦斯浓度检测器通入到瓦斯抽采管道Ⅱ中。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，在煤体钻进过程中利用亲水性纳米流体将钻头前部的煤岩体与破碎的岩块润湿，增大煤岩体流动性，保证钻进过程中排渣顺畅；之后向煤层中注入疏水性纳米流体，使其附着在煤体表面，防止高压水滤失，更好地扩张裂缝深度，从而达到相同的注水压力下高效致裂煤体，大范围促进煤层瓦斯的快速解吸，实现了纳米流体和水力振荡压裂的良好协同作用。本发明利用纳米流体在岩石表面超强吸附性和可改变的湿润性特质，解决了钻进过程中产生的喷孔、卡钻、埋钻与水力压裂中高压水易滤失、多次压裂的起裂压力降低不明显等问题。该系统既能实现高效通畅的钻进作业，也能实现煤层大范围增透，显著提高施工效率和瓦斯抽采效果。
附图说明
图1为钻进排渣装置示意图；
图2为A-A断面图；
图3为水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置示意图；
图4为自激式脉冲振荡喷头剖视图。
图中：煤层1、瓦斯抽采孔101、煤层顶板2、钻头3、高压喷头301、锯齿302、钻杆4、纳米流体通道401、钻机5、加压泵Ⅰ6、纳米流体储藏罐Ⅰ7、气渣分离器Ⅰ8、瓦斯抽采管道Ⅰ9、阀门Ⅰ10、阀门Ⅱ11、加压泵Ⅱ12、纳米流体储藏罐Ⅱ13、气渣分离器Ⅱ14、瓦斯抽采管道Ⅱ15、水槽16、压裂管17、自激式脉冲振荡喷头1701、喷头进水管17011、喷头进水口17012、振荡腔体17013、振荡腔外壁17014、喷头出水口17015、水泥砂浆搅拌槽18、封堵板19、注浆管20、出浆管21、注浆泵22、阀门Ⅲ23、瓦斯浓度检测器24、阀门Ⅳ25、阀门Ⅴ26、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，包括钻进排渣装置和水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置。
所述钻进排渣装置包括钻头3、钻杆4、钻机5、加压泵Ⅰ6、纳米流体储藏罐Ⅰ7、气渣分离器Ⅰ8和瓦斯抽采管道Ⅰ9。
参见图1，所述钻杆4的一端设置有钻头3，另一端设置有钻机5。参见图2，所述钻头3呈圆锥状，所述钻头3的尖端设置有高压喷头301，所述钻头3的表面间隔布置有若干高压喷头301和若干锯齿302，若干所述锯齿302均沿钻头3的母线均匀布置。所述钻杆4的内部设置有贯穿其两端的纳米流体通道401，所述纳米流体通道401的一端与每个高压喷头301贯通连接，另一端连接有管路Ⅰ。所述管路Ⅰ与加压泵Ⅰ6连接，所述加压泵Ⅰ6通过管路Ⅱ与纳米流体储藏罐Ⅰ7连接。
所述气渣分离器Ⅰ8的上端呈敞口状，所述气渣分离器Ⅰ8通过管路Ⅲ与瓦斯抽采管道Ⅰ9连接。所述管路Ⅱ上设置有阀门Ⅰ10，所述管路Ⅲ上设置有阀门Ⅱ11。
参见图1，工作时，在煤层1的表面布置瓦斯抽采孔101的孔位，所述气渣分离器Ⅰ8的上端敞口密闭罩设在瓦斯抽采孔101的孔位周围。将亲水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅰ7中，打开所述阀门Ⅰ10，启动所述钻机5带动钻杆4与钻头3转动。启动所述加压泵Ⅰ6，使所述钻头3中的若干高压喷头301喷出高压亲水性纳米流体，冲击破碎煤岩体。在所述钻头3前方形成中间带孔的圆台，利用若干所述锯齿302破碎圆台，向前钻进。钻进过程中，亲水性纳米流体润湿煤岩屑，并与煤岩屑、瓦斯一同沿所述钻杆4和瓦斯抽采孔101孔壁之间的间隙流入气渣分离器Ⅰ8中，打开所述阀门Ⅱ11，将分离出的瓦斯气体通入所述瓦斯抽采管道Ⅰ9中。
参见图3，当所述钻头3穿过煤层顶板2一米处时，退出所述钻头3，即停止使用所述钻进排渣装置，改用所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置对瓦斯抽采孔101进行压裂。
所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置包括加压泵Ⅱ12、纳米流体储藏罐Ⅱ13、气渣分离器Ⅱ14、瓦斯抽采管道Ⅱ15、水槽16、压裂管17和水泥砂浆搅拌槽18。
参见图3，所述水泥砂浆搅拌槽18连接有注浆管20和出浆管21。所述注浆管20的外露端连接有注浆泵22，所述注浆泵22通过管路Ⅶ与水泥砂浆搅拌槽18连接，所述注浆管20上设置有阀门Ⅲ23。
所述压裂管17的一端设置有一对对称的自激式脉冲振荡喷头1701，另一端与加压泵Ⅱ12连接。参见图4，所述自激式脉冲振荡喷头1701包括喷头进水管17011、喷头进水口17012、振荡腔体17013、振荡腔外壁17014和喷头出水口17015。
所述压裂管17上连接有气渣分离器Ⅱ14，所述气渣分离器Ⅱ14通过管路Ⅳ与瓦斯抽采管道Ⅱ15连接。所述管路Ⅳ靠近气渣分离器Ⅱ14的管段上设置有瓦斯浓度检测器24，所述管路Ⅳ靠近瓦斯抽采管道Ⅱ15的管段上设置有阀门Ⅳ25。
参见图3，所述加压泵Ⅱ12与三通管的一个管口连接，所述三通管的另外两个管口分别连接有管路Ⅴ和管路Ⅵ，所述管路Ⅴ和管路Ⅵ分别连接有纳米流体储藏罐Ⅱ13和水槽16。所述管路Ⅴ上设置有阀门Ⅴ26，所述管路Ⅵ上设置有阀门Ⅵ27。所述加压泵Ⅱ12和气渣分离器Ⅱ14之间的压裂管17上设置有阀门Ⅶ28。
参见图3，使用封堵板19将所述瓦斯抽采孔101的孔口封严，所述封堵板19上设置有通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，所述注浆管20和出浆管21分别穿过通孔Ⅰ和通孔Ⅱ后伸入瓦斯抽采孔101的内部。所述压裂管17设置有自激式脉冲振荡喷头1701的一端穿过通孔Ⅲ后伸入瓦斯抽采孔101的内部。
所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置的工作步骤如下：
1.将疏水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅱ13，关闭所述阀门Ⅳ25和阀门Ⅶ28，打开所述阀门Ⅲ23。启动所述注浆泵22，使所述水泥砂浆搅拌槽18中的水泥砂浆通过注浆管20注入瓦斯抽采孔101中，直至所述出浆管21有水泥砂浆流入到水泥砂浆搅拌槽18中，停止注浆，关闭所述注浆泵22和阀门Ⅲ23，静置一段时间使水泥凝固，完成封孔作业。
2.打开所述阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，关闭所述阀门Ⅴ26，启动所述加压泵Ⅱ12，使所述水槽16中的水经过三通管和压裂管17，水流在所述自激式脉冲振荡喷头1701处形成脉冲振荡高压水，压裂所述煤层1。
3.压裂2h后，关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，使瓦斯气体与废水经过所述自激式脉冲振荡喷头1701和压裂管17收集在气渣分离器Ⅱ14中。同时打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中，直到所述瓦斯浓度检测器24显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ25，停止抽采瓦斯。
4.打开所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26和阀门Ⅶ28，使所述纳米流体储藏罐Ⅱ13中的疏水性纳米流体经过三通管和压裂管17，疏水性纳米流体在所述自激式脉冲振荡喷头1701处注入到煤层1中，疏水性纳米流体附着在煤体表面。
5.注入1h后，关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26和阀门Ⅶ28，使瓦斯气体与废液经过所述自激式脉冲振荡喷头1701和压裂管17收集在气渣分离器Ⅱ14中。同时打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中，直到所述瓦斯浓度检测器24显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ25，停止抽采瓦斯。
6.依次重复步骤2至步骤5若干次，直至所述瓦斯浓度检测器24在压裂前后始终显示瓦斯浓度低于30％，停止压裂。
7.关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述压裂管17、气渣分离器Ⅱ14和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中。
实施例2：
本实施例公开了基于实施例1所述的一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统的使用方法，包括以下步骤：
1.在所述煤层1的表面布置瓦斯抽采孔101的孔位，所述气渣分离器Ⅰ8的上端敞口密闭罩设在瓦斯抽采孔101的孔位周围。将亲水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅰ7，打开所述阀门Ⅰ10，启动所述钻机5带动钻杆4与钻头3转动。启动所述加压泵Ⅰ6，使所述钻头3中的若干高压喷头301喷出高压亲水性纳米流体，冲击破碎煤岩体。在所述钻头3前方形成中间带孔的圆台，利用若干所述锯齿302破碎圆台，向前钻进。钻进过程中，亲水性纳米流体润湿煤岩屑，并与煤岩屑、瓦斯一同沿所述钻杆4和瓦斯抽采孔101孔壁之间的间隙流入气渣分离器Ⅰ8中，打开所述阀门Ⅱ11，将分离出的瓦斯气体通入所述瓦斯抽采管道Ⅰ9中。
2.当所述钻头3穿过煤层顶板2半米处时，退出所述钻头3，即停止使用所述钻进排渣装置，启用所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置。用所述封堵板19对瓦斯抽采孔101进行封堵，所述注浆管20、出浆管21和压裂管17分别穿过通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ均伸入瓦斯抽采孔101的内部。
3.将疏水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅱ13，关闭所述阀门Ⅳ25和阀门Ⅶ28，打开所述阀门Ⅲ23。启动所述注浆泵22，使所述水泥砂浆搅拌槽18中的水泥砂浆通过注浆管20注入瓦斯抽采孔101中，直至所述出浆管21有水泥砂浆流入到水泥砂浆搅拌槽18中，停止注浆，关闭所述注浆泵22和阀门Ⅲ23，静置一段时间使水泥凝固，完成封孔作业。
4.打开所述阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，关闭所述阀门Ⅴ26，启动所述加压泵Ⅱ12，使所述水槽16中的水经过三通管和压裂管17，水流在所述自激式脉冲振荡喷头1701处形成脉冲振荡高压水，压裂所述煤层1。
5.压裂3h后，关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，使瓦斯气体与废水经过所述自激式脉冲振荡喷头1701和压裂管17收集在气渣分离器Ⅱ14中。同时打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中，直到所述瓦斯浓度检测器24显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ25，停止抽采瓦斯。
6.打开所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26和阀门Ⅶ28，使所述纳米流体储藏罐Ⅱ13中的疏水性纳米流体经过三通管和压裂管17，疏水性纳米流体在所述自激式脉冲振荡喷头1701处注入到煤层1中，疏水性纳米流体附着在煤体表面。
7.注入2h后，关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26和阀门Ⅶ28，使瓦斯气体与废液经过所述自激式脉冲振荡喷头1701和压裂管17收集在气渣分离器Ⅱ14中。同时打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中，直到所述瓦斯浓度检测器24显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ25，停止抽采瓦斯。
8.依次重复步骤4至步骤7若干次，直至所述瓦斯浓度检测器24在压裂前后始终显示瓦斯浓度低于30％，停止压裂。
9.关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述压裂管17、气渣分离器Ⅱ14和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中。
实施例3：
本实施例公开了一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，包括钻进排渣装置和水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置。
所述钻进排渣装置包括钻头3、钻杆4、钻机5、加压泵Ⅰ6、纳米流体储藏罐Ⅰ7、气渣分离器Ⅰ8和瓦斯抽采管道Ⅰ9。
参见图1，所述钻杆4的一端设置有钻头3，另一端设置有钻机5。参见图2，所述钻头3呈圆锥状，所述钻头3的尖端设置有高压喷头301，所述钻头3的表面间隔布置有若干高压喷头301和若干锯齿302，若干所述锯齿302均沿钻头3的母线均匀布置。所述钻杆4的内部设置有贯穿其两端的纳米流体通道401，所述纳米流体通道401的一端与每个高压喷头301贯通连接，另一端连接有管路Ⅰ。所述管路Ⅰ与加压泵Ⅰ6连接，所述加压泵Ⅰ6通过管路Ⅱ与纳米流体储藏罐Ⅰ7连接。
所述气渣分离器Ⅰ8的上端呈敞口状，所述气渣分离器Ⅰ8通过管路Ⅲ与瓦斯抽采管道Ⅰ9连接。
参见图1，工作时，在煤层1的表面布置瓦斯抽采孔101的孔位，所述气渣分离器Ⅰ8的上端敞口密闭罩设在瓦斯抽采孔101的孔位周围。将亲水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅰ7中，启动所述钻机5带动钻杆4与钻头3转动。启动所述加压泵Ⅰ6，使所述钻头3中的若干高压喷头301喷出高压亲水性纳米流体，冲击破碎煤岩体。在所述钻头3前方形成中间带孔的圆台，利用若干所述锯齿302破碎圆台，向前钻进。钻进过程中，亲水性纳米流体润湿煤岩屑，并与煤岩屑、瓦斯一同沿所述钻杆4和瓦斯抽采孔101孔壁之间的间隙流入气渣分离器Ⅰ8中，将分离出的瓦斯气体通入所述瓦斯抽采管道Ⅰ9中。
参见图3，当所述钻头3穿过煤层顶板2一米处时，退出所述钻头3，即停止使用所述钻进排渣装置，改用所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置对瓦斯抽采孔101进行压裂。
所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置包括加压泵Ⅱ12、纳米流体储藏罐Ⅱ13、气渣分离器Ⅱ14、瓦斯抽采管道Ⅱ15、水槽16、压裂管17和水泥砂浆搅拌槽18。
参见图3，所述水泥砂浆搅拌槽18连接有注浆管20和出浆管21。
所述压裂管17的一端设置有一对对称的自激式脉冲振荡喷头1701，另一端与加压泵Ⅱ12连接。参见图4，所述自激式脉冲振荡喷头1701包括喷头进水管17011、喷头进水口17012、振荡腔体17013、振荡腔外壁17014和喷头出水口17015。
所述压裂管17上连接有气渣分离器Ⅱ14，所述气渣分离器Ⅱ14通过管路Ⅳ与瓦斯抽采管道Ⅱ15连接。所述管路Ⅳ靠近气渣分离器Ⅱ14的管段上设置有瓦斯浓度检测器24，所述管路Ⅳ靠近瓦斯抽采管道Ⅱ15的管段上设置有阀门Ⅳ25。
参见图3，所述加压泵Ⅱ12与三通管的一个管口连接，所述三通管的另外两个管口分别连接有管路Ⅴ和管路Ⅵ，所述管路Ⅴ和管路Ⅵ分别连接有纳米流体储藏罐Ⅱ13和水槽16。所述管路Ⅴ上设置有阀门Ⅴ26，所述管路Ⅵ上设置有阀门Ⅵ27。所述加压泵Ⅱ12和气渣分离器Ⅱ14之间的压裂管17上设置有阀门Ⅶ28。
参见图3，使用封堵板19将所述瓦斯抽采孔101的孔口封严，所述封堵板19上设置有通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，所述注浆管20和出浆管21分别穿过通孔Ⅰ和通孔Ⅱ后伸入瓦斯抽采孔101的内部。所述压裂管17设置有自激式脉冲振荡喷头1701的一端穿过通孔Ⅲ后伸入瓦斯抽采孔101的内部。
所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置的工作步骤如下：
1.将疏水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅱ13，关闭所述阀门Ⅳ25和阀门Ⅶ28，打开所述阀门Ⅲ23。启动所述注浆泵22，使所述水泥砂浆搅拌槽18中的水泥砂浆通过注浆管20注入瓦斯抽采孔101中，直至所述出浆管21有水泥砂浆流入到水泥砂浆搅拌槽18中，停止注浆，静置一段时间使水泥凝固，完成封孔作业。
2.打开所述阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，关闭所述阀门Ⅴ26，启动所述加压泵Ⅱ12，使所述水槽16中的水经过三通管和压裂管17，水流在所述自激式脉冲振荡喷头1701处形成脉冲振荡高压水，压裂所述煤层1。
3.压裂2h后，关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，使瓦斯气体与废水经过所述自激式脉冲振荡喷头1701和压裂管17收集在气渣分离器Ⅱ14中。同时打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中，直到所述瓦斯浓度检测器24显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ25，停止抽采瓦斯。
4.打开所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26和阀门Ⅶ28，使所述纳米流体储藏罐Ⅱ13中的疏水性纳米流体经过三通管和压裂管17，疏水性纳米流体在所述自激式脉冲振荡喷头1701处注入到煤层1中，疏水性纳米流体附着在煤体表面。
5.注入1h后，关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26和阀门Ⅶ28，使瓦斯气体与废液经过所述自激式脉冲振荡喷头1701和压裂管17收集在气渣分离器Ⅱ14中。同时打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中，直到所述瓦斯浓度检测器24显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ25，停止抽采瓦斯。
6.依次重复步骤2至步骤5若干次，直至所述瓦斯浓度检测器24在压裂前后始终显示瓦斯浓度低于30％，停止压裂。
7.关闭所述加压泵Ⅱ12、阀门Ⅴ26、阀门Ⅵ27和阀门Ⅶ28，打开所述阀门Ⅳ25抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述压裂管17、气渣分离器Ⅱ14和瓦斯浓度检测器24通入到瓦斯抽采管道Ⅱ15中。
实施例4：
本实施例主要结构基于实施例3，进一步，参见图3，所述管路Ⅱ上设置有阀门Ⅰ10，所述管路Ⅲ上设置有阀门Ⅱ11。
实施例5：
本实施例主要结构基于实施例4，进一步，参见图3，所述注浆管20的外露端连接有注浆泵22，所述注浆泵22通过管路Ⅶ与水泥砂浆搅拌槽18连接。所述注浆管20上设置有阀门Ⅲ23。
Claims (6)
1.一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，其特征在于：包括钻进排渣装置和水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置；
所述钻进排渣装置包括钻头(3)、钻杆(4)、钻机(5)、加压泵Ⅰ(6)、纳米流体储藏罐Ⅰ(7)、气渣分离器Ⅰ(8)和瓦斯抽采管道Ⅰ(9)；
所述钻杆(4)的一端设置有钻头(3)，另一端设置有钻机(5)；所述钻头(3)呈圆锥状，所述钻头(3)的尖端设置有高压喷头(301)，所述钻头(3)的表面间隔布置有若干高压喷头(301)和若干锯齿(302)，若干所述锯齿(302)均沿钻头(3)的母线均匀布置；所述钻杆(4)的内部设置有贯穿其两端的纳米流体通道(401)，所述纳米流体通道(401)的一端与每个高压喷头(301)贯通连接，另一端连接有管路Ⅰ；所述管路Ⅰ与加压泵Ⅰ(6)连接，所述加压泵Ⅰ(6)通过管路Ⅱ与纳米流体储藏罐Ⅰ(7)连接；
所述气渣分离器Ⅰ(8)的上端呈敞口状，所述气渣分离器Ⅰ(8)通过管路Ⅲ与瓦斯抽采管道Ⅰ(9)连接；
所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置包括加压泵Ⅱ(12)、纳米流体储藏罐Ⅱ(13)、气渣分离器Ⅱ(14)、瓦斯抽采管道Ⅱ(15)、水槽(16)、压裂管(17)和水泥砂浆搅拌槽(18)；
所述水泥砂浆搅拌槽(18)连接有注浆管(20)和出浆管(21)；
所述压裂管(17)的一端设置有一对对称的自激式脉冲振荡喷头(1701)，另一端与加压泵Ⅱ(12)连接；所述压裂管(17)上连接有气渣分离器Ⅱ(14)，所述气渣分离器Ⅱ(14)通过管路Ⅳ与瓦斯抽采管道Ⅱ(15)连接；
所述加压泵Ⅱ(12)与三通管的一个管口连接，所述三通管的另外两个管口分别连接有管路Ⅴ和管路Ⅵ，所述管路Ⅴ和管路Ⅵ分别连接有纳米流体储藏罐Ⅱ(13)和水槽(16)；
使用时，首先使用所述钻进排渣装置的钻头(3)在煤层(1)上钻出瓦斯抽采孔(101)，所述钻头(3)和钻杆(4)随着开钻进度伸入瓦斯抽采孔(101)内，所述气渣分离器Ⅰ(8)的上端敞口与瓦斯抽采孔(101)密封连接；当所述钻头(3)穿透煤层(1)且伸入煤层顶板(2)0.5～1.0m时，退出所述钻进排渣装置；
使用封堵板(19)将所述瓦斯抽采孔(101)的孔口封严，所述封堵板(19)上设置有通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，所述注浆管(20)和出浆管(21)分别穿过通孔Ⅰ和通孔Ⅱ后伸入瓦斯抽采孔(101)的内部；所述压裂管(17)设置有自激式脉冲振荡喷头(1701)的一端穿过通孔Ⅲ后伸入瓦斯抽采孔(101)的内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，其特征在于：所述管路Ⅱ上设置有阀门Ⅰ(10)，所述管路Ⅲ上设置有阀门Ⅱ(11)。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，其特征在于：所述注浆管(20)的外露端连接有注浆泵(22)，所述注浆泵(22)通过管路Ⅶ与水泥砂浆搅拌槽(18)连接；所述注浆管(20)上设置有阀门Ⅲ(23)。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，其特征在于：所述管路Ⅳ靠近气渣分离器Ⅱ(14)的管段上设置有瓦斯浓度检测器(24)，所述管路Ⅳ靠近瓦斯抽采管道Ⅱ(15)的管段上设置有阀门Ⅳ(25)。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体的钻进排渣和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统，其特征在于：所述管路Ⅴ上设置有阀门Ⅴ(26)，所述管路Ⅵ上设置有阀门Ⅵ(27)；所述加压泵Ⅱ(12)和气渣分离器Ⅱ(14)之间的压裂管(17)上设置有阀门Ⅶ(28)。
6.一种基于权利要求1所述的纳米流体的钻进排渣系统和水力振荡压裂强化瓦斯抽采系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在所述煤层(1)的表面布置瓦斯抽采孔(101)的孔位，所述气渣分离器Ⅰ(8)的上端敞口密闭罩设在瓦斯抽采孔(101)的孔位周围；将亲水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅰ(7)，打开所述阀门Ⅰ(10)，启动所述钻机(5)带动钻杆(4)与钻头(3)转动；启动所述加压泵Ⅰ(6)，使所述钻头(3)中的若干高压喷头(301)喷出高压亲水性纳米流体，冲击破碎煤岩体；在所述钻头(3)前方形成中间带孔的圆台，利用若干所述锯齿(302)破碎圆台，向前钻进；钻进过程中，亲水性纳米流体润湿煤岩屑，并与煤岩屑、瓦斯一同沿所述钻杆(4)和瓦斯抽采孔(101)孔壁之间的间隙流入气渣分离器Ⅰ(8)中，打开所述阀门Ⅱ(11)，将分离出的瓦斯气体通入所述瓦斯抽采管道Ⅰ(9)中；
2)当所述钻头(3)穿过煤层顶板(2)0.5～1.0m处时，退出所述钻头(3)，即停止使用所述钻进排渣装置；
启用所述水力振荡压裂强化瓦斯抽采装置，用所述封堵板(19)对瓦斯抽采孔(101)进行封堵，所述注浆管(20)、出浆管(21)和压裂管(17)分别穿过通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ均伸入瓦斯抽采孔(101)的内部；
3)将疏水性纳米流体放入所述纳米流体储藏罐Ⅱ(13)，关闭所述阀门Ⅳ(25)和阀门Ⅶ(28)，打开所述阀门Ⅲ(23)；启动所述注浆泵(22)，使所述水泥砂浆搅拌槽(18)中的水泥砂浆通过注浆管(20)注入瓦斯抽采孔(101)中，直至所述出浆管(21)有水泥砂浆流入到水泥砂浆搅拌槽(18)中，停止注浆，关闭所述注浆泵(22)和阀门Ⅲ(23)，静置一段时间使水泥凝固，完成封孔作业；
4)打开所述阀门Ⅵ(27)和阀门Ⅶ(28)，关闭所述阀门Ⅴ(26)，启动所述加压泵Ⅱ(12)，使所述水槽(16)中的水经过三通管和压裂管(17)，水流在所述自激式脉冲振荡喷头(1701)处形成脉冲振荡高压水，压裂所述煤层(1)；
5)压裂2～3h后，关闭所述加压泵Ⅱ(12)、阀门Ⅵ(27)和阀门Ⅶ(28)，使瓦斯气体与废水经过所述自激式脉冲振荡喷头(1701)和压裂管(17)收集在气渣分离器Ⅱ(14)中；同时打开所述阀门Ⅳ(25)抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器(24)通入到瓦斯抽采管道Ⅱ(15)中，直到所述瓦斯浓度检测器(24)显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ(25)，停止抽采瓦斯；
6)打开所述加压泵Ⅱ(12)、阀门Ⅴ(26)和阀门Ⅶ(28)，使所述纳米流体储藏罐Ⅱ(13)中的疏水性纳米流体经过三通管、压裂管(17)和自激式脉冲振荡喷头(1701)注入到煤层(1)中，疏水性纳米流体附着在煤体表面；
7)注入1～2h后，关闭所述加压泵Ⅱ(12)、阀门Ⅴ(26)和阀门Ⅶ(28)，使瓦斯气体与废液经过所述自激式脉冲振荡喷头(1701)和压裂管(17)收集在气渣分离器Ⅱ(14)中；同时打开所述阀门Ⅳ(25)抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述管路Ⅳ和瓦斯浓度检测器(24)通入到瓦斯抽采管道Ⅱ(15)中，直到所述瓦斯浓度检测器(24)显示瓦斯浓度低于30％，关闭所述阀门Ⅳ(25)，停止抽采瓦斯；
8)依次重复步骤4)至步骤7)若干次，直至所述瓦斯浓度检测器(24)在压裂前后始终显示瓦斯浓度低于30％，停止压裂；
9)关闭所述加压泵Ⅱ(12)、阀门Ⅴ(26)、阀门Ⅵ(27)和阀门Ⅶ(28)，打开所述阀门Ⅳ(25)抽采瓦斯，使瓦斯气体经过所述压裂管(17)、气渣分离器Ⅱ(14)和瓦斯浓度检测器(24)通入到瓦斯抽采管道Ⅱ(15)中。
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| GR01 | Patent grant | ||
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