CN110984962B - 一种流态化瓦斯抽采监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种流态化瓦斯抽采监测方法，适用于煤矿井下使用。首先向深部低渗煤层钻取水平钻井、监测钻井和瓦斯抽采钻井，利用液态CO2相变致裂技术破碎煤体；然后将多功能组配装置随可弯曲铜管送入水平钻井设计位置，钻井封闭后启动空气泵将空气按照设计流速注入煤层，将装有SF6示踪气体和探测器的容器送入监测钻井，通过实时监测水平钻井范围内即时温度、气体浓度和压力、及SF6气体的含量和变化，推算出煤体的阴燃程度及区域范围；综合煤体温度及产生的气体浓度变化，根据相关抽采参数评估瓦斯的抽采效率。该系统监测精准，应用方便，可大大提高瓦斯抽采的监测效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种流态化瓦斯抽采监测方法，尤其是一种适用于深部低渗煤层的瓦斯流态化开采过程中的煤层阴燃参数和瓦斯抽采等方面的即时监测和评估。
背景技术
针对深部低渗煤层瓦斯抽采效率低下的难题，国内外主要强化措施包括水力压裂技术、热驱技术、爆破技术等，这些方法主要是通过外部媒介对煤体结构进行破坏，形成系列的多尺度裂隙分布，为瓦斯流动提供了一定的渗流通道，在现场和物理实验方面均证明这些方法可有效提高煤层渗透性和促进煤层气抽采效率。
然而，这些技术在现场应用和实时监测方面存在一定的不足。比如水力压裂技术本质上需要大量的水资源，这一特性无法满足缺水区域煤层的瓦斯抽采需求，同时煤层中含有一定的粘土成分和较低的润湿性，容易造成储层破坏和水锁效应的出现，这对于煤层致裂和瓦斯抽采的指标监测实时性和精准性造成一定影响；热驱技术需借助大量的热能破碎煤体，很难在大面积煤体的致裂方面发挥作用，且煤体较小的热传导率往往限制热驱作用范围，限制了煤体破碎范围，另外，热驱技术监测设备的耐高温及抗干扰等方面的要求更为严格，现有设备灵敏度较差；爆破技术容易存在送药困难、哑炮等现象的发生，重复作业较为困难，且其瞬间作用容易造成地层的应力扰动，严重影响监测设备的实时精准性。因此，针对上述存在的问题，需要一种全新高效的深部低渗煤层瓦斯强化抽采的监测系统，在保证测试精度的前提下，大幅提高煤层瓦斯抽采效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服现有技术所存在的不足之处，提供一种操作简便、成本低、效果较好的瓦斯流态化抽采过程中的即时监测和评估。
技术方案：本发明的流态化瓦斯抽采监测方法，使用多功能组配装置，多功能组配装置设置在可弯曲铜管顶端，多功能组配装置的导线穿过可弯曲铜管延伸至地表，并与监测系统相连接，可弯曲铜管还通过三向阀门顺序连接有注气泵、注气管和气体混合罐体，所述多功能组配装置包括温度监测装置、压力监测装置、气体浓度监测装置、电极击火器控制装置及SF6气体采集装置，所述多功能组配装置内包括温度探测器、压力传感器、气体浓度探测器和电极击火器；
具体步骤如下：
a. 向地层下的深部低渗煤层钻取竖直钻井，并在竖直钻井的终端利用转向钻头钻出沿煤层走向的水平钻井，与竖直钻井平行处分别施工两个监测钻井和一个瓦斯抽采钻井，其中两个监测钻井并排设置，监测钻井底部钻进煤层内1m，瓦斯抽采钻井井深位于水平钻井轴向方向上侧1-2m位置；
b. 利用液态CO2相变致裂技术将水平钻井内的煤体进行破碎，然后在可弯曲铜管头部安装多功能组配装置，并通过可弯曲铜管将多功能组配装置布置在水平钻井内三分之二井长设计位置，并使用封孔器套在可弯曲铜管上进行封孔；
c. 将充满SF6气体的SF6气体容器、SF6监测传感器分别通过容器导线、SF6监测传感器导线连接到监测系统上，将SF6气体容器和SF6监测传感器分别送入两个监测钻井井底位置并固定，之后对SF6气体容器所在监测钻井进行密封；
d. 将瓦斯抽采管穿过封孔器并与瓦斯抽采泵进行连接，同时对水平钻井和监测钻井进行封孔；
e. 将三向阀门穿过温度探测器导线、压力传感器导线、气体浓度探测器导线及电极击火器导线，并与注气管进行连接，注气管连接注气泵和气体混合罐体；
f. 启动注气泵，将混合气体从气体混合罐体经注气管给入可弯曲铜管中，从可弯曲铜管头部注入水平钻井，并最终扩散到整个水平钻井内，同时打开SF6气体容器开口，将SF6气体释放出来，当温度探测器监测到温度高于280℃、压力传感器检测到气体压力达到平衡、气体浓度探测器检测到突然升高的CO数值，三者都满足时，启动电极击火器使水平钻井附近的煤体发生阴燃；
g. 利用监测系统实时监测水平钻井内煤体温度、CO2气体浓度，使用SF6气体采集装置收集SF6气体信号数值，采取数据反演方法判定煤体的阴燃状态和裂隙发育情况，并对空气泵体体积和泵度速度进行动态手动控制；
h. 启动瓦斯抽采泵，利用瓦斯抽采监测系统对瓦斯抽采管内的瓦斯参数进行实时动态监测。
水平钻井和瓦斯抽采钻井的半径为150-200 mm，监测钻井的半径为50-100 mm。
多功能组配装置具有较好的耐温性能，最高温度可达1200℃，且多功能组配装置内设置固定槽，来分别固定温度探测器、压力传感器、气体浓度探测器及电极击火器，中间部分供空气流通。
电极击火器为陶瓷电极，温度探测器型号为SBWZ系列热电偶温度传感器，压力传感器型号为PAINE传感器，气体浓度探测器型号为HoneywellBWUltra多气体探测器。
当煤层温度出现明火或温度急剧上升时，手动控制减小空气泵入速度；当监测到CO浓度及压力持续增加且温度相对较低时，手动控制增大空气泵入量及泵入速率。
混合气体成分及其浓度占比为O2、CO2、N2=3：1：6，保证煤层阴燃的可控性及防止瓦斯积聚发生爆炸现象的发生。
有益效果：
本发明发挥煤层阴燃促进煤层气抽采和相关数据的实时精准测试两方面的耦合效用，确保煤层长时可控性阴燃，一方面可确保煤体孔裂隙结构复杂化，且产生的裂隙又为热量的运移和空气的扩散提供新的场所，扩大煤体阴燃区域；同时高温又可促进煤体内的吸附瓦斯解吸出来，并沿着裂隙网络扩散渗流；另一方面，在与适当空气充分接触后，煤体阴燃所产生的CO2气体可根据其强吸附性能进行驱替基质内瓦斯气体，实现瓦斯气体抽采率的最大化。根据煤层温度、生成气体浓度和SF6气体的即时分布，一方面可确保煤层长时间处于阴燃状态，确保煤层能够始终维持高温状态，从而实现煤体孔裂隙体积增加和吸附解吸与驱替；另一方面可对目标煤层的阴燃区域范围及程度进行科学有效评估，实现煤层阴燃的区域化管理，实现煤层煤炭和瓦斯气体的最大开采率。
附图说明
图1是本发明的一种流态化瓦斯抽采监测方法的实施例示意图；
图2是本发明的多功能组配装置剖面示意图；
图中：1-地层，2-深部低渗煤层，3水平钻井1， 4-瓦斯抽采钻井，5-监测钻井，6-多功能组配装置，7-可弯曲铜管，8-瓦斯抽采管，9-封孔器，10-三向阀门，11- SF6监测传感器，12-容器导线，13-注气泵，14-注气管，15-气体混合罐体，16-温度-压力-浓度协同监测系统，17-温度探测器导线，18-压力传感器导线，19-气体浓度探测器导线，20-电极击火器导线，21-温度监测装置，22-压力监测装置，23-气体浓度监测装置，24-电极击火器控制装置，25-SF6气体采集装置，26-温度探测器，27-压力传感器，28-气体浓度探测器，29-电极击火器，30-瓦斯抽采泵，31-SF6气体容器，32- SF6监测传感器导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的流态化瓦斯抽采监测方法，使用多功能组配装置6，多功能组配装置6具有较好的耐温性能，最高温度可达1200℃，且多功能组配装置6内设置固定槽，来分别固定温度探测器26、压力传感器27、气体浓度探测器28及电极击火器29，中间部分供空气流通；多功能组配装置6设置在可弯曲铜管7顶端，多功能组配装置6的导线穿过可弯曲铜管7延伸至地表，并与监测系统16相连接，可弯曲铜管7还通过三向阀门顺序连接有注气泵13、注气管14和气体混合罐体15，所述多功能组配装置6包括温度监测装置21、压力监测装置22、气体浓度监测装置23、电极击火器控制装置24及SF6气体采集装置25，所述多功能组配装置6内包括温度探测器26、压力传感器27、气体浓度探测器28和电极击火器29；电极击火器29为陶瓷电极，温度探测器26型号为SBWZ系列热电偶温度传感器，压力传感器27型号为PAINE传感器，气体浓度探测器28型号为HoneywellBWUltra多气体探测器。
具体步骤如下：
a. 向地层1下的深部低渗煤层2钻取竖直钻井，并在竖直钻井的终端利用转向钻头钻出沿煤层走向的水平钻井3，与竖直钻井平行处分别施工两个监测钻井5和一个瓦斯抽采钻井4，其中两个监测钻井5并排设置，监测钻井5底部钻进煤层内1m，瓦斯抽采钻井4井深位于水平钻井3轴向方向上侧1-2m位置；水平钻井3和瓦斯抽采钻井4的半径为150-200 mm，监测钻井5的半径为50-100 mm；
b. 利用液态CO2相变致裂技术将水平钻井3内的煤体进行破碎，然后在可弯曲铜管7头部安装多功能组配装置6，并通过可弯曲铜管7将多功能组配装置6布置在水平钻井3内三分之二井长设计位置，并使用封孔器9套在可弯曲铜管7上进行封孔；
c. 将充满SF6气体的SF6气体容器31、SF6监测传感器11分别通过容器导线12、SF6监测传感器导线32连接到监测系统16上，将SF6气体容器31和SF6监测传感器11分别送入两个监测钻井5井底位置并固定，之后对SF6气体容器31所在监测钻井5进行密封；
d. 将瓦斯抽采管8穿过封孔器9并与瓦斯抽采泵30进行连接，同时对水平钻井3和监测钻井5进行封孔；
e. 将三向阀门10穿过温度探测器导线17、压力传感器导线18、气体浓度探测器导线19及电极击火器导线20，并与注气管14进行连接，注气管14连接注气泵13和气体混合罐体15；
f. 启动注气泵13，将混合气体从气体混合罐体15经注气管14给入可弯曲铜管7中，混合气体成分及其浓度占比为O2、CO2、N2=3：1：6，保证煤层阴燃的可控性及防止瓦斯积聚发生爆炸现象的发生；从可弯曲铜管7头部注入水平钻井，并最终扩散到整个水平钻井内，同时打开SF6气体容器31开口，将SF6气体释放出来，当温度探测器26监测到温度高于280℃、压力传感器27检测到气体压力达到平衡、气体浓度探测器28检测到突然升高的CO数值，三者都满足时，启动电极击火器29使水平钻井附近的煤体发生阴燃；
g. 利用监测系统16实时监测水平钻井3内煤体温度、CO2气体浓度，使用SF6气体采集装置25收集SF6气体信号数值，采取数据反演方法判定煤体的阴燃状态和裂隙发育情况，并对空气泵体体积和泵度速度进行动态手动控制；
h. 启动瓦斯抽采泵30，利用瓦斯抽采监测系统对瓦斯抽采管8内的瓦斯参数进行实时动态监测。
当煤层温度出现明火或温度急剧上升时，手动控制减小空气泵入速度；当监测到CO浓度及压力持续增加且温度相对较低时，手动控制增大空气泵入量及泵入速率。
Claims (6)
1.一种流态化瓦斯抽采监测方法，使用多功能组配装置（6），多功能组配装置（6）设置在可弯曲铜管（7）顶端，多功能组配装置（6）的导线穿过可弯曲铜管（7）延伸至地表，并与监测系统（16）相连接，可弯曲铜管（7）还通过三向阀门顺序连接有注气泵（13）、注气管（14）和气体混合罐体（15），所述多功能组配装置（6）包括温度监测装置（21）、压力监测装置（22）、气体浓度监测装置（23）、电极击火器控制装置（24）及SF6气体采集装置（25），所述多功能组配装置（6）内包括温度探测器（26）、压力传感器（27）、气体浓度探测器（28）和电极击火器（29）；
其特征在于步骤如下：
a. 向地层（1）下的深部低渗煤层（2）钻取竖直钻井，并在竖直钻井的终端利用转向钻头钻出沿煤层走向的水平钻井（3），与竖直钻井平行处分别施工两个监测钻井（5）和一个瓦斯抽采钻井（4），其中两个监测钻井（5）并排设置，监测钻井（5）底部钻进煤层内1m，瓦斯抽采钻井（4）井深位于水平钻井（3）轴向方向上侧1-2m位置；
b. 利用液态CO2相变致裂技术将水平钻井（3）内的煤体进行破碎，然后在可弯曲铜管（7）头部安装多功能组配装置（6），并通过可弯曲铜管（7）将多功能组配装置（6）布置在水平钻井（3）内三分之二井长设计位置，并使用封孔器（9）套在可弯曲铜管（7）上进行封孔；
c. 将充满SF6气体的SF6气体容器（31）、SF6监测传感器（11）分别通过容器导线（12）、SF6监测传感器导线（32）连接到监测系统（16）上，将SF6气体容器（31）和SF6监测传感器（11）分别送入两个监测钻井（5）井底位置并固定，之后对SF6气体容器（31）所在监测钻井（5）进行密封；
d. 将瓦斯抽采管（8）穿过封孔器（9）并与瓦斯抽采泵（30）进行连接，同时对水平钻井（3）和监测钻井（5）进行封孔；
e. 将三向阀门（10）穿过温度探测器导线（17）、压力传感器导线（18）、气体浓度探测器导线（19）及电极击火器导线（20），并与注气管（14）进行连接，注气管（14）连接注气泵（13）和气体混合罐体（15）；
f. 启动注气泵（13），将混合气体从气体混合罐体（15）经注气管（14）给入可弯曲铜管（7）中，从可弯曲铜管（7）头部注入水平钻井，并最终扩散到整个水平钻井内，同时打开SF6气体容器（31）开口，将SF6气体释放出来，当温度探测器（26）监测到温度高于280℃、压力传感器（27）检测到气体压力达到平衡、气体浓度探测器（28）检测到突然升高的CO数值，三者都满足时，启动电极击火器（29）使水平钻井附近的煤体发生阴燃；
g. 利用监测系统（16）实时监测水平钻井（3）内煤体温度、CO2气体浓度，使用SF6气体采集装置（25）收集SF6气体信号数值，采取数据反演方法判定煤体的阴燃状态和裂隙发育情况，并对空气泵体体积和泵度速度进行动态手动控制；
h. 启动瓦斯抽采泵（30），利用瓦斯抽采监测系统对瓦斯抽采管（8）内的瓦斯参数进行实时动态监测。
2. 根据权利要求1所述的一种流态化瓦斯抽采监测方法，其特征在于：水平钻井（3）和瓦斯抽采钻井（4）的半径为150-200 mm，监测钻井（5）的半径为50-100 mm。
3.根据权利要求1所述的一种流态化瓦斯抽采监测方法，其特征在于：多功能组配装置（6）具有较好的耐温性能，最高温度可达1200℃，且多功能组配装置（6）内设置固定槽，来分别固定温度探测器（26）、压力传感器（27）、气体浓度探测器（28）及电极击火器（29），中间部分供空气流通。
4.根据权利要求1或3所述的一种流态化瓦斯抽采监测方法，其特征在于：电极击火器（29）为陶瓷电极，温度探测器（26）型号为SBWZ系列热电偶温度传感器，压力传感器（27）型号为PAINE传感器，气体浓度探测器（28）型号为HoneywellBWUltra多气体探测器。
5.根据权利要求1所述的一种流态化瓦斯抽采监测方法，其特征在于：当煤层温度出现明火或温度急剧上升时，手动控制减小空气泵入速度；当监测到CO浓度及压力持续增加且温度相对较低时，手动控制增大空气泵入量及泵入速率。
6.根据权利要求1所述的一种流态化瓦斯抽采监测方法，其特征在于：混合气体成分及其浓度占比为O2、CO2、N2=3：1：6，保证煤层阴燃的可控性及防止瓦斯积聚发生爆炸现象的发生。
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