CN111005754B - 一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法 - Google Patents
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Abstract
一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，适用于煤矿井下使用。先向目标煤层钻取多个共用同一竖向钻井的水平钻井和瓦斯抽采钻井，利用强化措施使水平钻井周围煤体发生破碎；然后利用三向阀连接可伸缩铜管，可伸缩铜管前端固定有装有多功能组配装置，将多功能组配装置放置于多个水平钻井设计位置后，将竖向钻井和瓦斯抽采钻井进行封孔，将富含O2的空气分级依次注入多个水平钻井内，通过实时监测水平钻井内的温度、气体浓度等相关参数，启动电极击火器，使得破碎煤体发生阴燃。煤体长时间阴燃过程可有效促进储层瓦斯的驱替扩散与解吸渗流。该方法操作简单，成本相对较低，可有效提高瓦斯抽采钻井内的瓦斯抽采效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，尤其是一种适用于煤矿井下使用的的多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法。
背景技术
针对深部多分层煤体的储层渗透率低限制瓦斯高效抽采等现状，常规技术手段是采用高压水力压裂技术、相关注热技术（注热蒸汽、微波辐射）及深孔爆破等方法，这些方法主要是借助外部激励手段通过高压水介质、高温、气体膨胀等手段破坏煤体结构，使煤储层内部多尺度孔裂隙结构体积增大，贯通的裂隙网络可为瓦斯运移提供一定的流动路径，在一定程度上可提高瓦斯气体的抽采效率。
然而，这些常规技术手段在现场应用中存在着一定的限制性。例如，高压水力压裂技术的应用往往需要大量的水资源，这对于一些特定的水敏煤体或多分层煤体的压裂会以破坏储层结构或压裂液滤失等因素难以发挥其最大效用。单纯的高压水力压裂技术不能够控制钻进内裂隙的扩展方向，受到地应力的影响，压裂所需的水压通常较大，这对压裂设备的要求较高；相关注热技术通过注入大量的热量使煤体结构发生热破裂现象，产生一定数量的微裂隙，但在应用过程中，基于地热存在和较大致裂煤层区域范围，实现煤体致裂所需的热量较大，而热蒸汽和微波辐射的介质转化率较低及煤体较低的热传导率在很大程度上影响作用范围；深孔爆破技术通常存在哑炮现象，其瞬间高压作用容易对上下赋层造成较大的应力扰动，存在诱发动力灾害的安全隐患。因此，针对上述存在的问题，需要一种新型高效的低渗煤层瓦斯抽采方法，保证安全施工的前提下，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、保证安全施工的前提下，大幅提高煤层瓦斯抽采效率的低渗多分层煤层内的瓦斯高效抽采。
技术方案：本发明的多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，使用多个多功能组配装置，每个多功能组配装置内均设有电极击火器、温度探测器、压力传感器和气体浓度探测器，电极击火器、温度探测器、压力传感器和气体浓度探测器分别通过电极击火器导线、温度探测器导线、压力探测器导线、气体浓度探测器导线通过可伸缩铜管与地面主机相连接，所述可伸缩铜管由大尺寸可伸缩铜管和小尺寸可伸缩铜管构成，所述地面主机包括温度监测装置、压力监测装置和多组分气体监测装置，可伸缩铜管还通过单向阀门顺序连接有注气泵、注气管和气体混合罐体；
其特征在于步骤如下：
a. 在存在多分层煤体的区域施工竖向钻井，竖向钻井穿过底层和多个煤层直至最深处的煤层中，在竖向钻井穿过的每一层煤体中布置沿煤层走向的水平钻井，并保证所有水平钻井都沿同一个方向钻进，利用强化措施使水平钻井周围煤体发生破碎；
b. 在所有水平钻井指向方向处布置与竖向钻井平行等深的瓦斯抽采钻井，瓦斯抽采钻井与所有水平钻井的终端均保持相同的距离并不连通；
c．将多功能组配装置设置在小尺寸可伸缩铜管，电极击火器导线、温度探测器导线、压力探测器导线、气体浓度探测器导线穿过小尺寸可伸缩铜管最终汇集到大尺寸可伸缩铜管中并延伸至地表，将大尺寸可伸缩铜管设置在竖向钻井中，将小尺寸可伸缩铜管设置在水平钻井中，小尺寸可伸缩铜管与大尺寸可伸缩铜管之间通过三向阀连接，检查各水平钻井内管路的气密性；
d．在瓦斯抽采钻井中布置瓦斯抽采管并使用封孔器封孔，同时利用封孔器对穿过大尺寸可伸缩铜管竖向钻井进行封堵；
e. 利用单向阀门将电极击火器导线、温度探测器导线、压力探测器导线和气体浓度探测器导线与注气管分隔连接起来，依次将温度探测器导线、压力探测器导线和气体浓度探测器导线分别与温度监测装置、压力监测装置和多组分气体监测装置进行连接，注气管与注气泵和气体混合罐体进行连接；
f．启动温度监测装置、压力监测装置、多组分气体监测装置及注气泵，利用注气泵将一定混合比例的空气从气体混合罐体经由注气管注入大尺寸可伸缩铜管和小尺寸可伸缩铜管内，最后在多功能组配装置位置释放出来，与破碎煤体进行充分接触；
g. 当每个压力传感器监测到当前水平钻井内的气体压力值维持1h不变时，启动电极击火器引燃破碎煤体，通过温度探测器及多气体浓度探测器实时监测各个水平钻井内的实际温度及各种气体浓度，根据平钻孔内的实际温度及各种气体浓度的变化实时调节气体注入参数；当检测到各个水平钻井内的CO2气体和CH4气体二者浓度急剧上升时，使用负压风机将游离瓦斯和阴燃衍生气体抽采出来。
竖向钻井和水平钻井的半径均为150-200 mm，瓦斯抽采钻井距离所有水平钻井前方1-2 m。
多功能组配装置材质耐高温，最大温度可达1200 ℃；三向阀通过半径差分法将大尺寸可伸缩铜管和小尺寸可伸缩铜管连接起来，且三向阀上设置有流速控制装置和分流阀门，可实时调节注气泵入流速。
电极击火器的型号为陶瓷电极；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。
所述水平钻井共有三个：水平钻井a、水平钻井b和水平钻井c，其中，水平钻井数量视目标煤层的层数而定，每个水平钻井匹配一个三向阀，三向阀的分流阀门具有一定的先后递进顺序，首先打开水平钻井c处的三向阀上的分流阀门，关闭水平钻井a和水平钻井b处三向阀上的分流阀门，待水平钻井c内的破碎煤体出现阴燃后，依次打开水平钻井a及水平钻井b处三向阀上的分流阀门。
当温度探测器监测到煤体区域出现明火且温度急剧上升并超过400℃时，减小注气泵入速度和流量；当多组分气体监测装置内监测到CO气体浓度上升且温度探测器监测到的煤体温度较低时，需要增大注气泵入量。
泵入钻井内的多组分气体浓度占比约为：O2、CO2、N2=3：1：6，且泵入流速控制在1-2m/min，确保煤体阴燃所需的供氧量和适当流速。
有益效果：
本发明可通过煤体阴燃产生的较高温度诱发煤基质内颗粒间的热破裂现象发生，从而产生大量的微裂隙结构，持续的阴燃过程促使热量沿着微裂隙结构扩散，大幅提高其作用范围；同时较高的温度可促进吸附态瓦斯受热解吸，通过破坏煤储层内瓦斯平衡态增加游离瓦斯占比，使得游离瓦斯在煤基质内发生扩散渗流。另一方面煤体阴燃产生的CO2气体可与基质内的瓦斯气体发生“竞争吸附”现象，且CO2自身吸附能力远远大于瓦斯气体的吸附能力，在高温高压作用下，促进甲烷气体的驱替进程。煤体阴燃过程中的高温及气体驱替的耦合作用，实现基质内孔隙率和渗透率的增加，大幅提高多煤层内瓦斯气体的同时抽采效率。
附图说明
图1是本发明的多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法的实施例示意图；
图2是图1中多功能组配装置剖面示意图；
图中：1-地层，2-多分层煤体，3-1-水平钻井a，3-2-水平钻井b，3-3水平钻井c，4-瓦斯抽采钻井，5-大尺寸可伸缩铜管，6-小尺寸可伸缩铜管，7-三向阀，8-多功能组配装置，9-瓦斯抽采管，10-封孔器，11-单向阀门，12-电极击火器导线，13-温度探测器导线，14-压力探测器导线，15-气体浓度探测器导线，16-温度监测装置，17-压力监测装置，18-多组分气体监测装置，19-注气泵，20-注气管，21-气体混合罐体，22-电极击火器，23-温度探测器，24-压力传感器，25-气体浓度探测器。
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和图2所示，多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，使用多个多功能组配装置8，每个多功能组配装置8内均设有电极击火器22、温度探测器23、压力传感器24和气体浓度探测器25，电极击火器22的型号为陶瓷电极；温度探测器23型号为SBWZ系列热电偶温度传感器，压力传感器24型号为PAINE传感器，气体浓度探测器25型号为HoneywellBWUltra多气体探测器；电极击火器22、温度探测器23、压力传感器24和气体浓度探测器25分别通过电极击火器导线12、温度探测器导线13、压力探测器导线14、气体浓度探测器导线15通过可伸缩铜管与地面主机相连接，所述可伸缩铜管由大尺寸可伸缩铜管5和小尺寸可伸缩铜管6构成，所述地面主机包括温度监测装置16、压力监测装置17和多组分气体监测装置18，可伸缩铜管还通过单向阀门顺序连接有注气泵19、注气管20和气体混合罐体；
其步骤如下：
a. 在存在多分层煤体2的区域施工竖向钻井，竖向钻井穿过底层1和多个煤层直至最深处的煤层中，在竖向钻井穿过的每一层煤体2中布置沿煤层走向的水平钻井，并保证所有水平钻井都沿同一个方向钻进，利用强化措施使水平钻井周围煤体发生破碎，竖向钻井和水平钻井的半径均为150-200 mm，瓦斯抽采钻井4距离所有水平钻井前方1-2 m；
b. 在所有水平钻井指向方向处布置与竖向钻井平行等深的瓦斯抽采钻井4，瓦斯抽采钻井4与所有水平钻井的终端均保持相同的距离并不连通；
c．将多功能组配装置8设置在小尺寸可伸缩铜管6，电极击火器导线12、温度探测器导线13、压力探测器导线14、气体浓度探测器导线15穿过小尺寸可伸缩铜管6最终汇集到大尺寸可伸缩铜管5中并延伸至地表，将大尺寸可伸缩铜管5设置在竖向钻井中，将小尺寸可伸缩铜管6设置在水平钻井中，小尺寸可伸缩铜管6与大尺寸可伸缩铜管5之间通过三向阀7连接，检查各水平钻井内管路的气密性；多功能组配装置8材质耐高温，最大温度可达1200 ℃；三向阀7通过半径差分法将大尺寸可伸缩铜管5和小尺寸可伸缩铜管6连接起来，且三向阀7上设置有流速控制装置和分流阀门，可实时调节注气泵入流速；
d．在瓦斯抽采钻井4中布置瓦斯抽采管9并使用封孔器10封孔，同时利用封孔器10对穿过大尺寸可伸缩铜管5竖向钻井进行封堵；
e. 利用单向阀门11将电极击火器导线12、温度探测器导线13、压力探测器导线14和气体浓度探测器导线15与注气管20分隔连接起来，依次将温度探测器导线13、压力探测器导线14和气体浓度探测器导线15分别与温度监测装置16、压力监测装置17和多组分气体监测装置18进行连接，注气管20与注气泵19和气体混合罐体21进行连接；
f．启动温度监测装置16、压力监测装置17、多组分气体监测装置18及注气泵19，利用注气泵19将一定混合比例的空气从气体混合罐体21经由注气管20注入大尺寸可伸缩铜管5和小尺寸可伸缩铜管6内，最后在多功能组配装置8位置释放出来，与破碎煤体进行充分接触；
g. 当每个压力传感器24监测到当前水平钻井内的气体压力值维持1h不变时，启动电极击火器22引燃破碎煤体，通过温度探测器23及多气体浓度探测器25实时监测各个水平钻井内的实际温度及各种气体浓度，当温度探测器23监测到煤体区域出现明火且温度急剧上升并超过400℃时，减小注气泵入速度和流量；当多组分气体监测装置18内监测到CO气体浓度上升且温度探测器23监测到的煤体温度较低时，需要增大注气泵入量，泵入钻井内的多组分气体浓度占比约为：O2、CO2、N2=3：1：6，且泵入流速控制在1-2 m/min，确保煤体阴燃所需的供氧量和适当流速。根据平钻孔内的实际温度及各种气体浓度的变化实时调节气体注入参数；当检测到各个水平钻井内的CO2气体和CH4气体二者浓度急剧上升时，使用负压风机将游离瓦斯和阴燃衍生气体抽采出来。
所述水平钻井共有三个：水平钻井a3-1、水平钻井b3-2和水平钻井c3-3，其中，水平钻井数量视目标煤层的层数而定，每个水平钻井匹配一个三向阀7，三向阀7的分流阀门具有一定的先后递进顺序，首先打开水平钻井c3-3处的三向阀7上的分流阀门，关闭水平钻井a3-1和水平钻井b3-2处三向阀7上的分流阀门，待水平钻井c3-3内的破碎煤体出现阴燃后，依次打开水平钻井a3-1及水平钻井b3-2处三向阀7上的分流阀门。
其中，电极击火器22采用多频段电极控制方法，工作电压为100 V，允许电流强度为1 A；温度探测器23由高精度热敏材料制作而成，具有长距离煤体温度的定向探测，探测半径为5-10 m，且温度监测装置16能够对多维空间煤体的温度进行反演，实现煤体监测区域的温度分布；压力传感器24的压力测试精度为0.1 MPa，有效压力监测范围为2-50 MPa。气体浓度探测器25能够同时监测多种气体的浓度，测试精度为5ppm*m，有效测试半径为5-10 m；压力监测装置17和多组分气体监测装置18二者之间具有联动功能，能够同时监测到各类气体浓度和压力分压。
多个三向阀7的分流阀门具有一定的先后递进顺序，首先打开水平钻井c 3-3处的三向阀7上的分流阀门，关闭水平钻井a 3-1和水平钻井b 3-2处三向阀7上的分流阀门，待水平钻井c 3-3内的破碎煤体出现阴燃后，依次打开水平钻井a 3-1及水平钻井b 3-2处三向阀7上的分流阀门；当温度探测器23监测到煤体区域出现明火且温度急剧上升（超过400℃）时，减小注气泵入速度和流量；当多组分气体监测装置18内监测到CO气体浓度上升且温度探测器23监测到的煤体温度较低时，需要适当增大注气泵入量。
Claims (7)
1.一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，使用多个多功能组配装置（8），每个多功能组配装置（8）内均设有电极击火器（22）、温度探测器（23）、压力传感器（24）和气体浓度探测器（25），电极击火器（22）、温度探测器（23）、压力传感器（24）和气体浓度探测器（25）分别通过电极击火器导线（12）、温度探测器导线（13）、压力探测器导线（14）、气体浓度探测器导线（15）通过可伸缩铜管与地面主机相连接，所述可伸缩铜管由大尺寸可伸缩铜管（5）和小尺寸可伸缩铜管（6）构成，所述地面主机包括温度监测装置（16）、压力监测装置（17）和多组分气体监测装置（18），可伸缩铜管还通过单向阀门顺序连接有注气泵（19）、注气管（20）和气体混合罐体；
其特征在于步骤如下：
a. 在存在多分层煤体（2）的区域施工竖向钻井，竖向钻井穿过地层（1）和多个煤层直至最深处的煤层中，在竖向钻井穿过的每一层煤体（2）中布置沿煤层走向的水平钻井，并保证所有水平钻井都沿同一个方向钻进，利用强化措施使水平钻井周围煤体发生破碎；
b. 在所有水平钻井指向方向处布置与竖向钻井平行等深的瓦斯抽采钻井（4），瓦斯抽采钻井（4）与所有水平钻井的终端均保持相同的距离并不连通；
c．将多功能组配装置（8）设置在小尺寸可伸缩铜管（6）内，电极击火器导线（12）、温度探测器导线（13）、压力探测器导线（14）、气体浓度探测器导线（15）穿过小尺寸可伸缩铜管（6）最终汇集到大尺寸可伸缩铜管（5）中并延伸至地表，将大尺寸可伸缩铜管（5）设置在竖向钻井中，将小尺寸可伸缩铜管（6）设置在水平钻井中，小尺寸可伸缩铜管（6）与大尺寸可伸缩铜管（5）之间通过三向阀（7）连接，检查各水平钻井内管路的气密性；
d．在瓦斯抽采钻井（4）中布置瓦斯抽采管（9）并使用封孔器（10）封孔，同时利用封孔器（10）对穿过大尺寸可伸缩铜管（5）竖向钻井进行封堵；
e. 利用单向阀门（11）将电极击火器导线（12）、温度探测器导线（13）、压力探测器导线（14）和气体浓度探测器导线（15）与注气管（20）分隔连接起来，依次将温度探测器导线（13）、压力探测器导线（14）和气体浓度探测器导线（15）分别与温度监测装置（16）、压力监测装置（17）和多组分气体监测装置（18）进行连接，注气管（20）与注气泵（19）和气体混合罐体（21）进行连接；
f．启动温度监测装置（16）、压力监测装置（17）、多组分气体监测装置（18）及注气泵（19），利用注气泵（19）将一定混合比例的空气从气体混合罐体（21）经由注气管（20）注入大尺寸可伸缩铜管（5）和小尺寸可伸缩铜管（6）内，最后在多功能组配装置（8）位置释放出来，与破碎煤体进行充分接触；
g. 当每个压力传感器（24）监测到当前水平钻井内的气体压力值维持1h不变时，启动电极击火器（22）引燃破碎煤体，通过温度探测器（23）及多气体浓度探测器（25）实时监测各个水平钻井内的实际温度及各种气体浓度，根据平钻孔内的实际温度及各种气体浓度的变化实时调节气体注入参数；当检测到各个水平钻井内的CO2气体和CH4气体二者浓度急剧上升时，使用负压风机将游离瓦斯和阴燃衍生气体抽采出来。
2.根据权利要求1所述的一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，其特征在于：竖向钻井和水平钻井的半径均为150-200 mm，瓦斯抽采钻井（4）距离所有水平钻井前方1-2m。
3.根据权利要求1所述的一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，其特征在于：多功能组配装置（8）材质耐高温，最大温度可达1200 ℃；三向阀（7）将大尺寸可伸缩铜管（5）和小尺寸可伸缩铜管（6）连接起来，且三向阀（7）上设置有流速控制装置和分流阀门，可实时调节注气泵入流速。
4.根据权利要求1或3所述的一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，其特征在于：电极击火器（22）为陶瓷电极；温度探测器（23）型号为SBWZ系列热电偶温度传感器，压力传感器（24）型号为PAINE传感器，气体浓度探测器（25）型号为HoneywellBWUltra多气体探测器。
5.根据权利要求1或3所述的一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，其特征在于：所述水平钻井共有三个：水平钻井a（3-1）、水平钻井b（3-2）和水平钻井c（3-3），每个水平钻井匹配一个三向阀（7），三向阀（7）的分流阀门具有一定的先后递进顺序，首先打开水平钻井c（3-3）处的三向阀（7）上的分流阀门，关闭水平钻井a（3-1）和水平钻井b（3-2）处三向阀（7）上的分流阀门，待水平钻井c（3-3）内的破碎煤体出现阴燃后，依次打开水平钻井a（3-1）及水平钻井b（3-2）处三向阀（7）上的分流阀门。
6.根据权利要求1或3所述的一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，其特征在于：当温度探测器（23）监测到煤体区域出现温度急剧上升并超过400℃时，减小注气泵入速度和流量；当多组分气体监测装置（18）内监测到CO气体浓度上升且温度探测器（23）监测到的煤体温度较低时，需要增大注气泵入量。
7.根据权利要求6所述的一种多分层煤体的多级瓦斯流态化抽采方法，其特征在于：泵入钻井内的多组分气体浓度占比为：O2、CO2、N2=3：1：6，且泵入流速控制在1-2 m/min，确保煤体阴燃所需的供氧量和适当流速。
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