CN111119982A - 一种高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法 - Google Patents
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Abstract
一种高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，适用于低渗透性、低温强氧化性、高瓦斯含量煤层或封闭采空区遗留煤层使用。从地面向目标煤层或封闭采空区遗留煤层钻取水平钻井和瓦斯抽采钻井，利用爆破方式使得水平钻井周围产生大量的裂隙，竖井封孔，将适当流速的空气注入水平钻井内，当目标煤层或遗留煤层与少量空气接触一定时间后，使用击火器使煤层发生阴燃，升高的温度可诱发大量多尺度孔裂隙间的贯通，促进煤层中的吸附瓦斯解吸，同时，阴燃产生的CO2气体可有效驱替煤基质内吸附态瓦斯，使其沿着裂隙网络发生渗流扩散，最终经由瓦斯抽采钻井进行负压抽采。该方法可行性高，操作简单，能够最大限度地实现煤炭资源高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，尤其适用于低渗透性、低温强氧化性、高瓦斯含量煤层或封闭采空区遗留煤层使用的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法。
背景技术
随着开采深度的不断增加，高地应力使得高强度煤层普遍具有变质程度高、结构致密且孔隙度低、渗透性差等特性，且由于开采技术的限制，许多封闭采空区通常存在大量的遗留煤层。相应地，待开采煤层需要满足先瓦斯抽采后采煤的施工顺序，另一方面遗留煤层内含有大量的瓦斯气体，为提高这两类煤层区域内的瓦斯抽采与利用效率，目前主要水力压裂技术、注热技术(微波、注热气等形式)等增透方式。
然而，常规煤层增透方式存在着一定的缺陷性，例如，水力压裂技术需要提供较大体积量的水资源，增加了缺水地区的用水压力，对于水敏性较强的煤层，大量的压力水注入煤层后会导致煤层内孔裂隙结构发生水锁反应，堵塞CH4气体流动通道，大大降低了CH4抽采效率；注热技术需要借助大量的水蒸气、微波辐射等加热方法使煤层内的温度升高，从而产生许多不同尺度的孔裂隙结构，促进吸附态瓦斯解吸成为游离态，沿着孔裂隙结构发生渗流扩散，但是也存在一定的应用限制，例如，提高煤体温度使其达到破碎的温度时所需的水蒸气或电能消耗量极大，对现场应用缺乏一定的可行性；其次，较高的温度容易引发煤体自燃或瓦斯爆炸，具有较差的灾变可控性。因此，针对上述存在的技术问题和应用限制，亟需一种新型的瓦斯抽采方法，不仅能够高效率提高瓦斯抽采效率，而且能够保证增加资源的高效低碳应用，减少遗留煤炭资源和CH4气体的浪费。
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、效果较好的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法。
技术方案：本发明的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，使用多功能组配装置，多功能组配装置内分别固定有温度传感器、气体探测器、击火器头和压力传感器，多功能组配装置设置在铜管的头部，铜管内设有温度传感器线、气体探测器线、击火器线和压力传感器线，铜管尾部设有温度监测装置、多组分气体监测装置及压力监测装置，铜管内其他空间提供空气流动空间，铜管的空气流动空间通过三向阀通过空气注入管与气体压缩泵和多组分气体混合槽车进行连接；
其特征在于步骤如下：
a首先利用钻机穿过地层向目标煤层或采空区遗留煤层钻取竖向钻井，并利用转向钻头在竖向钻井的钻孔底部沿煤层走向钻取水平钻井，并在竖向钻井旁平行设置瓦斯抽采钻井，并确保瓦斯抽采钻井底端位于水平钻井上侧方向，使用液态CO2相变致裂技术对水平钻井进行聚能爆破，使水平钻井井壁产生大量的裂隙；
b将铜管沿竖向钻井给入到水平钻井内三分之二设计长度位置，将瓦斯抽采管插入瓦斯抽采钻井内，利用带有高精计数单向阀门的封孔器分别对竖向钻井和瓦斯抽采钻井进行常规密封；
c启动气体压缩泵，将多组分气体混合槽车中的空气以特定流速和流量沿铜管持续注入水平钻井内，利用气体探测器持续读取水平钻井内氧气浓度，待水平钻井内氧气浓度大于20％时，启动击火器头产生火花，使得水平钻井内的破碎煤体发生阴燃；
d在煤体发生阴燃过程中，分别监测温度监测装置、多组分气体监测装置及压力监测装置的读数，当监测读数显示水平钻井内内的温度超过400℃时，减小空气泵入速度和泵入量；当测读数显示水平钻井内内CO2气体、CH4气体二者的压力与浓度同时出现急速上升时，打开封孔器上的高精计数单向阀门利用瓦斯抽采管将瓦斯抽采钻井中的气体抽采出来。
竖向钻井、水平钻井和瓦斯抽采钻井的半径为150-200mm，竖向钻井与瓦斯抽采钻井两井筒间的距离为5-10m，瓦斯抽采钻井底端位于水平钻井上侧方向1-2m。
封孔器分别对竖向钻井和瓦斯抽采钻井进行密封的长度为20-70m，封孔器要求气体注入或抽采方向为单一性，可有效减小空气回流；封孔器膨胀压力为15-20MPa。
所述铜管的伸缩率为10％，可在多个探测位置进行来回移动，最高耐温温度为1200℃；多功能组配装置最大承压能力为50MPa，且放置气体探测器、击火器头及压力传感器的固定槽位置具有绝热特性。
所述温度传感器、气体探测器和压力传感器的型号分别为SBWZ系列热电偶温度传感器、HoneywellBWUltra多气体探测器和PAINE传感器。
多组分混合槽车可实现O2、CO2、N2三类气体的多种比例混合，且三者混合比例为：O2：CO2：N2＝30％：10％：60％，工作环境为30℃。
气体压缩泵的有效泵入压力为10-20MPa，有效泵入速率为300-500ml/min，工作温度为10-50℃。
瓦斯抽采管内的有效抽采负压不低于30k Pa，抽采出来的混合气体需要进行气体分离。
当温度传感器监测到温度高于400℃、气体探测器监测到的CH4气体浓度高于5％时，二者出现一种情况时，调节气体压缩泵减小气体泵入流速和流量，防止目标煤层或采空区遗留煤层出现明火或瓦斯爆炸现象。
有益效果：所采用上述技术方案，其特征在于基于高温致裂煤体和高温促进CH4气体解吸两个系列特征，高瓦斯煤层的瓦斯流态化开采综合易自燃煤层的自燃特性及其附属作用特点与产生的CO2气体高效驱替特点的多重优势，最大程度地提高预开采煤层及封闭采空区遗留煤层的利用效率。首先采用液态CO2相变致裂技术使得水平钻井周围出现大量的破碎煤体，然后动态控制空气压缩泵将定量空气注入水平钻井，在适当的空气流速和充分的O2供给状态下，采用电极击火方式使得易自燃煤层发生阴燃，通过实时监测水平钻井内CO2浓度、温度及三维红外热成像等信息，通过调整空气泵入速度和流量，确保目标煤层始终处于可控阴燃状态。随着煤层温度的升高，一方面可促进煤基质内孔裂隙结构的快速发育，形成复杂的裂隙网络，另一方面较高温度可促进吸附态CH4气体解吸，并沿着裂隙网络发生运移；煤层阴燃过程中产生的CO气体在充足O2供给下可转化为CO2气体，CO2气体在煤中的强吸附能力能够高效驱替CH4气体，极大地提高了预开采煤层和封闭采空区遗留煤层内CH4的抽采效率和利用率。
附图说明
图1是本发明的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法的实施示意图；
图2是本发明中多功能组配装置轴向剖面图；
图3是本发明中多功能组配装置径向剖面图。
图中：1-地层，2-目标煤层或采空区遗留煤层，3-竖向钻井，4-水平钻井，5-铜管，6-温度传感器线，7-气体探测器线，8-击火器线，9-压力传感器线，10.温度监测装置，11-多组分气体监测装置，12-压力监测装置，13-空气注入管，14-气体压缩泵，15-多组分气体混合槽车，16-多功能组配装置，17-封孔器，18-瓦斯抽采管，19-瓦斯抽采钻井，20-温度传感器，21-气体探测器，22-击火器头，23-压力传感器，24-三向阀。
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、图2和图3所示，本发明的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，使用多功能组配装置16，多功能组配装置16内分别固定有温度传感器20、气体探测器21、击火器头22和压力传感器23，多功能组配装置16设置在铜管5的头部，铜管5内设有温度传感器线6、气体探测器线7、击火器线8和压力传感器线9，铜管5尾部设有温度监测装置10、多组分气体监测装置11及压力监测装置12，铜管5内其他空间提供空气流动空间，铜管5的空气流动空间通过三向阀24通过空气注入管13与气体压缩泵14和多组分气体混合槽车15进行连接；
其特征在于步骤如下：
a首先利用钻机穿过地层1向目标煤层或采空区遗留煤层2钻取竖向钻井3，并利用转向钻头在竖向钻井3的钻孔底部沿煤层走向钻取水平钻井4，并在竖向钻井3旁平行设置瓦斯抽采钻井19，并确保瓦斯抽采钻井19底端位于水平钻井4上侧方向，使用液态CO2相变致裂技术对水平钻井4进行聚能爆破，使水平钻井4井壁产生大量的裂隙；竖向钻井3、水平钻井4和瓦斯抽采钻井19的半径为150-200mm，竖向钻井3与瓦斯抽采钻井19两井筒间的距离为5-10m，瓦斯抽采钻井19底端位于水平钻井4上侧方向1-2m；所述铜管5的伸缩率为10％，可在多个探测位置进行来回移动，最高耐温温度为1200℃；多功能组配装置16最大承压能力为50MPa，且放置气体探测器21、击火器头22及压力传感器23的固定槽位置具有绝热特性；
b将铜管5沿竖向钻井3给入到水平钻井4内三分之二设计长度位置，将瓦斯抽采管18插入瓦斯抽采钻井19内，利用带有高精计数单向阀门的封孔器17分别对竖向钻井3和瓦斯抽采钻井19进行常规密封；封孔器17分别对竖向钻井3和瓦斯抽采钻井19进行密封的长度为20-70m，封孔器17要求气体注入或抽采方向为单一性，可有效减小空气回流；封孔器膨胀压力为15-20MPa；
c启动气体压缩泵14，将多组分气体混合槽车15中的空气以特定流速和流量沿铜管5持续注入水平钻井4内，利用气体探测器21持续读取水平钻井4内氧气浓度，待水平钻井4内氧气浓度大于20％时，启动击火器头22产生火花，使得水平钻井4内的破碎煤体发生阴燃；
d在煤体发生阴燃过程中，分别监测温度监测装置10、多组分气体监测装置11及压力监测装置12的读数，当监测读数显示水平钻井内4内的温度超过400℃时，减小空气泵入速度和泵入量；当测读数显示水平钻井内4内CO2气体、CH4气体二者的压力与浓度同时出现急速上升时，打开封孔器17上的高精计数单向阀门利用瓦斯抽采管18将瓦斯抽采钻井19中的气体抽采出来，瓦斯抽采管18内的有效抽采负压不低于30k Pa，抽采出来的混合气体需要进行气体分离。
温度传感器20、气体探测器21和压力传感器23的型号分别为SBWZ系列热电偶温度传感器、HoneywellBWUltra多气体探测器和PAINE传感器。
多组分混合槽车15可实现O2、CO2、N2三类气体的多种比例混合，且三者混合比例为：O2：CO2：N2＝30％：10％：60％，工作环境为30℃，工作时气体压缩泵14的有效泵入压力为10-20MPa，有效泵入速率为300-500ml/min，工作温度为10-50℃。
当温度传感器20监测到温度高于400℃、气体探测器21监测到的CH4气体浓度高于5％时，二者出现一种情况时，调节气体压缩泵14减小气体泵入流速和流量，防止目标煤层或采空区遗留煤层2出现明火或瓦斯爆炸现象。
Claims (9)
1.一种高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，使用多功能组配装置(16)，多功能组配装置(16)内分别固定有温度传感器(20)、气体探测器(21)、击火器头(22)和压力传感器(23)，多功能组配装置(16)设置在铜管(5)的头部，铜管(5)内设有温度传感器线(6)、气体探测器线(7)、击火器线(8)和压力传感器线(9)，铜管(5)尾部设有温度监测装置(10)、多组分气体监测装置(11)及压力监测装置(12)，铜管(5)内其他空间提供空气流动空间，铜管(5)的空气流动空间通过三向阀(24)通过空气注入管(13)与气体压缩泵(14)和多组分气体混合槽车(15)进行连接；
其特征在于步骤如下：
a首先利用钻机穿过地层(1)向目标煤层或采空区遗留煤层(2)钻取竖向钻井(3)，并利用转向钻头在竖向钻井(3)的钻孔底部沿煤层走向钻取水平钻井(4)，并在竖向钻井(3)旁平行设置瓦斯抽采钻井(19)，并确保瓦斯抽采钻井(19)底端位于水平钻井(4)上侧方向，使用液态CO2相变致裂技术对水平钻井(4)进行聚能爆破，使水平钻井(4)井壁产生大量的裂隙；
b将铜管(5)沿竖向钻井(3)给入到水平钻井(4)内三分之二设计长度位置，将瓦斯抽采管(18)插入瓦斯抽采钻井(19)内，利用带有高精计数单向阀门的封孔器(17)分别对竖向钻井(3)和瓦斯抽采钻井(19)进行常规密封；
c启动气体压缩泵(14)，将多组分气体混合槽车(15)中的空气以特定流速和流量沿铜管(5)持续注入水平钻井(4)内，利用气体探测器(21)持续读取水平钻井(4)内氧气浓度，待水平钻井(4)内氧气浓度大于20％时，启动击火器头(22)产生火花，使得水平钻井(4)内的破碎煤体发生阴燃；
d在煤体发生阴燃过程中，分别监测温度监测装置(10)、多组分气体监测装置(11)及压力监测装置(12)的读数，当监测读数显示水平钻井内(4)内的温度超过400℃时，减小空气泵入速度和泵入量；当测读数显示水平钻井内(4)内CO2气体、CH4气体二者的压力与浓度同时出现急速上升时，打开封孔器(17)上的高精计数单向阀门利用瓦斯抽采管(18)将瓦斯抽采钻井(19)中的气体抽采出来。
2.根据权利要求1所述高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：竖向钻井(3)、水平钻井(4)和瓦斯抽采钻井(19)的半径为150-200mm，竖向钻井(3)与瓦斯抽采钻井(19)两井筒间的距离为5-10m，瓦斯抽采钻井(19)底端位于水平钻井(4)上侧方向1-2m。
3.根据权利要求1所述高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：封孔器(17)分别对竖向钻井(3)和瓦斯抽采钻井(19)进行密封的长度为20-70m，封孔器(17)要求气体注入或抽采方向为单一性，可有效减小空气回流；封孔器膨胀压力为15-20MPa。
4.根据权利要求1所述高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：所述铜管(5)的伸缩率为10％，可在多个探测位置进行来回移动，最高耐温温度为1200℃；多功能组配装置(16)最大承压能力为50MPa，且放置气体探测器(21)、击火器头(22)及压力传感器(23)的固定槽位置具有绝热特性。
5.根据权利要求1所述高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：所述温度传感器(20)、气体探测器(21)和压力传感器(23)的型号分别为SBWZ系列热电偶温度传感器、HoneywellBWUltra多气体探测器和PAINE传感器。
6.根据权利要求1所述的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：多组分混合槽车(15)可实现O2、CO2、N2三类气体的多种比例混合，且三者混合比例为：O2：CO2：N2＝30％：10％：60％，工作环境为30℃。
7.根据权利要求1所述的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：气体压缩泵(14)的有效泵入压力为10-20MPa，有效泵入速率为300-500ml/min，工作温度为10-50℃。
8.根据权利要求1所述的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：瓦斯抽采管(18)内的有效抽采负压不低于30k Pa，抽采出来的混合气体需要进行气体分离。
9.根据权利要求1所述的高瓦斯煤层原位热解瓦斯流态化开采方法，其特征在于：当温度传感器(20)监测到温度高于400℃、气体探测器(21)监测到的CH4气体浓度高于5％时，二者出现一种情况时，调节气体压缩泵(14)减小气体泵入流速和流量，防止目标煤层或采空区遗留煤层(2)出现明火或瓦斯爆炸现象。
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