CN112832715B - 一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统。所述智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，包括多相致裂封存机构和抽采机构，多相致裂封存机构设置有煤层气抽采泵站、煤层气输送管、转角式煤层气输送管、煤层气抽采管、尖锥形粉尘过滤器、连接螺丝、煤层气抽采孔、粉尘过滤网，抽采机构设置有三体致裂泵站、液态二氧化碳输送管、压裂液输送管、液氮输送软管、连接套箍、转动开关、多通输送管、电缆、牵引线、电缆开关、转动牵引开关、连接杆、致裂杆、致裂孔、网球型闭孔电极、阻隔挡板、线牵引球形阀、高温电阻、钻头、管壁输线管。三体致裂泵站先后提供压裂液、液氮和液态二氧化碳对高煤层气矿井含煤层气浓度高的煤体进行松动致裂、驱替煤层气和封存二氧化碳，随后利用抽采机构抽采多相致裂封存机构中驱替出的煤层气。

Description

一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统

技术领域

本发明涉及高煤层气矿井煤层气开采领域，尤其涉及一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统。

背景技术

煤层气是与煤伴生、共生的气体资源，指储存在煤层中的烃类气体，以甲烷为主要成分，属于非常规天然气，其燃烧几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5％-16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿煤层气爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。针对此问题，全国各大高校和企业提出了煤层煤层气预抽、邻近层卸压抽放、低透气性煤层强化抽放、高产高效矿井综合抽放等理论与技术，然而这些技术和理论存在一定的局限性。基于现有情况，结合CO₂属性，迫切需要一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，解决高煤层气矿井煤层气抽采和CO₂封存问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，通过多相致裂封存机构中的三体致裂泵站先后提供压裂液、液氮和液态二氧化碳对高煤层气矿井含煤层气浓度高的煤体进行松动致裂、驱替煤层气和封存二氧化碳；随后利用抽采机构抽采多相致裂封存机构中驱替出的煤层气气体，进而实现致裂煤层、封存CO₂和抽采煤层气三者协同高效进行。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，包括：

多相致裂封存机构，包括三体致裂泵站、液态二氧化碳输送管、压裂液输送管、液氮输送软管、连接套箍、转动开关、多通输送管、电缆、牵引线、电缆开关、转动牵引开关、连接杆、致裂杆、致裂孔、网球型闭孔电极、阻隔挡板、线牵引球形阀、高温电阻、钻头、管壁输线管，所述三体致裂泵站前端设置有所述电缆开关和转动牵引开关，所述压裂液输送管、液氮输送软管和液态二氧化碳输送管其一端与三体致裂泵站上各对应泵进行螺纹连接，另一端分别与所述多通输送管上对应管道通过所述连接套箍进行咬合连接，所述多通输送管设置有所述转动开关，其另一端与所述连接杆通过端头螺纹进行螺纹连接，所述致裂杆设置有所述致裂孔、网球型闭孔电极、阻隔挡板、线牵引球形阀和高温电阻，在其管壁上设置有所述管壁输线管，其一端与所述连接杆或致裂杆通过端头螺纹进行螺纹连接，另一端与所述致裂杆或钻头通过端头螺纹进行螺纹连接，所述网球型闭孔电极的网状结构焊接于致裂孔的周围，通过其中部的柔性小弹簧和牵引线与设置于管道内部的球状结构连接，所述阻隔挡板镶嵌于管道内壁，其为中空结构，与管壁上的管壁输线管相通，通过牵引线与所述线牵引球形阀固定连接，所述高温电阻内嵌于致裂杆内侧管壁，所述电缆与网球型闭孔电极、高温电阻相连；

抽采机构，包括煤层气抽采泵站、煤层气输送管、转角式煤层气输送管、煤层气抽采管、尖锥形粉尘过滤器、连接螺丝、煤层气抽采孔、粉尘过滤网，所述煤层气抽采泵站为地面设施，通过所述连接螺丝与煤层气输送管进行螺纹连接，所述转角式煤层气输送管两端通过所述连接螺丝与煤层气输送管进行螺纹连接，所述煤层气抽采管上布置有所述煤层气抽采孔和粉尘过滤网，粉尘过滤网焊接覆盖于煤层气抽采孔，其水平两端分别与所述煤层气输送管或煤层气抽采管通过所述连接螺丝螺纹连接，其下端口与所述尖锥形粉尘过滤器通过端头的螺纹进行螺纹连接。

优选地，所述煤层气抽采管其上设有煤层气抽采孔，并通过所述煤层气抽采孔与粉尘过滤网固定连接。

优选地，所述尖锥形粉尘过滤器与煤层气抽采管下端口进行螺纹连接，在其尖锥形结构上设置有目数较大的粉尘过滤网。

优选地，所述致裂杆其上设置有所述致裂孔、网球型闭孔电极、阻隔挡板、线牵引球形阀和高温电阻，在其管壁上设置有所述管壁输线管，其一端与所述连接杆或致裂杆通过端头螺纹进行螺纹连接，另一端与所述致裂杆或钻头通过端头螺纹进行螺纹连接。

优选地，所述网球型闭孔电极设置有网状结构、球状结构、柔性小弹簧和牵引线，其中球状结构通过中部的柔性小弹簧和牵引线与固定在致裂孔周围的网状结构固定连接。

优选地，所述阻隔挡板镶嵌于管道内壁，其为中空结构，与管壁上的管壁输线管相通，中部贯通有牵引线。

优选地，所述钻头与致裂杆通过端头螺纹进行连接，在其外部设置有环状钻齿。

本发明提出了一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，应用上述装置，其包括如下工作步骤：

a、根据所需致裂煤体的深度和范围，确定各种管道的节数；

b、根据各零部件所对应的空间位置和连接方式，对各零部件进行有顺序的组装；

c、检查各部件的连接及工作情况，在确保各零部件正常工作的情况下，通过相应工具将连接好后致裂杆推送至所需致裂位置并进行固定密封；

d、先通过三体致裂泵站上的压裂液泵向压裂液输送管注入压裂液，保持多通输送管上对应的转动开关保持打开状态，其余开关关闭，压裂液通过连接杆进入致裂杆，从致裂孔中流出，对煤体进行初次松动致裂；

e、初次致裂完成后，通过三体致裂泵站上的电缆开关，控制网球型闭孔电极，使得致裂孔处于关闭状态，再由液氮泵向液氮输送管中输入液氮，打开多通输送管上对应的转动开关保持打开状态，其余开关关闭，通过上步同样路径，到达致裂孔，通过液氮的冷冻作用，使得上步保留在煤体中的水分结冰膨胀，对煤体进行二次致裂；

f、二次致裂完成后，通过液氮泵将液氮按照原路径抽回泵站，此时，网球型闭孔电极结束通电，致裂孔打开，同时液态二氧化碳泵向液态二氧化碳输送管中注入液态二氧化碳，打开多通输送管上对应的转动开关，其余开关关闭，通过上步同样路径到达致裂孔，此时通过三体致裂泵站上的电缆开关，对高温电阻进行加热，使得液态二氧化碳瞬间气化，气化的气体流入煤体对煤体进行三次致裂；

g、三次致裂完成后，煤层气抽采泵站启动工作，通过煤层气抽采泵站、煤层气输送管、转角式煤层气输送管、煤层气抽采管、煤层气抽采孔和尖锥形粉尘过滤器抽采煤层和上覆岩层中的煤层气气体；

h、待上一级致裂杆致裂和抽采完成后，进行下一级的致裂抽采，通过转动牵引开关拉动牵引线控制线牵引球形阀关闭上一级致裂杆，按照上一级致裂抽采的步骤，依次重复，直至完全达到致裂的范围；

i、待煤层气气体抽采完成后，再按照相反顺序拆卸装置，并妥善保管；

j、移至下一个致裂点工作时，重复步骤a-i。

本发明涉及的智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统与现有抽采煤层气系统相比具有非常显著的优点，多相致裂封存机构和抽采机构相互密切配合，减少人力物力的投入，提高煤层气抽采效率，通过多相致裂封存机构中的三体致裂泵站先提供压裂液使得煤体进行初次致裂，随后再次提供液氮，使得煤体中的水分冷冻冰化，利用冰化后体积膨胀，对煤体进行二次致裂，最后注入液态二氧化碳，利用高温电阻使液态二氧化碳瞬间气化，气化后的二氧化碳对煤体进行三次致裂，从而实现对高煤层气矿井含煤层气浓度高的煤体进行松动致裂、驱替煤层气和封存二氧化碳的目；随后利用抽采机构中的煤层气抽采泵站抽采多相致裂封存机构中驱替出的煤层气，进而实现致裂煤层、封存CO₂和抽采煤层气三者协同高效进行。

附图说明

图1为本发明的煤层气抽采泵站图；

图2为本发明的煤层气输送管立体图；

图3为本发明的转角式煤层气输送管立体图；

图4为本发明的煤层气抽采管立体图；

图5为本发明的连接套箍图；

图6为本发明的转动开关图；

图7为本发明的多通输送管图；

图8为本发明的三体致裂泵站车图；

图9为本发明的连接杆立体图和剖面图；

图10为本发明的致裂杆立体图和剖面图；

图11为本发明的网球型闭孔电极图；

图12为本发明的线牵引球形阀图；

图13为本发明的高温电阻图；

图14为本发明的钻头图；

图15为本发明的尖锥形粉尘过滤器图；

图16为本发明的连接螺丝图；

图17为本发明的柔性小弹簧图；

图18为本发明的工程系统图。

图中：1-煤层气抽采泵站；2-煤层气输送管；3-转角式煤层气输送管；4-煤层气抽采管；5-液态二氧化碳输送管；6-压裂液输送管；7-连接套箍；8-转动开关；9-多通输送管；10-三体致裂泵站车；11-液氮输送软管；12-电缆；13-牵引线；14-电缆开关；15-转动牵引开关；16-连接杆；17-致裂杆；18-致裂孔；19-网球型闭孔电极；20-阻隔挡板；21-线牵引球形阀；22-高温电阻；23-钻头；24-尖锥形粉尘过滤器；25-管壁输线管；26-连接螺丝；27-煤层气抽采孔；28-粉尘过滤网；29-柔性小弹簧。

具体实施方式

结合图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7，图8，图9，图10，图11，图12，图13，图14，图15，图16，图17，图18所示，一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，包括多相致裂封存机构和抽采机构，多相致裂封存机构用于定向致裂煤层气含量较高的煤体和封存CO₂，煤层抽采体机构用于对致裂过程驱替出的煤层气气体进行抽采。

多相致裂封存机构中，所述三体致裂泵站10前端设置有所述电缆开关14和转动牵引开关15，所述压裂液输送管6、液氮输送软管11和液态二氧化碳输送管5其一端与三体致裂泵站10上各对应泵进行螺纹连接，另一端分别与所述多通输送管9上对应管道通过所述连接套箍7进行咬合连接，所述多通输送管9设置有所述转动开关8，其另一端与所述连接杆16通过端头螺纹进行螺纹连接，所述致裂杆17设置有所述致裂孔18、网球型闭孔电极19、阻隔挡板20、线牵引球形阀21和高温电阻22，在其管壁上设置有所述管壁输线管25，其一端与所述连接杆16或致裂杆17通过端头螺纹进行螺纹连接，另一端与所述致裂杆17或钻头23通过端头螺纹进行螺纹连接，所述网球型闭孔电极19的网状结构焊接于致裂孔18的周围，通过其中部的柔性小弹簧29和牵引线13与设置于管道内部的球状结构连接，所述阻隔挡板20镶嵌于管道内壁，其为中空结构，与管壁上的管壁输线管25相通，通过牵引线13与所述线牵引球形阀21固定连接，所述高温电阻22内嵌于致裂杆17内侧管壁，所述电缆12与网球型闭孔电极19、高温电阻22相连；

抽采机构中，所述煤层气抽采泵站1为地面设施，通过所述连接螺丝26与煤层气输送管2进行螺纹连接，所述转角式煤层气输送管3两端通过所述连接螺丝26与煤层气输送管2进行螺纹连接，所述煤层气抽采管4上布置有所述煤层气抽采孔27和粉尘过滤网28，粉尘过滤网28焊接覆盖于煤层气抽采孔27，其水平两端分别与所述煤层气输送管2或煤层气抽采管4通过所述连接螺丝26螺纹连接，其下端口与所述尖锥形粉尘过滤器24通过端头的螺纹进行螺纹连接。

结合图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7，图8，图9，图10，图11，图12，图13，图14，图15，图16，图17，图18所示，其监测步骤大致如下：

a、根据所需致裂煤体的深度和范围，确定各种管道的节数；

b、根据各零部件所对应的空间位置和连接方式，对各零部件进行有顺序的组装；

c、检查各部件的连接及工作情况，在确保各零部件正常工作的情况下，通过相应工具将连接好后致裂杆17推送至所需致裂位置并进行固定密封；

d、先通过三体致裂泵站10上的压裂液泵向压裂液输送管6注入压裂液，保持多通输送管9上对应的转动开关8保持打开状态，其余开关关闭，压裂液通过连接杆16进入致裂杆17，从致裂孔18中流出，对煤体进行初次松动致裂；

e、初次致裂完成后，通过三体致裂泵站10上的电缆开关14，控制网球型闭孔电极19，使得致裂孔18处于关闭状态，再由液氮泵向液氮输送软管11中输入液氮，打开多通输送管9上对应的转动开关8保持打开状态，其余开关关闭，通过上步同样路径，到达致裂孔18，通过液氮的冷冻作用，使得上步保留在煤体中的水分结冰膨胀，对煤体进行二次致裂；

f、二次致裂完成后，通过液氮泵将液氮按照原路径抽回泵站，此时，网球型闭孔电极19结束通电，致裂孔18打开，同时液态二氧化碳泵向液态二氧化碳输送管5中注入液态二氧化碳，打开多通输送管9上对应的转动开关8保持打开状态，其余开关关闭，通过上步同样路径到达致裂孔18，此时通过三体致裂泵站10上的电缆开关14，对高温电阻22进行加热，使得液态二氧化碳瞬间气化，气化的气体流入煤体对煤体进行三次致裂；

g、三次致裂完成后，煤层气抽采泵站1启动工作，通过煤层气抽采泵站1、煤层气输送管2、转角式煤层气输送管3、煤层气抽采管4、煤层气抽采孔27和尖锥形粉尘过滤器24抽采煤层和上覆岩层中的煤层气；

h、待上一级致裂杆17致裂和抽采完成后，进行下一级的致裂抽采，通过转动牵引开关15拉动牵引线13控制线牵引球形阀21关闭上一级致裂杆17，按照上一级致裂抽采的步骤，依次重复，直至完全达到致裂的范围；

i、待煤层气气体抽采完成后，再按照相反顺序拆卸装置，并妥善保管；

j、移至下一个致裂点工作时，重复步骤a-i。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，其特征在于：所述智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统包括：

多相致裂封存机构，包括三体致裂泵站、液态二氧化碳输送管、压裂液输送管、液氮输送软管、连接套箍、转动开关、多通输送管、电缆、牵引线、电缆开关、转动牵引开关、连接杆、致裂杆、致裂孔、网球型闭孔电极、阻隔挡板、线牵引球形阀、高温电阻、钻头、管壁输线管，所述三体致裂泵站前端设置有所述电缆开关和转动牵引开关，所述压裂液输送管、液氮输送软管和液态二氧化碳输送管其一端与三体致裂泵站上各对应泵进行螺纹连接，另一端分别与所述多通输送管上对应管道通过所述连接套箍进行咬合连接，所述多通输送管设置有所述转动开关，其另一端与所述连接杆通过端头螺纹进行螺纹连接，所述致裂杆设置有所述致裂孔、网球型闭孔电极、阻隔挡板、线牵引球形阀和高温电阻，在其管壁上设置有所述管壁输线管，其一端与所述连接杆或致裂杆通过端头螺纹进行螺纹连接，另一端与所述致裂杆或钻头通过端头螺纹进行螺纹连接，所述网球型闭孔电极的网状结构焊接于致裂孔的周围，通过其中部的柔性小弹簧和牵引线与设置于管道内部的球状结构连接，所述阻隔挡板镶嵌于管道内壁，其为中空结构，与管壁上的管壁输线管相通，通过牵引线与所述线牵引球形阀固定连接，所述高温电阻内嵌于致裂杆内侧管壁，所述电缆与网球型闭孔电极、高温电阻相连；

抽采机构，包括煤层气抽采泵站、煤层气输送管、转角式煤层气输送管、煤层气抽采管、尖锥形粉尘过滤器、连接螺丝、煤层气抽采孔、粉尘过滤网，所述煤层气抽采泵站为地面设施，通过所述连接螺丝与煤层气输送管进行螺纹连接，所述转角式煤层气输送管两端通过所述连接螺丝与煤层气输送管进行螺纹连接，所述煤层气抽采管上布置有所述煤层气抽采孔和粉尘过滤网，粉尘过滤网焊接覆盖于煤层气抽采孔，其水平两端分别与所述煤层气输送管或煤层气抽采管通过所述连接螺丝螺纹连接，其下端口与所述尖锥形粉尘过滤器通过端头的螺纹进行螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，其特征在于：所述煤层气抽采管为T字结构，设置有水平两端口和下端口，其T字型结构表面布置多个煤层气抽采孔 。

3.根据权利要求1所述的智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，其特征在于：所述尖锥形粉尘过滤器与煤层气抽采管下端口进行螺纹连接，在其尖锥形结构上设置有目数较大的粉尘过滤网。

4.根据权利要求1所述的智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，其特征在于：所述网球型闭孔电极设置有网状结构、球状结构、柔性小弹簧和牵引线，其中球状结构通过中部的柔性小弹簧和牵引线与固定在致裂孔周围的网状结构固定连接。

5.根据权利要求1所述的智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，其特征在于：所述钻头与致裂杆通过端头螺纹进行连接，在其外部设置有环状钻齿。

6.一种智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采方法，其特征在于：采用如权利要求1至5任一项所述的智能多相致裂耦合二氧化碳驱煤层气抽采系统，包括如下步骤：

a、根据所需致裂煤体的深度和范围，确定各种管道的节数；

b、根据各零部件所对应的空间位置和连接方式，对各零部件进行有顺序的组装；

c、检查各部件的连接及工作情况，在确保各零部件正常工作的情况下，通过相应工具将连接好后的致裂杆推送至所需致裂位置并进行固定密封；

d、先通过三体致裂泵站上的压裂液泵向压裂液输送管注入压裂液，保持多通输送管上对应的转动开关保持打开状态，其余开关关闭，压裂液通过连接杆进入致裂杆，从致裂孔中流出，对煤体进行初次松动致裂；

e、初次致裂完成后，通过三体致裂泵站上的电缆开关，控制网球型闭孔电极，使得致裂孔处于关闭状态，再由液氮泵向液氮输送管中输入液氮，打开多通输送管上对应的转动开关，其余开关关闭，通过上步同样路径，到达致裂孔，通过液氮的冷冻作用，使得上步保留在煤体中的水分结冰膨胀，对煤体进行二次致裂；

f、二次致裂完成后，通过液氮泵将液氮按照原路径抽回泵站，此时，网球型闭孔电极结束通电，致裂孔打开，同时液态二氧化碳泵向液态二氧化碳输送管中注入液态二氧化碳，打开多通输送管上对应的转动开关，其余开关关闭，通过上步同样路径到达致裂孔，此时通过三体致裂泵站上的电缆开关，对高温电阻进行加热，使得液态二氧化碳瞬间气化，气化的气体流入煤体对煤体进行三次致裂；

g、三次致裂完成后，煤层气抽采泵站启动工作，通过煤层气抽采泵站、煤层气输送管、转角式煤层气输送管、煤层气抽采管、煤层气抽采孔和尖锥形粉尘过滤器抽采煤层和上覆岩层中的煤层气气体；

h、待上一级致裂杆致裂和抽采完成后，进行下一级的致裂抽采，通过转动牵引开关拉动牵引线控制线牵引球形阀关闭上一级致裂杆，按照上一级致裂抽采的步骤，依次重复，直至完全达到致裂的范围；

i、待煤层气气体抽采完成后，再按照相反顺序拆卸装置，并妥善保管；

j、移至下一个致裂点工作时，重复步骤a-i。

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