CN114000858B - 可组合多管式液态二氧化碳致裂器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器及其使用方法，涉及矿井开采设备领域，包括主管、泄能装置、能量隔离释放装置、储液管、激发装置及止飞装置，主管包括管本体，管本体为中间细、两头粗的壳体，泄能装置和激发装置分别位于管本体内的前端和末端，储液管设置有至少一根，每根储液管均对应一能量隔离释放装置，能量隔离释放装置位于储液管的前端，且位于泄能装置的后端；每根储液管内均装有液态二氧化碳，且在储液管的尾端设置有发热器。本发明二氧化碳致裂器能够实现对钻孔全段范围进行致裂，提高致裂效果；本发明二氧化碳致裂器所有的电路连接均为内置全封闭，在整个操作过程中无明火，在煤与瓦斯突出的矿井中使用更为安全。

Description

可组合多管式液态二氧化碳致裂器及其使用方法

技术领域

本发明涉及矿井开采设备领域，具体涉及一种二氧化碳致裂器。

背景技术

地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料，是我国的主体能源和重要的工业原料。随着时代的发展，对能源的需求越来越高，如何更高效利用煤炭资源达到煤与瓦斯共采是当前对煤炭资源开发利用的一个热点。相比于石油天然气的地面抽采技术，抽采有很大的不同，在储油层内天然气通常浮在液态石油上方，具有良好的流动性。而瓦斯大多是处于吸附状态，多吸附于固体表面或者微孔裂隙内，不是可以流动的气体，所以抽放比天然气困难得多。只有当温度升高或者煤层应力状态改变时，在煤体上吸附的瓦斯才会转变为游离状态，从而有利于开采。

二氧化碳致裂器是利用二氧化碳相变致裂以超临界二氧化碳与气态二氧化碳之间的能量差作为破岩动力，致裂时液态二氧化碳首先吸热转化为超临界态，再泄压膨胀转换为高压气体，破碎煤层，以达到抽采瓦斯的效果。且作业过程中无明火，破环性震动及冲击波，不用考虑瓦斯遇火爆炸的可能且对周围环境影响不大。

现有技术有关二氧化碳致裂器方面的研究报道主要有：

CN105066801A公开了一种二氧化碳致裂器，包括泄能头、定压泄能片、主管和充装头，泄能头和充装头分别旋合在主管的两端，充装头上设置有通向主管充装腔的重装通道及开启和关闭充装通道的顶针，泄能头上设置有泄能通道，泄能通道的一端通向主管的充装腔，另一端通向二氧化碳致裂器外，泄能头泄能通道与主管的充装腔间密封设置有定压泄能片，主管的充装腔内设置有加热装置，定压泄能片在加热装置将充装到主管充装腔内的液态二氧化碳加热气化并膨胀到一定压力破裂。

CN105604550A公开了一种二氧化碳致裂器，包括带有中空腔体的储液管，储液管具有两连接端，储液管左侧的连接端与一释放管连接，释放管的释放通道与储液管的中空腔体连通，释放管的释放通道还与设置在释放管左端外壁上的释放孔相连通，储液管右侧的连接端设有伸入储液管中空腔体内的发热管，储液管右侧的连接端与一充装阀连接，充装阀内设有起爆头，起爆头通过导线与发热管电连接，充装阀的外壁上设有充气阀，充装阀内设有与储液管中空腔体相连通的充气通道，充气通道与充气阀连通，充装阀的右端连接有点火连接装置，点火连接装置通过导线与起爆头电连接。

上述现有技术均对二氧化碳致裂器做了相关研究，如前者通过使用二氧化碳致裂器代替了爆破常用的炸药，提高了安全性；后者通过将若干个二氧化碳致裂器串联，并逐一插入爆破孔，来达到致裂威力大的效果。

上述现有技术虽然在二氧化碳致裂管的研究方面取得了一定的进步，但是仍存在爆破威力较小、对煤层的致裂效率低的特点，且开始爆破作业后人员再次进入现场更换致裂管具有一定的安全隐患，且投入的人工成本也较高。而且现有技术采用的致裂管在储液管受热膨胀时，气体从前端释放口释放，释放口所占整个释放装置的前端一小部分，对释放口周围煤层起到了致裂效果，但后端主管周围煤层致裂效果不是很好。即使致裂作业前钻孔作业钻了足够深的孔或填入了多个致裂管，仍有很大范围内的煤层未达到良好的致裂效果，浪费了前期钻深孔和填入多个致裂管所投入的成本，整体致裂效率低。

因此，有必要提供一种新的能实现对钻孔全段范围进行致裂的致裂管解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其通过对致裂器结构进行改进，可以实现对钻孔全段范围内的致裂，提高致裂效率。

为了实现上述目的，本发明所需克服的技术难题主要在于：

在现有致裂器只对释放口周围煤层有较好的致裂效果，但对后端主管周围煤层致裂效果差的基础上，如何对致裂器进行改进，使其在大范围煤层内达到更好的致裂效果；在保证致裂范围提高的基础上，如何进一步提高致裂器的致裂效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其包括主管、泄能装置、能量隔离释放装置、储液管、激发装置及止飞装置，所述的主管包括管本体，所述的管本体为中间细、两头粗的壳体，位于中间的壳体和位于两头的壳体的内径保持一致，位于中间的壳体的外径小于位于两头的壳体的外径，且位于两头的壳体的外径保持一致，在位于两头的壳体的外围设置有若干个均匀排布的泄能口；所述的止飞装置设置在位于中间的壳体上；

所述的泄能装置、能量隔离释放装置、储液管及激发装置均位于所述的管本体内；

所述的泄能装置和激发装置分别位于管本体内的前端和末端；

所述的储液管配置有固定支架，通过所述的固定支架对储液管进行固定；

所述的储液管设置有至少一根，每根储液管均对应一能量隔离释放装置，所述的能量隔离释放装置位于储液管的前端，且位于泄能装置的后端；

每根储液管内均装有液态二氧化碳，且在储液管的尾端设置有发热器，在所述的激发装置上设置有输液管，通过所述的输液管向所述的储液管内通入液态二氧化碳；

每根储液管设置有独立的电线，且位于所述的管本体内部，所述的能量隔离释放装置的释放阀门通过线路与激发装置连接，当激发装置释放电流时，通过该线路将所述的释放阀门打开，所述的发热器受电流激发开始发热，在所述的释放阀门与储液管之间设置有破裂片；当储液管内的液态二氧化碳在所述的发热器的作用下受热转变为超临界状态时，储液管内的压力达到一定峰值后冲破所述的破裂片，并自动释放储液管中的能量，所述的泄能装置用于对冲破破裂片后的气体进行泄能，然后通过泄能装置的泄能口进入所述的主管，通过所述的主管上的泄能口释放至外部进行致裂。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

通过将主管的结构设置为中间细、两头粗的壳体，当经过泄能装置的泄能口排出的气体进入主管内时，气体可从主管的前端和后端同时排出，这样可以实现对钻孔内致裂管所在全段范围的致裂作用。更为重要的是，与现有技术中将多根主管串联使用不同，本发明中仅仅采用一根主管，通过在该主管内设置至少一根，最多四根储液管，来提高致裂效率。通过固定支架将储液管进行固定，然后通过布置多根储液管，往多根储液管内通入二氧化碳液体，通过与其相配合的激发装置、能量隔离释放装置，在保证安全的同时，整体上提高了致裂效率。

作为本发明的一个优选方案，所述的1根≤储液管的数量≤4根，每根储液管连接的电线均为隐线布置。

作为本发明的另一个优选方案，所述的止飞装置与管本体之间设置有活动轮，所述的止飞装置利用所述的活动轮在管本体的中间移动，通过所述的止飞装置将所述的可组合多管式液态二氧化碳致裂器固定在致裂孔中。

通过在管本体的中间设置止飞装置，可以防止在致裂作业中的致裂器喷出。

进一步优选，所述的储液管内装有一定数量的沙砾。

进一步优选，所述的泄能装置上还设置有压力显示器，通过所述的压力显示器监控储液管内的压力。

进一步优选，在所述的输液管上设置有输液阀门，所述的主管采用钢材质材料制作而成。

上述的主管采用高强度不锈钢材质制作而成，在储液管内放置一定数量的沙砾颗粒。

本发明的另一目的在于提供一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器的使用方法，依次包括以下步骤：

a、准备致裂作业前，通过激发装置释放电流，释放的电流通过线路将所述的能量隔离释放装置的释放阀门打开，同时位于储液管内的发热器受电流激发开始发热；

b、随着所述的发热器的持续发热，位于储液管内的液态二氧化碳逐渐由液态转变为超临界态，当储液管内的压力达到一定峰值时，冲破破裂片，瞬间自动释放储液管中的能量；

c、气体冲破破裂片后进入所述的泄能装置，经过所述的泄能装置的泄能口后进入主管；

d、气体接着进入主管，之后由主管的管本体的两头设置的泄能口释放至外部，由此达到对钻孔内致裂管所在全段范围的致裂作用。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)本发明二氧化碳致裂器能组合多根储液管，且能人为控制储液管的释放，使致裂的效果更好，持续时间更长，能源利用率高。

(2)本发明二氧化碳致裂器中主管内的压力和压力的释放由能量隔离释放装置进行控制，能量隔离释放装置设置有压力控制显示器，能够精准的控制主管内的压力并可监控主管内的压力变化，使致裂器释放压力和能量更加准确可控，控制的压力更加安全可靠。

(3)本发明二氧化碳致裂器所有的电路连接均为内置全封闭，在整个操作过程中无明火，在煤与瓦斯突出的矿井中使用更为安全。

综上所述，本发明二氧化碳致裂器能够实现对钻孔全段范围进行致裂，提高致裂效果。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明二氧化碳致裂器的俯视内部结构示意图；

图2为主管结构示意图；

图3为致裂器侧面示意图；

图4为主管立体示意图；

图中：

1、主管，2、主管泄能口，3、活动轮，4、止飞装置，5、输液管，6、输液阀门，7、激发装置，8、线路孔，9、泄能装置，10、泄能装置泄能口，11、能量隔离释放装置，12、释放阀门，13、线路，14、液态二氧化碳，15、发热器，16、固定支架，17、压力显示器，18、破裂片，19、储液管。

具体实施方式

本发明提出了一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器及其使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

结合图1至图4所示，本发明一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，包括主管1、主管泄能口2、活动轮3、止飞装置4、输液管5、输液阀门6、激发装置7、线路孔8、泄能装置9、泄能装置泄能口10、能量隔离释放装置11、释放阀门12、线路13、液态二氧化碳14、发热器15、固定支架16、压力显示器17、破裂片18、储液管19。

作为本发明的一个主要改进点，对主管1的结构做了改进，主管包括管本体，管本体为中间细、两头粗的壳体，位于中间的壳体和位于两头的壳体的内径保持一致，位于中间的壳体的外径小于位于两头的壳体的外径，且位于两头的壳体的外径保持一致，在位于两头的壳体的外围设置有若干个均匀排布的泄能口，主管这样设计的目的在于，当经过泄能装置的泄能口排出的气体进入主管内时，气体可从主管的前端和后端同时排出，这样可以实现对钻孔内致裂管所在全段范围的致裂作用。相对于现有技术中仅仅在主管的前端设置泄能口而言，本发明主管的设计可提高致裂效率。

止飞装置设置在位于中间的壳体上，止飞装置与壳体之间还设置有活动轮，二者可实现相对滑动，且仅仅是在管本体的中间区域，即比较细的管本体上。止飞装置的主要作用是防止喷出的气体产生巨大的冲击反力引起致裂器发生“飞管”，止飞装置的主要结构借鉴现有技术即可实现。

泄能装置、能量隔离释放装置、储液管及激发装置均位于管本体内，其中，泄能装置和激发装置分别位于管本体的首尾两端，能量隔离释放装置紧跟泄能装置，泄能装置包括泄能口和压力显示器，压力显示器的作用是：精准控制释放压力，当压力不够未达到理想致裂效果时，通过激发装置释放电流，打开主管内还未使用的储液管所对应的释放阀门，同时激发储液管内的发热器，实现再次致裂作业。致裂结束后，可打开输液阀门，通过输液管对储液管再次填装致裂剂。

激发装置与线路连接，且连接至能量隔离释放装置，在能量隔离释放装置上设置破裂片，当主管内压力达到一定峰值时，冲破能量隔离释放装置的破裂片，实现储液管中能量的释放。

作为本发明的另一个主要改进点，储液管至少设置一根，最多设置有四根，优选设置有2～4根，这样，多根储液管在管本体内，并通过固定支架对其进行固定，并且，每根储液管配备有一能量隔离释放装置，在每根储液管内充装有液态二氧化碳，也可放置少量沙砾，在储液管的尾端设置有发热器，通过该发热器对储液管内的液态二氧化碳提供热量。

通过设置多根储液管，并将主管的结构进行改进，与能量隔离释放装置、激发装置及泄能装置配合使用，即形成本发明可组合多管式液态二氧化碳致裂器。

作为本发明的优选，主管由特殊钢材制成，可以承受至少170MPa的压力。

注：本发明二氧化碳致裂器中所有的电路连接均为暗线内置，在整个操作过程中无明火，在煤与瓦斯突出的矿井中使用更为安全。

下面对本发明可组合多管式液态二氧化碳致裂器的工作原理及使用方法做如下说明：

储液管可自由放置于固定支架内，最多可同时容纳4根储液管，每根储液管都对应独立的能量隔离释放装置，且每根储液管都设置有独立的线路(电线)，电线是设置在主管内部的，电线属于暗线连接，操作过程中不会出现明火，电路系统稳定可靠。连接隔离释放装置的电线与激发装置相连，受激发装置所控制，准备致裂作业前，激发装置释放电流，通过管内电线将能量隔离释放装置中的释放阀门打开，同时储液管内的发热器受电流激发开始发热，储液管中主要充装液态二氧化碳，也可放置少量沙砾。管内液态二氧化碳液体受热由液态转变为超临界态，管内压力达到一定峰值时冲破能量隔离释放装置中的破裂片，瞬间自动释放储液管中的能量。气体冲破破裂片后进入泄能装置，由泄能装置外部所布置的泄能口进入主管，主管外壁布满定向的泄能口，泄能口是为了更好的集中能量，为能量提供方向，气体从泄能口释放至外部，达到对钻孔内致裂管所在全段范围的致裂作用，解决了煤矿现有致裂技术的致裂效率低，煤层内瓦斯抽采率低的问题。液态二氧化碳可与少量的沙砾颗粒混合用于支撑孔的裂隙，使得致裂的效果更好，持续时间更长。

泄能装置上设置的压力显示器可有效监控储液管内的压力，精准控制释放压力，当压力不够未达到理想致裂效果时，通过激发装置释放电流，打开主管内还未使用的储液管所对应的释放阀门，同时激发储液管内的发热器，实现再次进行持续的致裂作业。致裂结束后，可打开输液阀门，通过输液管对储液管进行再次填装致裂剂。

本发明二氧化碳致裂器设计合理，首次采用多个储液管组合使用，可根据孔内煤层致裂效果选择多个储液管持续作业，且采用液态二氧化碳与少量沙砾颗粒混合使用，使得致裂效果更好，持续时间更长，甲烷的采抽率更高，解决了单个致裂管提供能量不足、需要反复装管的问题。储液管内的压力和压力的释放由能量隔离释放装置进行控制，主管内各个储液管相互独立放置在固定支架内，每个储液管都独立设置有能量隔离释放装置、通过通孔电线打开释放阀门、激活发热器，气化液态二氧化碳开始致裂作业。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会超越权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其包括主管、泄能装置、能量隔离释放装置、储液管、激发装置及止飞装置，其特征在于：

所述的主管包括管本体，所述的管本体为中间细、两头粗的壳体，位于中间的壳体和位于两头的壳体的内径保持一致，位于中间的壳体的外径小于位于两头的壳体的外径，且位于两头的壳体的外径保持一致，在位于两头的壳体的外围设置有若干个均匀排布的泄能口；所述的止飞装置设置在位于中间的壳体上；

所述的泄能装置、能量隔离释放装置、储液管及激发装置均位于所述的管本体内；

所述的泄能装置和激发装置分别位于管本体内的前端和末端；

所述的储液管配置有固定支架，通过所述的固定支架对储液管进行固定；

所述的储液管设置有至少一根，每根储液管均对应一能量隔离释放装置，所述的能量隔离释放装置位于储液管的前端，且位于泄能装置的后端；

每根储液管内均装有液态二氧化碳，且在储液管的尾端设置有发热器，在所述的激发装置上设置有输液管，通过所述的输液管向所述的储液管内通入液态二氧化碳；

每根储液管设置有独立的电线，且位于所述的管本体内部，所述的能量隔离释放装置的释放阀门通过线路与激发装置连接，当激发装置释放电流时，通过该线路将所述的释放阀门打开，所述的发热器受电流激发开始发热，在所述的释放阀门与储液管之间设置有破裂片；当储液管内的液态二氧化碳在所述的发热器的作用下受热转变为超临界状态时，储液管内的压力达到一定峰值后冲破所述的破裂片，并自动释放储液管中的能量，所述的泄能装置用于对冲破破裂片后的气体进行泄能，然后通过泄能装置的泄能口进入所述的主管，通过所述的主管上的泄能口释放至外部进行致裂。

2.根据权利要求1所述的一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其特征在于：所述的1根≤储液管的数量≤4根，每根储液管连接的电线均为隐线布置。

3.根据权利要求1所述的一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其特征在于：所述的止飞装置与管本体之间设置有活动轮，所述的止飞装置利用所述的活动轮在管本体的中间移动，通过所述的止飞装置将所述的可组合多管式液态二氧化碳致裂器固定在致裂孔中。

4.根据权利要求1所述的一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其特征在于：所述的储液管内装有一定数量的沙砾。

5.根据权利要求1所述的一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其特征在于：所述的泄能装置上还设置有压力显示器，通过所述的压力显示器监控储液管内的压力。

6.根据权利要求1所述的一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器，其特征在于：在所述的输液管上设置有输液阀门，所述的主管采用钢材质材料制作而成。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种可组合多管式液态二氧化碳致裂器的使用方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、准备致裂作业前，通过激发装置释放电流，释放的电流通过线路将所述的能量隔离释放装置的释放阀门打开，同时位于储液管内的发热器受电流激发开始发热；

b、随着所述的发热器的持续发热，位于储液管内的液态二氧化碳逐渐由液态转变为超临界态，当储液管内的压力达到一定峰值时，冲破破裂片，瞬间自动释放储液管中的能量；

c、气体冲破破裂片后进入所述的泄能装置，经过所述的泄能装置的泄能口后进入主管；

d、气体接着进入主管，之后由主管的管本体的两头设置的泄能口释放至外部，由此达到对钻孔内致裂管所在全段范围的致裂作用。