CN114370256A - 一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统和方法，在煤层内施工有注入钻孔，所述注入钻孔的致裂半径范围内施工有抽采钻孔；抽采系统包括分别通过管道连通所述注入钻孔的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，所述冷冻介质供给装置、所述溶解介质供给装置和所述驱替介质供给装置依次向所述注入钻孔内注入液态CO2、热蒸汽和气态CO2，所述抽采钻孔连通有瓦斯抽采管路，在注入气态CO2时，所述瓦斯抽采管路工作抽采瓦斯；本发明在向煤层的注入钻孔内注入冷冻介质后，再向注入钻孔内注入溶解介质，能够利用冷热冲击，多重致裂煤层，增强煤层致裂效果，提高煤层渗透性，进而增加瓦斯抽采的效率。
Description
技术领域
本发明涉及低渗透煤层瓦斯抽采技术领域，特别是涉及一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统和方法。
背景技术
瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯灾害，实现瓦斯利用，优化能源结构的基本途径。对于渗透率较低的煤层，会阻碍瓦斯抽采，必须人为对煤层进行增透，保障瓦斯抽采顺利进行。
现有技术中一般采用水力压裂、CO2致裂等方式，其中无水液态CO2增透以液态CO2为介质，通过汽化膨胀、水冰相变及冷收缩等机理对煤体进行增透，煤体孔隙改造效果明显，瓦斯抽采量显著提高。但是，煤体经过液态CO2冻结处理，冻结水以固体形式堵塞孔隙，煤体自然融化时间较长，增透过程与抽采过程时间间隔较大，整体抽采效率较低，难以适应现代化煤矿生产。
对于利用液态CO2进行驱替的方案，例如，申请公布号为CN 111894658 A的中国专利公开了一种液态CO2相变驱置煤层CH4单孔压注量的确定方法，该方案通过推导计算开采煤层工作面最小风量、顺层钻孔液态CO2压注驱替后煤层CH4残存量、单孔液态CO2压注后需驱替置换的煤层CH4含量等关键参数；实验室三轴实验确定驱替置换比；根据经验公式确定CO2有效扩散半径，最后得到顺层钻孔单孔液态CO2压注量计算经验公式，并为此经验公式提供修正公式；该方案对于液态CO2的研究在于驱替参数而非压裂效果上，如何能够在利用液态CO2的基础上进一步提高压裂效果进而再提高驱替效果，显然不是该方案所能够给出的技术启示。
除了利用水力压裂和CO2致裂等方式外，现有技术中还存在利用蒸汽进行致裂的方案，例如，申请公布号为CN 107893651 A的中国专利公开了一种煤矿井下注热增透装置，输水管道与蒸汽发生器的进水端连接；蒸汽发生器的出气端通过输气管道与蒸汽加压装置连接；蒸汽加压装置出气端通过管道与加热孔连接；该方案提供了一种利用蒸汽致裂增透的方式，声称能够解决现有技术CO2致裂存在实施成本高，水力压裂存在污染环境，而且增透效果不好等技术问题，但是，该方案仍旧采用的是压力致裂的方式，只是依靠水蒸气的压力对煤层进行致裂，致裂效果提升并不明显。
因此，如何能够在现有致裂的方案的基础上能够进一步的提高致裂效果进而提高瓦斯抽采效率是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，设置有通过管道连通注入钻孔的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，在向煤层的注入钻孔内注入液态CO2后，再向注入钻孔内注入热蒸汽，能够利用冷热冲击，多重致裂煤层，增强煤层致裂效果，提高煤层渗透性，进而增加瓦斯抽采的效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，在煤层内施工有注入钻孔，所述注入钻孔的致裂半径范围内施工有抽采钻孔；包括分别通过管道连通所述注入钻孔的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，所述冷冻介质供给装置、所述溶解介质供给装置和所述驱替介质供给装置依次向所述注入钻孔内注入液态CO2、热蒸汽和气态CO2，所述抽采钻孔连通有瓦斯抽采管路，在注入气态CO2时，所述瓦斯抽采管路工作抽采瓦斯。
优选地，所述冷冻介质供给装置包括液态CO2罐，所述溶解介质供给装置包括水箱以及连接在所述水箱和所述注入钻孔之间的管道上的蒸汽发生器，所述驱替介质供给装置包括气态CO2罐，所述液态CO2罐、所述水箱和所述气态CO2罐均连接有空气压缩机，所述空气压缩机连接矿井压风管路。
优选地，所述液态CO2罐与所述注入钻孔之间的管道上设置有流量传感器和增压手柄，所述注入钻孔的前段设置有压力传感器。
优选地，所述蒸汽发生器设置在箱体内，所述箱体的上部设置有煤尘过滤网。
优选地，所述瓦斯抽采管路上设置有瓦斯浓度传感器，抽采泵的出口侧设置有背压阀。
本发明还提供一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，包括以下步骤：
(1)在煤层上施工注入钻孔，并在所述注入钻孔的致裂半径范围内施工抽采钻孔；
(2)将液态CO2作为冷冻介质注入所述注入钻孔内，所述煤层进入冻结状态；
(3)将热蒸汽作为溶解介质注入所述注入钻孔内，溶解冻结状态的所述煤层；
(4)将气态CO2作为驱替介质注入所述注入钻孔内，对煤层内瓦斯进行驱替置换，同时，通过所述抽采钻孔进行瓦斯抽采。
优选地，所述热蒸气温度：100～150℃。
优选地，步骤(1)中的致裂半径：0.5m～2m。
优选地，步骤(2)中液态CO2的注入压力：0～6MPa，注入时间：3～9h；步骤(3)中热蒸气的注入压力：0～6MPa，注入时间：3～9h。
优选地，监测瓦斯抽采管路中瓦斯浓度，当瓦斯浓度低于设计值时，停止气态CO2注入和瓦斯抽采。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明设置有通过管道连通注入钻孔的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，在向煤层的注入钻孔内注入液态CO2后，再向注入钻孔内注入热蒸汽，能够利用冷热冲击，多重致裂煤层，增强煤层致裂效果，提高煤层渗透性，进而增加瓦斯抽采的效率；
(2)本发明设置有蒸汽发生器，将水转化为100～150℃的高温水蒸气，通过注入高温水蒸气，能够促进低温液态CO2冻结煤层融化，保证致裂后煤层孔隙贯通，提高煤层增透性过程与瓦斯抽采过程连贯性；而且，采用高温水蒸气，高温水蒸气冷却后产生的水还可以起到降尘的作用，避免煤层的粉尘影响瓦斯的抽采；
(3)本发明在瓦斯抽采管路上设置有瓦斯浓度传感器，抽采泵的出口侧设置有背压阀，利用瓦斯浓度传感器监测瓦斯抽采管路的瓦斯浓度，当瓦斯浓度低于设定值时，停止瓦斯抽采和气态CO2注入，背压阀防止瓦斯抽采管路内气体倒流，从而能够维护瓦斯抽采管路的正常运行；
(4)本发明利用矿井压风管路和空气压缩机为液态CO2、水和气态CO2提供动力，借助矿井原有设施和系统，减少装置复杂性，井下可操作性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统示意图；
图2为本发明煤层及其施工钻孔示意图；
其中，1、液态CO2罐；2、水箱；3、气态CO2罐；4、空气压缩机；5、阀门；6、管道；7、流量传感器；8、增压手柄；9、煤尘过滤网；10、箱体；11、蒸汽发生器；12、背压阀；13、瓦斯抽采管路；14、矿井压风管路；15、煤层；151、注入钻孔；152、抽采钻孔；153、封孔器；16、抽采泵；17、瓦斯浓度传感器；18、压力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统和方法，以解决现有技术存在的问题，设置有通过管道连通注入钻孔的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，在向煤层的注入钻孔内注入液态CO2后，再向注入钻孔内注入热蒸汽，能够利用冷热冲击，多重致裂煤层，增强煤层致裂效果，提高煤层渗透性，进而增加瓦斯抽采的效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～2所示，本发明提供一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，在煤层15内施工有注入钻孔151，注入钻孔151的致裂半径范围内施工有抽采钻孔152，注入钻孔151和抽采钻孔152交替排列，并利用封孔器153对注入钻孔151和抽采钻孔152进行封孔。在煤层15致裂后，注入钻孔151与抽采钻孔152之间孔隙贯通，此时，在注入钻孔151内注入驱替气体，能够将孔隙内的瓦斯置换驱替而出，从而能够由抽采钻孔152抽采瓦斯。本发明瓦斯抽采系统包括分别通过管道6连通注入钻孔151的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，管道6上可以设置有分支，每一分支连通一种供给装置，最后在注入钻孔151前段汇聚成一根主管，为了能够控制通入介质的量和时间，还可以在各支路以及主管上设置有阀门5。冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置依次向注入钻孔151内注入冷冻介质(可以采用液氮等，优选采用液态CO2)、溶解介质(可以采用高温空气等，优选采用热蒸汽)和驱替介质(可以采用空气等，优选采用气态CO2)。其中，液态CO2等冷冻介质，能够在通入注入钻孔151后，对煤层15冷冻致裂；热蒸汽等溶解介质，在通入注入钻孔151后，能够对冷冻的煤层15进行溶解解冻。采用先冷冻后结冻的方式，能够利用冷冻介质和溶解介质的冷热冲击，多重致裂煤层15，增强煤层15致裂效果，提高煤层15渗透性，进而增加瓦斯抽采的效率。抽采钻孔152连通有瓦斯抽采管路13，一个或多个抽采钻孔152对应一条瓦斯抽采管路13，多个瓦斯抽采管路13又可以汇聚成一个瓦斯抽采总管。瓦斯抽采管路13上可以设置有抽采泵16，在向注入钻孔151注入气态CO2等驱替介质时，抽采泵16工作将驱替的瓦斯抽采进瓦斯抽采管路13，进而完成瓦斯的抽采工作。
冷冻介质供给装置包括液态CO2罐1，液态CO2罐1内储存有低温液态CO2气体，温度-37℃，通过管道6注入钻孔151，并且，液态CO2罐1可以连接有动力驱动装置，以能够将液态CO2由液态CO2罐1沿管道6输送到注入钻孔151，例如，可以采用增压装置向液态CO2罐1内增压的方式将液态CO2挤出。溶解介质供给装置包括水箱2以及连接在水箱2和注入钻孔151之间的管道6上的蒸汽发生器11，蒸汽发生器11能够将水箱2内输送的水进行加热气化变成水蒸气，再输送到注入钻孔151内；水箱2可以连接有动力驱动装置，以能够将水箱2内的水输送到蒸汽发生器11，例如，可以采用增压装置向水箱2内增压的方式将水挤出。驱替介质供给装置包括气态CO2罐3，气态CO2罐3内储存有气态CO2，气态CO2本身可以有一定的压力，依靠自身压力输送到注入钻孔151内，也可以连接有动力驱动装置，例如，采用增压装置向气态CO2罐3内增压的方式将气态CO2挤出。上述的动力驱动装置可以分别一一对应设置，也可以只设置有同一组，通过不同的管路和阀门5连接到各罐体或箱体10的进口。动力驱动装置可以选择空气压缩机4，液态CO2罐1、水箱2和气态CO2罐3均可以连接有同一空气压缩机4，空气压缩机4连接矿井压风管路14。利用矿井压风管路14和空气压缩机4为液态CO2、水和气态CO2提供动力，从而能够借助矿井原有设施和系统，减少装置复杂性，井下可操作性更强。可以设置移动车体，将液态CO2罐1、水箱2和气态CO2罐3集成一个整体，方便运输和移动，满足煤矿高速生产的节奏。
液态CO2罐1与注入钻孔151之间的管道6上可以设置有流量传感器7和增压手柄8，流量传感器7能够监测液态CO2的注入量的多少；增压手柄8则可以使得通过人为手段对管道6进行增压，对液态CO2的输送压力进行调整，保证压力稳定。
注入钻孔151的前段还可以设置有压力传感器18，以能够监测注入介质(液态CO2、气态CO2或热蒸气)压力的大小。
蒸汽发生器11可以设置在箱体10内，以对蒸汽发生器11进行保护，同时，由于煤矿井下粉尘较多，为避免煤尘干扰蒸汽发生器11工作，可以在箱体10的上部设置有煤尘过滤网9，利用煤尘过滤网9能够避免粉尘进入蒸汽发生器11。
瓦斯抽采管路13上可以设置有瓦斯浓度传感器17，抽采泵16的出口侧可以设置有背压阀12，利用瓦斯浓度传感器17能够监测瓦斯抽采管路13的瓦斯浓度，当瓦斯浓度低于设定值时，停止瓦斯抽采和气态CO2注入，背压阀12能够防止瓦斯抽采管路13内气体倒流，从而能够维护瓦斯抽采管路13的正常运行。
再次结合图1～2所示，本发明还提供一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，该方法可以应用前文所记载的煤层瓦斯抽采装置，包括以下步骤：
(1)在煤层15上施工注入钻孔151，并在注入钻孔151的致裂半径范围内施工抽采钻孔152；注入钻孔151和抽采钻孔152交替排列，利用封孔器153进行封孔。
(2)向注入钻孔151内注入冷冻介质，煤层15进入冻结状态；此处所说的冻结状态是冷冻介质(可以是液氮，优选采用液态CO2)对煤层15致裂作用的一个表征，因为致裂机制有温度冲击、水冰相变及气体膨胀等，将这一整体致裂过程称为冻结。
(3)向注入钻孔151内注入溶解介质(可以是高温空气，优选采用热蒸汽)，溶解冻结状态的煤层15；利用溶解介质溶解煤层15中水分遇冷形成的冰，打通煤层15瓦斯运移通道。
(4)向注入钻孔151内注入驱替介质(可以是空气，优选采用气态CO2)，对煤层15内瓦斯进行驱替置换，同时，通过抽采钻孔152进行瓦斯抽采。
冷冻介质优选采用液态CO2，溶解介质优选采用热蒸气，热蒸气温度范围为100-150℃，驱替介质优选采用气态CO2。
步骤(1)中的致裂半径：0.5m～2m。注入钻孔151和抽采钻孔152的大小均可以采用常规钻孔，例如，钻孔孔径为94mm，深度为矿井工作面长度。抽采钻孔152和注入钻孔151之间的间距、液态CO2能够起到致裂效果的区域范围，即为致裂半径。在实际应用时，可以设置初始致裂半径为0.8m，结合驱替抽采过程瓦斯浓度变化，确定最佳致裂半径，致裂效果及孔隙贯通效果，可从瓦斯抽采浓度得到反馈。
步骤(2)中液态CO2的注入压力：0～6MPa，注入时间：3～9h。步骤(3)中热蒸气的注入压力：0～6MPa，注入时间：3～9h。通过现场应用，结合瓦斯抽采管路13瓦斯抽采浓度，确定最佳注入参数区间。
监测瓦斯抽采管路13中瓦斯浓度，当瓦斯浓度低于设计值时，停止气态CO2注入和瓦斯抽采。
本发明提供一具体的瓦斯抽采过程的实施例：
(1)抽采系统准备：
1)对煤层15打孔，注入钻孔151和抽采钻孔152交替排列，利用封孔器153封孔；
2)将抽采系统运至工作区域，检查设备完整性，利用管道6连接各设备；
3)检查气密性，确认管道6连接完好；
(2)煤层15致裂：
1)启动空气压缩机4，打开液态CO2罐1的阀门5，利用增压手柄8为管道6增压，液态CO2经注入钻孔151进入煤层15；完成煤层冻结后，关闭液态CO2罐1的阀门5；
2)打开水箱2的阀门5，水由管道6进入蒸汽发生器11，形成高温水蒸气，高温水蒸气经注入钻孔151进入煤层15，溶解冻结状态的煤层15，待煤层15溶解结束后，关闭水箱2的阀门5；
(3)瓦斯抽采：
1)打开气态CO2罐3的阀门5，CO2经注入钻孔151进入煤层15，对煤层15内瓦斯进行驱替置换；CO2驱替置换同时，启动抽采泵16，通过抽采钻孔152进行煤层15内瓦斯的抽采，抽采的瓦斯经瓦斯抽采管路13抽出矿井；
2)通过瓦斯浓度传感器17监测瓦斯抽采管路13中瓦斯浓度，当瓦斯浓度低于设定值时，关闭空气压缩机4和抽采泵16，停止CO2注入和瓦斯抽采。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，其特征在于：在煤层内施工有注入钻孔，所述注入钻孔的致裂半径范围内施工有抽采钻孔；包括分别通过管道连通所述注入钻孔的冷冻介质供给装置、溶解介质供给装置和驱替介质供给装置，所述冷冻介质供给装置、所述溶解介质供给装置和所述驱替介质供给装置依次向所述注入钻孔内注入液态CO2、热蒸汽和气态CO2，所述抽采钻孔连通有瓦斯抽采管路，在注入气态CO2时，所述瓦斯抽采管路工作抽采瓦斯。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，其特征在于：所述冷冻介质供给装置包括液态CO2罐，所述溶解介质供给装置包括水箱以及连接在所述水箱和所述注入钻孔之间的管道上的蒸汽发生器，所述驱替介质供给装置包括气态CO2罐，所述液态CO2罐、所述水箱和所述气态CO2罐均连接有空气压缩机，所述空气压缩机连接矿井压风管路。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，其特征在于：所述液态CO2罐与所述注入钻孔之间的管道上设置有流量传感器和增压手柄，所述注入钻孔的前段设置有压力传感器。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，其特征在于：所述蒸汽发生器设置在箱体内，所述箱体的上部设置有煤尘过滤网。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替系统，其特征在于：所述瓦斯抽采管路上设置有瓦斯浓度传感器，抽采泵的出口侧设置有背压阀。
6.一种二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在煤层上施工注入钻孔，并在所述注入钻孔的致裂半径范围内施工抽采钻孔；
(2)将液态CO2作为冷冻介质注入所述注入钻孔内，所述煤层进入冻结状态；
(3)将热蒸汽作为溶解介质注入所述注入钻孔内，溶解冻结状态的所述煤层；
(4)将气态CO2作为驱替介质注入所述注入钻孔内，对煤层内瓦斯进行驱替置换，同时，通过所述抽采钻孔进行瓦斯抽采。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，其特征在于：所述热蒸汽温度：100～150℃。
8.根据权利要求7所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，其特征在于：步骤(1)中的致裂半径：0.5m～2m。
9.根据权利要求8所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，其特征在于：步骤(2)中液态CO2的注入压力：0～6MPa，注入时间：3～9h；步骤(3)中热蒸气的注入压力：0～6MPa，注入时间：3～9h。
10.根据权利要求6-9任一项所述的二氧化碳热蒸汽冻融煤层增渗及瓦斯驱替方法，其特征在于：监测瓦斯抽采管路中瓦斯浓度，当瓦斯浓度低于设计值时，停止气态CO2注入和瓦斯抽采。
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