CN114837731A - 高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法 - Google Patents

高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法，所述系统包括富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统，三者通过四通相互连通；与现有技术相比，本发明具有以下优点：现有技术通过高温烟气驱替瓦斯、封存CO2过程中，煤体受热、吸附CO2膨胀，渗透率大幅降低，导致烟气压注阻力显著增强。为有效解决烟气注井气阻、气堵问题，利用富氮气体黏度小、增渗特性，通过储气蓄能罐，实现循环脉冲加压，促进煤体局部内应力集中区微裂隙扩展，形成复杂缝网，降低注气阻力，显著提升高温烟气压注量，以提高注气驱替、封存有效影响范围。

Description

高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法
技术领域
本发明属于煤矿区资源高效开发及碳减排领域，涉及一种提高煤层瓦斯驱替及CO2封存效率的系统及方法，具体为高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法。
背景技术
煤层瓦斯作为成煤过程中的伴生物，既是一种高效的清洁能源，也是强温室效应气体和威胁煤矿安全生产的致灾源。因此，实现煤矿瓦斯高效开发对于保障煤矿安全生产以及实现节能减排、资源利用均具有重要意义。但是，由于现有煤层普遍吸附性强、透气性低，常规的瓦斯抽采方法抽采范围小，大量吸附态瓦斯残留在煤层内，威胁采面回采工作安全。
燃煤或瓦斯发电厂产排的大量高温烟气直接排放至大气会造成严重的环境污染，由于高温烟气中含有水蒸气、N2、CO2等气体，通过加压将高温烟气注入煤层能够促进吸附态瓦斯解吸，从而提高抽采井的生产能力。然而烟气中的CO2黏度大，吸附性强，容易导致井周富集，同时煤体受到高温作用产生局部内应力集中，微裂隙闭合导致烟气压注阻力显著增强，从而发生气阻、气堵等现象，严重限制瓦斯驱替、CO2封存的有效范围。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，有效解决高温烟气注井气阻、气堵问题，提高煤层瓦斯驱替、CO2封存效率；本发明提供了高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法。
技术方案：高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，所述系统包括富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统，三者通过四通相互连通；所述富氮气体压注子系统包括顺次连接的富氮气源、气体压缩泵组和高压气体储罐；所述高温烟气压注子系统包括顺次连接的燃煤或瓦斯发电厂、高温气体增压泵；所述瞬态脉冲气构建缝网子系统包括顺次连接的储气蓄能罐、气密封堵段和脉冲气空腔，其中储气蓄能罐的容积大于或等于脉冲气空腔的容积，气密封堵段的高度大于或等于脉冲气空腔的高度；所述气密封堵段上下分别设有上封堵隔板和下封堵隔板，上封堵隔板上两侧分别设有注浆管和返浆管，脉冲气空腔下方设有气密挡板，脉冲气空腔内的四通管道为钢质孔管，脉冲气空腔埋设于煤储层内；所述四通上设有电磁泄压阀。
优选的，所述气体压缩泵组和高压气体储罐之间设有第一气体压力表，高压气体储罐和四通之间设有电磁减压阀。
优选的，四通与电磁减压阀之间设有第一电磁止回阀。
优选的，高温气体增压泵与四通之间依次设有气体流量表、第二气体压力表和第一电磁截止阀。
优选的，四通与第一电磁截止阀之间设有第二电磁止回阀。
优选的，四通与储气蓄能罐之间依次设有电磁稳压阀和第二电磁截止阀，且二者之间靠近第二电磁截止阀处设有第一高温压力传感器。
优选的，储气蓄能罐与上封堵隔板之间设有第三电磁截止阀，且二者之间靠近第三电磁截止阀处设有第二高温压力传感器。
优选的，脉冲气空腔外套设脉冲气动缝网。
以上任一所述高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网的方法，包括以下步骤：
S1、从地面向煤储层施加高温烟气注井，然后通过四通连接富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统；
S2、通过注浆管向气密封堵段注浆封堵，并通过返浆管排气、排浆，下封堵隔板与气密挡板间形成脉冲气空腔，当第二高温压力传感器压力信号稳定时读取脉冲气空腔内初始气压值；以上气密封堵段可选用水泥砂浆封堵；
S3、开启第一电磁截止阀、第二电磁截止阀以及第三电磁截止阀，调节高温气体增压泵工作压力至脉冲气空腔内初始气压值，向空腔内压注高温烟气驱替煤层瓦斯、封存CO2，腔体周围有限范围内煤体受热、吸附CO2膨胀产生微裂隙，气体流动能力暂时提高；其中，高温烟气温度为300-500℃，高温气体增压泵可将烟气最高增压至10Mpa；
S4、烟气中的CO2黏度大、吸附性强，容易导致井周富集，同时煤体受到高温作用产生局部内应力集中，微裂隙闭合导致烟气压注阻力显著增强，因此当第二气体压力表、第一高温压力传感器以及第二高温压力传感器压力信号稳定，且气体流量表示数明显降低时，关闭第一电磁截止阀和高温气体增压泵，停止注气；
S5、开启电磁泄压阀泄除系统部分气压后，关闭电磁泄压阀，开启气体压缩泵组对富氮气源增压并存储在高压气体储罐内备用，当第一气体压力表示数稳定在15-20MPa时关闭气体压缩泵组；
S6、关闭第三电磁截止阀，开启电磁减压阀向储气蓄能罐内储气，当第一高温压力传感器压力信号稳定并达到预设压力时，关闭第二电磁截止阀，开启第三电磁截止阀，通过储气蓄能罐内高压气体向脉冲气空腔内气体瞬时脉冲加压；其中，储气蓄能罐耐压极限为30Mpa；
S7、待第二高温压力传感器压力信号稳定，重复S5-S6步骤，通过储气蓄能罐实现循环脉冲加压，促进煤体局部张拉应力集中区内微裂隙扩展，形成复杂缝网，降低注气阻力，以提高注气驱替、封存有效范围。
优选的，S6中预设压力ps应与脉冲加压前第二高温压力传感器读取的脉冲气空腔内气压值pc满足：ps＝1.5～2.5pc。
有益效果：现有技术通过高温烟气驱替瓦斯、封存CO2过程中，煤体受热、吸附CO2膨胀，渗透率大幅降低，导致烟气压注阻力显著增强。为有效解决烟气注井气阻、气堵问题，利用富氮气体黏度小、增渗特性，通过储气蓄能罐，实现循环脉冲加压，促进煤体局部内应力集中区微裂隙扩展，形成复杂缝网，降低注气阻力，显著提升高温烟气压注量，以提高注气驱替、封存有效影响范围。
附图说明
图1为本发明的一种高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统的构建示意图。
图中：1-富氮气源，2-气体压缩泵组，3-第一气体压力表，4-高压气体储罐，5-电磁减压阀，6-第一电磁止回阀，7-电磁泄压阀，8-第二电磁止回阀，9-第一电磁截止阀，10-第二气体压力表，11-气体流量表，12-高温气体增压泵，13-燃煤或瓦斯发电厂，14-电磁稳压阀，15-第一高温压力传感器，16-第二电磁截止阀，17-储气蓄能罐，18-第三电磁截止阀，19-第二高温压力传感器，20-注浆管，21-返浆管，22-上封堵隔板，23-气密封堵段，24-下封堵隔板，25-钢制孔管，26-脉冲气空腔，27-气密挡板，28-脉冲气动缝网，29-煤储层。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，所述系统包括富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统，三者通过四通相互连通；所述富氮气体压注子系统包括顺次连接的富氮气源1、气体压缩泵组2和高压气体储罐4；所述高温烟气压注子系统包括顺次连接的燃煤或瓦斯发电厂13、高温气体增压泵12；所述瞬态脉冲气构建缝网子系统包括顺次连接的储气蓄能罐17、气密封堵段23和脉冲气空腔26，其中储气蓄能罐17的容积大于或等于脉冲气空腔26的容积，气密封堵段23的高度大于或等于脉冲气空腔26的高度；所述气密封堵段23上下分别设有上封堵隔板22和下封堵隔板24，上封堵隔板22上两侧分别设有注浆管20和返浆管21，脉冲气空腔26下方设有气密挡板27，脉冲气空腔26内的四通管道为钢质孔管25，脉冲气空腔26埋设于煤储层29内；所述四通上设有电磁泄压阀7。
所述气体压缩泵组2和高压气体储罐4之间设有第一气体压力表3，高压气体储罐4和四通之间设有电磁减压阀5。
四通与电磁减压阀5之间设有第一电磁止回阀6。
高温气体增压泵12与四通之间依次设有气体流量表11、第二气体压力表10和第一电磁截止阀9。
四通与第一电磁截止阀9之间设有第二电磁止回阀8。
四通与储气蓄能罐17之间依次设有电磁稳压阀14和第二电磁截止阀16，且二者之间靠近第二电磁截止阀16处设有第一高温压力传感器15。
储气蓄能罐17与上封堵隔板22之间设有第三电磁截止阀18，且二者之间靠近第三电磁截止阀18处设有第二高温压力传感器19。
脉冲气空腔26外套设脉冲气动缝网28。
以上任一所述高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网的方法，包括以下步骤：
S1、从地面向煤储层29施加高温烟气注井，然后通过四通连接富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统；
S2、通过注浆管20向气密封堵段23注浆封堵，并通过返浆管21排气、排浆，下封堵隔板24与气密挡板27间形成脉冲气空腔26，当第二高温压力传感器19压力信号稳定时读取脉冲气空腔26内初始气压值；
S3、开启第一电磁截止阀9、第二电磁截止阀16以及第三电磁截止阀18，调节高温气体增压泵12工作压力至脉冲气空腔26内初始气压值，向空腔内压注高温烟气驱替煤层瓦斯、封存CO2，腔体周围有限范围内煤体受热、吸附CO2膨胀产生微裂隙，气体流动能力暂时提高；
S4、当第二气体压力表10、第一高温压力传感器15以及第二高温压力传感器19压力信号稳定，且气体流量表11示数明显降低时，关闭第一电磁截止阀9和高温气体增压泵12，停止注气；
S5、开启电磁泄压阀7泄除系统部分气压后，关闭电磁泄压阀7，开启气体压缩泵组2对富氮气源1增压并存储在高压气体储罐4内备用，当第一气体压力表3示数稳定在15-20MPa时关闭气体压缩泵组2；
S6、关闭第三电磁截止阀18，开启电磁减压阀5向储气蓄能罐17内储气，当第一高温压力传感器15压力信号稳定并达到预设压力时，关闭第二电磁截止阀16，开启第三电磁截止阀18，通过储气蓄能罐17内高压气体向脉冲气空腔26内气体瞬时脉冲加压；
S7、待第二高温压力传感器19压力信号稳定，重复S5-S6步骤，通过储气蓄能罐17实现循环脉冲加压，促进煤体局部张拉应力集中区内微裂隙扩展，形成复杂缝网，降低注气阻力，以提高注气驱替、封存有效范围。
其中，S6中预设压力ps应与脉冲加压前第二高温压力传感器19读取的脉冲气空腔26内气压值pc满足：ps＝1.5～2.5pc。

Claims (10)

1.高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，所述系统包括富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统，三者通过四通相互连通；所述富氮气体压注子系统包括顺次连接的富氮气源(1)、气体压缩泵组(2)和高压气体储罐(4)；所述高温烟气压注子系统包括顺次连接的燃煤或瓦斯发电厂(13)、高温气体增压泵(12)；所述瞬态脉冲气构建缝网子系统包括顺次连接的储气蓄能罐(17)、气密封堵段(23)和脉冲气空腔(26)，其中储气蓄能罐(17)的容积大于或等于脉冲气空腔(26)的容积，气密封堵段(23)的高度大于或等于脉冲气空腔(26)的高度；所述气密封堵段(23)上下分别设有上封堵隔板(22)和下封堵隔板(24)，上封堵隔板(22)上两侧分别设有注浆管(20)和返浆管(21)，脉冲气空腔(26)下方设有气密挡板(27)，脉冲气空腔(26)内的四通管道为钢质孔管(25)，脉冲气空腔(26)埋设于煤储层(29)内；所述四通上设有电磁泄压阀(7)。
2.根据权利要求1所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，所述气体压缩泵组(2)和高压气体储罐(4)之间设有第一气体压力表(3)，高压气体储罐(4)和四通之间设有电磁减压阀(5)。
3.根据权利要求2所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，四通与电磁减压阀(5)之间设有第一电磁止回阀(6)。
4.根据权利要求1所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，高温气体增压泵(12)与四通之间依次设有气体流量表(11)、第二气体压力表(10)和第一电磁截止阀(9)。
5.根据权利要求4所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，四通与第一电磁截止阀(9)之间设有第二电磁止回阀(8)。
6.根据权利要求1所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，四通与储气蓄能罐(17)之间依次设有电磁稳压阀(14)和第二电磁截止阀(16)，且二者之间靠近第二电磁截止阀(16)处设有第一高温压力传感器(15)。
7.根据权利要求1所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，储气蓄能罐(17)与上封堵隔板(22)之间设有第三电磁截止阀(18)，且二者之间靠近第三电磁截止阀(18)处设有第二高温压力传感器(19)。
8.根据权利要求1所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统，其特征在于，脉冲气空腔(26)外套设脉冲气动缝网(28)。
9.权利要求1-8任一所述高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、从地面向煤储层(29)施加高温烟气注井，然后通过四通连接富氮气体压注子系统、高温烟气压注子系统和瞬态脉冲气构建缝网子系统；
S2、通过注浆管(20)向气密封堵段(23)注浆封堵，并通过返浆管(21)排气、排浆，下封堵隔板(24)与气密挡板(27)间形成脉冲气空腔(26)，当第二高温压力传感器(19)压力信号稳定时读取脉冲气空腔(26)内初始气压值；
S3、开启第一电磁截止阀(9)、第二电磁截止阀(16)以及第三电磁截止阀(18)，调节高温气体增压泵(12)工作压力至脉冲气空腔(26)内初始气压值，向空腔内压注高温烟气驱替煤层瓦斯、封存CO2，腔体周围有限范围内煤体受热、吸附CO2膨胀产生微裂隙，气体流动能力暂时提高；
S4、当第二气体压力表(10)、第一高温压力传感器(15)以及第二高温压力传感器(19)压力信号稳定，且气体流量表(11)示数明显降低时，关闭第一电磁截止阀(9)和高温气体增压泵(12)，停止注气；
S5、开启电磁泄压阀(7)泄除系统部分气压后，关闭电磁泄压阀(7)，开启气体压缩泵组(2)对富氮气源(1)增压并存储在高压气体储罐(4)内备用，当第一气体压力表(3)示数稳定在15-20MPa时关闭气体压缩泵组(2)；
S6、关闭第三电磁截止阀(18)，开启电磁减压阀(5)向储气蓄能罐(17)内储气，当第一高温压力传感器(15)压力信号稳定并达到预设压力时，关闭第二电磁截止阀(16)，开启第三电磁截止阀(18)，通过储气蓄能罐(17)内高压气体向脉冲气空腔(26)内气体瞬时脉冲加压；
S7、待第二高温压力传感器(19)压力信号稳定，重复S5-S6步骤，通过储气蓄能罐(17)实现循环脉冲加压，促进煤体局部张拉应力集中区内微裂隙扩展，形成复杂缝网，降低注气阻力，以提高注气驱替、封存有效范围。
10.根据权利要求9所述的高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网的方法，其特征在于，S6中预设压力ps应与脉冲加压前第二高温压力传感器(19)读取的脉冲气空腔(26)内气压值pc满足：ps＝1.5～2.5pc。
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