CN115163021A - 一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置及钻孔布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置及钻孔布置方法，适用于瓦斯抽采领域使用。包括布置于注氮注水管上的封孔装置，封孔装置为漏斗结构，漏斗两边设有注氮管道以及输水管道通通向瓦斯抽采管以及注氮注水管，在注水注氮致裂煤层过程中，注水致裂煤层时可以通过输水管将水注入瓦斯抽采管以及注氮注水管周边；注氮时可以将液氮填满同时位于抽采管以及注氮注水管的注氮管道；通过液氮的低温作用使液氮管道周围的水结冰，进而实现抽采管以及注氮注水管的初次封孔，并且在抽采管口位置设置有检测专制，当检测到瓦斯抽采浓度下降时，可以对封孔再次加强。其经济性高，时效性强，操作简单。

Description

一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置及钻孔布置方法

技术领域

本发明涉及一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置及钻孔布置方法，属于瓦斯抽采技术领域。

背景技术

中国的煤层多为低透气性的高瓦斯煤层，煤层的低渗透性导致瓦斯抽采困难，人们为此采用了很多瓦斯抽采方法：深孔爆破法、水力割裂法、盐酸化学法等，这些方法皆在不同程度上提高了煤层气的抽采率，但同时也存在着不足深孔爆破法需要合理安装炸药，操作较为复杂且具有一定的危险性；水力割裂法要求将钻孔之间割通，操作难度很高；盐酸化学法使用的化学试剂会严重影响地下水的水质，威胁生态环境与当地居民身体健康。冷冻致裂通过向煤层中注水，然后注入液氮使水进行水冰相变，进而致裂煤层，提高煤层渗透率，并且液氮气化可以增加煤层的压力，抽采管中由于抽采负压作用，其压力很低，在压力梯度作用下，氮气躯体瓦斯至抽采管。冷冻致裂操作较为简单，增透效果强，驱替效果明显。但在其封孔阶段，对于每个钻孔进行封孔所需设备及操作繁杂，其次封孔材料如混凝土的运输较为消耗人力财力，最后，二次封孔以后其封孔效果若再下降则很难再做调整。因此，需要一种新的钻孔布置方法以及封孔工艺，以配合冷冻致裂法抽取瓦斯。

发明内容

为实现上述技术目的，本发明提供一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置及钻孔布置方法，步骤简单，冷冻致裂效果好。

为实现上述技术目的，本发明的一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置，包括漏斗结构，其中漏斗结构包括大小端，漏斗结构的小端匹配注氮注水管并便于安装，漏斗结构的小端内设有阀门a，漏斗结构的大端两侧靠近边缘处对称设有左右两个开口连接有多根致裂煤层或者封孔的注水注氮复合管，注水注氮复合管包括尾端与漏斗结构开口连接的输水管道，输水管道在尾端开口处设有控制水源开闭的阀门b，输水管道内套有注氮管道，输水管道内的注氮管道尾端延伸到漏斗结构内部，在漏斗结构内部的注氮管道尾端上设有控制注氮开闭的阀门c，注水注氮复合管内注氮管道和输水管道的头端通过单向压力阀连接有一个囊袋，其中注氮管道的头端延申到至该囊袋内，并且注氮管道头端密封，输水管道上通过单向压力阀设有连接另一个囊袋的开孔，位于两个囊袋之间在输水管道上还开有一个设有单向压力阀的开孔，两个囊袋连接的单向压力阀的开启压力小于两个囊袋之间开孔上的单向压力阀；漏斗结构的小端外侧设有用于与煤层钻孔连接密封的填充物。

注氮管道为便于散热的柔性材料制成。

具体步骤如下：

a1、在煤层中等间距布置多个钻孔组，每个钻孔组包括一个用以安装注氮注水管的钻孔以及围绕该钻孔设置的四个用以安装抽采管的钻孔，之后在每个钻孔中在距离钻孔孔口约10米的距离改变钻孔的直径，形成台阶区域；

a2、在所有抽采管与注氮注水管上安装两个与注水注氮复合管连接的囊袋，先在抽采管与注氮注水管10m处安装与注水注氮复合管头端连接的囊袋，该囊袋的安装位置对应抽采管或注氮注水管的钻孔台阶区域的端部，之后将注水注氮复合管通过开孔管路连接的囊袋安装在对应抽采管或注氮注水管管口的封孔位置；

a3、将安装好两个囊袋的抽采管与注氮注水管交替安装在钻孔中，使布置了抽采管的钻孔四周为布置了注氮注水管的钻孔，布置了注氮注水管的钻孔的四周为布置了抽采管的钻孔；

a4、利用注水注氮复合管中的输水管道向每个抽采管与注氮注水管上安装的两个囊袋注水，从而完成封孔，

a5、向排在首位的注氮注水管尾端安装注水注氮抽采瓦斯封孔装置，之后将该注氮注水管延伸出的注水注氮复合管以及旁边相邻2-4根抽采管延伸出的注水注氮复合管分别安装在注水注氮抽采瓦斯封孔装置两侧的开口上，之后在注水注氮复合管伸出煤层外的管段与煤层之间涂抹填充物固定；

a6、重复a5在所有钻孔组中的注氮注水管上安装注水注氮抽采瓦斯封孔装置并连接注水注氮复合管，完成煤层中所有的钻孔组上注水注氮抽采瓦斯封孔装置的安装。

在抽采管的管口末端设置瓦斯浓度检测装置。

一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置的使用方法，其步骤如下：

b1、通过输水管道向两个囊袋注水从而将抽采管与注氮注水管封孔；关闭注水注氮抽采瓦斯封孔装置中漏斗状装置的阀门a、阀门c，打开阀门b，向设置在抽采管或注氮注水管上的两个囊袋注水使其膨胀，所注水会对抽采管或注氮注水管提供支撑并完成囊袋封孔，两个囊袋封孔后继续增加压力从而使两个囊袋中间的开孔出水，注满两个囊袋之间管壁与钻孔之间的空间，形成注水空间，之后关闭阀门b停止注水，单向压力阀防止水倒流；

b2、打开阀门a向煤层中注水初步致裂煤层，初步致裂结束后关闭阀门a，打开阀门c向注氮管道注入液氮，冻结两个囊袋的同时冻结两个囊袋之间的注水空间完成封孔液氮密封于注氮管道中使周围水体结冰，这样也减少了液氮资源的浪费；

b3、冻结完毕后，关闭阀门b和阀门c，打开阀门a通过注氮注水管向煤层中注入液氮进行注氮致裂煤层，使之前注入的水在煤层底部发生相变进而致裂煤层，该过程中有部分液氮会在注入煤层以后升华为氮气，氮气能够驱替煤层中的瓦斯，在前水冰相变中提高煤层的渗透率，更加有利于氮气驱替瓦斯，并且液氮升华为氮气会提高煤层中的压力，这就导致了注氮注水管旁边煤层中压力提高，由于抽采管连接抽采设备产生抽采负压，在压差的作用下氮气驱替出的瓦斯向着抽采管移动，在水冰相变与液氮升华作用下提高煤层气压，辅助抽采管将煤层中的瓦斯通过抽采管被抽采出来。

进一步，若发现瓦斯抽采过程中抽采效果变差，在注氮的同时打开阀门c将注氮管道中的液氮替换出来，并补充气化的液氮，进而将囊袋以及囊袋之间可能融化的冰再次冻结加固，进而提高抽采率。

有益效果

1)抽采钻孔的设计：抽采孔周围四个注氮注水孔可以最大限度的致裂煤层，提高煤层渗透率；注氮注水孔周围四个抽采孔可以很大程度的提高抽采效率。

2)通过注氮注水钻孔的封孔装置以及相连的输水管道，注氮管道，一次性对注氮注水孔以及周边四个抽采孔进行封孔，不用对五个钻孔依次封孔，其大大减少了封孔的工作量。

3)封孔所需的水和液氮均是冷冻致裂所需的材料，在现场就可以获取到，取材特别容易。

4)若后续封孔效果不好，还可以通过向抽采管周边再次注水注液氮提高抽采效率，可以随时做出改变，时效性强。

附图说明

图1是本发明的钻孔布置示意图；

图2是本发明注水注氮抽采瓦斯封孔抽采流程图；

图3是本发明注水注氮抽采瓦斯封孔装置结构示意图。

图中：1-注氮管道，2-输水管道，3-注水注氮抽采瓦斯封孔装置，4-填充物，5-抽采管，6-煤层，7-注氮注水管，8-囊袋，9-检测装置，10-开孔，3-1-阀门a，3-2-阀门b，3-3-阀门c。

具体实施方式

下面将结合本发明实施中的附图，对本发明实施中的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明注水注氮抽采瓦斯封孔装置的布置方法，如图1所示，抽采管5与注氮注水管交替设置，注氮注水管致裂周围煤体，提升周围煤层的渗透率，进而易于进行瓦斯抽采，而在恰好一个注氮注水管的周边有四个抽采管5，可以充分抽采解吸出来的瓦斯。同理这样布置，在一个抽采管5旁边也会有四个注氮注水管，可以充分致裂周围煤体，解吸出更多的瓦斯，更加有利于抽采。现就图一中的剖面线为例，介绍钻孔开挖后的初步封孔方法。

如图2和图3所示，注水注氮抽采瓦斯封孔装置，其特征在于：包括漏斗结构，其中漏斗结构包括大小端，漏斗结构的小端匹配注氮注水管7并便于安装，漏斗结构的小端内设有阀门a3-1，漏斗结构的大端两侧靠近边缘处对称设有左右两个开口连接有多根致裂煤层或者封孔的注水注氮复合管，注水注氮复合管包括尾端与漏斗结构开口连接的输水管道2，输水管道2在尾端开口处设有控制水源开闭的阀门b3-2，输水管道2内套有注氮管道1，输水管道2内的注氮管道1尾端延伸到漏斗结构内部，在漏斗结构内部的注氮管道1尾端上设有控制注氮开闭的阀门c3-3，注水注氮复合管内注氮管道1和输水管道2的头端通过单向压力阀连接有一个囊袋8，其中注氮管道1的头端延申到至该囊袋8内，并且注氮管道1头端密封，输水管道2上通过单向压力阀设有连接另一个囊袋8的开孔10，位于两个囊袋之间在输水管道2上还开有一个设有单向压力阀的开孔10，两个囊袋8连接的单向压力阀的开启压力小于两个囊袋8之间开孔10上的单向压力阀；漏斗结构的小端外侧设有用于与煤层钻孔连接密封的填充物4。注氮管道1为便于散热的柔性材料制成。

打钻孔，操控机械式钻机向煤体施工钻孔，各钻孔平行布置，且每个钻孔之间留设有一定的间距，抽采钻孔和注水注氮孔交替布置；在距离孔口大约10米的距离改变钻孔的直径，形成台阶区域，为之后的内囊带提供支撑，之后，准备安装抽采管5以及注水注氮管，先在在管道10m处安装内囊袋，内囊袋安装位置对应管道设置好以后台阶所在区域，外囊袋安装在抽采管5管口位置。两个囊袋8安装好以后，安装注氮注水管7以及抽采管5，这里抽采管5的材料，使用隔热材料保证瓦斯的常温开采，之后将内囊袋固定在台阶区域，外囊袋在管口设置固定装置。至此，抽采管5以及囊袋8的安装工作完成。其布置大致如图二所示

之后安装输水管道2以及注氮管1道。输水管道2穿过并连接8内外囊袋，现在安装封孔装置3，注氮管1道内含于输水管道2。在抽采管5以及注氮注水管7里安装输水管道2以及注氮管1道。

然后安装封孔装置3。首先是在漏斗状的装置的边缘上开两个口，用于接通输水管道2以及注氮管1道，其中输水管道2紧贴漏斗外壁，注氮管1道内含于输水管道2，但其长度延伸到漏斗结构内部，并且在其延申断点处设置有阀门c3-3，其作用是控制注氮管道的开闭；输水管道与漏斗紧贴位置也设置有阀门b3-2用以控制输水管道的开闭。其中，注氮管1道的材料采用易于传播热量的材料，将液氮的低温充分传递出去。之后，将漏斗状的注水注氮装置安置在注氮注水管的前端，在输水管道2到煤层6这段空间中有填充物4，用以提供支撑，对器材有一定的保护作用，布置大致如图三所示。

安装好装置以后，往钻孔煤层注水前，关闭阀门a3-1，阀门c3-3，打开阀门b3-2，然后通过漏斗状装置中的阀门b3-2往抽采管5以及注氮注水管7的囊袋8注水，并在的囊袋8注满后向囊袋8中间部分的开孔10注水，所注水源会对管道提供支撑以及完成初步封孔；注水完毕后，打开阀门a3-1向煤层中注水初步致裂煤层，为之后注入液氮引起的水冰相变提供水源的先置条件，注水完毕后关闭阀门a3-1。之后关闭阀门b3-2，打开阀门c3-3，向漏斗状装置中注液氮，通过阀门c3-3往注氮管1道中注入液氮，并且此液氮装置的底端是密封的，这可以保证液氮的充分利用，不造成多余的浪费。注氮管1中的注氮工作结束后，关闭阀门b3-2，阀门c3-3，打开阀门a3-1，向煤层中注入液氮使之前注入的水发生相变进而致裂煤层，并且有部分液氮会在注入煤层以后升华为氮气，氮气能够驱替煤层中的瓦斯，在前水冰相变中又提高了煤层的渗透率，更加有利于氮气驱替瓦斯，并且液氮升华为氮气会提高煤层中的压力，这就导致了注氮注水管7旁边煤层中压力提高，但是瓦斯抽采管5中有抽采负压，在压差的作用下氮气驱替出的瓦斯向着抽采管5移动，并最终被抽采至地面。综上所述，在水冰相变，液氮升华为氮气提高煤层气压，以及抽采管中抽采负压等各方面作用下，煤层中的瓦斯通过抽采管5被抽采出来。

另在瓦斯抽采管末端设置9瓦斯浓度检测装置，若瓦斯抽采过程中如果抽采效果不好，可以通过该装置反映出来，以便采取应对措施：在注氮的同时打开阀门c3-3将注氮管1道中的液氮替换出来，并且可以补充一些气化的液氮，进而对囊袋8以及囊袋8之间可能融化的冰再次冻结加固，进而提高抽采率。

Claims (6)

1.一种注水注氮抽采瓦斯封孔装置，其特征在于：包括漏斗结构，其中漏斗结构包括大小端，漏斗结构的小端匹配注氮注水管(7)并便于安装，漏斗结构的小端内设有阀门a(3-1)，漏斗结构的大端两侧靠近边缘处对称设有左右两个开口连接有多根致裂煤层或者封孔的注水注氮复合管，注水注氮复合管包括尾端与漏斗结构开口连接的输水管道(2)，输水管道(2)在尾端开口处设有控制水源开闭的阀门b(3-2)，输水管道(2)内套有注氮管道(1)，输水管道(2)内的注氮管道(1)尾端延伸到漏斗结构内部，在漏斗结构内部的注氮管道(1)尾端上设有控制注氮开闭的阀门c(3-3)，注水注氮复合管内注氮管道(1)和输水管道(2)的头端通过单向压力阀连接有一个囊袋(8)，其中注氮管道(1)的头端延申到至该囊袋(8)内，并且注氮管道(1)头端密封，输水管道(2)上通过单向压力阀设有连接另一个囊袋(8)的开孔(10)，位于两个囊袋之间在输水管道(2)上还开有一个设有单向压力阀的开孔(10)，两个囊袋(8)连接的单向压力阀的开启压力小于两个囊袋(8)之间开孔(10)上的单向压力阀；漏斗结构的小端外侧设有用于与煤层钻孔连接密封的填充物(4)。

2.根据权利要求1所述注水注氮抽采瓦斯封孔装置，其特征在于：注氮管道(1)为便于散热的柔性材料制成。

3.一种权利要求1所述注水注氮抽采瓦斯封孔装置的布置方法，其特征在于步骤如下：

a1、在煤层(6)中等间距布置多个钻孔组，每个钻孔组包括一个用以安装注氮注水管(7)的钻孔以及围绕该钻孔设置的四个用以安装抽采管(5)的钻孔，之后在每个钻孔中在距离钻孔孔口约10米的距离改变钻孔的直径，形成台阶区域；

a2、在所有抽采管(5)与注氮注水管(7)上安装两个与注水注氮复合管连接的囊袋(8)，先在抽采管(5)与注氮注水管(7)10m处安装与注水注氮复合管头端连接的囊袋(8)，该囊袋(8)的安装位置对应抽采管(5)或注氮注水管(7)的钻孔台阶区域的端部，之后将注水注氮复合管通过开孔(10)管路连接的囊袋(8)安装在对应抽采管(5)或注氮注水管(7)管口的封孔位置；

a3、将安装好两个囊袋(8)的抽采管(5)与注氮注水管(7)安装在钻孔中，使布置了注氮注水管(7)的钻孔的四周为布置了抽采管(5)的钻孔；

a4、利用注水注氮复合管中的输水管道(2)向每个抽采管(5)与注氮注水管(7)上安装的两个囊袋(8)注水，从而完成封孔，

a5、向排在首位的注氮注水管(7)尾端安装注水注氮抽采瓦斯封孔装置(3)，之后将该注氮注水管(7)延伸出的注水注氮复合管以及旁边相邻2-4根抽采管(5)延伸出的注水注氮复合管分别安装在注水注氮抽采瓦斯封孔装置(3)两侧的开口上，之后在注水注氮复合管伸出煤层(6)外的管段与煤层(6)之间涂抹填充物(4)固定；

a6、重复a5在所有钻孔组中的注氮注水管(7)上安装注水注氮抽采瓦斯封孔装置(3)并连接注水注氮复合管，完成煤层(6)中所有的钻孔组上注水注氮抽采瓦斯封孔装置的安装。

4.根据权利要求3所述的安装方法，其特征在于：在抽采管(5)的管口末端设置瓦斯浓度检测装置(9)。

5.一种使用权利要求1所述注水注氮抽采瓦斯封孔装置的使用方法，其特征在于步骤如下：

b1、通过输水管道(2)向两个囊袋(8)注水从而将抽采管(5)与注氮注水管(7)封孔；关闭注水注氮抽采瓦斯封孔装置(3)中漏斗状装置的阀门a(3-1)、阀门c(3-3)，打开阀门b(3-2)，向设置在抽采管(5)或注氮注水管(7)上的两个囊袋(8)注水使其膨胀，所注水会对抽采管(5)或注氮注水管(7)提供支撑并完成囊袋封孔，两个囊袋(8)封孔后继续增加压力从而使两个囊袋(8)中间的开孔(10)出水，注满两个囊袋(8)之间管壁与钻孔之间的空间，形成注水空间，之后关闭阀门b(3-2)停止注水，单向压力阀防止水倒流；

b2、打开阀门a(3-1)向煤层(6)中注水初步致裂煤层(6)，初步致裂结束后关闭阀门a(3-1)，打开阀门c(3-3)向注氮管道(1)注入液氮，冻结两个囊袋(8)的同时冻结两个囊袋(8)之间的注水空间完成封孔，液氮密封于注氮管道(1)中使周围水体结冰，这样也减少了液氮资源的浪费；

b3、冻结完毕后，关闭阀门b(3-2)和阀门c(3-3)，打开阀门a(3-1)通过注氮注水管(7)向煤层(6)中注入液氮进行注氮致裂煤层(6)，使之前注入的水在煤层(6)底部发生相变进而致裂煤层(6)，该过程中有部分液氮会在注入煤层(6)以后升华为氮气，氮气能够驱替煤层(6)中的瓦斯，在前水冰相变中提高煤层(6)的渗透率，更加有利于氮气驱替瓦斯，并且液氮升华为氮气会提高煤层(6)中的压力，这就导致了注氮注水管旁边煤层(6)中压力提高，由于抽采管(5)连接抽采设备产生抽采负压，在压差的作用下氮气驱替出的瓦斯向着抽采管移动，在水冰相变与液氮升华作用下提高煤层气压，辅助抽采管(5)将煤层(6)中的瓦斯通过抽采管被抽采出来。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：若发现瓦斯抽采过程中抽采效果变差，在注氮的同时打开阀门c(3-3)将注氮管道中的液氮替换出来，并补充气化的液氮，进而将囊袋(8)以及囊袋之间可能融化的冰再次冻结加固，进而提高抽采率。

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