CN115596418B - 深部地热增采煤层瓦斯的系统及方法 - Google Patents

Abstract

深部地热增采煤层瓦斯的系统及方法，包括地热水注入管路和瓦斯抽采管路；地热注入管路包括深入地热水开采岩层中的地热水开采井口装置和地热水输送管路；所述地热水输送管路端口处通过注水钻孔封孔装置通入到注水钻孔内部；瓦斯抽采管路包括一个瓦斯抽采总路和多个瓦斯抽采支管，各瓦斯抽采支管通过瓦斯抽采钻孔封孔装置通入分布在所述注水钻孔周围的瓦斯抽采钻孔中；地热水输送管路通过液体分离管路与所述第二气液分离器连接。本发明有效合理利用丰富的地热资源，采出的地热水注入煤体直接用于煤层瓦斯开采，在有效合理地利用地热能的同时提高煤层瓦斯的抽采效率。

Description

深部地热增采煤层瓦斯的系统及方法

技术领域

本发明涉及瓦斯增采技术领域，具体的说是一种深部地热增采煤层瓦斯的系统及方法。

背景技术

煤矿瓦斯又称煤层气，从煤层或岩层内涌出，是影响煤矿安全生产的五大灾害之一。同时瓦斯的主要成分为甲烷，是一种洁净能源，煤层瓦斯抽采是实现瓦斯治理与能源利用的有效途径。据统计，我国高瓦斯矿井的开采煤层属于低渗煤层，瓦斯开采难度大。煤层注水技术通过向煤层高压注水，促进煤体裂隙发育，有效驱替瓦斯，是一种提高瓦斯抽采效率的有效方法，同时还能起到对煤体润湿降尘的作用。

目前，国内外学者通过研究证实提高煤体的温度可以大幅度提高煤层瓦斯的抽采效率，然而对煤层进行升温的方法通常需要提供额外的热源提供热量，进而提高了瓦斯抽采的成本与能耗。

我国不仅煤炭资源丰富，同时煤矿井下也存在着丰富的地热资源。目前我国对地热水的利用主要为200米至4000米的中低温热能，存在着低温地热能；25～40℃的温水、40～60℃的温热水、60～90℃的热水；中温地热能：90～150℃的水和蒸汽的混合物。由中国专利“一种地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法(ZL201711058422.4)”中记载的技术方案可知，地热被采集后，常规做法都是通过热交换来应用其热能，过程复杂，需要在热能采集点和煤层附近进行多次热交换，效率低，且在交换过程中损失大量的热能量，利用率低，在相关设备的运行过程中增加能耗，同时未设置瓦斯抽采管路，未提出瓦斯抽采方案。

目前学者对于温度对瓦斯解吸速率的影响研究主要集中在30～70℃，因此，非常有必要研究一种深部地热增采煤层瓦斯技术方法，合理布置注水钻孔及瓦斯抽采钻孔，在有效合理地利用25～90℃的低温地热能向煤层高压注热水，促进煤体裂隙发育，润湿煤体，同时提高煤层瓦斯的抽采效率。

发明内容

本发明申请在克服技术背景问题情况下，一是提供一种深部地热增采煤层瓦斯的系统，二是提供了这种深部地热增采煤层瓦斯的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种深部地热增采煤层瓦斯的系统，包括地热水注入管路和瓦斯抽采管路；

地热水注入管路包括深入地热水开采岩层中的地热水开采井口装置和地热水输送管路；所述地热水输送管路上依次连接除砂装置、第一气液分离器、加压泵、压力表、流量计、温控器、热水注入阀门，地热水输送管路端口处通过注水钻孔封孔装置通入到注水钻孔内部；

瓦斯抽采管路包括一个瓦斯抽采总路和多个瓦斯抽采支管，各瓦斯抽采支管均与瓦斯抽采总路连通；各瓦斯抽采支管通过瓦斯抽采钻孔封孔装置通入分布在所述注水钻孔周围的瓦斯抽采钻孔中；各瓦斯抽采支管上均安装瓦斯采集阀门；瓦斯抽采总路与瓦斯存储装置连接，瓦斯抽采总路上还安装有瓦斯安全监控装置、瓦斯抽采泵、第二气液分离器；

所述地热水输送管路通过液体分离管路与所述第二气液分离器连接。

瓦斯抽采钻孔是以所述注水钻孔为圆心、沿其圆周均匀分布的4-8个抽采钻孔；所述注水钻孔与所述瓦斯抽采钻孔4距离为5-10米。

注水钻孔封孔装置为煤层高压注水封孔装置；所述瓦斯抽采钻孔封孔装置为短距离注浆封孔。

深部地热增采煤层瓦斯的方法，采用上述深部地热增采煤层瓦斯系统进行瓦斯抽采，包括以下步骤：

S1.在采深1000米以下的位置布置开采煤层瓦斯，在瓦斯抽采煤层中心位置布置注水钻孔，在注水钻孔周围布置瓦斯抽采钻孔；

S2.进行地热水施工勘探工作：

确定地热水资源可开发利用的区域，以及地热水开采区域温度、状态、物理性质和化学组分；

确定合理的开发利用深度，选定最佳施工位置后，向下布置地热水开采井口装置7，深部到2000米左右；

S3.将地热以热水形式通过地热水输送管路送至地下1000米的瓦斯开采工作面，输送过程中通过除砂装置去除地热水中的杂质，通过第一气液分离器去除地热水中的气体，通过加压泵、压力表、流量计、温控器控制完成对注入热水压力及温度的控制；

S4.地热水注入煤层，驱替瓦斯，受地热水温度影响，加快煤层瓦斯的解吸；

S5.通过对各瓦斯抽采支管瓦斯抽采的控制，经处理后由瓦斯抽采总路输送至瓦斯存储装置中，完成瓦斯抽采工作。

步骤S2中，勘探过程中可选用地表构造超声分析设备以及红外温度探测设备。

步骤S3之前完成管路的铺设及设备的安装工作；地热水输送管路选用保温耐腐蚀管道。

瓦斯抽采工作中，各瓦斯抽采支管同时进行瓦斯抽采，或者根据实际选取其中部分瓦斯抽采支管间歇进行瓦斯抽采。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明有效合理利用丰富的地热资源，同时结合煤层注水技术驱替瓦斯以及温度对瓦斯解吸的影响规律，在采深1000米以下的位置开采煤层瓦斯，同时向下布置地热开采钻井，深部到2000米左右，将地热以热水形式开采至地下1000米瓦斯开采工作面，采出的地热水注入煤体直接用于煤层瓦斯开采，在有效合理地利用地热能的同时提高煤层瓦斯的抽采效率。

附图说明

图1是本发明中深部地热增采煤层瓦斯系统整体示意图。

图2是本发明的工艺流程图。

其中：瓦斯抽采煤层1；地热水开采岩层2、注水钻孔3；瓦斯抽采钻孔4；注水钻孔封孔装置5；瓦斯抽采钻孔封孔装置6；地热水开采井口装置7；除砂装置8；第一气液分离器9；加压泵10；压力表11；流量计12；温控器13；热水注入阀门14；瓦斯采集阀门15；瓦斯安全监控装置16；瓦斯抽采泵17；第二气液分离器18；瓦斯存储装置19；液体分离管路20；瓦斯抽采支管21；瓦斯抽采总管22；地热水输送管路23。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

参见附图1，本发明所公开的这种深部地热增采煤层瓦斯系统，主要是采用深部地热提高煤层瓦斯抽采过程中的温度，以实现煤层瓦斯增采的目的。本发明是直接利用地热水进行注热水增采瓦斯，属于注热水驱替瓦斯和前置瓦斯，在增采瓦斯的过程中，直接注入热水可以实现水力压裂造缝增透煤体，方法简单，减少热能浪费。

该系统主要包括地热水注入管路和瓦斯抽采管路，以实现地热水的开采、输送，以及煤层瓦斯的抽采、输送。

其中：地热水注入管路包括深入地热水开采岩层中2的地热水开采井口装置7和地热水输送管路23。地热水输送管路23上依次连接除砂装置8、第一气液分离器9、加压泵10、压力表11、流量计12、温控器13、热水注入阀门14，地热水输送管路23的端口处通过注水钻孔封孔装置5通入到注水钻孔3内部。注水钻孔封孔装置5为煤层高压注水封孔装置。其中：瓦斯抽采管路包括一个瓦斯抽采总路22和多个瓦斯抽采支管21，各瓦斯抽采支管21均与瓦斯抽采总路22连通；各瓦斯抽采支管21通过瓦斯抽采钻孔封孔装置6通入分布在注水钻孔3周围的瓦斯抽采钻孔4中，瓦斯抽采钻孔封孔装置6采用短距离注浆封孔。各瓦斯抽采支管21上均安装瓦斯采集阀门15；瓦斯抽采总路22与瓦斯存储装置19连接，瓦斯抽采总路22上还安装有瓦斯安全监控装置16、瓦斯抽采泵17、第二气液分离器18；地热水输送管路23通过液体分离管路20与所述第二气液分离器18连接。地热水输送管路23设置在第一气液分离器9的下游。

瓦斯抽采钻孔4是以注水钻孔3为圆心、沿其圆周均匀分布的4-8个抽采钻孔。注水钻孔3与瓦斯抽采钻孔4距离为5-10米。

采用上述深部地热增采煤层瓦斯系统进行瓦斯抽采的工艺流程参见附图2，按照工艺流程，具体实施方式如下。

S1、在采深1000米以下的位置布置开采煤层瓦斯，在瓦斯抽采煤层1的中心位置布置注水钻孔3，在注水钻孔周围布置若干个瓦斯抽采钻孔4，瓦斯抽采钻孔以注水钻孔为圆心布置4-8个抽采钻孔，注水钻孔与瓦斯抽采钻孔距离为5-10米。

S2、为确定地热水资源可开发利用的区域，以及地热水开采区域温度、状态、物理性质和化学组分，确定合理的开发利用深度，有效合理利用地热水资源，在布置地热水开采钻井前，进行地热水施工勘探工作，勘探完成选择最佳位置，依据需要的注水温度要求，向下布置地热开采钻井，深部到2000米左右，井口位置安装地热水开采进口装置7。勘探过程中可选用地表构造超声分析设备以及红外温度探测设备。

对瓦斯抽采煤层1的注水、瓦斯抽采钻孔以及地热水开采岩层2的钻井布置完成后铺设管路，可以分为地热水注入管路和瓦斯抽采管路。安装如附图1所示深部地热增采煤层瓦斯系统，由于地热水的化学性质以及在抽采过程中存在热量损失，地热水开采管路和地热水输送管路选取耐腐蚀保温管道。

S3、将地热以热水形式通过地热水输送管路23送至地下1000米的瓦斯开采工作面，输送过程中通过除砂装置8去除地热水中的杂质，通过第一气液分离器9去除地热水中的气体，通过加压泵10、压力表11、流量计12、温控器13控制完成对注入热水压力及温度的控制；

系统安装调试完成后开始地热水开采，同时将开采的地热水入煤层，具体方式如下：

打开热水注入阀门14，通过地热水开采井口装置7将地热水开采至瓦斯开采煤层，经过除砂装置8去除地热水中所含杂质，经过第一气液分离器9去除抽采的地热水中含有的气体，避免杂质和其他气体对煤层造成伤害和污染。地热水通过加压泵10加压注入到注水钻孔3，注水钻孔封孔装置5进行密封以保持压力。注入过程中通过压力表11显示压力泵对地热水增压后的压力，通过流量计12显示地热水的注入流量，按照实际施工需要通过加压泵以及地热水注入阀门对注入压力及流量进行控制。流量计与温控器13相连，通过温控器显示地热水实时注入温度，并实现对水温的调控。

S4、地热水注入煤层，驱替瓦斯，受地热水温度影响，加快煤层瓦斯的解吸。

S5、通过对各瓦斯抽采支管21瓦斯抽采的控制，经处理后由瓦斯抽采总路22输送至瓦斯存储装置19中，完成瓦斯抽采工作。

注水完成后通过布置在注水钻孔周围的瓦斯抽采钻孔4进行瓦斯抽采，各个瓦斯抽采钻孔由瓦斯抽采钻孔封孔装置6进行密封。打开各瓦斯抽采支管21的瓦斯采集阀门15，通过瓦斯抽采泵17对各瓦斯抽采支管21的瓦斯进行抽采。各瓦斯抽采支路21的瓦斯采集阀门15共通连接瓦斯安全监控装置16，实现对瓦斯开采过程中压力、流量以及其他安全因素的监测与控制。

由于抽采的瓦斯气体中混有地热水注入于煤层中的液体，需经过第二气液分离器18进行气液分离，分离出的瓦斯气体由瓦斯存储装置19进行收集，分离出的液体通过液体分离管路20通入到地热水输送管路23中，与抽采出的地热水通过加压泵加压，再次注入煤层，减少废水的产出。

在瓦斯抽采过程中可通过控制各瓦斯抽采支管21的瓦斯采集阀门15的开关闭合，各支路同时进行瓦斯抽采，也可根据实际选取其中部分支路间歇进行瓦斯抽采，实现瓦斯合理高效抽采。

本发明在采深1000米以下的位置开采煤层瓦斯，同时，向下布置地热开采钻井，深部到2000米左右，井口布置地热水开采井口装置7，将地热以热水形式开采并通过地热水输送管路23将其送至地下1000米的瓦斯开采工作面1。地热水注入煤层，驱替瓦斯，提高了瓦斯温度，加快瓦斯解吸速度，在合理有效利用地热资源的同时实现煤层瓦斯增采。

Claims (7)

1.一种深部地热增采煤层瓦斯的系统，其特征在于，包括地热水注入管路和瓦斯抽采管路；

地热水注入管路包括深入地热水开采岩层中的地热水开采井口装置（7）和地热水输送管路（23）；所述地热水输送管路（23）上依次连接除砂装置（8）、第一气液分离器（9）、加压泵（10）、压力表（11）、流量计（12）、温控器（13）、热水注入阀门（14），地热水输送管路（23）端口处通过注水钻孔封孔装置（5）通入到注水钻孔（3）内部；

瓦斯抽采管路包括一个瓦斯抽采总路（22）和多个瓦斯抽采支管（21），各瓦斯抽采支管（21）均与瓦斯抽采总路（22）连通；各瓦斯抽采支管（21）通过瓦斯抽采钻孔封孔装置（6）通入分布在所述注水钻孔（3）周围的瓦斯抽采钻孔（4）中；各瓦斯抽采支管（21）上均安装瓦斯采集阀门（15）；瓦斯抽采总路（22）与瓦斯存储装置（19）连接，瓦斯抽采总路（22）上还安装有瓦斯安全监控装置（16）、瓦斯抽采泵（17）、第二气液分离器（18）；

所述地热水输送管路（23）通过液体分离管路（20）与所述第二气液分离器（18）连接;

在采深1000米以下的位置布置开采煤层瓦斯，在瓦斯抽采煤层（1）中心位置布置注水钻孔（3），在注水钻孔周围布置瓦斯抽采钻孔（4）；向下布置地热水开采井口装置（7），深部到2000米左右；将地热以热水形式通过地热水输送管路（23）送至地下1000米的瓦斯开采工作面。

2.根据权利要求1所述的深部地热增采煤层瓦斯的系统，其特征在于：所述瓦斯抽采钻孔（4）是以所述注水钻孔（3）为圆心、沿其圆周均匀分布的4-8个抽采钻孔；所述注水钻孔（3）与所述瓦斯抽采钻孔（4）距离为5-10米。

3.根据权利要求1所述的深部地热增采煤层瓦斯的系统，其特征在于：所述注水钻孔封孔装置（5）为煤层高压注水封孔装置；所述瓦斯抽采钻孔封孔装置（6）为短距离注浆封孔。

4.一种深部地热增采煤层瓦斯的方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的深部地热增采煤层瓦斯的系统进行瓦斯抽采，包括以下步骤：

S1、在采深1000米以下的位置布置开采煤层瓦斯，在瓦斯抽采煤层（1）中心位置布置注水钻孔（3），在注水钻孔周围布置瓦斯抽采钻孔（4）；

S2、进行地热水施工勘探工作：

确定地热水资源可开发利用的区域，以及地热水开采区域温度、状态、物理性质和化学组分；

确定合理的开发利用深度，选定最佳施工位置后，向下布置地热水开采井口装置（7），深部到2000米左右；

S3、将地热以热水形式通过地热水输送管路（23）送至地下1000米的瓦斯开采工作面，输送过程中通过除砂装置（8）去除地热水中的杂质，通过第一气液分离器（9）去除地热水中的气体，通过加压泵（10）、压力表（11）、流量计（12）、温控器（13）控制完成对注入热水压力及温度的控制；

S4、地热水注入煤层，驱替瓦斯，受地热水温度影响，加快煤层瓦斯的解吸；

S5、通过对各瓦斯抽采支管（21）瓦斯抽采的控制，经处理后由瓦斯抽采总路（22）输送至瓦斯存储装置（19）中，完成瓦斯抽采工作。

5.根据权利要求4所述的深部地热增采煤层瓦斯的方法，其特征在于：步骤S2中，勘探过程中可选用地表构造超声分析设备以及红外温度探测设备。

6.根据权利要求4所述的深部地热增采煤层瓦斯的方法，其特征在于：步骤S3之前完成管路的铺设及设备的安装工作；地热水输送管路选用保温耐腐蚀管道。

7.根据权利要求4所述的深部地热增采煤层瓦斯的方法，其特征在于：瓦斯抽采工作中，各瓦斯抽采支管（21）同时进行瓦斯抽采，或者根据实际选取其中部分瓦斯抽采支管（21）间歇进行瓦斯抽采。

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