CN115680598A - 一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统及方法，系统包括移动混砂橇车组、移动储砂输砂橇车组、电动压裂泵橇车组、高压电源橇车组、传感设备以及指挥中心；本发明方法实现了远程操作和监控，井下压裂区域实施无人化以及设备自动化，极大的提高了煤矿高效抽采煤层气与瓦斯防治技术水平和井下装备自动化水平本发明通过井下大规模水力压裂工艺提高了瓦斯抽采率、减少了抽采时间、缩短了瓦斯治理周期。

Description

一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统及方法

技术领域

本发明属于油气田压裂技术领域，具体涉及一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统及方法。

背景技术

煤矿瓦斯事故是制约煤炭工业安全发展和可持续发展、影响地区安全稳定好转的突出问题。我国煤炭瓦斯综合治理十六字工作体系“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”。瓦斯抽采仍然时当前瓦斯治理的最有效技术手段，矿井瓦斯抽采能力，要求与采掘布局相协调、相平衡，制约煤矿安全生产效率。

当前国内多数煤矿已经进入到深度开采阶段，随煤炭层深埋的增加，煤储层有效应力增大，煤储层渗透率降低，瓦斯抽采难度进一步加大。随着我国煤炭开采的由浅及深，瓦斯含量也从不影响到严重制约煤炭的安全开采；煤矿瓦斯治理从通风排出瓦斯到先抽后采以风定产，对于瓦斯的治理工作也越来越重视，煤矿瓦斯开采技术也由高透气型的瓦斯开采向低透气型的强化抽采发展，在该背景下多样化的强化瓦斯抽采方法都逐渐显露出来，如水力压裂、煤层注水及交叉布孔等。水力压裂是将高压水注入到煤层中，使原生煤裂隙张开、扩展、延伸至相互贯通，沟通游离瓦斯流动通道，提高瓦斯流动效率。与此同时，改变煤的孔隙结构，提高煤层中瓦斯的解吸效率。水力压裂技术不仅可以用来增加煤层渗透率，还可以防治煤与瓦斯突出。

目前中国煤矿领域应用的几种主要的井下钻孔水力压裂泵组，设备本身的体积可以在井下巷道狭窄的空间移动，但是在实际进行水力压裂作业的过程中，通常情况下都将设备设定在某一个额定排量上，并不适合长期作业，并且注入压力及实际的流量就会收到设备系统电机功率的严重限制，导致井下钻孔水力压裂的实际压力变化情况并不能得以真实反映，压裂规模也受限于设备整体功率情况，严重制约了煤矿井下水力压裂技术和瓦斯治理技术的进一步发展。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统及方法解决了现有的水力压裂设备不适合长期作业、井下压裂规模受限、难以真实反映压裂过程中压力的实际变化情况进行影响压裂效果的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，包括移动混砂橇车组、移动储砂输砂橇车组、电动压裂泵橇车组、高压电源橇车组、传感设备以及指挥中心；所述移动混砂橇车组、移动储砂输砂橇车组、电动压裂泵橇车组、高压电源橇车组、传感设备均可移动布设于井下压裂作业巷道内，所述指挥中心布设于井上；

所述移动混砂橇车组用于将清水与支撑剂按作业要求混合，获得压裂液并输送至电动压裂泵橇车组；

所述移动储砂输砂橇车组用于将砂输送至移动混砂橇车组；

所述电动压裂泵橇车组配置于压裂井口处，用于基于输送的压裂液及砂进行压裂作业；

所述高压电源橇车组用于为移动混砂橇车组、移动储砂输砂橇车组以及电动压裂泵橇车组供电；

所述传感设备配置于压裂作业全过程中，并与指挥中心通信连接，用于采集及监控压裂作业数据；

所述指挥中心用于根据接收的压裂作业数据，协调控制移动混砂橇车组、移动储砂输砂橇车组和电动压裂泵橇车组的工作。

进一步地，所述移动混砂橇车组包括相互连接的移动混砂橇车、第一电动混砂变频橇车和第二电动混砂变频橇车；

所述移动混砂橇车的吸水口通过清水吸入管汇与煤矿井下水仓连接，所述移动混砂橇车的排出管汇上安装有质量流量计，所述移动混砂橇车排出口通过供液排出管汇与电动压裂泵橇车组输入口连接并输送压裂液；

所述第一电动混砂变频橇车和第二电动混砂变频橇车上均配置有变频及电控装置，根据质量流量计实时测量的压裂液密度控制移动混砂车中压裂液的混合过程。

进一步地，所述移动储砂输砂橇车组包括若干台按照逐车输送结构连接的移动储砂输砂橇车，所述移动储砂输砂橇车的车台数满足：

施工总砂量≤移动储砂输砂橇车单车储砂量*车台数。

进一步地，所述移动储砂输砂橇车包括相互连接的主车和副车；

所述主车为多层结构橇车，包括从上到下依次设置的上层的储砂罐、中层的输砂装置以及下层的运输橇车；

所述储砂罐下方配置有多个出砂口，并设置于输砂装置进砂料斗的上方，且所述出砂口和进砂料斗之间设置有电动闸板阀，所述输砂装置的出砂口设置于所述副车进砂料斗的上方，所述副车的出砂口配置于下一移动储砂输砂橇车中主车的进砂料斗上方。

进一步地，所述电动压裂泵橇车组包括若干台电动压裂泵橇车，所述电动压裂泵橇车的排出口通过高压管汇与压裂井口连接；

所述电动压裂泵橇车的车台数满足：

施工总排量≤电动压裂泵橇车单泵施工排量*车台数。

进一步地，所述高压电源橇车组包括若干台高压电源橇车，所述高压电源橇车的车台数满足：

施工总功率=施工压力*施工总排量/效率

施工总功率≤高压电源橇单车变压器容量*车台数。

一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法，包括以下步骤：

S1、根据压裂作业要求配置作业系统工作参数；

S2、基于配置的工作参数，进行压裂液混合及输砂；

S3、基于混合的压裂液及输砂进行自动化压裂作业。

进一步地，所述步骤S1中配置的工作参数包括电动压裂泵橇车组输出的压裂液流量、电动压裂泵橇车组输出的总液量、第一电动混砂变频橇车和第二电动混砂变频橇车的排量控制参数以及移动储砂输砂橇车中电动闸板阀的开关参数；

其中，电动压裂泵橇车组输出的压裂液流量基于压裂井口的目标压力确定；电动压裂泵橇车组输出的总液量根据各电动压裂泵橇车排量确定；第一电动混砂变频橇车和第二电动混砂变频橇车的排量控制参数根据压裂作业预设压裂液密度值确定；所述移动储砂输砂橇车中电动闸板阀的开关参数根据移动混砂橇车的输砂量需求确定。

进一步地，所述步骤S2中，压裂液混合过程具体为：

通过移动混砂橇车排出管汇上安装的质量流量计，实时测量输出的压裂液的密度值，通过第一电动混砂变频橇车和第二电动混砂变频橇车根据预设压裂液密度值和实测值的差值，控制变频器调整移动混砂橇车中输砂绞龙的转速、吸入泵转速、搅拌器转速以及排出泵转速，实现支撑剂和清水的压裂液混合过程控制。

进一步地，所述步骤S3中，在压裂作业过程中，基于压裂井口布设的压力传感器采集的压裂压力数据持续调整作业系统中各橇车的工作状态，并通过视频监控将压裂作业全过程中各橇车工作数据反馈至指挥中心。

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统采用电力作为主动力能源，适用于煤矿井下环境的新型电动压裂装置，解决了煤矿井下水力压裂工艺储砂输砂能力不足、砂液混合能力不足，无法实现高压高排量的水力压裂工业的设备问题；

（2）本发明方法实现了远程操作和监控，井下压裂区域实施无人化以及设备自动化，极大的提高了煤矿高效抽采煤层气与瓦斯防治技术水平和井下装备自动化水平。

（3）本发明方法通过井下大规模水力压裂工艺提高了瓦斯抽采率、减少了抽采时间、缩短了瓦斯治理周期。

（4）基于本发明压裂作业系统可以实现煤矿井下大规模压裂工艺，最高压超过25.2Mpa，施工总排量5m³/min，总注水量可以达到600m³以上，施工总砂量超过30m³，压后抽采瓦斯最大纯流量大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统结构框图。

图2为本发明提供的移动混砂橇车组结构图。

图3为本发明提供的移动储砂输砂橇车组结构图。

图4为本发明提供的移动储砂输砂橇车结构图。

图5为本发明提供的电动压裂泵橇车组结构图。

图6为本发明提供的高压电源橇车组结构图。

图7为本发明提供的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法流程图。

其中：1、移动储砂输砂橇车；101、储砂罐；102、输砂装置；103、运输橇车；104、副车；2、移动混砂橇车；3、第一电动混砂变频橇车；4、第二电动混砂变频橇车；5、高压电源橇车；6、电动压裂泵橇车；7、清水吸入管汇；8、供液排出管汇；9、高压管汇；10、作业巷道；11、移动储砂输砂橇车组；12、高压电源橇车组；13、移动混砂橇车组；14、电动压裂泵橇车组。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

本发明实施例提供了一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，如图1所示，包括移动混砂橇车组13、移动储砂输砂橇车组11、电动压裂泵橇车组14、高压电源橇车组12、传感设备以及指挥中心；所述移动混砂橇车组13、移动储砂输砂橇车组11、电动压裂泵橇车组14、高压电源橇车组12、传感设备均可移动布设于井下压裂作业巷道10内，所述指挥中心布设于井上。

本发明实施例中的所述移动混砂橇车组13用于将清水与支撑剂按作业要求混合，获得压裂液并输送至电动压裂泵橇车组14；所述移动储砂输砂橇车组11用于将砂输送至移动混砂橇车组13；所述电动压裂泵橇车组14配置于压裂井口处，用于基于输送的压裂液及砂进行压裂作业；所述高压电源橇车组12用于为移动混砂橇车组13、移动储砂输砂橇车组11以及电动压裂泵橇车组14供电；所述传感设备配置于压裂作业全过程中，并与指挥中心通信连接，用于采集及监控压裂作业数据；所述指挥中心用于根据接收的压裂作业数据，协调控制移动混砂橇车组13、移动储砂输砂橇车组11和电动压裂泵橇车组14的工作。

本发明实施例中的电动压裂作业系统满足井下作业防爆要求，且其中的指挥中心设置在井上安全区域，远程控制压裂全过程，同时指挥中心通过光纤连接井下的各个橇车设备，各橇车之间可以通过各种通讯方式实现数据交换，包括模拟量信号、脉冲信号、以太网、485通讯、232通讯以及CAN通讯等方式。

如图2所示，本发明实施例中的移动混砂橇车组13包括相互连接的移动混砂橇车2、第一电动混砂变频橇车3和第二电动混砂变频橇车4；

所述移动混砂橇车2的吸水口通过清水吸入管汇7与煤矿井下水仓连接，所述移动混砂橇车2的排出管汇上安装有质量流量计，所述移动混砂橇车2排出口通过供液排出管汇8与电动压裂泵橇车组14输入口连接并输送压裂液；所述第一电动混砂变频橇车3和第二电动混砂变频橇车4上均配置有变频及电控装置，根据质量流量计实时测量的压裂液密度控制移动混砂车中压裂液的混合过程。

本实施例中的第一和第二电动混砂变频橇车配置有变频组合及电控单元用来控制移动混砂橇车2中多台离心泵、螺旋输送机以及电机的工作，其中离心泵用于为清水和压裂液增压，螺旋输送机用于将支撑剂输送至混合罐中；具体地，第一电动混砂变频橇车3变频控制移动混砂橇车2排出泵和吸入泵实时排量，第二电动混砂变频橇车4变频控制移动混砂橇车2中搅拌器以及输砂绞龙转速。本实施例中的移动混砂橇车2的排出管汇上安装有质量流量计能够实时测量混合压裂液的密度值，电控系统根据施工要求根据预定值与实时测量值的差值，通过控制变频器实现调整输砂绞龙的转速，吸入泵转速，搅拌器转速和排出泵转速的配合，实现支撑剂，清水的输入量的比例控制。

如图3所示，本发明实施例中的移动储砂输砂橇车组11包括若干台按照逐车输送结构连接的移动储砂输砂橇车1，其车台数由施工用支撑剂量确定，所述移动储砂输砂橇车1的车台数满足：

施工总砂量≤移动储砂输砂橇车单车储砂量*车台数。

如图4所示，本实施例中的移动储砂输砂橇车1包括相互连接的主车和副车；

所述主车为多层结构橇车，包括从上到下依次设置的上层的储砂罐101、中层的输砂装置102以及下层的运输橇车103；

所述储砂罐101下方配置有多个出砂口，并设置于输砂装置102进砂料斗的上方，且所述出砂口和进砂料斗之间设置有电动闸板阀，所述输砂装置102的出砂口设置于所述副车104进砂料斗的上方，所述副车104的出砂口配置于下一移动储砂输砂橇车1中主车的进砂料斗上方。

基于上述结构，实现多个移动储砂输砂橇车1的逐级连接，进一步地，本实施例中的副车104为输砂提升装置与滑动运输支架的组合车。

如图5所示，本实施例中的电动压裂泵橇车组14包括若干台电动压裂泵橇车6，所述电动压裂泵橇车6的排出口通过高压管汇9与压裂井口连接；

所述电动压裂泵橇车6的车台数满足：

施工总排量≤电动压裂泵橇车单泵施工排量*车台数。

本实施例中的电动压裂泵橇车6中配置有变频一体机、压裂泵、传感器以及辅助电机等，其中传感器包括压裂泵吸入压力传感器、排出压裂传感器、电机绕组温度传感器等。

如图6所示，本发明实施例中的高压电源橇车组12包括若干台高压电源橇车5，所述高压电源橇车5的车台数满足：

施工总功率=施工压力*施工总排量/效率

施工总功率≤高压电源橇单车变压器容量*车台数。

在本发明实施例中，井下变电站通过10kV线路向井下的各橇车设备供电，10kV电缆连接高压电源橇车组12中的各高压电源橇车5，本实施例中的高压电源橇车5包括组合电气及变压器，输出电压为1140V，660V，127V三种制式，为电动压裂作业系统设备供电。

实施例2：

本发明实施例提供了基于实施例1中电动压裂作业系统的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法，如图7所示，包括以下步骤：

S1、根据压裂作业要求配置作业系统工作参数；

S2、基于配置的工作参数，进行压裂液混合及输砂；

S3、基于混合的压裂液及输砂进行自动化压裂作业。

本发明实施例中的步骤S1中配置的工作参数包括电动压裂泵橇车组14输出的压裂液流量、电动压裂泵橇车组14输出的总液量、第一电动混砂变频橇车3和第二电动混砂变频橇车4的排量控制参数以及移动储砂输砂橇车1中电动闸板阀的开关参数；

其中，电动压裂泵橇车组14输出的压裂液流量基于压裂井口的目标压力确定，具体地，压裂井口的压力正比于电动压裂泵橇车6输出的压裂液流量，针对压裂井口的目标压力，能够获取电动压裂泵橇车组14总的对应的所需要输出的压裂液的流量。

电动压裂泵橇车组14输出的总液量根据各电动压裂泵橇车6排量确定，其为多台电动压力泵橇车排量的总和。

第一电动混砂变频橇车3和第二电动混砂变频橇车4的排量控制参数根据压裂作业预设压裂液密度值确定。

所述移动储砂输砂橇车1中电动闸板阀的开关参数根据移动混砂橇车2的输砂量需求确定，具体地，指挥中心根据移动混砂橇车2的输砂量需求，远程控制移动储砂输砂橇车1中输砂装置102和电动闸板阀，逐级输砂至移动混砂橇车2。

本实施例的步骤S2中，压裂液混合过程具体为：

通过移动混砂橇车2排出管汇上安装的质量流量计，实时测量输出的压裂液的密度值，通过第一电动混砂变频橇车3和第二电动混砂变频橇车4根据预设压裂液密度值和实测值的差值，控制变频器调整移动混砂橇车2中输砂绞龙的转速、吸入泵转速、搅拌器转速以及排出泵转速，实现支撑剂和清水的压裂液混合过程控制。

本实施例的步骤S3中，在压裂作业过程中，基于压裂井口布设的压力传感器采集的压裂压力数据持续调整作业系统中各橇车的工作状态，并通过视频监控将压裂作业全过程中各橇车工作数据反馈至指挥中心，以实现全远程操作和监控，井下压裂区域无人化，设备自动化。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (10)

1.一种煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，其特征在于，包括移动混砂橇车组（13）、移动储砂输砂橇车组（11）、电动压裂泵橇车组（14）、高压电源橇车组（12）、传感设备以及指挥中心；所述移动混砂橇车组（13）、移动储砂输砂橇车组（11）、电动压裂泵橇车组（14）、高压电源橇车组（12）、传感设备均可移动布设于井下压裂作业巷道（10）内，所述指挥中心布设于井上；

所述移动混砂橇车组（13）用于将清水与支撑剂按作业要求混合，获得压裂液并输送至电动压裂泵橇车组（14）；

所述移动储砂输砂橇车组（11）用于将砂输送至移动混砂橇车组（13）；

所述电动压裂泵橇车组（14）配置于压裂井口处，用于基于输送的压裂液及砂进行压裂作业；

所述高压电源橇车组（12）用于为移动混砂橇车组（13）、移动储砂输砂橇车组（11）以及电动压裂泵橇车组（14）供电；

所述传感设备配置于压裂作业全过程中，并与指挥中心通信连接，用于采集及监控压裂作业数据；

所述指挥中心用于根据接收的压裂作业数据，协调控制移动混砂橇车组（13）、移动储砂输砂橇车组（11）和电动压裂泵橇车组（14）的工作。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，其特征在于，所述移动混砂橇车组（13）包括相互连接的移动混砂橇车（2）、第一电动混砂变频橇车（3）和第二电动混砂变频橇车（4）；

所述移动混砂橇车（2）的吸水口通过清水吸入管汇（7）与煤矿井下水仓连接，所述移动混砂橇车（2）的排出管汇上安装有质量流量计，所述移动混砂橇车（2）排出口通过供液排出管汇（8）与电动压裂泵橇车组（14）输入口连接并输送压裂液；

所述第一电动混砂变频橇车（3）和第二电动混砂变频橇车（4）上均配置有变频及电控装置，根据质量流量计实时测量的压裂液密度控制移动混砂车中压裂液的混合过程。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，其特征在于，所述移动储砂输砂橇车组（11）包括若干台按照逐车输送结构连接的移动储砂输砂橇车（1），所述移动储砂输砂橇车（1）的车台数满足：

施工总砂量≤移动储砂输砂橇车单车储砂量*车台数。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，其特征在于，所述移动储砂输砂橇车（1）包括相互连接的主车和副车（104）；

所述主车为多层结构橇车，包括从上到下依次设置的上层的储砂罐（101）、中层的输砂装置（102）以及下层的运输橇车（103）；

所述储砂罐（101）下方配置有多个出砂口，并设置于输砂装置（102）进砂料斗的上方，且所述出砂口和进砂料斗之间设置有电动闸板阀，所述输砂装置（102）的出砂口设置于所述副车（104）进砂料斗的上方，所述副车（104）的出砂口配置于下一移动储砂输砂橇车（1）中主车的进砂料斗上方。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，其特征在于，所述电动压裂泵橇车组（14）包括若干台电动压裂泵橇车（6），所述电动压裂泵橇车（6）的排出口通过高压管汇（9）与压裂井口连接；

所述电动压裂泵橇车（6）的车台数满足：

施工总排量≤电动压裂泵橇车单泵施工排量*车台数。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统，其特征在于，所述高压电源橇车组（12）包括若干台高压电源橇车（5），所述高压电源橇车（5）的车台数满足：

施工总功率=施工压力*施工总排量/效率

施工总功率≤高压电源橇单车变压器容量*车台数。

7.一种基于权利要求1~6任一权利要求所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业系统的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据压裂作业要求配置作业系统工作参数；

S2、基于配置的工作参数，进行压裂液混合及输砂；

S3、基于混合的压裂液及输砂进行自动化压裂作业。

8.根据权利要求7所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法，其特征在于，所述步骤S1中配置的工作参数包括电动压裂泵橇车组（14）输出的压裂液流量、电动压裂泵橇车组（14）输出的总液量、第一电动混砂变频橇车（3）和第二电动混砂变频橇车（4）的排量控制参数以及移动储砂输砂橇车（1）中电动闸板阀的开关参数；

其中，电动压裂泵橇车组（14）输出的压裂液流量基于压裂井口的目标压力确定；电动压裂泵橇车组（14）输出的总液量根据各电动压裂泵橇车（6）排量确定；第一电动混砂变频橇车（3）和第二电动混砂变频橇车（4）的排量控制参数根据压裂作业预设压裂液密度值确定；所述移动储砂输砂橇车（1）中电动闸板阀的开关参数根据移动混砂橇车（2）的输砂量需求确定。

9.根据权利要求7所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法，其特征在于，所述步骤S2中，压裂液混合过程具体为：

通过移动混砂橇车（2）排出管汇上安装的质量流量计，实时测量输出的压裂液的密度值，通过第一电动混砂变频橇车（3）和第二电动混砂变频橇车（4）根据预设压裂液密度值和实测值的差值，控制变频器调整移动混砂橇车（2）中输砂绞龙的转速、吸入泵转速、搅拌器转速以及排出泵转速，实现支撑剂和清水的压裂液混合过程控制。

10.根据权利要求7所述的煤矿井下瓦斯治理电动压裂作业方法，其特征在于，所述步骤S3中，在压裂作业过程中，基于压裂井口布设的压力传感器采集的压裂压力数据持续调整作业系统中各橇车的工作状态，并通过视频监控将压裂作业全过程中各橇车工作数据反馈至指挥中心。

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