CN206957683U - 一种煤层卸压增透系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于井下瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种针对“三软”低透气性高瓦斯煤层的卸压增透系统。其包括钻机、水箱、压裂泵、第一高压硬质管道和第二高压硬质管道，所述钻机连接有第一钻头和第二钻头，所述第二钻头为横向切槽钻头；所述压裂泵一端通过管道与所述水箱连通，所述压裂泵另一端与所述第一高压硬质管道的一端连通，所述第一高压硬质管道的另一端通过变径接头与所述第二高压硬质管道相连通。本实用新型的煤层卸压增透系统结构简单，使用效果好，提高了煤层的透气性，能有效解决“三软”低透气性高瓦斯煤层中实施水力压裂增透措施往往达不到理想效果的问题，提高了瓦斯抽放效果和瓦斯抽采率。

Description

一种煤层卸压增透系统

技术领域

本实用新型属于井下瓦斯抽采技术领域，涉及一种煤层卸压增透系统，尤其涉及一种针对“三软”低透气性高瓦斯煤层的卸压增透系统。

背景技术

瓦斯是一种具有强烈温室效应的气体，温室效应约为CO₂的21倍，瓦斯的大量排放将造成严重的环境问题，同时瓦斯又是一种清洁、高效的能源，在热值上，瓦斯与常规天然气相当，每1000m³纯瓦斯相当于1t燃油或1.25t的标准煤。我国高瓦斯矿井吨煤瓦斯含量平均为6～10m³，瓦斯资源丰富，大力抽采瓦斯资源既可以提高资源的利用率，又可以提高煤矿采煤的安全性，并有利于改善全球大气环境。

我国95％以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层多属于低透气性煤层，透气性系数只有10^-3～10^-4m²/(MPa².d)，瓦斯抽放难度非常大，抽放率较低。目前为改善低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采效果，一般是采用水力压裂、水力割缝、高压水射流冲孔(扩孔)等技术来提高瓦斯抽采率。以上方法在某些特定的煤层和地质条件下起到了比较显著的卸压增透作用，提高了煤层的瓦斯预抽率。但对于三软煤层(即软的顶板岩层、软的主采煤层和软的底板岩层)，尤其是对于“三软”低透气性高瓦斯煤层，由于“三软”低透气性高瓦斯煤层松软，其顶底板强度也相对较小，这些方法针对“三软”低透气性高瓦斯煤层的应用效果并不理想。这是由于实施本煤层层内卸压增透措施都是以先施工完成一定规格的煤层钻孔为前提的，经过考察和分析认为有以下几方面原因制约了“三软”低透气性高瓦斯煤层卸压增透技术的实施和效果：

1)本煤层抽采钻孔钻进施工困难，大量的现场实践证明，在“三软”低透气性高瓦斯煤层钻孔施工过程中，容易发生顶钻、卡钻、喷孔；

2)本煤层抽采钻孔不易维护，有效利用率低，由于“三软”低透气性高瓦斯煤层具有强度低、易破碎的特点，即使施工好的钻孔，受复杂应力场的影响，在短时间内会出现坍塌、压实等情况，以至于执行后续的卸压措施时煤层钻孔已经严重变形甚至不存在了；

3)本煤层水力措施作用范围小，效果差，钻孔施工工程量大。

因此，迫切需要寻求一种新的针对“三软”低透气性高瓦斯煤层卸压增透的瓦斯抽采系统。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

针对上述缺陷，本实用新型要解决的技术问题是针对“三软”低透气性高瓦斯煤层提供一种煤层卸压增透系统，以提高“三软”低透气性高瓦斯煤层透气性和瓦斯抽采率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种“三软”低透气性高瓦斯煤层卸压增透系统，其包括钻机、水箱、压裂泵、第一高压硬质管道和第二高压硬质管道，所述钻机连接有第一钻头和第二钻头，所述第二钻头为横向切槽钻头；所述压裂泵一端通过管道与所述水箱连通，所述压裂泵另一端与所述第一高压硬质管道的一端连通，所述第一高压硬质管道的另一端通过变径接头与所述第二高压硬质管道相连通。

本实用新型通过在岩巷中向“三软”低透气性高瓦斯煤层顶板的应力集中带内钻取若干个切向槽钻孔(利用所述第二钻头)及控制钻孔(利用所述第一钻头)，以进行定向水力压裂。所述卸压增透即指顶板切向槽定向水力压裂卸压增透，其利用切向槽形成预制裂缝来控制水力压裂方向，并利用切向槽钻孔周围布置控制钻孔过程中形成的卸压圈引导水压裂隙沿着预制裂缝方向向控制孔方向扩展并最终与之压穿，促进钻孔之间的煤岩体裂隙充分发育，从而形成相互贯通的立体裂隙网；同时地应力在裂隙产生和煤体流变过程中充分释放，钻孔之间应力峰值下降，煤体透气性提高，达到卸压增透的效果，进而充分利用水力压裂能量，消除非定向水力压裂后存在局部卸压盲区和应力集中的现象，取得了扩大水力压裂范围的效果。“三软”低透气性高瓦斯煤层及其顶板松动后裂隙大量的增加，使得煤层中的吸附态瓦斯解吸，并沿着贯穿裂隙大量向顶板的岩层裂隙系统中运移，且在顶板形成高瓦斯聚集区，这样在顶板岩层中利用控制钻孔强化预抽煤岩体裂隙中蕴含的瓦斯，即可成功够避开在松软煤层内施工钻孔的各种不利因素。

进一步地，该卸压增透系统还包括用于控制所述第一高压硬质管道前进的推进控制器，所述推进控制器套设于所述第一高压硬质管道的外围。

进一步地，所述压裂泵连接有第一动力系统，所述推进控制器连接有第二动力系统。

进一步地，所述第一高压硬质管道上设有截止阀和压力表。

进一步地，所述第二高压硬质管道上设有用于控制水压稳定的稳压器。

进一步地，所述第二高压硬质管道与所述稳压器丝扣连接。

进一步地，该卸压增透系统还包括用于抽采瓦斯的抽采管路。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有以下有益效果：

本实用新型所述的煤层卸压增透系统，通过横向切槽钻头在顶板开设切向槽，以进行定向水力压裂卸压增透，其利用切向槽形成预制裂缝来控制水力压裂方向，并利用切向槽钻孔周围布置控制钻孔过程中形成的卸压圈引导水压裂隙沿着预制裂缝方向向控制孔方向扩展并最终与之压穿，促进了钻孔之间煤岩体裂隙的充分发育；同时地应力在裂隙产生和煤体流变过程中充分释放，提高了煤层的透气性，取得了良好的卸压增透效果，因此提高了“三软”低透气性高瓦斯煤层的透气性，进而提高了瓦斯的抽采率。

本实用新型结构简单，使用效果好，能有效解决“三软”低透气性高瓦斯煤层中实施水力压裂增透措施往往达不到理想效果的问题，大大提高了瓦斯抽放效果，具有很好的现场应用价值和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述煤层卸压增透系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述煤层顶板钻取切向槽钻孔及控制钻孔的示意图；

其中，1、煤层顶板；2、“三软”低透气性高瓦斯煤层；3、切向槽钻孔；4、控制钻孔；5、巷道；6、瓦斯探头；7、入水管；8、水箱；9、出水管；10、第一动力系统；11、压裂泵；12、压力表；13、截止阀；14、第一高压硬质管道；15、第二动力系统；16、推进控制器；17、变径接头；18、稳压器；19、第二高压硬质管道；20、封孔段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1和图2所示，针对于“三软”低透气性高瓦斯煤层，本实施例提供了一种煤层卸压增透系统，其包括钻机(图中未示出)、水箱8、压裂泵11、第一高压硬质管道14和第二高压硬质管道19，钻机连接有第一钻头和第二钻头(图中未示出)，第一钻头为用于钻取控制钻孔4的普通钻头，第二钻头为用于钻取切向槽钻孔3的横向切槽钻头(该横向切槽钻头采用现有的常规横向切槽钻头即可)；水箱8设有入水管7和出水管9；压裂泵11一端通过出水管9与水箱8连通，压裂泵11另一端与第一高压硬质管道14的一端连通，第一高压硬质管道14的另一端通过变径接头17与第二高压硬质管道19相连通。

该煤层卸压增透系统还包括用于控制第一高压硬质管道14前进的推进控制器16，推进控制器16套设于第一高压硬质管道14的外围。压裂泵11连接有第一动力系统10，推进控制器16连接有第二动力系统15。

本实施例中，第一高压硬质管道14上设有截止阀13和压力表12。第二高压硬质管道19上设有用于控制水压稳定的稳压器18，且第二高压硬质管道19与稳压器18丝扣连接。另外，还可在进行水力压裂前，第二高压硬质管道19与上述钻孔前段(即靠近外侧的一段)的缝隙处填充封堵物，从而在所述钻孔的前段形成了封孔段20，以避免高压水流至钻孔外。

进一步地，该卸压增透系统还包括用于抽采瓦斯的抽采管路(图中未示出)，且分别通过变径接头与第二钻头钻取的切向槽钻孔3和第一钻头钻取的控制钻孔4的内管路(图中未示出)相连通，并在抽采管路上留有相应的接口进行抽采浓度、流量、负压等参数的测试，即可抽采由于水压裂缝所造成的“三软”低透气性高瓦斯煤层2卸压区域内的瓦斯。贯穿水压裂缝所造成的顶板1高瓦斯聚集区，可大幅提高钻孔瓦斯持续高效抽采能力，瓦斯抽采有效影响范围及钻孔周围的煤体透气性系数均有较大增加。

工作时：

该“三软”低透气性高瓦斯煤层卸压增透系统布置在设有瓦斯探头6的巷道5内，在选定切向槽钻孔3和控制钻孔4位置时，要考虑该低透气性高瓦斯煤层2的厚度，厚度越大越好，还要考虑钻场处煤层顶板1有无伪顶及伪顶的厚度，伪顶厚度1～2m较好，然后利用第一钻头钻取两个控制钻孔4，利用横向切槽钻头在两个控制钻孔4之间钻取一个切向槽钻孔3，切向槽钻孔3和控制钻孔4开口位置一般定在距直接顶1～1.5m处；

在顶板1中平行于煤层2打钻压裂时，压裂水通过入水管7进入水箱8，在第一动力系统10的作用下压裂水经第一高压硬质管道14从水箱8进入压裂泵11，经过压裂泵11后压裂水变为高压水，此时，利用推进控制器16将第一高压硬质管道14和第二高压硬质管道19推进至切向槽钻孔3内，所述高压水通过第二高压硬质管道19进入切向槽钻孔3内，水压调节范围在5～35MPa(本实施例选择25MPa)。

顶板1岩石中的切向槽钻孔3在所述高压水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝，水力压裂结束后通过变径接头17，将之前布置的切向槽钻孔3和控制钻孔4的内管路和巷道5已有的抽采管路连接，并在抽采管路上留有相应的接口进行抽采浓度、流量、负压等参数的测试，即可抽采由于水压裂缝所造成的“三软”低透气性高瓦斯煤层2卸压区域内的瓦斯。

综上所述，本实施例的煤层卸压增透系统，通过横向切槽钻头在顶板开设切向槽，以进行定向水力压裂卸压增透，其利用切向槽形成预制裂缝来控制水力压裂方向，并利用切向槽钻孔周围布置控制钻孔过程中形成的卸压圈引导水压裂隙沿着预制裂缝方向向控制孔方向扩展并最终与之压穿，促进了钻孔之间煤岩体裂隙的充分发育，从而形成相互贯通的立体裂隙网；同时地应力在裂隙产生和煤体流变过程中充分释放，提高了煤层的透气性，取得了良好的卸压增透效果，进而充分利用水力压裂能量，消除非定向水力压裂后存在局部卸压盲区和应力集中的现象，取得了扩大水力压裂范围的效果。“三软”低透气性高瓦斯煤层及其顶板松动后裂隙大量的增加，使得煤层中的吸附态瓦斯解吸，并沿着贯穿裂隙大量向顶板的岩层裂隙系统中运移，且在顶板形成高瓦斯聚集区，这样在顶板岩层中利用控制钻孔强化预抽煤岩体裂隙中蕴含的瓦斯，即可成功够避开在松软煤层内施工钻孔的各种不利因素。因此，本实施例的卸压增透系统提高了“三软”低透气性高瓦斯煤层的透气性，进而提高了瓦斯的抽采率。

该煤层卸压增透系统结构简单，使用效果好，能有效解决“三软”低透气性高瓦斯煤层中实施水力压裂增透措施往往达不到理想效果的问题，大大提高了瓦斯抽放效果，具有很好的现场应用价值和社会效益。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种煤层卸压增透系统，其特征在于，包括钻机、水箱、压裂泵、第一高压硬质管道和第二高压硬质管道，所述钻机连接有第一钻头和第二钻头，所述第二钻头为横向切槽钻头；所述压裂泵一端通过管道与所述水箱连通，所述压裂泵另一端与所述第一高压硬质管道的一端连通，所述第一高压硬质管道的另一端通过变径接头与所述第二高压硬质管道相连通。

2.根据权利要求1所述的煤层卸压增透系统，其特征在于，还包括用于控制所述第一高压硬质管道前进的推进控制器，所述推进控制器套设于所述第一高压硬质管道的外围。

3.根据权利要求2所述的煤层卸压增透系统，其特征在于，所述压裂泵连接有第一动力系统，所述推进控制器连接有第二动力系统。

4.根据权利要求1所述的煤层卸压增透系统，其特征在于，所述第一高压硬质管道上设有截止阀和压力表。

5.根据权利要求1所述的煤层卸压增透系统，其特征在于，所述第二高压硬质管道上设有用于控制水压稳定的稳压器。

6.根据权利要求5所述的煤层卸压增透系统，其特征在于，所述第二高压硬质管道与所述稳压器丝扣连接。

7.根据权利要求1所述的煤层卸压增透系统，其特征在于，还包括用于抽采瓦斯的抽采管路。